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摘要：CDP协议是一种基于UDP协议之上的TCP协议实现，该协议同时具有TCP协议的通用、高效，和UDP协议的高NAT穿透成功率，可用于很多P2P网络应用的构建。
关键词：P2P；CDP；NAT 穿透；基于UDP的TCP
中图分类号：TP317文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2007)03-10736-02
1 引言
随着互联网应用广泛推广，基于各种P2P网络技术的产品也越来越多的出现在我们的视野当中。从最早的Napster 到现在的Bittorrent、eMule、skype等产品，P2P这种网络应用模式已经从各个方面深入人心。这些产品在网络实现技术上，都以各自的方法解决着同样面临的一个问题，如何让他们的软件产品在各异的网络拓扑结构中顺利的进行P2P通信。
众所周知，在当今的网络拓扑结构中，普遍使用NAT设备来进行网络地址转换，那么如何让应用程序跨越这些NAT设备进行全双工通信，就成为非常重要的问题。实现跨越NAT 通信有很多种办法：首先是通過服务器进行转发，这是比较粗暴的方法，在用户量较大时，转发服务器需要付出相当大的代价；其次，可以使用NAT 穿透技术。而在NAT 穿透中，UDP 穿透的成功率比起TCP 穿透要高出许多[1]。因此在UDP 协议上构建一些大型的网络应用程序可能会成为很多人的需求。
由于UDP协议本身存在通信不可靠的缺点，对于基于UDP 进行可靠通信的需求就浮现出来了。目前在网络上有许多人正在做着这一工作，UDT、RakNet、eNet 等都是构建在UDP之上的网络可靠通信开发库，但这些库都是针对一些特殊应用进行设计的，不具备通用性。本文提出的CDP协议是在UDP基础之上实现的TCP协议。同时具备了TCP的通用、高效和UDP的高穿透成功率，并提供了简单易用的应用程序开发接口。
2 CDP设计目标
CDP主要的目标就是在UDP 层之上实现TCP 的协议算法，使得应用程序能够在UDP 层之上获得通用、可靠、高效的通信能力。CDP 网络开发库所实现的算法，都来自久经考验的TCP协议算法，以下协议设计部分主要讲解CDP实现中与TCP标准不同的部分。
3 CDP协议设计
CDP协议主要在以下几个方面与TCP有所不同：协议格式、连接建立（NAT UDP PUNCH模式）、保活机制、MTU发现与MSS通告。其他部分，如报文传输、流量控制、超时重传、拥塞控制等，均参照TCP协议实现[2]。下面将对几个不同部分分别进行说明。
3.1 协议格式
CDP的实现的算法虽然与TCP 实现的算法是大致相同的,但CDP 的协议格式只是从TCP协议格式获得参考，但并不完全与他相同，CDP协议格式如图1所示。
图中各字段意义分别为：
4 位首部长度：表示用户数据在数据包中的起始位置。
LIV：连接保活标志。
ACK：确认序号有效。
PSH：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。
RST：重置连接。
SYN：同步序号，用来发起一个连接。
FIN：发端完成发送任务。
16 位窗口大小：接收端可接收数据的窗口大小。
选项：只有一个选项字段，为最长报文大小，即MSS。CDP 选项格式与TCP 选项格式一致，kind=0 时表示选项结束，kind=1 时表示无操作，kind=2 时表示最大报文段长度。如下图：
图2 CDP选项字段
数据：用户通过CDP 传输的数据。
3.2 连接建立（NAT UDP PUNCH模式）
一般情况下，CDP连接的建立过程与TCP相同。但当CDP工作在UDP NAT 穿透（NAT UDP PUNCH）模式下时，在三次握手之前，先要向对端NAT 端口及预测端口以默认2ms的间隔发送默认为10个LIV报文，一来用于打开自已的NAT 端口，二来是用于进入对端NAT端口。默认值可以由用户程序设置。这时的LIV 报文中初始序号及确认序号都为0。
当接收到对端LIV 报文后，CDP立即停止LIV 报文发送，发出SYN 报文进行连接建立。这时有两种可能：一是对端直到接收到该SYN 报文，都没有接收到LIV 报文，或是刚接收到LIV报文，但没有来得及发送SYN 报文，此时将会和一般模式下连接建立的过程一致，经历三次握手；二是对端在接收到该SYN 报文之前，也已经发送SYN报文，此时双方都需要对SYN 报文段进行确认。
3.3 半打开连接及连接保活
半打开连接是指对端异常关闭，如网线拔掉、突然断电等情况导致一端关闭，而另一端却认为连接仍处于打开当中，这种情况称之为半打开连接。CDP中的一个TDP SOCKET描述符由本地IP、本地端口、远端IP、远端端口唯一确定。当远端客户端连接请求到来时，服务端将接收到一个新的CDP SOCKET描述符，当这一个描述符唯一确定信息已经存在时，对新的连接请求发送RST 报文段，通知其重置连接请求。对于旧的连接，由保活机制自动发现是否为半打开连接，如果是半打开连接，则自动关闭该连接。CDP的RST 报文与TCP 中的RST 报文是不一样的。
连接建立之后，CDP 连接需要启动保活机制。TCP 连接在没有数据通信的情况下也能保持连接，但CDP 连接不行。CDP 连接在一定时间内如果没有数据交互的话，将主动发送保活LIV报文段。这个时间根据CDP 连接工作模块不同有所差异，在NAT UDP PUNCH 模式下，默认值为1 分钟（大多数的NAT中，UDP会话超时时间为2－5分钟左右）；而在常规模块下这个时间段默认值为5分钟。默认值可以由用户程序设置，用户程序需要指明两种模式下的保活时间周期。
3.4 路径MTU 发现及MSS 通告
CDP连接建立过程中会通告初始MSS(Maximum Segment Size)，这个值可以由用户程序进行设置。但这个初始值是静态的，当通信双方跨越多个网络时，使用设置的MSS可能导致传输的IP 报文分片的产生。为了避免分片，CDP在数据传输过程中进行动态的路径MTU(Maximum Transmission Unit)发现，并进行MSS 的更新及通告。
CDP创建UDP SOCKET时，即将IP选项设置为不允许分片： Setsockopt（clientSock, IPPROTO_IP, IP_DONTFRAGMENT, (char*)&dwFlags, sizeof(dwFlag) )。
在发送数据时先以当前MSS 大小进行发送，如果返回值为错误码WSAEMSGSIZE（10040），则表示为报文尺寸大于MTU，需要进行IP 分片传输。此时，缩减MSS大小再次发送，直至不再返回错误码WSAEMSGSIZE（10040）。当MSS 变更并能成功发送报文后，需要向对端通报新的MSS 值。每次MSS 缩小后，默认隔30 秒，CDP 将默认扩大MSS 大小，以检查是否路径MTU 是否增大了，之后隔30*2 秒、30*2*2 秒进行检测，如果三次都未发现MTU 增大则停止进行检测。网络中MTU 值的个数是有限的[3]。因此MSS 的扩大及缩减，可依据一些由近似值按序构成的表，依照此表索引进行MSS 值的扩大与缩减计算。
CDP 中MSS 与MTU 之间关系的计算公式如下：MSS = MTU–20(IP首部)–8(UDP首部)–12(CDP首部)。
4 CDP应用程序开发接口（CDP Socket API）
使用CDP进行网络程序开发是非常容易的，它API与标准socket API是非常相似的，对应功能的函数名称都相同，只是CDP的所有API都处于名称空间CDP 之下。此程序库的实现也参考了BSD Socket的实现。CDP Socket API列表如下：
5 结束语
本文提出了一种基于UDP协议之上的TCP协议实现——CDP协议，并对现实的一些关键部分进行了讨论，最后给出了CDP协议的应用开发接口。CDP协议同时具备了TCP通用、高效的特点，有利用的UDP的NAT穿透特性，可广泛应用与构建各种P2P网络应用。
参考文献：
[1]B. Ford, P. Srisuresh, D. Kegel, Peer-to-Peer Communication across Network Address Translators [EB/OL], draft-ford-midcom-p2p,http://www.brynosaurus.com/pub/net/p2pnat, June 2004.
[2]W.Richard Stevens, 范建华,译，TCP/IP详解——卷Ⅰ：协议[M]，机械工业出版社，2000.4.1.
[3]J. Mogul, S. Deering, "Path MTU Discovery"[S], RFC1191, November 1990.
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
关键词：P2P；CDP；NAT 穿透；基于UDP的TCP
中图分类号：TP317文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2007)03-10736-02
1 引言
随着互联网应用广泛推广，基于各种P2P网络技术的产品也越来越多的出现在我们的视野当中。从最早的Napster 到现在的Bittorrent、eMule、skype等产品，P2P这种网络应用模式已经从各个方面深入人心。这些产品在网络实现技术上，都以各自的方法解决着同样面临的一个问题，如何让他们的软件产品在各异的网络拓扑结构中顺利的进行P2P通信。
众所周知，在当今的网络拓扑结构中，普遍使用NAT设备来进行网络地址转换，那么如何让应用程序跨越这些NAT设备进行全双工通信，就成为非常重要的问题。实现跨越NAT 通信有很多种办法：首先是通過服务器进行转发，这是比较粗暴的方法，在用户量较大时，转发服务器需要付出相当大的代价；其次，可以使用NAT 穿透技术。而在NAT 穿透中，UDP 穿透的成功率比起TCP 穿透要高出许多[1]。因此在UDP 协议上构建一些大型的网络应用程序可能会成为很多人的需求。
由于UDP协议本身存在通信不可靠的缺点，对于基于UDP 进行可靠通信的需求就浮现出来了。目前在网络上有许多人正在做着这一工作，UDT、RakNet、eNet 等都是构建在UDP之上的网络可靠通信开发库，但这些库都是针对一些特殊应用进行设计的，不具备通用性。本文提出的CDP协议是在UDP基础之上实现的TCP协议。同时具备了TCP的通用、高效和UDP的高穿透成功率，并提供了简单易用的应用程序开发接口。
2 CDP设计目标
CDP主要的目标就是在UDP 层之上实现TCP 的协议算法，使得应用程序能够在UDP 层之上获得通用、可靠、高效的通信能力。CDP 网络开发库所实现的算法，都来自久经考验的TCP协议算法，以下协议设计部分主要讲解CDP实现中与TCP标准不同的部分。
3 CDP协议设计
CDP协议主要在以下几个方面与TCP有所不同：协议格式、连接建立（NAT UDP PUNCH模式）、保活机制、MTU发现与MSS通告。其他部分，如报文传输、流量控制、超时重传、拥塞控制等，均参照TCP协议实现[2]。下面将对几个不同部分分别进行说明。
3.1 协议格式
CDP的实现的算法虽然与TCP 实现的算法是大致相同的,但CDP 的协议格式只是从TCP协议格式获得参考，但并不完全与他相同，CDP协议格式如图1所示。
图中各字段意义分别为：
4 位首部长度：表示用户数据在数据包中的起始位置。
LIV：连接保活标志。
ACK：确认序号有效。
PSH：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。
RST：重置连接。
SYN：同步序号，用来发起一个连接。
FIN：发端完成发送任务。
16 位窗口大小：接收端可接收数据的窗口大小。
选项：只有一个选项字段，为最长报文大小，即MSS。CDP 选项格式与TCP 选项格式一致，kind=0 时表示选项结束，kind=1 时表示无操作，kind=2 时表示最大报文段长度。如下图：
图2 CDP选项字段
数据：用户通过CDP 传输的数据。
3.2 连接建立（NAT UDP PUNCH模式）
一般情况下，CDP连接的建立过程与TCP相同。但当CDP工作在UDP NAT 穿透（NAT UDP PUNCH）模式下时，在三次握手之前，先要向对端NAT 端口及预测端口以默认2ms的间隔发送默认为10个LIV报文，一来用于打开自已的NAT 端口，二来是用于进入对端NAT端口。默认值可以由用户程序设置。这时的LIV 报文中初始序号及确认序号都为0。
当接收到对端LIV 报文后，CDP立即停止LIV 报文发送，发出SYN 报文进行连接建立。这时有两种可能：一是对端直到接收到该SYN 报文，都没有接收到LIV 报文，或是刚接收到LIV报文，但没有来得及发送SYN 报文，此时将会和一般模式下连接建立的过程一致，经历三次握手；二是对端在接收到该SYN 报文之前，也已经发送SYN报文，此时双方都需要对SYN 报文段进行确认。
3.3 半打开连接及连接保活
半打开连接是指对端异常关闭，如网线拔掉、突然断电等情况导致一端关闭，而另一端却认为连接仍处于打开当中，这种情况称之为半打开连接。CDP中的一个TDP SOCKET描述符由本地IP、本地端口、远端IP、远端端口唯一确定。当远端客户端连接请求到来时，服务端将接收到一个新的CDP SOCKET描述符，当这一个描述符唯一确定信息已经存在时，对新的连接请求发送RST 报文段，通知其重置连接请求。对于旧的连接，由保活机制自动发现是否为半打开连接，如果是半打开连接，则自动关闭该连接。CDP的RST 报文与TCP 中的RST 报文是不一样的。
连接建立之后，CDP 连接需要启动保活机制。TCP 连接在没有数据通信的情况下也能保持连接，但CDP 连接不行。CDP 连接在一定时间内如果没有数据交互的话，将主动发送保活LIV报文段。这个时间根据CDP 连接工作模块不同有所差异，在NAT UDP PUNCH 模式下，默认值为1 分钟（大多数的NAT中，UDP会话超时时间为2－5分钟左右）；而在常规模块下这个时间段默认值为5分钟。默认值可以由用户程序设置，用户程序需要指明两种模式下的保活时间周期。
3.4 路径MTU 发现及MSS 通告
CDP连接建立过程中会通告初始MSS(Maximum Segment Size)，这个值可以由用户程序进行设置。但这个初始值是静态的，当通信双方跨越多个网络时，使用设置的MSS可能导致传输的IP 报文分片的产生。为了避免分片，CDP在数据传输过程中进行动态的路径MTU(Maximum Transmission Unit)发现，并进行MSS 的更新及通告。
CDP创建UDP SOCKET时，即将IP选项设置为不允许分片： Setsockopt（clientSock, IPPROTO_IP, IP_DONTFRAGMENT, (char*)&dwFlags, sizeof(dwFlag) )。
在发送数据时先以当前MSS 大小进行发送，如果返回值为错误码WSAEMSGSIZE（10040），则表示为报文尺寸大于MTU，需要进行IP 分片传输。此时，缩减MSS大小再次发送，直至不再返回错误码WSAEMSGSIZE（10040）。当MSS 变更并能成功发送报文后，需要向对端通报新的MSS 值。每次MSS 缩小后，默认隔30 秒，CDP 将默认扩大MSS 大小，以检查是否路径MTU 是否增大了，之后隔30*2 秒、30*2*2 秒进行检测，如果三次都未发现MTU 增大则停止进行检测。网络中MTU 值的个数是有限的[3]。因此MSS 的扩大及缩减，可依据一些由近似值按序构成的表，依照此表索引进行MSS 值的扩大与缩减计算。
CDP 中MSS 与MTU 之间关系的计算公式如下：MSS = MTU–20(IP首部)–8(UDP首部)–12(CDP首部)。
4 CDP应用程序开发接口（CDP Socket API）
使用CDP进行网络程序开发是非常容易的，它API与标准socket API是非常相似的，对应功能的函数名称都相同，只是CDP的所有API都处于名称空间CDP 之下。此程序库的实现也参考了BSD Socket的实现。CDP Socket API列表如下：
5 结束语
本文提出了一种基于UDP协议之上的TCP协议实现——CDP协议，并对现实的一些关键部分进行了讨论，最后给出了CDP协议的应用开发接口。CDP协议同时具备了TCP通用、高效的特点，有利用的UDP的NAT穿透特性，可广泛应用与构建各种P2P网络应用。
参考文献：
[1]B. Ford, P. Srisuresh, D. Kegel, Peer-to-Peer Communication across Network Address Translators [EB/OL], draft-ford-midcom-p2p,http://www.brynosaurus.com/pub/net/p2pnat, June 2004.
[2]W.Richard Stevens, 范建华,译，TCP/IP详解——卷Ⅰ：协议[M]，机械工业出版社，2000.4.1.
[3]J. Mogul, S. Deering, "Path MTU Discovery"[S], RFC1191, November 1990.
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。