新一代傳輸協議——SCTP

摘要:流媒體控制傳輸協議(Stream Control Transmission Protocol)是目前新一代傳輸層協議，它于2000年10月由IETF(The Internet Engineering Task Force)制定的。相比于以往的兩種舊協議:TCP(Transmission Control Protocol)與UDP(User Datagram Protocol)，SCTP提供了多重定址機制(Multi-homing)，使得用戶能夠在關聯(Association)建立后能夠動態的切換不同的網絡路徑來傳輸數據信息，并且在換手(Handover)時不需要中斷原有的通訊，從而提供高質的傳輸服務。該文將著重研究SCTP的特色，包括SCTP的聯接建立，多重定址機制等等，最后通過NS2模擬器來證實其換手機制的可靠性與即時性。

關鍵詞:SCTP;Multi-homing;Handover;IETF;Association;NS2

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)32-8894-02

在目前的網絡架構中應用最廣的傳輸層協議是TCP和UDP，然而TCP和UDP在制定時就存在各方面的限制，比如聯接后兩端點的IP地址是唯一的且不可更改，如果所處網絡是多重的，則只能選取其中一個來使用，而當該網路失效時，則其聯接也隨之中斷，將造成企業、政府單位等重大損失。

1 TCP的缺陷

1) TCP提供可靠且嚴格有序的傳輸，這將導致不必要的延時，無法滿足電信服務所要求的即時性。事實上，電信傳輸只需要部分有序即可。

2) TCP是基于字節的傳輸協議，并不適合用來傳輸基于信息的電信信令。

3) TCP不支持multi-homing。當網路失效時，基于TCP的電信網路就無法自動處理中斷錯誤，這樣的網路對于電信服務是無法接受的。

2 UDP的缺陷

1) UDP是非面向連接的傳輸協議，即不可靠，因此無法保證封包是否正確無誤地到達接收端。

2) UDP沒有提供擁塞管理的機制，因此無法了解網絡路徑是否已經擁塞而去降低傳送數據資料的速率，這將更加惡化已經擁塞的路徑。

3) UDP也不支持多重定址特性，當通訊路徑中斷時，UDP無法切換到備用路徑上。

3 SCTP的發展與概述

如何提高網絡電話的可靠性和即時性一直是學術界不斷努力的議題，而SCTP就是IETF為提升在IP網絡上傳送電話信令的效率而量身打造的。

新制定的SCTP不僅繼承了TCP和UDP的優點，同時也增加了許多新特性，彌補了它們的不足之處。表1陳列了這三種協議的主要特性比較。

SCTP最主要的兩大特色是在關聯(association)中提供了multi-homing和multiple stream的概念，這是區別于TCP和UDP最本質的特征。

1) Multi-homing多重定址。見圖1，當兩臺主機在多網絡環境下使用SCTP建立關聯時，該特性使得這兩臺主機可以具有多個可達的IP地址。在這個關聯里，存在著多個通訊路徑，傳輸時只會使用一條主路徑，其他的路徑則為備用路徑。若主路徑中斷，則選擇備用路徑繼續傳輸數據。這一特性能提高傳輸的可靠性，增加通信的健壯性。

2) Multi-streaming多重資料流。該機制使得SCTP能夠在一條關聯里具有多條資料流用于數據傳輸，而這些流彼此互相獨立，當某個流丟失封包時，其他流不受影響。

3) PR-SCTP(Partial Reliability-SCTP)。PR是SCTP的一個擴展特性。當PR未啟動時，SCTP像TCP一樣提供可靠的傳輸服務;當PR啟動時，對于每個傳輸封包SCTP會指定一個生命時間，若在該時間內無法將封包成功傳送，SCTP便會放棄該封包，并發出消息通知目的端略過該封包。因此，對于重要數據，SCTP提供可靠傳輸服務，而對于無關緊要的數據，SCTP可開啟PR，提供部分可靠的傳輸服務，變動相當靈活。

4 SCTP換手實驗與分析

4.1 NS2仿真平臺簡介

NS2是一款廣泛應用于網絡方面的免費仿真軟件，能夠模擬真實的網絡架構。它是以C++和OTcl作為開發語言，可以將使用者寫好的腳本進行編譯后運行，然后得出模擬結果。本文將選用NS2來研究SCTP的換手機制。

4.2 數據采集

該實驗首先要進行往返時間(Round-Trip Time)的采集，即用一臺筆記本電腦來ping一臺固定訪問節點(路由器)，流量達每秒65500字節，整個過程中筆記本在做勻速遠離運動，直至無線網絡中斷。圖2顯示了20次數據采集的平均RTT和包丟失率。

4.3 仿真設計

NS2仿真實驗采用3.2中所采集到的RTT，圖3所示的即為仿真環境，本文將在此環境下對SCTP的換手機制進行研究與分析。

發送端S和接收端R都分別有兩個不同的地址，R1-1、R1-2、R2-1、R2-2均為路由器，主路徑和備用路徑互不交疊，設定每個路徑具有54Mbps的帶寬和200ms的傳輸延遲時間。發送端S發送的數據格式是ftp。

4.4 仿真結果

圖4和圖5所示的是封包在主路徑和備用路徑中的傳輸情況，path0是封包傳輸的主路徑，而path1是備用路徑。

圖4 FTP封包在主路徑中的傳輸情形圖5 FTP封包在備用路徑中的傳輸情形

圖4、圖5顯示在前8.5秒所有的封包都由主路徑path0傳輸，而之后產生網路中斷，因此立即啟用備用路徑path1來接手未完成的傳輸，模擬結果顯示SCTP多重定址這項特性極大的增強了網路的健壯性和靈活性。

4.5 SCTP的Handover實驗結果

為了進一步直觀的表現出SCTP的換手情形，本實驗采用兩臺終端電腦進行異類網絡互聯，即以太網絡連接和無線網絡連接。如圖6所示。

圖7則顯示了windows任務管理器對網絡連接的追蹤情況。如果以太網中斷，那么SCTP將立即啟用無線網絡連接，從而達到無縫式換手。在異類網絡連接環境下，SCTP始終保持有一條可用的路徑進行數據傳輸。

5 結論與展望

SCTP作為新興的傳輸層協議，不但繼承了TCP的優點，而且更發展出自己的特色，越來越多的人認為它將替代現有的TCP協議而成為下一代網絡主要的傳輸協議。

該文主要針對SCTP的多重定址特性對其換手機制進行實驗，得知其確實能加強網絡傳輸的健壯性和可靠性。

未來如何有效利用SCTP于多重網絡環境下支持各類應用，將成為下一個議題。

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