Node.js高级编程之UDP可靠性源码分析

本篇内容介绍了“Node.js高级编程之UDP可靠性源码分析”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

不可靠的 UDP

实验前，我们先介绍一下需要用到的工具（Mac 环境，其他环境请自行搜索相关工具）：

• Network Link Conditioner：模拟丢包场景，可以去苹果开发者网站上下载

• Wireshark：抓包分析工具

• 云主机：因为实现发现 Network Link Conditioner 对本地回环地址不起作用，如果有更好的方法求大佬指出

然后我们准备两段代码，一段作为 UDP Server，一段作为 UDP Client，Client 会向 Server 发送 26 个英文大写字母，Server 会将他们存到文件：

// udp-server.jsconst udp = require('dgram')const server = udp.createSocket('udp4')const fs = require('fs')server.on('listening', function () {  var address = server.address()  var port = address.port  console.log('Server is listening at port ' + port)})server.on('message', function (msg, info) {  console.log(    `Data received from ${info.address}:${info.port}: ${msg.toString()}`  )  fs.appendFileSync('./out', msg.toString())})server.on('error', function (error) {  console.log('Error: ' + error)  server.close()})server.bind(7788)// udp-client.jsconst udp = require('dgram')const client = udp.createSocket('udp4')for (let i = 0; i < 26; i++) {  const char = String.fromCharCode(0x41 + i)  client.send(Buffer.from(char), 7788, '********', function (error) {    if (error) {      console.log(error)    }  })}

接着我们按照下面步骤开始实验：

• 通过 Network Link Conditioner 把丢包率设置为 50%：

• 设置好 Wireshark 的抓包参数：

• 在云主机上启动 Server，在本地启动 Client。

接着，我们来看一下实验结果：

• 首先，我们可以看到服务端接收到的字母少了很多，只有 14 个：

• 服务端接收到的字母顺序是乱序的，比如 U 跑到了 T 的前面：

为了进行对比，我们可以换成 TCP 试试，代码如下，结果就不贴了：

// tcp-server.jsconst net = require('net')const server = net.createServer()const fs = require('fs')server.on('connection', function (conn) {  conn.on('data', (msg) => {    console.log(      `Data received from ${conn.address().address}:${        conn.address().port      }: ${msg.toString()}`    )    fs.appendFileSync('./out', msg.toString())  })})server.listen(8899, () => {  console.log('server listening to %j', server.address().port)})// tcp-client.jsvar net = require('net')var client = new net.Socket()client.connect(8899, '********', function () {  for (let i = 0; i < 26; i++) {    const char = String.fromCharCode(0x41 + i)    client.write(char)  }})

接下我们试试基于 UDP 来实现一个可靠的传输协议，主要解决上面的丢包和乱序问题。

基于 UDP 的简单可靠传输协议

首先，需要设计一下我们的协议格式。为了简单起见，我们只在原来 UDP 的数据部分分别新增 4 个字节的 SEQ 和 ACK：

+-------------------------------+|      64 个字节的 UDP 首部       |+-------------------------------+|  SEQ(4 个字节) |  ACK(4 个字节) |+-------------------------------+|             Data              |+-------------------------------+

其中 SEQ 表示当前包的序号，ACK 表示回复序号。

接下来看看，我们如何解决前面的两个问题。

乱序问题

接收方需要维护一个变量 expectedSeq 的变量表示期待接收到的包序号。为了简单起见，我们制定如下规则：如果当前接收到的包序号等于 expectedSeq，则把包交给应用层处理，并发送 ACK 给发送方；否则我们都直接丢弃。当然更好的做法是维护一个接收窗口，这样可以批量的提交数据给应用层，也可以用来缓存大于 expectedSeq 的包。

假设现在发送方发送了 1 2 3 两个包，但是到达接收方的顺序是 3 2 1，按照我们的规则接收方会丢弃 3 和 2，接收 1。好家伙，顺序倒是不乱了，但是包没了。

所以还得把丢包问题也解决了才行。

丢包问题

发送方维护一个发送窗口用来存储已发送但是还未被确认的包：

+---+---+---+---+| 1 | 2 | 3 | 4 |+---+---+---+---+

发送方每发送一个包的同时还需要将包放入发送窗口，并设置一个定时器用来重发这个包。当发送方接收到来自接收方的 ACK 时，需要取消掉对应包的定时器，并将发送窗口中小于 ACK 的包都删除。

+---+---+---+---+| 1 | 2 | 3 | 4 |+---+---+---+---+// ACK = 4，删除 1 2 3，并取消掉他们的定时器+---+| 4 |+---+

完整代码及使用 Demo 见文末，现在可以正常按顺序输出 26 个字母了，但是离“可靠”协议还差得远。比如第一次输出完 26 个字母后，我们再次启动客户端时发现就没有任何输出了。原因在于此时接收端的 expectedSeq 已经是 20 多了，但是新启动的 client 发送的 SEQ 还是从 1 开始的，结果就是接收端一直丢弃接收到的包，发送端一直重试。

要解决这个问题，可以参考 TCP 在传输两端建立“连接”的概念，在开始发送前通过“三次握手”建立连接，也就是确定起始 SEQ，初始化窗口等工作，结束前通过“四次挥手”断开连接，即清理窗口定时器等工作。这个就留到以后再说吧。

代码

// packet.jsclass Packet {  constructor({seq, ack, data = ''}) {    this.seq = seq // 序列号    this.ack = ack // 确认号    this.data = data // 数据  }  // 将 Packet 转换成 Buffer，以便通过网络传输  toBuffer() {    const seqBuffer = Buffer.alloc(4)    seqBuffer.writeUInt32BE(this.seq)    const ackBuffer = Buffer.alloc(4)    ackBuffer.writeUInt32BE(this.ack)    const dataBuffer = Buffer.from(this.data)    return Buffer.concat([seqBuffer, ackBuffer, dataBuffer])  }  // 从 Buffer 中解析出 Packet  static fromBuffer(buffer) {    const seq = buffer.readUInt32BE()    const ack = buffer.readUInt32BE(4)    const data = buffer.slice(8)    return new Packet({seq, ack, data})  }}module.exports = Packet// reliableUDP.jsconst dgram = require('dgram')const Packet = require('./packet')class ReliableUDP {  constructor() {    this.socket = dgram.createSocket('udp4')    this.socket.on('message', this.handleMessage.bind(this))    this.sendWindow = [] // 发送窗口，用于存放待确认的数据包    this.receiveWindow = [] // 接收窗口，用于存放已接收的数据包    this.expectedSeq = 1 // 期望接收的数据包序列号    this.nextSeq = 1 // 下一个要发送的数据包序列号    this.timeout = 100 // 超时时间，单位为毫秒    this.timeoutIds = {} // 用于存放定时器 ID  }  listen(port, address, fn) {    this.socket.bind(port, address, fn)  }  // 发送数据包  sendPacket(packet, address, port) {    const buffer = packet.toBuffer()    this.socket.send(buffer, port, address, (err) => {      if (err) {        console.error(err)      }    })    if (packet.ack) return    if (!this.sendWindow.includes((p) => p.seq === packet.seq))      this.sendWindow.push(packet)    // 设置超时定时器    const timeoutId = setTimeout(() => {      this.handleTimeout(packet.seq, address, port)    }, this.timeout)    this.timeoutIds[packet.seq] = timeoutId  }  // 处理接收到的数据包  handleMessage(msg, rinfo) {    const {address, port} = rinfo    const packet = Packet.fromBuffer(msg)    // 收到的是应答的包    if (packet.ack) {      const ackNum = packet.ack - 1      // 处理发送窗口中已经确认的数据包      while (this.sendWindow.length > 0 && this.sendWindow[0].seq <= ackNum) {        this.sendWindow.shift()      }      // 清除超时定时器      if (this.timeoutIds[ackNum]) {        clearTimeout(this.timeoutIds[ackNum])        delete this.timeoutIds[ackNum]      }    } else {      // 如果是重复的数据包，则忽略      if (packet.seq < this.expectedSeq) {        return      }      // 如果是期望接收的数据包      if (packet.seq === this.expectedSeq) {        this.receiveWindow.push(packet)        this.expectedSeq++        // 处理接收窗口中已经确认的数据包        while (          this.receiveWindow.length > 0 &&          this.receiveWindow[0].seq <= this.expectedSeq        ) {          const packet = this.receiveWindow.shift()          this.onPacketReceived(packet.data)        }        const ackPacket = new Packet({          seq: this.nextSeq++,          ack: this.expectedSeq,        })        this.sendPacket(ackPacket, address, port)      } else {        // 如果是未来的数据包，暂不做处理，更好的做法是缓存起来      }    }  }  // 应用层调用该方法发送数据  send(data, address, port) {    const packet = new Packet({      seq: this.nextSeq,      ack: null,      data,    })    this.sendPacket(packet, address, port)    this.nextSeq++  }  // 应用层调用该方法注册回调函数，接收数据  onReceive(callback) {    this.onPacketReceived = callback  }  // 处理超时  handleTimeout(seq, address, port) {    // 重传超时的数据包    const packet = this.sendWindow.find((p) => p.seq === seq)    if (packet) {      this.sendPacket(packet, address, port)    }  }}module.exports = ReliableUDP// server.jsconst ReliableUDP = require('./reliableUDP')const server = new ReliableUDP()server.listen(7788, 'localhost')server.onReceive((data) => {  console.log(data.toString())})// client.jsconst ReliableUDP = require('./reliableUDP')const client = new ReliableUDP()for (let i = 0; i < 26; i++) {  const char = String.fromCharCode(0x41 + i)  client.send(char, 'localhost', 7788)}

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