基于UDP的高速數據傳輸協議UDT
簡介
簡單就是美。在網絡協議的世界中，TCP和UDP是建立在IP協議基礎上的兩個非常通用的協議。我們現在經常使用的HTTP協議就是建立在TCP協議的基礎上的。相當于TCP的穩定性來說，UDP因為其數據傳輸的不可靠性，所以用在某些特定的場合，如直播、廣播消息、視頻音頻流處理等不太需要校驗數據完整性的場合。
UDP相對TCP協議而言，其特點就是簡潔，它刪除了在TCP協議中為了保證消息準確性的各種限制性特征。簡潔帶來的好處就是快!今天給大家講解一下，基于UDP的高速數據傳輸協議UDT。
UDT協議
UDP因為其簡單的特性，所以可以做到很多TCP做不到的事情，比如進行大數據量的快速傳輸。這里并不是要將TCP和UDP分個好壞高下，畢竟各個協議的適應場景不同，他們之所以流行，就是因為可以在特定的場景發揮出重要的作用。套用中國的一句諺語就是：不管白貓黑貓，能抓到老鼠的，就是好貓。
用好UDP協議，我們就可以快速的傳遞大量的數據，這個協議就是UDT協議。
話說，像這些基礎協議都是老外發明的，而中國的互聯網巨頭都在搶著做平臺、做流量的生意,真的是無話可說….
UDT項目開始于2001年，是由Yunhong Gu在芝加哥伊利諾伊大學國家數據挖掘中心 (NCDM)讀博士期間開發的，并在畢業之后持續的進行維護和升級改進。
UDP的出現是因為那時候，傳輸更快更便宜的光纖網絡出現了，代替了之前的銅纜線和雙絞線，從而極大的提升了信息傳輸的效率。這時候大家就發現之前使用TCP協議來進行大數據的傳輸會有很大的問題。從而基于UDP的UDT協議出現了。
UDT的第一個版本，也稱為SABUL(Simple Available Bandwidth Utility Library)，UDT通過支持批量數據傳輸，從而方便在私有網絡中進行數據的傳輸。
要注意的是UDT的第一個版本SABUL使用UDP協議進行傳輸數據，同時使用單獨的TCP協議連接傳輸控制消息。
UDT的初始版本是在超高速網絡(1 Gbit/s、10 Gbit/s等)上進行開發和測試的，2003年10月，NCDM實現了從美國芝加哥到荷蘭阿姆斯特丹的平均每秒6.8G比特的傳輸。在30分鐘內的測試中，他們傳輸了大約1.4TB的數據。
從2004年發布的2.0版本開始，SABUL改名為UDT，UDT的全稱是UDP-based Data Transfer Protocol，也就是基于UDP的數據傳輸協議。
為什么要改成UDT呢?因為在UDT2.0中，刪除了SABUL中的TCP 控制連接，并使用UDP來處理數據和控制信息。 另外，UDT2還引入了一種新的擁塞控制算法，允許協議動態調整UDT和TCP流，實現UDT和TCP流的并發運行。
在2006年，UDT協議升級到了3版本，該協議不僅是在私有網絡中運行了，而是擴展到了商業互聯網中。同時UDT3中的擁塞控制可以進行調整優化，可以在低帶寬的環境中運行，并且允許用戶輕松定義和安裝自己的擁塞控制算法。另外，UDT3還顯著減少了系統資源(CPU和內存)的使用。
2007年，UDT4版本在高并發和防火墻穿透方面進行優化和性能的提升。UDT4允許多個UDT連接綁定到同一個UDP端口，它還支持集合連接設置，以便UDP hole punching。
什么是UDP hole punching呢?
UDP hole punching通常被用在網絡地址轉換 (NAT)中。用來維護穿越NAT的用戶UDP數據包流。它是一種使用網絡地址轉換器在專用網絡中的Internet主機之間建立雙向UDP連接的方法。
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，那怎么解決這個問題呢?
當然，一個永久解決的辦法是IPV6，不過IPV6推出這么多年了，好像還沒有真正的普及。
不使用IPV6的話還有什么解決辦法呢?
這個辦法就是NAT(Network Address Translators)。
NAT的原理是將局域網的IP和端口和NAT設備的IP和端口做個映射。
NAT內部維護著一張轉換表。這樣就可以通過一個NAT的IP地址和不同的端口來連接眾多的局域網服務器。
那么NAT有什么問題呢?
- NAT的問題在于，內部客戶端不知道自己外網IP地址，只知道內網IP地址。
如果是在UDP協議中，因為UDP是無狀態的，所以需要NAT來重寫每個UDP分組中的源端口、地址，以及IP分組中的源IP地址。
如果客戶端是在應用程序內部將自己的IP地址告訴服務器，并想跟服務器建立連接，那么肯定是建立不了的。因為找不到客戶端的公網IP。
即使找到了公網IP，任何到達NAT設備外網IP的分組還必須有一個目標端口，而且NAT轉換表中也要有一個條目可以將其轉換為內部主機的IP地址和端口號。否則就可能出現下圖的連接失敗的問題。
怎么解決呢?
第一種方式是使用STUN服務器。
STUN服務器是IP地址已知的服務器，客戶端要通信之前，先去STUN服務器上面查詢一下自己的外網IP和端口，然后再使用這個外網IP和端口進行通信。
但有時UDP包會被防火墻或者其他的應用程序所阻擋。這個時候就可以使用中繼器技術Traversal Using Relays around NAT (TURN) 。
雙方都將數據發送到中繼器server，由中繼器server來負責轉發數據。注意，這里已經不是P2P了。
最后，我們有一個集大成者的協議叫做ICE(Interactive Connectivity Establishment )：
它實際上就是直連，STUN和TURN的綜合體，能直連的時候就直連，不能直連就用STUN，不能用STUN就用TURN。
在使用STUN和ICE的過程中，我們會有一臺網絡主機用來建立端口映射和保持其他UDP端口狀態，但是UDP的狀態通常在幾十秒到幾分鐘的短時間后過期，為了保證NAT中UDP的狀態和生命周期，于是有了UDP hole punching的技術。通過定時傳輸keep-alive數據包，對NAT中的UDP狀態進行更新。
UDT的缺點
因為UDT是基于UDP協議的，但是UDP協議因為其簡潔的特性，所以并不具備安全性的特征。所以基于其上的UDT協議因為缺乏安全特性，所以在商業環境中應用會受到一定的限制。
不過UDT的新版本已經在開發中，大家可以期待一下。
總結
UDT被廣泛用于高性能計算，比如光纖網絡上的高速數據傳輸。我們后續會在netty中告訴大家怎么使用UDT協議。
