基于混合TCP-UDP的HTTP協議實現方法

基于混合TCP-UDP的HTTP協議實現方法

　　摘要：目前，用于Web頁面訪問的應用都是基于HTTP應用協議的，而在下層則使用傳輸控制協議（TCP）[1]作為傳輸協議；但TCP并不適合于短會話，即只有少量的數據交換的情況。因為建立、撤銷TCP鏈接的開銷即使對于短會話也是必需的。在用于PDA（個人數字助理）中瀏覽器的設計中，根據無線網絡延遲大、帶寬窄的特點提出了一種混合TCP-UDP傳輸協議的方法來解決這一問題。本方法使用UDP[2]作為短會話時的傳輸層協議，而對于有大量數據需要傳輸時則使用TCP作為傳輸層的協議。這樣，對于短會話可以避免TCP的額外開銷，而對于長會話又可以得到由TCP提供的可靠傳輸和擁塞控制。
　　關鍵詞：TCPUDPHTTPPDA
　　
　　引言
　　
　　超文本傳輸協議（HTTP）是目前通過Internet進行信息交換最主要的方式。HTTP協議是建立在請求/響應(request/response)模型上的。首先由客戶建立一條與服務器的TCP鏈接，并發送一個請求到服務器，請求中包含請求方法、URI、協議版本以及相關的MIME(MultipurposeInternetMailExtensions)樣式的消息。服務器響應一個狀態行，包含消息的協議版本、一個成功和失敗碼以及相關的MIME式樣的消息(包含服務器的信息、資源實體的信息和可能的資源內容)。圖1給出了HTTP協議實現的一個簡單模型。HTTP/1.0[3]為每一次HTTP的請求/響應建立一條新的TCP鏈接，因此一個包含HTML內容和圖片的頁面將需要建立多次的短期的TCP鏈接。一次TCP鏈接的建立將需要3次握手。另外，為了獲得適當的傳輸速度，則需要TCP花費額外的回路鏈接時間（RTT）。每一次鏈接的建立需要這種經常性的開銷，而其并不帶有實際有用的數據，只是保證鏈接的可靠性，因此HTTP/1.1[4]提出了可持續鏈接的實現方法。HTTP/1.1將只建立一次TCP的鏈接而重復地使用它傳輸一系列的請求/響應消息，因此減少了鏈接建立的次數和經常性的鏈接開銷。
　　
　　可持續鏈接減少了每次TCP鏈接建立的時間，但是一個空閑的TCP鏈接將需要一個Socket和相應的存儲緩沖區。一個Socket緩沖區的最小長度必須大于一個TCP包的最大長度，即64KB，而且很多實現方法在鏈接建立時將預分配一些緩沖區。可用的Socket的數量是有限的，很多基于BSD的操作系統對于能夠同時打開的鏈接數都有一個缺省的最大值。
　　
　　無線掌上設備PDA的應用（如瀏覽器）[5]特點表現在：①因為頁面是針對掌上設備制作的，一般在1K~2K字節，比較小；②目前無線通信網絡的帶寬很窄，GSM的數據信道帶寬只有9.6K。當前Web頁面的訪問大多通過HTTP協議，并使用TCP作為下層的傳輸控制協議。但不幸的是，TCP并不適合短會話的應用情況，不同于現在采用的使用單一TCP傳輸協議進行數據傳輸的方式。本文提出了采用動態選擇傳輸層協議（TCP、UDP）的方法來改善取回頁面的延遲、網絡擁塞以及服務器的負荷。
　　
　　這種混合TCP-UDP的方法結合兩個方面的優點：首先，對于需要比較少數據傳輸的情況，它將使用UDP作為傳輸層的協議，從而避免了TCP鏈接的多次握手開銷；另外，對于需要較多數據傳輸的情況，它將使用可靠的帶有重排序和擁塞控制的TCP協議作為傳輸層的協議。混合TCP-UDP的實現方法只需要對應用層的改動，而操作系統的核心代碼不用任何更改。僅采用UDP協議的缺點在于，需要在應用層建立一套類似于TCP復雜的控制協議，從而進行重排序和擁塞控制來保證傳輸的可靠性。
　　
　　1背景
　　
　　HTTP是一個請求/響應協議，客戶端的應用程序通過提供一個URL可以從服務器上得到所需的數據。HTTP可以用來訪問各種不同類型的資源，其中包括文本、圖形、影音、可執行文件、數據庫查詢結果等等。
　　
　　圖2給出了在客戶端發起HTTPGET請求后，在客戶端和服務器之間進行數據包交換的示意。圖中只有兩個數據包是有用的（即攜帶了數據）：一個是HTTPGET請求，另一個是HTTP的響應。其它的都是TCP用來進行握手操作的數據包。為了減輕Web服務器的負荷，經常采用重定向機制。這樣從服務器發來的重定向響應報文是很短的數據包。使用TCP作為傳輸協議需要至少7個數據包，而使用UDP則只需要2個數據包就足夠了。
　　
　　2設計
　　
　　我們使用混合傳輸層[6]的方法即對于少量數據傳輸的鏈接采用UDP，而對于大量數據傳輸的鏈接采用TCP作為傳輸層協議。這樣對于短鏈接而言就避免了TCP經常性的握手開銷，而對于長鏈接則仍可獲得TCP的優點，如超時重傳、擁塞控制、錯誤恢復機制等。這種方法中，客戶端首先嘗試使用UDP作為傳輸層的協議，如果對于所請求的URLUDP并不適合，則再次使用TCP鏈接。這種方法提供了以下保證：
　　
　　◇如果初始的UDP數據包丟失，將采用TCP重新鏈接而不會受到影響。
　　
　　
　　
　　
　　◇如果所鏈接的服務器沒有使用混合傳輸層的實現機制，客戶端將使用TCP重新進行鏈接。
　　
　　圖3給出了混合TCP、UDP的實現算法。一個采用混合算法的HTTP客戶端首先使用UDP作為傳輸層的協議發出HTTPGET請求，同時啟動超時定時器。
　　
　　當服務器處理客戶端發來的請求時，它可以從以下兩點做出選擇：
　　
　　①如果響應的數據足夠小（比如，可放到一個數據包中），服務器將使用UDP發回響應。像比較小的網頁或HTTPREDIRECT響應就屬于這一類。
　　
　　②如果響應的數據很大，無法放進一個UDP數據包中，服務器則要求客戶端使用TCP重試。這可以通過添加一個HTTP的頭部字段來解決如TCPRETR。
　　
　　在客戶端，將會出現以下三種情況：
　　
　　◇客戶端從服務器接收到響應。如果響應中包含了所需的HTTP響應，客戶端將對數據進行處理。如果服務器要求客戶端重試，客戶端將使用TCP作為傳輸層重試。
　　
　　◇如果服務器沒有處理通過UDP傳輸的HTTP包，客戶端就會收到ICMP錯誤消息（目的地址無法到達/協議無法到達）。此時客戶端將會使用TCP重試。
　　
　　◇如果定時器超時，客戶端應使用TCP重試。
　　
　　圖4給出了在定時器超時情況下，客戶端和服務器之間數據包的交換。這種超時機制提供了可靠性，以及與未使用混合TCP-UDP方法的服務器的兼容性。
　　
　　圖5示意了服務器要求客戶端使用TCP重發請求時，客戶端和服務器之間的數據包交換。
　　
　　3結語
　　
　　混合TCP-UDP方法改善了參與HTTP傳輸的三個方面：客戶端、服務器和網絡。
　　
　　◇對于客戶端而言，可以避免由于TCP而引入的三向握手的時間，從而減少了瀏覽的延遲時間。
　　
　　◇對于服務器而言，由于所需的TCP的鏈接數量減少，從而降低了由于建立、維護、撤銷TCP鏈接所帶來的服務器的負荷。
　　
　　◇對于網絡而言，由于TCP控制數據包的減少從而減少了網絡的擁塞。

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