連 宏

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

基于非連接的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議提供的是不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[1]，無法保證接收端接收到的字節(jié)流是完整的、無差錯的和有序的。此時，就需要設(shè)計應(yīng)用層上的傳輸協(xié)議來保證面向非連接網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃訹2]。

針對不可靠的非連接網(wǎng)絡(luò)傳輸，本文設(shè)計了一種具有檢錯功能的傳輸協(xié)議。該協(xié)議綜合運用握手、確認(rèn)、應(yīng)答、校驗和錯誤重傳等多種手段，能有效檢查出傳輸數(shù)據(jù)的錯誤，對錯誤的數(shù)據(jù)采用重傳確認(rèn)機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和有效性。

傳輸協(xié)議包括幀格式定義和傳輸過程定義兩部分內(nèi)容[3]。幀格式描述了協(xié)議報文的基本定義，握手過程描述了數(shù)據(jù)發(fā)送和應(yīng)答的交互過程。下面分別描述本協(xié)議的幀格式、握手過程以及具體實現(xiàn)。

1 協(xié)議設(shè)計

1.1 協(xié)議幀格式

幀格式由同步頭、起始字、消息類型、報文長度、信息正文內(nèi)容、保留和校驗等九部分組成。報文幀格式如表1所示。

表1中消息類型與信息正文內(nèi)容定義如表2所示。

表2 消息類型

幀頭校驗采用校驗和形式，即表1報文幀格式中‘2’、‘3’、‘4’、‘5’項各個字節(jié)的值進(jìn)行累加，溢出則丟棄，累加和由#0100H 減后存入第6 項。數(shù)據(jù)信息校驗采用循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）。CRC 校驗的生成多項式的階數(shù)越高，那么誤判的概率就越小[4]。本協(xié)議使用16 位校驗，生成多項式為g(x)=x16+x12+x5+1，可以100%地檢測出所有奇數(shù)個隨機(jī)錯誤和長度小于等于k（k為g(x)的階數(shù)）的突發(fā)錯誤[5]。

表1 報文幀格式

（1）表1的報文幀格式分為報頭幀和數(shù)據(jù)幀兩種。報頭幀僅包含表1中的1～6 項，用來發(fā)送建立連接和發(fā)送應(yīng)答等握手信號，即消息類型為101（正確接收應(yīng)答消息）、102（錯誤接收應(yīng)答消息）和104（建立連接消息）時采用報頭幀格式發(fā)送。數(shù)據(jù)幀包含表1中1～9 項的全部內(nèi)容，用來發(fā)送數(shù)據(jù)，即消息類型為100（本幀數(shù)據(jù)內(nèi)容）和103（上幀數(shù)據(jù)內(nèi)容）時采用數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送。

（2）表1報文幀格式中，第6 項幀頭校驗采用校驗和形式進(jìn)行校驗。

（3）表1報文幀格式中，第9 項數(shù)據(jù)信息的校驗采用循環(huán)冗余校驗進(jìn)行校驗。

（4）表1報文幀格式中，第7 項信息正文內(nèi)容的最大長度為2048 字節(jié)。如果待發(fā)送的信息長度小于2048 字節(jié)，則為實際字節(jié)長度。

使用協(xié)議幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，首先由報文同步頭和報文起始字共同決定一幀的開始，這樣避免了非法數(shù)據(jù)進(jìn)入到內(nèi)部處理；然后使用幀頭保留作為判斷字節(jié)，可以過濾掉錯誤幀，保留正確幀；最后利用幀頭校驗來判斷幀頭是否正確。通過以上三層處理，僅保留了正確的幀數(shù)據(jù)。接下來對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行CRC 校驗，確保進(jìn)入后續(xù)處理程序的數(shù)據(jù)是正確的。通過幀頭校驗和數(shù)據(jù)信息CRC 校驗可以有效檢出幀頭錯誤和數(shù)據(jù)信息錯誤，這樣可靠地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院蛿?shù)據(jù)信息的正確性。

1.2 協(xié)議握手過程

發(fā)送方和接收方通過發(fā)送消息和接收應(yīng)答實現(xiàn)雙方的握手過程。首先發(fā)送方發(fā)送建立連接消息，接收方接收到建立連接消息后，根據(jù)幀頭校驗判斷是否是正確幀，正確幀發(fā)送正確接收應(yīng)答消息，錯誤幀發(fā)送錯誤接收應(yīng)答消息。發(fā)送方接收到正確接收應(yīng)答消息后開始發(fā)送數(shù)據(jù)消息；如果接收到錯誤接收應(yīng)答消息，則重新發(fā)送建立連接消息，如果重傳三次仍不成功，則退出發(fā)送過程。

發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)信息的握手過程與發(fā)送建立連接消息的握手過程相同，但接收方接收到數(shù)據(jù)信息后根據(jù)幀頭校驗和數(shù)據(jù)信息的CRC 校驗兩部分的結(jié)果判斷幀數(shù)據(jù)是否正確，如果幀頭校驗和數(shù)據(jù)信息校驗均正確，則發(fā)送正確接收應(yīng)答消息，如果幀頭和數(shù)據(jù)信息中任意一個校驗出現(xiàn)錯誤，均發(fā)送錯誤接收應(yīng)答消息。

協(xié)議握手過程如圖1所示。

圖1 協(xié)議握手過程

本協(xié)議通過發(fā)送—應(yīng)答—握手—重傳機(jī)制，即發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，一個應(yīng)答，若應(yīng)答沒收到或者接收到錯誤應(yīng)答，重新進(jìn)行協(xié)商握手，握手失敗則向應(yīng)用程序報告錯誤。握手過程建立了邏輯連接通道，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性；幀頭校驗和數(shù)據(jù)信息的CRC 校驗檢出了幀頭和數(shù)據(jù)信息的錯誤，確保了數(shù)據(jù)信息的正確性；數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。該協(xié)議中多重手段的綜合應(yīng)用，使數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定高效。

2 協(xié)議實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送接收過程

發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的處理過程如下所示：

A.發(fā)送建立連接消息；

B.等待接收應(yīng)答消息；

C.接收應(yīng)答消息，如果應(yīng)答為正確接收應(yīng)答消息，轉(zhuǎn)E；否則，轉(zhuǎn)D；

D.判斷是否發(fā)送三次，是，轉(zhuǎn)J；否，轉(zhuǎn)A；

E.發(fā)送數(shù)據(jù)消息；

F.等待接收應(yīng)答消息；

G.接收應(yīng)答消息；如果應(yīng)答為正確接收應(yīng)答消息時，轉(zhuǎn)I；否則，轉(zhuǎn)H；

H.判斷是否發(fā)送三次，是，轉(zhuǎn)J；否，轉(zhuǎn)E；

I.判斷是否發(fā)送完畢，發(fā)送完畢，轉(zhuǎn)J；否則，轉(zhuǎn)E；

J.結(jié)束。

接收方接收數(shù)據(jù)的處理過程如下所示：

A.等待接收建立連接消息；

B.接收建立連接消息，校驗正確，轉(zhuǎn)D；校驗錯誤，轉(zhuǎn)C；

C.發(fā)送錯誤接收回傳消息，判斷是否接收三次，是，轉(zhuǎn)J；否，轉(zhuǎn)A；

D.發(fā)送正確接收回傳消息；

E.等待接收數(shù)據(jù)消息；

F.接收數(shù)據(jù)消息，校驗正確，轉(zhuǎn)H；校驗錯誤，轉(zhuǎn)G；

G.發(fā)送錯誤接收回傳消息，判斷是否接收三次，是，轉(zhuǎn)J；否，轉(zhuǎn)E；

H.發(fā)送正確接收回傳消息；

I.判斷文件是否接收完畢，接收完畢，轉(zhuǎn)J；否則，轉(zhuǎn)E；

J.結(jié)束。

數(shù)據(jù)發(fā)送接收過程流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送接收過程流程圖

2.2 循環(huán)冗余校驗算法

CRC 校驗采用多項式編碼方法。被處理的數(shù)據(jù)塊可以看作是一個n階的二進(jìn)制多項式，由an-1xn-1+an-2xx-2+···+a1x+a0組成。如一個8 位二進(jìn)制數(shù)10110101 可以表示為：

1x7+0x6+1x5+1x4+0x3+1x2+0x+1

多項式乘除法運算過程與普通代數(shù)多項式的乘除法相同。多項式的加減法運算以2 為模，加減時不進(jìn)、借位，和邏輯異或運算一致[6]。

采用CRC 校驗時，發(fā)送方和接收方用同一個生成多項式g(x)，并且g(x)的首位和最后一位的系數(shù)必須為1。CRC 的處理方法是：發(fā)送方以g(x)去除待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)t(x)，得到的余數(shù)作為CRC校驗碼。校驗時，以計算的校正結(jié)果是否為0 為據(jù)，判斷數(shù)據(jù)幀是否出錯。

CRC 校驗碼的編碼方法是用待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)t(x)除以生成多項式g(x)，將最后的余數(shù)作為CRC 校驗碼[7]。其實現(xiàn)步驟如下：

（1）設(shè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)塊是m位的二進(jìn)制多項式t(x)，生成多項式為r階的g(x)。在數(shù)據(jù)塊的末尾添加r個0，數(shù)據(jù)塊的長度增加到m+r位，對應(yīng)的二進(jìn)制多項式為xrt(x)。

（2）用生成多項式g(x)去除xrt(x)，求得余數(shù)為階數(shù)為r-1 的二進(jìn)制多項式y(tǒng)(x)。此二進(jìn)制多項式y(tǒng)(x)就是t(x)經(jīng)過生成多項式g(x)編碼的CRC 校驗碼。

（3）用xrt(x)以（2）的方式減去y(x)，得到二進(jìn)制多項式xrt'(x)。xrt'(x)就是包含了CRC 校驗碼的待發(fā)送字符串。

從CRC 的編碼規(guī)則可以看出，CRC 編碼實際上是將待發(fā)送的m位二進(jìn)制多項式t(x)轉(zhuǎn)換成了可以被g(x)除盡的m+r位二進(jìn)制多項式xrt'(x)，所以解碼時可以用接收到的數(shù)據(jù)去除g(x)，如果余數(shù)為0，則表示傳輸過程沒有錯誤；如果余數(shù)不為0，則在傳輸過程中肯定存在錯誤[8]。同時xrt'(x)可以看做是由t(x)和CRC 校驗碼的組合，所以解碼時將接收到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)去掉尾部的r位數(shù)據(jù)，得到的就是原始數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

本網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議通過幀頭校驗和數(shù)據(jù)內(nèi)容的CRC 校驗，可有效檢出傳輸過程中的數(shù)據(jù)錯誤。通過接收發(fā)送方的握手和錯誤重傳機(jī)制，保障了傳輸過程的可靠性，提高了傳輸效率。本協(xié)議已在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域得到運用，為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸?shù)於藞詫嵉幕A(chǔ)。