TCP和SCTP路由協議的對比研究

何世杰 童孟軍

摘 要： 為了更好地了解流控制協議—SCTP的相關性能，利用NS-2網絡仿真軟件，從單路徑和多路徑兩個方面對TCP和SCTP協議進行了比較。實驗結果表明，在應對鏈路惡化的情況下，SCTP協議的吞吐量更大，也具有更高的穩定性，更能滿足現在網絡高性能傳輸的要求。

關鍵詞： 流控制傳輸協議； 傳輸控制協議； 單路徑； 多路徑； 吞吐率； 延遲

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）05-03-04

Comparison study of TCP and SCTP routing protocol

He Shijie， Tong Mengjun

（School of computer science， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： In order to get better understanding of SCTP protocol performance， the NS-2 network simulation software is utilized to compare TCP and SCTP protocols from a single path and multi path. The experimental results show that， in response to the link's deteriorating condition， the SCTP protocol has a larger throughput capacity ， and also a higher stability， and it can meet the transmission requirement of high performance network.

Key words： stream control transmission protocol； transmission control protocol； single path； multi path； throughput rate； delay

0 引言

SCTP代表的是流控制傳輸協議，它是由IEFT的信令傳輸工作組（SIGTRAN）新近提出的一種面向多媒體通信的流控制協議（SCTP），用于在IP網絡上傳輸PSTN信令消息，即通常所說的SS7 over IP。

在國內，1985年是流控制傳輸協議技術開始萌芽的時期。從1985到1995年，該技術主要局限于計算機網絡中接人端口數據流的控制技術，以防止計算設備之間大量數據互相通信時出現阻塞，保證更高的傳輸效率和可靠性。目前對該技術的研發仍處于較淺的層次，對整個IP網絡中實規PSTN信令傳輸的技術還鮮有涉及；國內的SCTP研究還主要側重于應用方面，比如SCTP與TCP的比較、SCTP在移動環境下的性能研究（例如平滑切換，移動IP，最后一跳性能惡化問題，基于SCTP移動Internet傳輸模型等）、基于獨立路徑擁塞控制的SCTP負荷分擔機制研究、結合SS7的研究，以及SCTP的安全問題研究、軍事應用等。

國外則更側重于起草標準，如：定義SCTP負荷分擔草案（多路徑同時傳輸）；制定部分可靠傳輸標準；提交建立SCTP偶聯后的動態地址重配置；提交SCTP API草案；定義SCTP對移動IP的支持；提交單播擁塞控制建議標準；TCP友好可變速率控制等等。目前，IETF致力于把SCTP作為一種通用的傳輸協議。對SCTP本身的研究集中在對其功能的完善和擴展上，主要是從兩個本質特點入手：多路徑和多流。同時，對SCTP應用的研究主要集中在兩個方面：在移動網絡中的應用和對多媒體的傳輸。

本文的主要研究工作是利用NS-2構建仿真平臺，對SCTP和TCP這兩種協議進行對比，并根據仿真的結果計算、分析和比較這兩種協議的性能，發現它們各自的優缺點。

1 TCP和SCTP的單路徑的對比研究

單路徑的實驗拓撲圖如圖1所示，一共有6個節點，2個路由節點。其中0-2是發送節點，5-7是相應的接收節點。3個發送節點都綁定了FTP應用，其中0號節點的數據包發送往5號節點，流標簽為1；1號節點的數據包發送往6號節點，流標簽為2；2號節點的數據包發送往7號節點，流標簽為3。設置最大的傳輸單元為1500。路由3、4間的droptail隊列大小分別為5、10。本實驗主要更改了1號節點和6號節點的傳輸協議。現在設0-5號節點的路徑為L1，1-6號節點的路徑為L2，2-7號的路徑為L3。變量主要在L1上面。其中發送節點到路由節點3，路由節點4到接收節點的帶寬均為10Mbps，延遲均為15ms。路由節點3、4直接的帶寬為1.7Mbps，延遲為15ms。這樣路由節點3、4之間就成為接收方和發送方直接的瓶頸。

圖1 實驗拓撲圖

實驗一的過程是：在0.5s的時候三個節點同時開始發送數據，4s的時候斷開L1，7s的時候斷開L2。這樣做的主要目的是讓L1的數據包先在有兩個TCP傳輸協議競爭的情況下進行數據傳輸，然后逐漸斷開其他兩個鏈路的數據傳輸，來觀察TCP和SCTP在有TCP競爭條件下，數據傳輸的吞吐量，延遲和丟包率。吞吐量如圖2所示。

圖2 實驗一中TCP和SCTP數據的吞吐量

圖2所表示的是鏈路L2上的數據吞吐量。X坐標軸表示時間的變化，單位為s，Y坐標軸表示接收的數據量，單位為Byte。紅色線表示TCP協議在droptail隊列為5時的數據吞吐量。綠色線表示TCP協議在droptail隊列為10時的數據吞吐量。藍色線為SCTP協議在droptail隊列為5時的數據吞吐量，黃色為SCTP協議在droptail隊列為10時的數據吞吐量。從圖2中可以看出，總體上SCTP的吞吐量遠遠高過TCP。對于SCTP來說，在droptail隊列為5的時候，其吞吐量比10的時候略高，但差距不是很大。在兩個TCP數據傳輸斷掉以后，兩種情況下的吞吐量趨于相同，而且數據吞吐量趨于穩定。看趨勢，在9s以后，droptail隊列為10的時候，其吞吐量會略大于5的時候。對于TCP協議來說，很明顯，在droptail隊列為10的時候，其吞吐量高于5的時候，在兩個TCP協議的數據傳輸都斷掉以后，數據吞吐量的增長率趨于平行式增長。

圖3 實驗一中TCP和SCTP延遲對比

圖3是實驗一中SCTP和TCP兩種協議數據傳輸延遲的對比。如圖所示，是TCP和SCTP在droptail隊列為5的時候，兩種協議延遲的對比。紅色線為TCP的延遲，綠色的為SCTP的延遲。X坐標軸表示數據傳輸的時間變化，單位為s，Y坐標軸表示兩種協議在某個時刻的延遲，單位為s。從圖3中可以看到，兩者的數據線略有交叉，SCTP的延遲略高于TCP；TCP的延遲是在一個范圍內上下波動，而SCTP的延遲呈一種階段性的梯度變化。從這里也可以看出兩種數據傳輸的差別：TCP在鏈路達到穩定的時候，每次傳輸的數據量一定；而SCTP的數據傳輸，在沒有擁塞避免的情況下，是呈指數增長的。

根據實驗一的拓撲圖，更改鏈路L1和L3的數據傳輸時間，此為實驗二。在0.5s的時候1號節點開始發送數據，在1.5s的時候0號節點開始發送數據，在4.5s的時候3號節點開始發送數據，在7.5s的時候將L1和L3兩條鏈路斷開連接，8s的時候結束數據傳輸。通過觀察TCP和SCTP協議在逐漸有一個TCP協議和兩個TCP協議競爭的條件下的數據吞吐量，延遲和丟包率來對比兩種協議。

圖4 實驗二中TCP和SCTP兩種協議的數據吞吐量

在圖4中，表示的是鏈路L2上的數據吞吐量。X坐標軸表示時間的變化，單位為s，Y坐標軸表示接收的數據量，單位為Byte。紅色線表示TCP協議在droptail隊列為5時的數據吞吐量。綠色線表示TCP協議在droptail隊列為10時的數據吞吐量。藍色線為SCTP協議在droptail隊列為5時的數據吞吐量，黃色為SCTP協議在droptail隊列為10時的數據吞吐量。從圖4中可以看出，總體上來說，在相同的droptail隊列值的情況下，SCTP的吞吐量遠大于TCP的吞吐量。在兩個TCP競爭數據傳輸出現后，它們的吞吐量都有一個短暫性的下降，然后繼續趨于上升。在8.0s的時候，兩種協議的吞吐量開始趨于穩定。

對比實驗一和實驗二中數據吞吐量的圖，我們看到，由于實驗一和實驗二的區別在于競爭的TCP協議出現的時間不同，在實驗一的環境下，SCTP在有其他協議競爭的條件下，能夠更容易、更快地達到數據吞吐的穩定狀態，這樣非常有利于數據的傳輸。

圖5是實驗二中鏈路L2在droptail隊列值為10的時候的延遲對比。紅色線為TCP的延遲，綠色的為SCTP的延遲。X坐標軸表示數據傳輸的時間變化，單位為s，Y坐標軸表示兩種協議在某個時刻的延遲，單位為s。由圖5中可以看出，SCTP與TCP延遲隨時間的走勢相互交叉，與實驗一中的情形類似，SCTP的延遲略高于TCP。

圖5 實驗二TCP和SCTP的延遲對比

圖6 TCP和SCTP競爭時的延遲和吞吐量

圖6是在實驗一環境下，SCTP和TCP相互競爭下的延遲和吞吐量的對比，主要是鏈路L2和L3的對比，紅色線表示的是TCP，綠色線表示TCP。圖6上圖中，X坐標軸表示數據傳輸的時間變化，單位為s，Y坐標軸表示兩種協議在某個時刻的延遲，單位為s；圖6下圖中，X坐標軸表示時間的變化，單位為s，Y坐標軸表示接收的數據量，單位為Byte。從圖6中可以看出，情況基本與上面的實驗保持一致。在相同的droptail隊列值的情況下，SCTP的吞吐量遠大于TCP，但是TCP和SCTP的延遲相互交叉，SCTP延遲略高于TCP。

2 TCP和SCTP的多路徑的對比研究

多路徑的實驗拓撲圖如圖7所示，節點0-2合起來是一個發端，節點3-5合起來是一個收端。0是核心節點，1、2是接口，即該端點的兩個IP地址；3也是核心節點，4、5也是接口，也即該端點的兩個IP地址。1和4路徑命名為if0；2和5路徑命名為if1。

在SCTP傳輸過程中，數據只能從接口發或收，不能直接從核心節點發或收。該實驗過程為：應用層傳輸FTP數據，在0.5s后開始傳輸；在第5s前，路徑if0、if1的帶寬為5M，時延為50ms；在第5s，路徑if0性能惡化，帶寬變成1M，時延變為200ms；在第8s，傳輸結束。

圖7 SCTP多路徑仿真拓撲圖

由于TCP沒有多路徑這個特點，所以，要與SCTP作對比，只能重新建立拓撲圖。拓撲圖如圖8所示：數據傳輸過程和SCTP一樣，應用層傳輸FTP數據，在0.5s后開始傳輸；在第5s的時候鏈路發生惡化，帶寬變成1M，時延變為200毫秒；在第8s，傳輸結束。

圖8 相應的TCP拓撲圖

對于這兩種協議延遲方面的比較，我們在上一節中已經有過很詳細的對比，所以在這里，主要針對兩種協議在多路徑的情況下，對數據吞吐量作比較，如圖9所示。

圖9 多路徑下TCP與SCTP吞吐量的比較

如圖9，其中為了表示自己搭建的TCP網絡和SCTP網絡有對比性，所以測試了在圖8中拓撲圖中SCTP數據的吞吐量，如圖9中的綠線。從圖中來看，在6.5s以前兩種拓撲圖中SCTP的數據吞吐量完全吻合，這樣看來，兩種拓撲圖是具有可比性的。圖中藍色線表示TCP協議的吞吐量，黃色線表示if0路徑上SCTP的吞吐量，紅色線表示if1路徑是SCTP的吞吐量。X坐標軸表示時間的變化，單位為s，Y坐標軸表示接收的數據量，單位為Byte。從圖9中看，5s之前鏈路沒有惡化，SCTP默認if0是主路徑，5s之后鏈路if0惡化，吞吐量開始下降，此時，因為有另一條路徑if1的存在，而且鏈路狀態比if0好，SCTP開始將if1作為主路徑進行傳輸，圖中if1的吞吐量開始上升，由此可以看出，SCTP的吞吐量在經過一段時間的降低之后，會恢復原來的吞吐量，使數據傳輸不受影響。由圖9可以看出，TCP在路徑出現惡化的時候，吞吐量開始下降，如果路徑得不到緩解，吞吐量會受到很大的影響。由此可以看出，SCTP多路徑的特點較TCP存在很大的優勢。我們再來分析路徑if0數據傳輸與時間的關系，如圖10所示。圖10中有上（紅色）、中（綠色）、下（藍色）三條線。上線（紅色）代表 SCTP 把數據包發送到緩存，即入隊列；中線（綠色）代表數據包從緩存注入到網絡，即出隊列；下線（藍色）代表數據包從收端反饋回來的證實 SACK。縱坐標代表所發送的數據包序列號，橫坐標代表時間，斜率指示傳輸速率（下面類似圖的信息也是這樣的）。在第5s，帶寬和時延發生變化，路徑性能變差，所以第5s后的斜率小于第5s前的斜率，即第5s后的傳輸速率小于第5s前的傳輸速率。

圖10 if0上數據傳輸與時間的關系

3 結束語

本文主要是通過NS-2構建仿真平臺，對TCP和SCTP在單路徑和多路徑的條件下進行對比。通過兩個實驗對比發現，兩種協議在數據傳輸的延遲方面，SCTP協議略高于TCP協議，相差不是很大，但是SCTP的數據吞吐量遠遠大于TCP協議。由于SCTP具有多路徑和多重定址的特點，在應對鏈路惡化的情況時，SCTP表現出更高的穩定性。作為一個新的傳輸協議，SCTP還具有很大的發展空間，SCTP較TCP更能滿足高性能傳輸的要求，隨著IP網絡的迅猛發展，SCTP一定會有更廣闊的應用空間。

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