网络传输过程中UDP协议实现

朱新星

摘要：随着计算机网络的广泛运用，作为计算机网络体系结构中的重要协议之一 —— UDP传输协议，已经广泛的运用到计算机网络的数据传输的过程中，而且希望数据可以高效、准确、迅速的完成传输。本文研究了运输层的UDP协议发送来的数据包在网络层的IP协议条件下对数据进行处理、发送的过程，主要包括建立连接，数据的接收和缓存，IP数据包头的处理以及数据发送四个步骤，接着设计了以为基础FPGA的功能实现方案。

关键词：UDP 协议 FPGA

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/ Internet Protocol，TCP/IP）协议簇是Internet 和全球各地网络互联的引擎。本文针对网际层IP协议下的一项功能的实现，主要是针对从UDP协议下的数据包处理的过程。UDP是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。

1数据报处理方案

1.1端口设计

端口应该由外部端口和内部端口组成。外部端口是控制硬件（以FPGA为例），主要包括时钟输入信号和复位输入信号。内部端口为运输层与网络层相互联系为原则设计的，不仅需要数据输入输出，也需要这两个模块间的相互控制。具体内部端口主要包括数据输入输出信号及对应的数据同步信号，两个准备信号，两个IP地址输入信号和输入同步信号的结束信号。信号描述如下：

时钟信号（clk）、复位信号（res）、UDP准备信号（udprd）、输入数据信号（isd）：、输入数据同步信号（iss）、输入数据结束信号（ise）、源IP地址（sipa）：、目的IP地址（dipa）、IP准备信号（iprd）、输出数据信号（osd）、输出数据同步信号（oss）。

具体端口设置如图1：

1.2 功能模块

1.2.1 建立连接模块

运输层和网络层之间有很多协议，不同协议对应不同数据包，如何选择合适通路选择特定数据包，这就要求有特定的连接过程完成特定的数据传输。

为了建立UDP协议数据和IP数据之间的相互通信，在方案中，选择增添一个建立连接模块，目的是完成两个功能。首先是完成UDP协议下的数据在特定通道内向网络层的传输，其次是产生控制信号，控制下一模块工作状态。在此过程中，主要涉及到两个信号，其一是udprd信号，是建立连接第一步，这个信号旨在反映UDP数据报已经准备好发送；其二是iprd信号，建立连接第二步，本信号是为了给运输层的UDP协议的反馈信号，如果接到收此信号，UDP数据报就开始发送了。本信号还有一个功能：当网络层对数据处理时，此信号会自动变低电平，将不会接收UDP数据报，直到在网络层的数据处理完毕。

1.2.2 数据接收存储模块

在此模块下，可分为数据接收部分和数据的存储部分。

首先介绍一下数据的接收部分，当大量的数据报准备进入网络层时，有些数据是没有意义的，所以要准确有效的接收来自UDP协议下的数据报，需要在这一部分完成此功能。在端口的设置，增加了同步接收信号和终止信号，当同步信号有效，数据为有效数据，当终止信号有效，则一个完整的UDP数据包就发送完成了。

当大量的UDP数据包进入到IP协议下准备处理，而处理速度是远远小于接收的速度，会导致数据的滞留，甚至数据会丢失。为了解决该问题，增加了一个数据存储模块，把数据存储下来，弥补了处理速度和接收速度的不匹配。

此模块还额外的完成了一个功能：计数功能。在加I P数据头需要每一包UDP数据包字节的长度信息进行存储。

1.2.3 IP数据包头处理及发送模块

每一份的IP数据包都是有IP数据包头和对应的UDP数据包组合成的。需要将其对应封装。

当IP数据包头处理完成了，紧接任务就是将其发送出去。在发送完IP数据包头紧跟要发送其对应的UDP数据包，这就是一个完整的IP数据包。如果输出同步信号有效，这些处理好的数据将发送到数据链路层供其使用。

2方案综述

（1）运输层和网络层之间建立连接，保证数据准确无误差的传输到网络层，产生控制信号，控制数据的接收；产生反馈信号，保证运输层的UDP数据包适时的传送过来。（2）读取UDP数据包并准确的计数，将已读的数据存入缓存中，产生信号，控制IP头处理模块的启动，然后将必要数据传递到IP头处理模块。（3）处理数据，将对应的一包UDP数据产生相应的IP数据包头，形成一个IP数据包。然后将包头发送，产生输出的同步信号，之后产生信号读取缓存中的数据，通过输出端口将其发送出去。

这就是一个UDP数据包的处理过程，不断反复以上步骤，UDP数据段就转变成了IP数据段。

本方案增加了同步数据的输出信号，这就可以自由的控制输入输出数据，不会导致数据的意外丢失。而这些信号还可以支持数据间断输入，给运输层数据传输很大的灵活性；还增加了udp和iprd信号，它们完成这两个层连接，给数据传输提供良好的初始条件。

参考文献

[1]TCP-IP详解（中文）.pdf.

[2]张帆.《基于FPGA的IP协议处理器》.湖南大学硕士论文.

[3]雷钊等.《基于FPGA的TCP-IP协议的实现》.电脑编程技巧与维护，2009（5）.