基于混合TCP-UDP的HTTP協(xié)議實現(xiàn)方法

關鍵詞：TCP UDP HTTP PDA

引 言

　　超文本傳輸協(xié)議（HTTP）是目前通過Internet進行信息交換最主要的方式。HTTP協(xié)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(fā)送一個請求到服務器，請求中包含請求方法、URI、協(xié)議版本以及相關的MIME(Multipurpose Internet Mail Extensions)樣式的消息。服務器響應一個狀態(tài)行，包含消息的協(xié)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(xié)議實現(xiàn)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?shù)膫鬏斔俣?，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(jīng)常性的開銷，而其并不帶有實際有用的數(shù)據(jù)，只是保證鏈接的可靠性，因此HTTP/1.1[4]提出了可持續(xù)鏈接的實現(xiàn)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(shù)和經(jīng)常性的鏈接開銷。

　　可持續(xù)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(qū)。一個Socket緩沖區(qū)的最小長度必須大于一個TCP包的最大長度，即64 KB，而且很多實現(xiàn)方法在鏈接建立時將預分配一些緩沖區(qū)。可用的Socket的數(shù)量是有限的，很多基于BSD的操作系統(tǒng)對于能夠同時打開的鏈接數(shù)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(xiàn)在：① 因為頁面是針對掌上設備制作的，一般在1 K~2 K字節(jié)，比較小；② 目前無線通信網(wǎng)絡的帶寬很窄，GSM的數(shù)據(jù)信道帶寬只有9.6 K。當前Web頁面的訪問大多通過HTTP協(xié)議，并使用TCP作為下層的傳輸控制協(xié)議。但不幸的是，TCP并不適合短會話的應用情況，不同于現(xiàn)在采用的使用單一TCP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。本文提出了采用動態(tài)選擇傳輸層協(xié)議（TCP、UDP）的方法來改善取回頁面的延遲、網(wǎng)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(yōu)點：首先，對于需要比較少數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，它將使用UDP作為傳輸層的協(xié)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(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，它將使用可靠的帶有重排序和擁塞控制的TCP協(xié)議作為傳輸層的協(xié)議。混合TCP-UDP的實現(xiàn)方法只需要對應用層的改動，而操作系統(tǒng)的核心代碼不用任何更改。僅采用UDP協(xié)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(xié)議，從而進行重排序和擁塞控制來保證傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

1 背 景

　　HTTP是一個請求/響應協(xié)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(shù)據(jù)。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(zhí)行文件、數(shù)據(jù)庫查詢結果等等。

　　圖2給出了在客戶端發(fā)起HTTP GET請求后，在客戶端和服務器之間進行數(shù)據(jù)包交換的示意。圖中只有兩個數(shù)據(jù)包是有用的（即攜帶了數(shù)據(jù)）：一個是HTTP GET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(shù)據(jù)包。為了減輕Web服務器的負荷，經(jīng)常采用重定向機制。這樣從服務器發(fā)來的重定向響應報文是很短的數(shù)據(jù)包。使用TCP作為傳輸協(xié)議需要至少7個數(shù)據(jù)包，而使用UDP則只需要2個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溄硬捎肬DP，而對于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溄硬捎肨CP作為傳輸層協(xié)議。這樣對于短鏈接而言就避免了TCP經(jīng)常性的握手開銷，而對于長鏈接則仍可獲得TCP的優(yōu)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(xié)議，如果對于所請求的URL UDP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(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(xié)議發(fā)出HTTP GET請求，同時啟動超時定時器。

　　當服務器處理客戶端發(fā)來的請求時，它可以從以下兩點做出選擇：

① 如果響應的數(shù)據(jù)足夠?。ū热纾煞诺揭粋€數(shù)據(jù)包中），服務器將使用UDP發(fā)回響應。像比較小的網(wǎng)頁或HTTP REDIRECT響應就屬于這一類。

② 如果響應的數(shù)據(jù)很大，無法放進一個UDP數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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?shù)腍TTP包，客戶端就會收到ICMP錯誤消息（目的地址無法到達/協(xié)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(shù)據(jù)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(fā)請求時，客戶端和服務器之間的數(shù)據(jù)包交換。

3 結 語

　　混合TCP-UDP方法改善了參與HTTP傳輸?shù)娜齻€方面：客戶端、服務器和網(wǎng)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(shù)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(wǎng)絡而言，由于TCP控制數(shù)據(jù)包的減少從而減少了網(wǎng)絡的擁塞。