基于多路傳輸控制協(xié)議的地震信息網(wǎng)絡(luò)研究

陳折桂　魏夢(mèng)婉　陳楠

摘要：互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展使得越來(lái)越多的智能設(shè)備能同時(shí)支持移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)或者有線網(wǎng)這種新型融合網(wǎng)絡(luò)體系，然而這些設(shè)備雖配備有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，它們的功能卻還沒有被充分利用。多路傳輸控制協(xié)議是近些年的研究熱點(diǎn)，它通過(guò)利用智能設(shè)備的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口聚合傳輸過(guò)程中的多條路徑，實(shí)現(xiàn)并發(fā)多路傳輸。基于此，以研究多路傳輸控制協(xié)議為核心，以江蘇省地震局地震信息網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用場(chǎng)景，以局部信息網(wǎng)絡(luò)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停诜抡鎸?shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多接口設(shè)備在地震信息網(wǎng)絡(luò)中的多路徑傳輸?shù)目尚行裕行У亟档土藭r(shí)延，從而滿足工作人員對(duì)于更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求。

關(guān)鍵詞：地震信息網(wǎng)絡(luò)；多路并行傳輸；多路傳輸控制協(xié)議

一、前言

隨著地震行業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)和信息化業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如P2P、ftp、視頻會(huì)議、GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)等融入了日常化的工作中[1-4]，工作人員對(duì)帶寬的需求也在與日俱增。尤其在2020年新一代通信技術(shù)5G的廣泛部署和應(yīng)用后，各類移動(dòng)終端設(shè)備入網(wǎng)，通信流量進(jìn)一步迅速增長(zhǎng)，讓人們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中對(duì)于優(yōu)質(zhì)服務(wù)質(zhì)量有了更多的期待和更高的要求。然而，在默認(rèn)情況下，傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議/用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol，TCP/UDP）在一個(gè)傳輸連接中僅使用單一的“最佳”路徑，一旦鏈路發(fā)生故障，傳輸可能就會(huì)中斷，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量有極大的影響。事實(shí)上，在不同接入技術(shù)相互融合的龐大現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中，存在豐富的資源并沒有得到充分利用，原因在于，通信設(shè)備已經(jīng)具備多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，如智能手機(jī)配備了蜂窩（如4G/5G或LTE）和WiFi接口，電腦配有有線網(wǎng)卡和無(wú)線網(wǎng)卡，兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間有多條鏈路存在的可能性。因此，在現(xiàn)有單路徑傳輸滿足不了更高服務(wù)需求和互聯(lián)網(wǎng)中豐富的資源沒有得到充分利用的矛盾情況下，利用多接口設(shè)備的多條路徑以提高端到端的傳輸性能和魯棒性的想法應(yīng)運(yùn)而生。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

互聯(lián)網(wǎng)早期階段，具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口和多條路徑的計(jì)算機(jī)并不是設(shè)計(jì)和研究的優(yōu)先事項(xiàng)，只有路由器交換機(jī)等具有多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)接口。而近幾十年互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)顯著的進(jìn)步讓便攜式電子智能設(shè)備都配備了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，豐富的網(wǎng)絡(luò)資源促使多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口采用多路徑傳輸在理論上成為可能。學(xué)術(shù)界上，圍繞多路徑傳輸已經(jīng)發(fā)表了數(shù)百篇科學(xué)文章，涵蓋了數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層等不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次以及數(shù)據(jù)調(diào)度管理、擁塞控制、數(shù)據(jù)包重排序等各個(gè)方面[5-9]。行業(yè)上，一些公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了他們的多路傳輸聚合方案，如比利時(shí)Tessares公司試圖在多路傳輸控制協(xié)議 （MultiPath Transmission Control Protocol，MPTCP）之上開發(fā)新的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，它的第一個(gè)產(chǎn)品旨在聚合不同基礎(chǔ)設(shè)施（LTE/DSL）的帶寬。蘋果于2013年在部分IOS設(shè)備上加入了對(duì)MPTCP協(xié)議的支持，同時(shí)在Siri服務(wù)器的一部分上實(shí)現(xiàn)了MPTCP的變體，主要是支持Siri語(yǔ)音服務(wù)，確保IOS用戶在LTE、WiFi網(wǎng)絡(luò)下使用Siri都能很流暢。除此之外，蘋果還支持網(wǎng)絡(luò)管理員將MPTCP與IOS搭配使用，以加強(qiáng)與目標(biāo)主機(jī)的備份TCP連接[10]。韓國(guó)KT電信在2015年IETF93大會(huì)上介紹了其商業(yè)服務(wù)Gigapath，它在三星Galaxy系列部分支持MPTCP的手機(jī)上聚合了LTE和WiFi網(wǎng)絡(luò)，能讓用戶實(shí)現(xiàn)最高1Gbps的網(wǎng)速。在本文仿真中，我們探討傳輸層的解決方案，因?yàn)樗窃趯?duì)等體之間保持端到端語(yǔ)義的最低層。

（一）傳輸層的其他傳輸控制協(xié)議

曾廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中傳輸層協(xié)議有傳輸控制協(xié)議（TCP），流控制傳輸協(xié)議（Stream Control Transmission Protocol，SCTP），流控制傳輸改進(jìn)協(xié)議CMT-SCTP（Concurrent Multipath Transmission for SCTP，CMT-SCTP）等。TCP被看作是一種能夠保證網(wǎng)絡(luò)通信性能的有效的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議，它提供一條端到端的、可靠有序的主機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。但TCP協(xié)議只支持通過(guò)單個(gè)接口建立一條通信路徑，無(wú)法滿足終端設(shè)備多通信接口特性和人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的高吞吐量需求。SCTP是最早能實(shí)現(xiàn)多路傳輸控制的協(xié)議，發(fā)送端和接收端通過(guò)SCTP建立主備兩條路徑，默認(rèn)在主路徑傳輸數(shù)據(jù)流，當(dāng)主路徑失效時(shí)，啟用備用路徑。但SCTP協(xié)議專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中公用開關(guān)電話信號(hào)問(wèn)題而設(shè)計(jì)，不能與現(xiàn)有使用TCP的應(yīng)用程序兼容，且它雖然存在主備兩條路徑但在某一時(shí)刻仍然只能使用一條路徑來(lái)傳輸數(shù)據(jù)流，因此SCTP只用在特定的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，仍然沒有得到廣泛應(yīng)用。之后，IETF（Internet Engineering Task Force）研究工作組提出了SCTP的多路并行擴(kuò)展協(xié)議CMT-SCTP，它能允許多個(gè)子流實(shí)現(xiàn)多路并行傳輸，但由于CMT-SCTP為SCTP的擴(kuò)展協(xié)議，所以發(fā)送端和接收端的應(yīng)用程序必須支持SCTP協(xié)議并有調(diào)用該協(xié)議的專用接口，這也造成了CMT-SCTP同樣有應(yīng)用和部署受限的問(wèn)題。

鑒于上述傳輸層協(xié)議存在不同的問(wèn)題以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中大部分應(yīng)用程序均是基于TCP進(jìn)行設(shè)計(jì)的，于是IETF工作組制定了新的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議MPTCP。對(duì)于所有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議來(lái)說(shuō)，它的成功不僅取決于協(xié)議規(guī)范，還因?yàn)樗鼙粚?shí)際應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)和使用的可參考性。

（二） MPTCP的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

MPTCP 作為傳輸層上一種新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，于2009年由IETF工作組提出，經(jīng)過(guò)多次起草，于2011年推出協(xié)議的框架設(shè)計(jì)，并在2013年正式發(fā)布網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。MPTCP將一個(gè)原始數(shù)據(jù)流分成若干個(gè)子流，通過(guò)多個(gè)TCP連接同時(shí)進(jìn)行并行傳輸實(shí)現(xiàn)吞吐量提升，達(dá)到對(duì)應(yīng)用程序多路徑透明傳輸?shù)哪康摹Ａ硗猓琈PTCP引入了雙序列號(hào)。子流序列號(hào)在子流級(jí)別用于對(duì)每個(gè)TCP子流進(jìn)行重新排序，而數(shù)據(jù)序列號(hào)在連接級(jí)別用于對(duì)所有子流內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序。其協(xié)議棧如表1所示。MPTCP 不需要對(duì)原有協(xié)議棧做大的改動(dòng)，僅在TCP的基礎(chǔ)上增加了MPTCP層，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)端點(diǎn)間多條路徑的管理和調(diào)度，還實(shí)現(xiàn)了與TCP的兼容。那么，當(dāng)對(duì)端中的一端不支持MPTCP時(shí)，可主動(dòng)切換為TCP協(xié)議繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)流；而當(dāng)雙方都支持MPTCP時(shí)，兩端用戶可以選擇開啟多路徑傳輸擴(kuò)展，仍然保證了有序、可靠地面向字節(jié)發(fā)送。MPTCP的出現(xiàn)使得各式各樣的移動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備利用其多通信接口同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)成為可能，同時(shí)與現(xiàn)有應(yīng)用程序的兼容性使其在復(fù)雜的新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中更易于大規(guī)模部署。因此，MPTCP協(xié)議受到了國(guó)內(nèi)外研究者們的廣泛關(guān)注，也使得該協(xié)議能夠快速發(fā)展。

三、基于MPTCP的地震信息網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

本文以研究MPTCP協(xié)議為核心，以江蘇省地震局地震信息網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用場(chǎng)景，以局部信息網(wǎng)絡(luò)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)現(xiàn)多接口設(shè)備在地震信息網(wǎng)絡(luò)中的多路徑傳輸并驗(yàn)證其可行性與可靠性。

江蘇省地震局地震信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾切徒Y(jié)構(gòu)（如圖1），采用IP組網(wǎng)方式。為實(shí)現(xiàn)省局與全省各地市地震部門、各直屬臺(tái)站的相關(guān)業(yè)務(wù)和視頻會(huì)商等數(shù)據(jù)流傳輸，以“十五”項(xiàng)目建成的“江蘇省數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”（江蘇省地震行業(yè)網(wǎng)）中29條2M MSTP（Multi-Service Transport Platform，多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)） 專線為載體進(jìn)行互聯(lián)；為實(shí)現(xiàn)省局上聯(lián)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心和廣州速報(bào)災(zāi)備中心，江蘇省地震局分別開通了1條30M MSTP專線和1條20M MSTP專線；同時(shí)上聯(lián)、下聯(lián)均可以通過(guò)VPN撥號(hào)方式進(jìn)入地震行業(yè)網(wǎng)；另外根據(jù)各部門各臺(tái)站互聯(lián)網(wǎng)辦公的需求，江蘇省地震局與省屬臺(tái)站建立了15條6M江蘇電信互聯(lián)網(wǎng)專線寬帶，省級(jí)中心建立了6條50M江蘇電信互聯(lián)網(wǎng)專線寬帶，同時(shí)在新老辦公大樓部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)省局辦公樓無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋。于是，在該場(chǎng)景基礎(chǔ)上以局部網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统橄蟆?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶瑑蓚€(gè)雙接口的電腦終端，相互之間采用WiFi和以太網(wǎng)雙路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，中間路徑傳輸為有線鏈路傳輸。當(dāng)兩個(gè)終端有多個(gè)接口可以提供多個(gè)IP地址時(shí)，終端間將會(huì)建立多路徑傳輸，實(shí)現(xiàn)MPTCP通信；而當(dāng)其他接口關(guān)閉或者鏈路中斷只剩一個(gè)通信鏈路時(shí)，則會(huì)轉(zhuǎn)為單路徑傳輸。可以根據(jù)其需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包大小和傳輸帶寬進(jìn)行控制，從而來(lái)模擬數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

四、仿真實(shí)驗(yàn)

由于本課題是一個(gè)科研性的研究課題，為得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，暫不能在實(shí)際地震信息網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模實(shí)驗(yàn)和推廣，因此，需要搭建仿真模擬平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和傳輸協(xié)議運(yùn)行驗(yàn)證。本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境為AMD PRO A10-8770 R7， 10 COMPUTE CORES 4C+6G 3.5GHz CPU，搭載8GB內(nèi)存，操作系統(tǒng)采用Ubuntu16.04，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用NS-3.30版本。NS-3仿真平臺(tái)是一個(gè)離散事件的仿真模擬器，它允許學(xué)術(shù)研究人員在其開源項(xiàng)目的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況和研究需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c參數(shù)進(jìn)行編寫或修改，從而進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)以p2p業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸為例，兩終端所用的以太網(wǎng)帶寬均設(shè)置為100Mbps，時(shí)延設(shè)置為6560ns，中間有線鏈路傳輸帶寬均設(shè)置為5Mbps，時(shí)延為2ms，WiFi使用ns3仿真平臺(tái)中提供的默認(rèn)的信道模型和傳播時(shí)延模型，同時(shí)遠(yuǎn)程基站管理使用了AARF（Adaptive Auto Rate Fallback）速率控制算法，以調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)速率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分別設(shè)置不同數(shù)據(jù)包大小的幾組實(shí)驗(yàn)下，使用MPTCP相較于使用TCP時(shí)延更短，效率更高，吞吐量更大，說(shuō)明MPTCP鏈路狀態(tài)更好。對(duì)于日常辦公中需要不間斷的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，MPTCP提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量相對(duì)來(lái)說(shuō)更好。

五、結(jié)語(yǔ)

在地震信息化和現(xiàn)代化建設(shè)的當(dāng)下，用于日常辦公和業(yè)務(wù)交流的新型異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在使用現(xiàn)有TCP/UDP傳輸層協(xié)議時(shí)可能會(huì)存在總是根據(jù)特定的路由使用單一的“最佳”路徑導(dǎo)致時(shí)延和鏈路質(zhì)量影響因素差距較大等問(wèn)題，不能達(dá)到工作人員對(duì)于更高的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求。與此同時(shí)，以筆記本、智能手機(jī)為代表的具有多種接口的移動(dòng)設(shè)備入網(wǎng)，讓兩個(gè)端點(diǎn)之間可能有多條傳輸路徑。這更加擴(kuò)大單路徑傳輸和大量可用網(wǎng)絡(luò)路徑冗余的不匹配矛盾。針對(duì)上述矛盾和問(wèn)題，本文引入了MPTCP協(xié)議進(jìn)行解決和探討。本文主要介紹了基于MPTCP的江蘇省地震局地震信息網(wǎng)絡(luò)研究相關(guān)情況并在地震信息網(wǎng)絡(luò)傳輸層場(chǎng)景下驗(yàn)證其可行性。實(shí)驗(yàn)表明，在其他條件相同時(shí)，MPTCP時(shí)延更短，效率更高，其鏈路狀態(tài)更好，未來(lái)能為工作人員提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體驗(yàn)。H

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基金項(xiàng)目：江蘇省地震局青年科學(xué)基金專項(xiàng)NO.202113