TCP-UDP混合使用模式

目前，用于Web页面访问的应用都是基于HTTP应用协议的，而在下层则使用传输控制协议（TCP）[1]作为传输协议；但TCP并不适合于短会话，即只有少量的数据交换的情况。因为建立、撤销TCP链接的开销即使对于短会话也是必需的。 在用于PDA（个人数字助理）中浏览器的设计中，根据无线网络延迟大、带宽窄的特点提出了一种混合TCP-UDP传输协议的方法来解决这一问题。本方法使用UDP[2]作为短会话时的传输层协议，而对于有大量数据需要传输时则使用TCP作为传输层的协议。这样，对于短会话可以避免TCP的额外开销，而对于长会话又可以得到由TCP提供的可靠传输和拥塞控制。

    关键词：TCP UDP HTTP PDA

引 言

　　超文本传输协议（HTTP）是目前通过Internet进行信息交换最主要的方式。HTTP协议是建立在请求/响应(request/response)模型上的。首先由客户建立一条与服务器的TCP链接，并发送一个请求到服务器，请求中包含请求方法、URI、协议版本以及相关的MIME(Multipurpose Internet Mail Extensions)样式的消息。服务器响应一个状态行，包含消息的协议版本、一个成功和失败码以及相关的MIME式样的消息(包含服务器的信息、资源实体的信息和可能的资源内容)。图1给出了HTTP协议实现的一个简单模型。HTTP/1.0[3]为每一次HTTP的请求/响应建立一条新的TCP链接，因此一个包含HTML内容和图片的页面将需要建立多次的短期的TCP链接。一次TCP链接的建立将需要3次握手。另外，为了获得适当的传输速度，则需要TCP花费额外的回路链接时间（RTT）。每一次链接的建立需要这种经常性的开销，而其并不带有实际有用的数据，只是保证链接的可靠性，因此HTTP/1.1[4]提出了可持续链接的实现方法。HTTP/1.1将只建立一次TCP的链接而重复地使用它传输一系列的请求/响应消息，因此减少了链接建立的次数和经常性的链接开销。

　　可持续链接减少了每次TCP链接建立的时间，但是一个空闲的TCP链接将需要一个Socket和相应的存储缓冲区。一个Socket缓冲区的最小长度必须大于一个TCP包的最大长度，即64 KB，而且很多实现方法在链接建立时将预分配一些缓冲区。可用的Socket的数量是有限的，很多基于BSD的操作系统对于能够同时打开的链接数都有一个缺省的最大值。

　　无线掌上设备PDA的应用（如浏览器）[5]特点表现在：① 因为页面是针对掌上设备制作的，一般在1 K~2 K字节，比较小；② 目前无线通信网络的带宽很窄，GSM的数据信道带宽只有Array.6 K。当前Web页面的访问大多通过HTTP协议，并使用TCP作为下层的传输控制协议。但不幸的是，TCP并不适合短会话的应用情况，不同于现在采用的使用单一TCP传输协议进行数据传输的方式。本文提出了采用动态选择传输层协议（TCP、UDP）的方法来改善取回页面的延迟、网络拥塞以及服务器的负荷。

　　这种混合TCP-UDP的方法结合两个方面的优点：首先，对于需要比较少数据传输的情况，它将使用UDP作为传输层的协议，从而避免了TCP链接的多次握手开销；另外，对于需要较多数据传输的情况，它将使用可靠的带有重排序和拥塞控制的TCP协议作为传输层的协议。混合TCP-UDP的实现方法只需要对应用层的改动，而操作系统的核心代码不用任何更改。仅采用UDP协议的缺点在于，需要在应用层建立一套类似于TCP复杂的控制协议，从而进行重排序和拥塞控制来保证传输的可靠性。

1 背 景

　　HTTP是一个请求/响应协议，客户端的应用程序通过提供一个URL可以从服务器上得到所需的数据。HTTP可以用来访问各种不同类型的资源，其中包括文本、图形、影音、可执行文件、数据库查询结果等等。

　　图2给出了在客户端发起HTTP GET请求后，在客户端和服务器之间进行数据包交换的示意。图中只有两个数据包是有用的（即携带了数据）：一个是HTTP GET请求，另一个是HTTP的响应。其它的都是TCP用来进行握手操作的数据包。为了减轻Web服务器的负荷，经常采用重定向机制。这样从服务器发来的重定向响应报文是很短的数据包。使用TCP作为传输协议需要至少7个数据包，而使用UDP则只需要2个数据包就足够了。

2 设 计

　　我们使用混合传输层[6]的方法即对于少量数据传输的链接采用UDP，而对于大量数据传输的链接采用TCP作为传输层协议。这样对于短链接而言就避免了TCP经常性的握手开销，而对于长链接则仍可获得TCP的优点，如超时重传、拥塞控制、错误恢复机制等。这种方法中，客户端首先尝试使用UDP作为传输层的协议，如果对于所请求的URL UDP并不适合，则再次使用TCP链接。这种方法提供了以下保证：

◇ 如果初始的UDP数据包丢失，将采用TCP重新链接而不会受到影响。

◇ 如果所链接的服务器没有使用混合传输层的实现机制，客户端将使用TCP重新进行链接。

　　图3给出了混合TCP、UDP的实现算法。一个采用混合算法的HTTP客户端首先使用UDP作为传输层的协议发出HTTP GET请求，同时启动超时定时器。

　　当服务器处理客户端发来的请求时，它可以从以下两点做出选择：

① 如果响应的数据足够小（比如，可放到一个数据包中），服务器将使用UDP发回响应。像比较小的网页或HTTP REDIRECT响应就属于这一类。

② 如果响应的数据很大，无法放进一个UDP数据包中，服务器则要求客户端使用TCP重试。这可以通过添加一个HTTP的头部字段来解决如 TCPRETR。

　　在客户端，将会出现以下三种情况：

◇ 客户端从服务器接收到响应。如果响应中包含了所需的HTTP响应，客户端将对数据进行处理。如果服务器要求客户端重试，客户端将使用TCP作为传输层重试。

◇ 如果服务器没有处理通过UDP传输的HTTP包，客户端就会收到ICMP错误消息（目的地址无法到达/协议无法到达）。此时客户端将会使用TCP重试。

◇ 如果定时器超时，客户端应使用TCP重试。

　　图4给出了在定时器超时情况下，客户端和服务器之间数据包的交换。这种超时机制提供了可靠性，以及与未使用混合TCP-UDP方法的服务器的兼容性。

　　图5示意了服务器要求客户端使用TCP重发请求时，客户端和服务器之间的数据包交换。

3 结 语

　　混合TCP-UDP方法改善了参与HTTP传输的三个方面：客户端、服务器和网络。

◇ 对于客户端而言，可以避免由于TCP而引入的三向握手的时间，从而减少了浏览的延迟时间。

◇ 对于服务器而言，由于所需的TCP的链接数量减少，从而降低了由于建立、维护、撤销TCP链接所带来的服务器的负荷。

◇ 对于网络而言，由于TCP控制数据包的减少从而减少了网络的拥塞。