11. 网络协议之:基于UDP的高速数据传输协议UDT

简介

简单就是美。在网络协议的世界中，TCP和UDP是建立在IP协议基础上的两个非常通用的协议。我们现在经常使用的HTTP协议就是建立在TCP协议的基础上的。相当于TCP的稳定性来说，UDP因为其数据传输的不可靠性，所以用在某些特定的场合，如直播、广播消息、视频音频流处理等不太需要校验数据完整性的场合。

UDP相对TCP协议而言，其特点就是简洁，它删除了在TCP协议中为了保证消息准确性的各种限制性特征。简洁带来的好处就是快！今天给大家讲解一下，基于UDP的高速数据传输协议UDT。

UDT协议

UDP因为其简单的特性，所以可以做到很多TCP做不到的事情，比如进行大数据量的快速传输。这里并不是要将TCP和UDP分个好坏高下，毕竟各个协议的适应场景不同，他们之所以流行，就是因为可以在特定的场景发挥出重要的作用。套用中国的一句谚语就是：不管白猫黑猫，能抓到老鼠的，就是好猫。

用好UDP协议，我们就可以快速的传递大量的数据，这个协议就是UDT协议。

话说，像这些基础协议都是老外发明的，而中国的互联网巨头都在抢着做平台、做流量的生意,真的是无话可说....

UDT项目开始于2001年，是由Yunhong Gu在芝加哥伊利诺伊大学国家数据挖掘中心 (NCDM)读博士期间开发的，并在毕业之后持续的进行维护和升级改进。

UDP的出现是因为那时候，传输更快更便宜的光纤网络出现了，代替了之前的铜缆线和双绞线，从而极大的提升了信息传输的效率。这时候大家就发现之前使用TCP协议来进行大数据的传输会有很大的问题。从而基于UDP的UDT协议出现了。

UDT的第一个版本，也称为SABUL（Simple Available Bandwidth Utility Library），UDT通过支持批量数据传输，从而方便在私有网络中进行数据的传输。

要注意的是UDT的第一个版本SABUL使用UDP协议进行传输数据，同时使用单独的TCP协议连接传输控制消息。

UDT的初始版本是在超高速网络（1 Gbit/s、10 Gbit/s等）上进行开发和测试的，2003年10月，NCDM实现了从美国芝加哥到荷兰阿姆斯特丹的平均每秒6.8G比特的传输。在30分钟内的测试中，他们传输了大约1.4TB的数据。

从2004年发布的2.0版本开始，SABUL改名为UDT，UDT的全称是UDP-based Data Transfer Protocol，也就是基于UDP的数据传输协议。

为什么要改成UDT呢？因为在UDT2.0中，删除了SABUL中的TCP 控制连接，并使用UDP来处理数据和控制信息。 另外，UDT2还引入了一种新的拥塞控制算法，允许协议动态调整UDT和TCP流，实现UDT和TCP流的并发运行。

在2006年，UDT协议升级到了3版本，该协议不仅是在私有网络中运行了，而是扩展到了商业互联网中。同时UDT3中的拥塞控制可以进行调整优化，可以在低带宽的环境中运行，并且允许用户轻松定义和安装自己的拥塞控制算法。另外，UDT3还显着减少了系统资源（CPU和内存）的使用。

2007年，UDT4版本在高并发和防火墙穿透方面进行优化和性能的提升。UDT4允许多个UDT连接绑定到同一个UDP端口，它还支持集合连接设置，以便UDP hole punching。

什么是UDP hole punching呢?

UDP hole punching通常被用在网络地址转换 (NAT)中。用来维护穿越NAT的用户UDP数据包流。它是一种使用网络地址转换器在专用网络中的Internet主机之间建立双向UDP连接的方法。

什么是NAT呢？

大家都知道IPV4地址是有限的，很快IPV4地址就快用完了，那怎么解决这个问题呢？

当然，一个永久解决的办法是IPV6，不过IPV6推出这么多年了，好像还没有真正的普及。

不使用IPV6的话还有什么解决办法呢？

这个办法就是NAT（Network Address Translators）。

NAT的原理是将局域网的IP和端口和NAT设备的IP和端口做个映射。

NAT内部维护着一张转换表。这样就可以通过一个NAT的IP地址和不同的端口来连接众多的局域网服务器。

那么NAT有什么问题呢？

NAT的问题在于，内部客户端不知道自己外网IP地址，只知道内网IP地址。

如果是在UDP协议中，因为UDP是无状态的，所以需要NAT来重写每个UDP分组中的源端口、地址，以及IP分组中的源IP地址。

如果客户端是在应用程序内部将自己的IP地址告诉服务器，并想跟服务器建立连接，那么肯定是建立不了的。因为找不到客户端的公网IP。

即使找到了公网IP，任何到达NAT设备外网IP的分组还必须有一个目标端口，而且NAT转换表中也要有一个条目可以将其转换为内部主机的IP地址和端口号。否则就可能出现下图的连接失败的问题。

怎么解决呢？

第一种方式是使用STUN服务器。

STUN服务器是IP地址已知的服务器，客户端要通信之前，先去STUN服务器上面查询一下自己的外网IP和端口，然后再使用这个外网IP和端口进行通信。

但有时UDP包会被防火墙或者其他的应用程序所阻挡。这个时候就可以使用中继器技术Traversal Using Relays around NAT (TURN) 。

双方都将数据发送到中继器server，由中继器server来负责转发数据。注意，这里已经不是P2P了。

最后，我们有一个集大成者的协议叫做ICE（Interactive Connectivity Establishment ）：

它实际上就是直连，STUN和TURN的综合体，能直连的时候就直连，不能直连就用STUN，不能用STUN就用TURN。

在使用STUN和ICE的过程中，我们会有一台网络主机用来建立端口映射和保持其他UDP端口状态，但是UDP的状态通常在几十秒到几分钟的短时间后过期，为了保证NAT中UDP的状态和生命周期，于是有了UDP hole punching的技术。通过定时传输keep-alive数据包，对NAT中的UDP状态进行更新。

UDT的缺点

因为UDT是基于UDP协议的，但是UDP协议因为其简洁的特性，所以并不具备安全性的特征。所以基于其上的UDT协议因为缺乏安全特性，所以在商业环境中应用会受到一定的限制。

不过UDT的新版本已经在开发中，大家可以期待一下。

总结

UDT被广泛用于高性能计算，比如光纤网络上的高速数据传输。我们后续会在netty中告诉大家怎么使用UDT协议。