翻译：实时通信协议UDP-RT——Michael Pan

Posted 2020-10-13

介绍UDP-RT协议，用于实时系统中高效、可靠的通信。

 

介绍

 

几乎所有现代的应用程序都要求快速和可靠的通信，但实时通信的要求更加极致，需要网络实时响应。某些情况下，要求特别高以至于需要特殊的硬件，来实现所需的性能。在过去的十年中，出现了新的技术以支持增长的需求，但是成本很高而可用性不强。因为，大多数系统仍在使用基于以太网为骨干的TCP/IP协议栈。甚至，大多数程序员还在使用同步的socket API进行开发。这篇文章探索了实时系统中主流技术的使用，展示了在系统中如何设计和开发通信。特别的是，它推荐UDP传输层之上的可靠的协议，获得小于1毫秒的平均交互时间（RTT round trip time），同时每秒钟处理成千上万的消息，在网络中的每一个端口上。

 

背景

 

实时网络不是一项简单的工作，因此在深入之前，需要先分析系统连接需求。正确的做法是对系统中的交通进行展开和分类。第一个要做的分类是消息大小，和延时需求。在多数情况下，这两个参数足以用来选择传输协议和网络拓扑。

 

让我们从传输协议的选择开始。因为本文专注于TCP/IP，我们的选择将在TCP和UDP之间。下面的表格展示了选择协议的规则：

 

延时/消息大小	几KB或更少	几十KB或更多
1毫秒（可以更小）到几十毫秒	UDP	？
几百毫秒或更多	TCP	TCP

 

上面的表格中，在低延时和长消息的单元格上有一个问号。在这种特殊情况中，我们需要考虑不同的手段，比如Infiniband之上的RDMA，但这些技术不在本文的范围内。

 

TCP

 

长消息可能包含数据表、图片、视频、一堆参数或其他类型的数据，需要在系统范围内传输而不损失性能。TCP协议在处理大量数据的时候工作良好。长消息允许TCP给引擎预热，找到最佳节奏滑动窗口，避免重传，以及获得高带宽利用率。然而当延时需求变得紧张时，TCP暴露出它的弱点。

 

首先，TCP协议是不确定的。设想一个服务器对多个客户端的情况。客户端共享同一个连接，因此它们的通信影响每个人的延时。考虑到TCP协议缺少平衡和高质量的服务特性，延时变动可能达到几百毫秒。甚至，在多客户端的情况下，带宽利用率可能显著下降（在先前的系统中，可能跌至50%）。

 

另一个困扰TCP的问题是，缓慢的恢复处理。丢失一帧TCP之后常规的恢复可能耗时几百毫秒。有一些小的技巧可降低恢复时间。比如，Windows XP中，配置注册表的TcpAckFrequency和TcpDelAckTicks参数，可以节省200毫秒的恢复时间。遗憾的是，这些参数在所有操作系统中都不存在，或者尽管存在，也有其他的TCP定时器和算法造成恢复时间很长。

 

短消息对TCP来说尤其是挑战。默认情况下，TCP使用Nagle算法积攒短消息，然后一起发送。该算法会延迟数据包的发送，因而，造成延时。Socket提供一个API来禁用此行为（参见setsocket函数文档），但是先前的socket实现可能没有此功能。

 

综上考虑，TCP是一个良好的协议，但不适合实时通信。就像表格1中列出的，它只有在超过几百毫秒延时的系统中才能成功的应用。

 

UDP

 

实时系统中的短消息，通常用于管理硬件设备，数据审核和闭环通信（通过设备实时产生的数据来控制设备行为）。因为数据的实时性，短消息必须在数毫秒的时间内传输到目的地。能够胜任此延时的协议就是UDP。事实上，观察消息从来源到目标再返回的RTT交互时间。UDP协议之上的RTT，高度依赖于硬件和通信节点的操作系统。然而，尽管100Mb网络和非实时操作系统，比如Windows XP，支持1毫秒的平均RTT。使用实时操作系统和更高级的网卡，可能降低到微妙级别。

 

当然，UDP是不可靠的协议，所以使用之前我们要在应用程序层面增加可靠性特性。这是很复杂的工作，但是如果你有一个强大的操作系统，可能已经实现了替代UDP的协议。有很多基于UDP的协议，支持可靠性特性（比如RDP），但没有任何协议适用于异构系统的实时通信。本文提出一种新的UDP之上的可靠协议，特别为这样的系统而设计。

 

通常，当某人被问到网络需求，通常得到一个带宽形式的答案。这个答案是不完全的，对于实时系统来说。正如所见，节点间的通信可通过延时需求和消息大小分类。对于短消息，还有两个重要的描述通信的参数：消息数量和分布。

 

考虑一个1Gb的连接，仅用于发送和接收短消息。理论上，1Gb网卡每秒应该能处理超过2,000,000数据包（最小网络帧的大小是64字节），但是在实践中是远远达不到的。尽管某些特定的网卡可以处理这样数量的数据包，对于操作系统和应用程序来说都是一个真正的挑战。例如，2GHz处理器最多为每个数据包授予1000个周期，对于任务处理来说是非常短的时间。

 

消息的负载均衡也需要被考虑。例如，如果高度同步的多个客户端发送消息到服务器，更有可能在服务端丢失数据包。这样会导致数据包重新发送以及延时的上升。

 

网络规划

 

一旦我们完成了系统内通信的分类和选择传输协议，我们需要转到网络规划。我们需要测试当前的网络拓扑（如果不存在就新建一个），评估它是否可胜任通信需求。通常，实时系统有一个专用的网络处理实时通信。然而，这个网络在系统中可以在不同的模块之间共享，而这些模块可能有不同的性能需求。骨干网络必须足够强壮，来承载所有模块的通信需求。简化讨论，我们假定系统存在一个合适的骨干网络，我们的目标是解决它的利用率。

 

网络规划的下一步是分离不同类型的通信。例如，TCP和UDP不应该搞混。也应该区分不同延时需求的UDP通信。通过分离通信，我们降低了通信密度，因而减少了数据包冲突。同样也简化了网络分析。当然，最佳的分离是为每一中通信类型创建一个专用的物流连接（分离的网卡和节点之间分离的线路）。不过在许多情况下，由于预算和硬件限制，这样的分离是不可行的。这里，我们可以尝试通过时间分离通信。如果这是不可行的，那我们必须检测我们的通信，依据结果考虑实现一个满足网络需求的合适的协议。

 

UDP-RT协议

 

UDP-RT协议是基于UDP协议的，用于在实时通信中低延时地发送短消息，该协议具有可靠性的特点。形式上，UDP-RT协议需要满足下列要求：

1.低延时

·尽可能快的发送消息到目标

·尽可能快的接收和传递消息到应用程序

2.可靠性

避免丢失消息

·一旦消息丢失，检测并恢复它（恢复消息的时间取决于可靠性和低延时要求，因此协议要特变关注这个问题）

·处理消息重排序

 

除了上述功能要求之外，保持协议简单也是重要的。实时系统中的模块会运行嵌入的软件，是难以调试的。所以出于一些高级特性的设计目标以及实现的简单性，我们特意放弃了。不过，对于哪些对鲁棒性更感兴趣胜于简单性的人，在本文最后我们会讨论可行的协议扩展。

 

UDP-RT组件划分为三个模块：发送、接收和协议驱动。前两个负责高效的发送和接收消息。这些模块提供自定义选项，以在宿主系统上优化协议性能。协议引擎覆盖了以上清单中的可靠性需求。

 

UDP
↑	↓
接收模块	发送模块
↑	↓
协议引擎
↑	↓
应用程序

消息结构

 

每一个UDP数据报，包含若干UDP-RT协议的消息。消息不能在UDP数据报之间拆分，所以最大消息尺寸收到最大数据报的限制（64KB）。一个UDP-RT消息由头部和载荷组成。

 

0	4	8	16
主版本	次版本	消息类型	载荷长度
32
ID
64
时间戳
96
预留
128
预留
160

 

·版本字段允许协议升级。在将来的版本中新功能可能被引入，版本字段帮助节点判断兼容性。最近版本是0.0。

·类型：可以是DATA（0x0）、ACK（0x1）和RESET（0x2）。DATA消息包含载荷。RESET消息重置消息计数器。ACK消息用于应答DATA和RESET消息的到达。RESET和ACK消息没有载荷。

·载荷长度定义了消息载荷中的字节数。

·ID是消息序列号，有发送者赋予DATA和RESET消息。ACK消息必须复制对应DATA和RESET消息中的ID。

·时间戳包含DATA和RESET消息的发送时间，由消息发送方填充。ACK消息必须复制对应的DATA和RESET消息中的时间戳。

 

信道设置

 

一对使用UDP-RT协议的节点作为UDP-RT连接，被称为信道。每一个信道有自己的参数，决定了UDP-RT的在信道上的表现。以下是一个信道配置参数的清单：

·初始重传超时-默认重传超时时间。详见“消息重传计时器”

·重传超时模式-协议引擎使用的计算重传超时的算法。详见“消息重传计时器”。

·最大消息延时-应用程序允许的最大消息传递时间。详见“消息重传定时器”。

·消息丢失策略-定义在“最大消息延时”超时之后如何处理消息。详见“消息重传定时器”。

·无序消息策略-定义是否允许信道上的无序消息。详见“消息重排序”。

·重置等待时间-重置过程需要等待的时间。详见“重置消息计数”。

 

协议引擎

 

丢失消息的检测和恢复

办法很简单。要知道是否消息到达了目标，需要等接收模块应答。发送者在内存中持有消息，在等待应答期间。一旦收到应答，消息就可以被丢弃。如果一段时间之内消息没有收到应答，就必须重传。

 

当应用程序执行发送操作，协议做如下动作。首先，分配一个ID给消息然后传递给发送模块，发送模块随后传输消息到目标。然后校正消息的重传时间，放入等待应答的队列（每个信道都有一个队列）。任何时候消息的重传时间超时后，协议引擎就重传消息（交给发送模块），给消息设置新超时时间。如果收到了应答，协议引擎被接收模块通知。检查消息应答队列，如果有消息的ID匹配上，就从队列中移除它，并通知应用程序发送成功（如果应用程序需要这样的通知）。

 

消息重排序

接收模块将收到的消息传递给协议引擎。如果是应答消息，就像上一节描述的那样处理。如果这是一个DATA消息，那就通知协议引擎。于是协议引擎就生成应答消息，传递给发送模块。然后存储接收到的消息，直到应用程序请求它。

 

接口引擎可能收到无序的消息，因为重传和路由（在封闭的实时系统中后者不大可能发生）。因此引擎将消息放到信道的堆（heap）上，按照消息的ID排序。引擎知道下一个到达的是什么消息，所以不会传递无序消息给应用程序，而是等待下一个有序的消息。当然，有的应用程序不关心接收到无序的消息，所以该行为是可配置的（无序消息策略out-of-order messages policy配置）。

 

消息重传计时器

计算定时器超时

UDP-RT协议定义了最大消息延时，作为应用程序允许的消息传递时间。消息延时是协议传输消息的时间；这个值取决于网络硬件和节点所在的操作系统表现。我们假设最大消息延时远超过消息平均延时，并且有充足的时间来重传。于是，重传计时器的超时时间就成为了协议配置中最重要的参数。要设置一个合理的重传超时时间，发送方统计平均消息RTT。往消息头写入时间戳，接收方复制时间戳到ACK消息，这样发送方在收到应答后就可以统计RTT。给定平均RTT后，重传超时时间可以设置为平均RTT+ε，ε是RTT跳动的补偿。既然消息RTT的分布可以考虑为常量，ε应该设置为2*δ，覆盖97%的RTT。平均RTT和ε可以在协议工作中统计，初始重传超时必须由应用程序设置（initial retransmission timeout设置），需要通过基准或理论计算得到该值。上面讨论的模型我们称之为平均RTT重传模型average RTT retransmission model。

 

平均RTT重传模型在信道数量相对较小时工作良好，消息丢失是随时间和信道发散的。确实，如果一些随机的消息丢失，协议会在平均RTT+ε超时之后回传它。现在考虑消息一再丢失的情况。一旦超过最大消息延时时间，协议不再重传消息，而是依据message dropping policy设置继续执行。该设置允许应用程序配置UDP-RT在消息超时时的行为；协议既可以沉默的丢弃这些消息，也可以声明一个系统错误。

 

拥塞控制

平均RTT重传模型在数据报的密度变大的时候变得危险。考虑多个客户端向服务端发送消息。网络活动可能会激增，导致明显的消息丢失和延时。结果是，在重传超时以后，客户端会尝试重新回传消息。如果没有超出负载，回传的消息会造成系统更多的负载，于是更多的消息会丢失和延时。最终，由于连绵不绝的负载，一些消息会到达maximun message delay。要处理这种状况，重要的是要明白消息超时是不大会发生的，是瞬时负载的结果。因此，要避免网络拥堵，需要减少网络的重传，让负载传递下去。这可以通过提高后续重传的超时时间来实现；例如，每两次重传就提升超时时间。我们称这样的超时模型为指数RTT重传模型exponential RTT retransmission model。注意，UDP-RT协议不能处理系统中的持续负载，或者像TCP一样控制消息发送速率。相反，协议假定在一般情况下系统是没有问题的，仅给系统一个故障后重回正轨的机会。

 

你可能会问为什么不用停止等待的方法，在收到最近消息的应答前推迟发送消息。尽管这种技术能避免网络溢出，但有它自身的缺陷。可能造成非必要的发送消息延时，并且这种延时可能累积，除非发送的速率远小于平均RTT时间。

 

QoS

UDP-RT协议不提供QoS机制。相反，它为确保消息的平均发送时间小于最大消息延时做了最大的努力。只要没有丢失消息，并且RTT小于最大消息延时，这是肯定正确的。一旦消息丢失或者延时，重发机制开始工作，于是如果若干信道共享同一个连接，先择一个信道而不是另一个是合理的（例如有一个信道的最大消息延时比其他信道的更小）。换句话说，有些信道相比其他信道可能要求更快的消息恢复。这可以通过给该信道分配更加侵略性的重传超时模型来做到。比如，给信道分配平均RTT重传模型。要决定何时的超时模型，你需要评估你的系统。我们将在协议扩展章节讨论更严格的QoS解决方案。

 

重置消息计数

默认的，发送者从0开始DATA消息的ID，以一个递增的序列分配ID给后续的消息。接受方将ID和消息一起传递给应用程序。应用程序可以随时重置计数器为任何值。重置特性通常由应用程序在开始新的处理序列或者避免消息ID溢出时使用。

 

当应用程序要求重置ID计数器，协议引擎丢弃所有待应答的消息，等待足够长的时间使得系统完成已发送消息的清理。等待时间是在信道的reset waiing time设置的。然后发送者发出RESET消息。接受者清空已收消息堆，重置接收ID计数器为请求的值。RESET消息和DATA消息的应答处理方式是一样的。RESET命令也会传递到接收应用程序，这样应用程序可以恰当的处理RESET通知。例如，它可能从协议引擎请求RESET，然后重置指定信道上两个方向的通信。

 

接收和发送模块

 

接收和发送模块负责在宿主操作系统上适配UDP-RT协议。这些模块运行在特定的线程中，操作socket。这一章，我们讨论这些模块的实现的不同方面，以及如何调试性能。

 

socket编程

回想一下，协议是工作在同步的socket之上的。同步的socket是低效的，但是低效是轻便的代价。接收和发送模块大多使用3个socket API：select、recvfrom和sento。实际上，接受者和发送者线程程序可以描述为：

Recever_Thread_Procedure() {

    while(true) {

        select(FD_SET);

        foreach(s in FD_SET) {

            recvfrom(message, addr);

            notify_protocol_engine(message, addr);

        }

    }

}

 

Sender_Thread_Procedure() {

    while(true) {

        wait_for_msg_from_protocol_engine(message, addr);

        sendto(message, addr);

    }

}

 

让我们测试上面的伪代码的socket API的性能：

select-通常是一个昂贵的API，某些情况下它的执行可能耗时数十毫秒。要降低API的调用，每一个信道拥有自己的socket来和它的节点通信，因此select API可以一次应用到一组大量的socket。select的性能也受到同时调用它的线程数的影响。要处理它，接收模块允许定义接收线程的数量，给每一个线程分配自己的一组socket。

 

recvfrom-在select决定了数据包的socket之后，接收线程调用recvfrom API来检索它们。如果socket缓存里有数据报，recvfrom通常立即返回。在某些操作系统中如果不是这种情况，那recvfrom执行时间可能会成为UDP-RT协议的主要延时限制。

 

sendto-这个API通常执行迅速，但在某些情况下性能会恶化。例如在Windows XP中，多个线程同时调用sendto会显著降低API性能（尽管这些调用是在不同的socket上执行的）。因这个原因，发送模块提供一种定义发送线程数的机制，同样通过合并消息到一个数据报来减少sendto的调用。

 

另一个要考虑的是socket配置；例如，发送和接收的缓存大小。如果发送缓存太小，不能装下全部数据包，socket上的下一个sendto操作将被挂起，直到缓存被释放。接收缓存也会有同样的问题，如果接收socket缓存已经全部填充，新进的数据包会被丢弃。正如我们上面提到的，每一个信道有自己的socket，所以这些情况不大可能发生。然而，如果缓存有问题，你可以调用setsocket API来扩展他们。这样，你会让更多未处理的数据包堆积在缓存里。

 

接收线程

就像上面提到的，接收模块允许多个接收线程的运行。要选择一个最优的接收线程数，需要考虑许多参数：select和recvfrom性能、CPU数和核心数、网络端口数、信道数和信道延时需求。尽管正确的做法是系统检测，也有一些简单的准则。接收线程多次执行select，然后一个接一个处理socket，并分发消息到协议引擎。检索和分发消息不应该造成延时，这样线程就有足够的CPU处理这些任务。因此，作为开始，推荐在给定的电脑上创建和CPU核心数一致的接收线程。

 

发送线程

和接收模块相似，发送模块也允许调整发送线程数。最优的发送线程数应该通过检测得到，然而发送线程的处理不需要CPU，推荐从1个线程开始。

 

除此之外，该模块还要处理消息合并。每一个发送线程管理一个主发送请求队列，同时管理每个信道的消息队列。协议引擎将消息直接放到信道的队列，也将发送请求放到主线程队列中。每一个发送请求包含信道标识，因此当发送线程从主队列取出一个请求时，它知道从对应的信道队列中取出消息。如果发送线程开始累积延时，信道的队列也开始增长，所以当发送线程处理一个队列中有多个消息的信道时，它将它们合并到一个数据报。这样，发送线程减少调用昂贵的sendto API的次数，也获得一个在一段时间后赶上系统的机会。注意发送模块将消息合并作为最后的手段，来克服性能瓶颈，而不是作为优先操作，就像TCP的Nagle算法那样。

 

中断调节

UDP-RT设计要解决的一个问题是大量的数据包在网络上传输。尽管协议引擎，和发送模块都配置好了，大数量的数据包对于操作系统来说也是一大问题。例如Windows XP中，每一个UDP数据包在接收之后触发中断，然后操作系统创建deffered procedure call（DPC）。问题在于Windows XP在同一个核心上处理所有的DPC，所以一旦接收到大量的数据包，操作系统在数据包的处理上成为一个严重的瓶颈。幸运的是，现代网卡允许调节它们创造的中断。因此，如果你的UDP-RT体验降低了，分析中断性能（例如，运行Thesycon DPC Latency Checker），然后如果有需要就使用中断调节。

 

案例研究

 

要检测UDP-RT协议，一个特定的环境被创建。该环境模拟客户端-服务端系统，由700个拥有100MBit以太网卡的客户端、网络交换机和拥有2个2.33GHz CPU（每个4核心）的Intel服务器组成。客户端通过若干级联的交换机，连接到服务端的6个1Gbit网卡。

 

UDP-RT性能可通过消息的平均RTT衡量。如果RTT远小于最大消息延时，就说明协议在系统上运行良好。尽管，某些情况下RTT参数不可确信。RTT可能很高，并且它的值波动很大。另一个参数可用来衡量UDP-RT性能：应答消息队列的平均长度。该参数在高延时的系统中特别有用，很好的给出了网络的稳定性的度量。

 

服务端接收客户端的消息，针对每个消息做一些统计，然后发送结果，所以两个方向的消息数量是对等的。这没有算UDP-RT为每个DATA消息发送的ACK消息。在我们的环境中，我们注意到服务端到客户端的方向没有任何信息丢失，因此UDP-RT变更为不从客户端发送ACK消息。这样就降低了客户端到服务端方向的传输密度，这经常是消息延时和丢失发生的方向。

 

如果所有的客户端每3毫秒发送消息，那么总共，算上ACK消息，服务端每秒钟收到130000个消息，发送260000个消息到客户端。等同于每7.7微秒接收一个消息，每3.85微秒发送一个消息。客户端的消息是以太网MTU的尺寸（1.5KB）。服务端的消息要小的多，不超过100字节。ACK消息长度是20字节，因此总的通信带宽需求大概是2.2Gbit，不超过服务器上可用带宽的一半（6个1Gbit端口）。

 

UDP-RT协议在服务端经过了两个操作系统的测试：Window XP专业版和Windows 7旗舰版。Windows XP可成功处理50000消息输入和100000消息输出。接收消息的平均RTT是10毫秒，应答消息队列的平均长度是7。每秒中客户端重发几十条消息。对于输出消息，RTT和队列长度测量不可用，因为我们废除了客户断ACK消息。Windows XP的结果如下：

每秒接收消息	平均RTT（毫秒）	最大RTT（毫秒）	平均消息队列长度	最大消息队列长度
50000	10	50	7	33

 

增加输入消息的数量将导致RTT时间的显著增长，以及未应答消息队列的溢出，该队列的大小被限定为50。而且，尽管接收50000输入消息，系统变得十分不稳定，测量结果每隔几秒钟就会跳动。

 

必须提到，为了实现上面的结果，做了若干校准来调试UDP-RT接收和发送模块。在最终配置中，我们使用了网卡上允许的最大重中断调制，接收模块拥有6个接收线程，发送模块仅配置为运行1个线程。

 

然而，Windows 7显示出可靠的性能。系统成功的处理130000输入和260000输出消息，在几分钟的时间里只有微小的RTT和队列长度测量波动。没有发现任何消息重传。我们将这结果归因为Windows 7的receive-side scaling（RSS）技术。结果如下：

每秒接收消息	平均RTT（毫秒）	最大RTT（毫秒）	平均消息队列长度	最大消息队列长度
130000	14	31	8	9

 

Window 7的发送和接收模块配置，和我们在Windows XP中使用的是相同的。进一步调试配置可能带来更好的结果。

 

UDP-RT的可能扩展

 

捎带ACK消息

UDP-RT最大的挑战是减少网络中的数据包数。在我们上面的案例学习中，我们确定网络路径是可靠的，取消了对应的ACK消息。此外，更通用的减少数据包的做法是，在包含DATA消息的数据包中捎带ACK消息。这样，接受者在收到DATA消息后不会立即发送ACK，而是延后再发送。如果有DATA消息要传输到同一节点，就合并消息到同一个数据报。接收者要知道应答会被延迟多久。如果延时太久，DATA消息可能被重传。要克服此问题，发送节点要告诉接收者，是否允许推迟ACK消息，推迟多久。这可通过在DATA消息头部添加一个超时时间来实现。这个超时应该根据回传超时模型和最大消息延时参数计算。例如，averange RTT retransmission model不允许过多的应答延时，所以发送方需要通过δ来增加重传时间，在DATA消息头中传递δ。接受方将等待，至多δ时间，等捎带信息的机会。此外，接受者需要添加实际的ACK消息延时到ACK头部，这样发送者可以提取对应DATA消息的RTT时间。其他的捎带ACK消息的方案也是可能的。

 

发送和接收模块的QoS

在上面的章节中已经提到，不同的消息恢复机制，是UDP-RT协议实现QoS的基础。此问题的另一个方法是在接收和发送模块中实现严格的QoS模型。毕竟，接收模块线程是工作在socket之上的，所以特定的socket可以被放到独立的集合中赋予更高的优先级，并更加频繁的进行采样。例如，可以通过加权循环算法来采样。类似的，发送模块中的发送请求队列可以划分为若干队列，可以以不同的方式采样。

 

在发送和接收模块中实现QoS，并没有替换不同信道各自被赋予的恢复机制。既然底层操作系统和网络设备不支持QoS，数据包可能丢失或延时，因此管理不同的恢复机制是克服此限制的核心。

 

总结

 

实时通信离“plug-and-play”还相差很远。本文试着系统分析TCP/IP协议在实时通信上的应用，提出新的可靠的协议，在标准的TCP/IP组件无法系统所需性能的地方。

 

Michael Pan

2011-11-15

 

原文：https://www.codeproject.com/articles/275715/real-time-communications-over-udp-protocol-udp-rt