Data Diode Connector

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主题

网闸连接器 UDP 传输协议规范 ​

版本: 1.0

概述 ​

网闸连接器在入口代理和出口代理组件之间，基于 UDP 使用一个自定义的、轻量级的应用层协议。该协议旨在通过将大型、不透明的二进制数据块分割成更小的 UDP 数据包，并在接收端重新组装它们，从而可靠地跨网闸传输这些数据。

该协议提供以下关键特性：

  • 消息分片与重组：允许传输大于标准 UDP 载荷大小的数据块。
  • 丢包检测：使用序列号系统来检测丢失的数据包。
  • 连接生命周期管理：包含用于启动、关闭和心跳维持的特殊消息类型。

包结构 ​

在传输组件之间交换的每个 UDP 数据包都遵循一个固定的头部结构，其后跟一个可变长度的载荷。

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Message Type |               Sequence Number                 |
|               |                (LSB, 24 bits)                 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Sequence Number|         Payload Length        | Remaining Pkts|
| (MSB, 8 bits) |         (Little-Endian)       |     (LSB)     |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Remaining Pkts|                                               |
|     (MSB)     |                   (Padding)                   |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

头部字段 ​

头部大小固定为 9 字节。

  • 消息类型 (Message Type) (1 字节)

    • 一个 8 位无符号整数，定义了数据包的用途。详见消息类型。

  • 序列号 (Sequence Number) (4 字节)

    • 一个 32 位无符号整数，采用小端序 (Little-Endian) 格式。
    • 每发送一个数据包，该数字加一。
    • 接收方用它来检测丢包。序列号 0 是一个特例，当乱序接收时（例如，在 StartUp 消息之后），不表示丢包。

  • 载荷长度 (Payload Length) (2 字节)

    • 一个 16 位无符号整数，采用小端序 (Little-Endian) 格式。
    • 指定当前数据包中 Payload 字段的大小（以字节为单位）。
    • 对于 Data 和 DataFirst 数据包，该值通常是最大载荷大小 (MAX_PAYLOAD_SIZE_BYTES)，但分片消息的最后一个数据包可能更小。

  • 剩余包数 (Remaining Packets) (2 字节)

    • 一个 16 位无符号整数，采用小端序 (Little-Endian) 格式。
    • 指示还需接收多少个数据包才能完成当前数据块的传输。
    • 对于 DataFirst 数据包，此值表示该数据块后续数据包的总数。
    • 对于 Data 数据包，此值随每个接收到的数据包而递减。
    • 当此值为 0 时，表示当前数据包是该数据块的最后一个包。

载荷 (Payload) ​

  • 载荷 (可变大小)
    • 原始数据块的原始二进制数据段。
    • 此字段的大小由头部中的 Payload Length 字段定义。

消息类型 ​

Message Type 字段决定了接收方如何处理数据包。

值名称描述
0DataFirst标记一个新数据块的第一个数据包。接收方从 WaitingForFirstData 状态转换到 WaitingForData 状态，并使用 Remaining Packets 字段来了解还需要期望多少个数据包。
1Data一个分片数据块的后续数据包。接收方收集这些数据包，直到 Remaining Packets 为零，然后重组完整的块。
2StartUp发送方初始化时发送的控制消息。接收到后，接收方将其期望的序列号重置为 0，并返回到 WaitingForFirstData 状态，丢弃任何部分接收的数据。
3HeartBeat一个心跳维持消息。接收方记录其接收情况并保持当前状态。它不影响数据处理。
4Shutdown一个控制消息，指示发送方正在关闭。接收到后，接收方将终止其处理循环。

状态机与重组逻辑 ​

接收方使用一个状态机来处理数据包的重组。

  1. 初始状态: WaitingForFirstData

    • 接收方处于空闲状态，等待新的数据传输开始。
    • 它只接受 DataFirst、StartUp、HeartBeat 或 Shutdown 数据包。任何 Data 数据包都将被丢弃。

  2. 接收 DataFirst

    • 当一个 DataFirst 数据包到达时，接收方将其载荷存储为新消息的第一部分。
    • 如果 Remaining Packets 为 0，则消息是完整的。载荷被写入输出缓冲区，状态保持为 WaitingForFirstData。
    • 如果 Remaining Packets 大于 0，接收方转换到 WaitingForData(N) 状态，其中 N 是此消息的总包数 (Remaining Packets + 1)。

  3. 状态: WaitingForData(N)

    • 接收方正在为一个分片消息积极收集数据包。
    • 它期望 N-1 个后续的 Data 数据包。
    • 每个传入的 Data 数据包的载荷都根据其在序列中的位置（使用 Remaining Packets 值计算）存储在中间缓冲区中。
    • 如果在此状态下意外收到一个 DataFirst 数据包，当前的重组将被中止，部分数据被丢弃，并用这个新包开始一个新的重组过程。

  4. 接收最后一个 Data 包

    • 当一个 Remaining Packets 等于 0 的 Data 数据包到达时，它标志着消息的结束。
    • 接收方将中间缓冲区中所有存储的载荷组合成一个单一、连续的字节数组。
    • 这个重组后的数据块随后被写入输出 bip_buffer，供下游组件使用。
    • 状态机转换回 WaitingForFirstData。

  5. 丢包处理

    • 在每收到一个数据包时，接收方都会将其 Sequence Number 与其期望的序列号进行比较。
    • 如果 incoming > expected，接收方检测到一个或多个数据包已丢失。
    • 当检测到丢包时，接收方将中止当前消息的重组，丢弃该消息的所有已缓冲数据，并将其状态重置为 WaitingForFirstData。这确保了损坏或不完整的数据块不会被转发。

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