基于mSCTP传输的非对称路径延迟优化方案的研究.docx
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基于mSCTP传输的非对称路径延迟优化方案的研究
分类号密级
UDC
学位论文
基于SCTP传输的非对称路径延迟优化方案的研究
作者姓名：
白钰
指导教师：
刘杰民副教授
东北大学信息科学与工程学院
申请学位级别：
硕士
学科类别：
工学
学科专业名称：
计算机应用技术
论文提交日期：
2007年12月10日
论文答辩日期：
2008年1月14日
学位授予日期：
答辩委员会主席：
评阅人：
党群，金顺福
东北大学
2008年1月
AThesisfortheDegreeofMasterinComputerApplicationTechnology
ResearchonAsymmetricPathDelayOptimizationWithSCTPTransport
byBaiYu
Supervisor:
ViceProfessorLiuJiemin
NortheasternUniversity
January2008
独创声明
本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。
学位论文作者签名：
签字日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：
即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
（如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：
否则视为不同意）
学位论文作者签名：
导师签名：
签字日期：
签字日期：
基于SCTP传输的非对称路径延迟优化方案的研究
摘要
随着网络接入方式的增多，无线设备如PDA等可通过诸如Wi-Fi，蓝牙，Wi-Max等不同技术接入到网络中已经很普遍了，多穴环境在无线网络中逐渐增多。
流控制传输协议（SCTP）提供了优秀的架构来支持多穴。
尤其是最近对SCTP在移动方面的扩展（如mSCTP），提供了更灵活的重新配置传输路径的方法（DAR），该方法允许在保持连接的SCTP偶联中加入或删除新的IP地址，从而使SCTP偶联可获得更多的传输路径，这一传输层的解决方案为移动终端的移动性提供了极大的支持。
但如何在SCTP偶联的众多路径中选择传输效率最高的路径仍然是一个开放性的问题。
本文首先分析并确定了非对称环境中路径延迟在众多网络性能参数中对多媒体数据传输的主导影响地位，提出了在非对称性环境下出现重传二义性情况时如何正确计算往返路径延迟即RTT的问题。
针对该问题本文提出了应答包相匹配的RTT计算方法-ARDC（Ack-matchedRound-tripDelayCalculation）法，对标准SCTP进行扩展，增加了RETID块和RETIDEcho块。
时序分析结果证明在出现重传二义性时该方法能有效地计算出正确的RTT。
其次，对如何在非对称性环境中选择最小延迟路径这一开放性的问题进行了研究。
提出了无线网络中非对称性路径延迟优化算法-ADOMN（Asymmetric-pathDelayOptimizationinMulti-homedNetwork），该算法通过比较不同路径组合上的RTT差异解决了这个问题。
NS2仿真实验结果证明本文提出的ADOMN算法能有效的选择出非对称环境中的最小延迟路径。
这种端到端的方法是对传输层协议的改进，是独立于网络层的，因此不需要对基础设施（路由器等）进行改动，节约了成本。
而且因为它是独立于网络层的，所以可以提供同构网与异构网之间的无缝递交。
最后，论文对未来研究工作进行了展望，并提出了建设性方案。
关键词：
SCTP；非对称性路径；RTT；ARDC（Ack-matchedRound-tripDelayCalculation）；ADOMN（Asymmetric-pathDelayOptimizationinMulti-homedNetwork）
ResearchonAsymmetricPathDelayOptimizationWithSCTPTransport
Abstract
ItbecomescommonforawirelessdevicetobeconnectedtomorethanoneaccessnetworksemployingeitherahomogeneoustechnologyorheterogeneousformsofaccesssuchasWi-Fi,Bluetooth,Wi-Max,etc，somultihomedscenariosincreasegradually.StreamControlTransmissionProtocol（SCTP）providessupport.TherecentworksonSCTPincludemobileextensionofSCTP（mSCTP）,whichenablesamoreflexiblewaytoreconfigureconnectionpathsbyallowingnewsource/destinationIPaddressestobeaddedtoanongoingSCTPassociation.WithmultiplepathspotentiallyavailabletoanSCTPconnectionduringvarioustimes,howtoselectamongseveralavailablepathsremainsanopenproblem.
TheinfluencetoMultimediadatatransportbroughtbypathdelayinasymmetricscenarioisanalysedinthispaperfirst,andthequestionhowtocalculatetheaccurateRTTinasymmetricscenariowhenACKandAUPACKhappenhasbeenputforward.WeproposedACKs-matchingRTTCalculation（ARDC）methodtosolvethisproblem,andweextendstandardSCTPbyaddingRETIDchunkandRETIDEchochunk.TimesequenceanalysisprovethattheproposedmethodcancalculateaccurateRTTinasymmetricscenariowhenACKandAUPACKhappen.
Howtoselectthelowestdelaypathinasymmetricscenarioisstillanopenproblem.WeproposedAsymmetric-pathDelayOptimizationinMobileNetwork（ADOMN）algorithmtosolvethisproblem.ADOMNcanselectlowestdelaypathbycomparingthedifferenceofRTTonallpathcombination.NS2simulationresultsprovethatourproposedalgorithcansurelyreslovethisproblem.Thisend-to-endmethodhasimprovedthetransportlayer,anditisindependentofnetworklayer,sobasicestablishmentssuchasrouters,gateway,etcdonothavetochange,whichiseconomic.Itcanimplementseamlesshandoverbetweenhomogeneousandheterogeneousnetworkbecauseofitsindependencetonetworklayer.
Keywords：
SCTP；Asymmetricpath；RTT；ARDC（Ack-matchedRound-tripDelayCalculation）；ADOMN（Asymmetric-pathDelayOptimizationinMulti-homedNetwork）
第一章绪论
一.1课题的研究背景
因特网和电信网曾经一度是两个独立的网络，它们提供不同的业务因特网的爆炸式发展和人们的对电信业务的更多需求，驱动着两大网络的融合。
IP技术的飞速发展，促使网络融合朝着以IP为基础的分组网方向发展。
然而，电信网中的电路交换到分组交换将是一个长期的渐进过渡的过程。
在这过渡过程中，以电路交换为基础的网络和以分组交换为基础的网络之间的通信首先要求信令能够互联互通。
只有实现了信令的互连互通，才会促进电信网和分组网的最终统一。
基于互联互通的需要，IETF在1998年正式成立了一个新的工作组－信令传送工作组（SIGTRAN），主要负责设计与制定IP网上传送的PST信令的标准与协议。
而SS7就是PSTN的信令。
SS7网和IP网的信令互通要求保留原有的SS7网和IP网的协议栈，并在此基础上使得IP网即能传送语音流又能传送SS7信令。
为此，SIGTRAN第一步工作就是产生报告文档RFC2719[1]，指明在IP上传输电话信令所需功能和性能需求[2]，还阐述了信令消息对丢失率、延时以及安全性等方的要求，同时给出了信令互通的体系结构。
后来RandallStewart和QiaobingXie提交的多网络数据报传输协议[3]（MDTP）获得一致好评。
接着MDTP演到SCTP[4]（StreamControlTransportProtocol），不仅仅名称发生改变，协内容变动也很大。
相对于MDTP，SCTP完全改变了协议数据报头和内部的数据结构，采用Cookie机制来有效抵御伪攻击，数据传送过程中使用了TCP[5]的拥塞控制策略。
另外，在消息绑定、数据分段等方面也作了很大修改。
2000年1月，SIGTRAN[6]对SCTP再次作了一个很大的变动，直接改协议栈，使SCTP直接运行于IP层上，这意味着SCTP从此可以在操作系统内核中实现。
经过不断的研究，SIGTRAN工作组在2000年10月正式布RFC2960，详细阐述了SCTP这个新的传输协议。
新诞生的SCTP集合了TCP、UDP[7]的优点，克服了TCP固有的队头塞、DoS[8]攻击，另外新增了许多功能，如多流[9]、多穴[9]、面向消息传输Cookie安全机制[10]，动态地址重配置[11]、部分可靠传输[12]、支持移动IP等等。
不但满足了在分组网上传输信令的要求，而且成为了通用的传输协议，能提供更好的多媒体传输服务，移动环境下端到端的高效服务。
SCTP被业界称为超级TCP，在下一代网络中，很有可能取代当前流行的TCP。
一.2研究内容及现实意义
SCTP是新诞生的协议，协议的功能不断的增加，性能不断的增强。
目前主要是在网络模拟中研究，也有一些公司、大学、组织搭建了SCTP实验网。
国外的研究侧重于起草标准。
定义SCTP负荷分担草案（多路径同时传输）[14]；制定部分可靠传输标准；提交建立SCTP偶联后的动态地址重配置；提交SCTPAPI草案[15]；定义SCTP对移动IP的支持；提交单播拥塞控制建议标准TCP友好可变速率控制等等。
其中特拉华大学的协议工程实验室（P.E.L.）[16]受美国军方（ARL，美国陆军研究实验室）的资助，重点研究SCTP在移动网络和Adhoc[17]网上的应用，包括军事应用。
除了PEL，国外主要研究机构有思科、SUN、诺基亚等。
国内的研究侧重于应用。
SCTP与TCP的比较[18]；SCTP在移动环境下的性能研究（比如平滑切换[19]，移动IP[20]，最后一跳性能恶化问题[21]，基于SCTP移动Internet传输模型[22]等）；基于独立路径拥塞控制的SCTP负荷分担机制研究[23]；结合SS7的研究[24]；SCTP的安全问题；军事应用[25]等等。
国内研究在广度上逐渐跟上国际步伐，但在深度上，权威性方面还有一定距离。
国内在这方面研究比较多的机构有北京邮电大学、南京邮电大学、华为、中兴等。
本文的主要工作包括：
提出了ARDC（Ack-matchedRound-tripDelayCalculation）方法，解决了非对称环境下精确RTT计算问题，对标准SCTP进行了扩展，对协议起到了补充的作用。
提出了ADOMN（Asymmetric-pathDelayOptimizationinMulti-homedNetwork）算法，解决了非对称环境下的最小延迟路径选择问题，对延迟敏感数据的传输起到了优化作用。
ARDC方法的提出，解决了ACK应答数据包二义性问题，保证了RTT的正确计算。
增加了2个数据模块RETID和RETIDEcho，该扩展对SCTP协议的修改很小，因此并不需要大规模的修改SCTP协议栈代码，便于实现。
ADOMN算法解决了如何在无线非对称性多穴SCTP环境中选择最小延迟路径的问题。
这种端到端的路径选择算法是针对传输层协议的改进，是独立于网络层的，因此不需要对基础设施（路由器等）进行改动，节约了成本。
而且因为它是独立于网络层的，所以可以提供同构网与异构网之间的无缝递交。
该算法同样适用于一端是单穴，而另一端是多穴的情况。
一.3本文的组织结构
全文一共分为五章。
第一章引言。
主要介绍课题的研究背景，国内外的研究现状及本文的研究内容。
第二章SCTP概述。
主要是介绍SCTP相关技术。
包括SCTP的主要特性，SCTP与TCP及UDP的区别，SCTP数据传输过程，以及SCTP未来的发展方向。
第三章非对称性环境下往返路径RTT的计算。
主要是分析标准SCTP中计算RTT出现的不足，并针对该不足，提出了解决方法，最后进行了时序分析模拟。
第四章非对称性环境下最小延迟路径选择的实现。
主要是针对非对称性环境中的路径选择问题进行了研究，提出了基于最小延迟的路径选择算法，并给出了相关的模拟实验与结果分析。
第五章总结和展望。
对本文作以总结，并提出了对未来的展望
第二章SCTP概述
二.1SCTP的主要特性
如图2.1所示，SCTP位于SCTP用户和IP网络层之间，类似于TCP、UDP，是传输层协议，是面向连接的可靠传输协议。
图2.1SCTP视图
Fig.2.1SCTPView
偶联类似于TCP的连接，但它的意义更广。
TCP的连接只有一条传输路径，而偶联可以有多条传输路径。
如图2.2所示，图中的一个偶联中有两条传输路径。
图2.2SCTP偶联
Fig.2.2SCTPassociation
偶联的表达式为：
{[10.80.168.111,202.180.167.165:
300],[10.190.167.12,220.180.167.19:
400]}SCTP有3个本质特性，这些特性使其突破了TCP、UDP的固有不足，具备先天优势，既满足了因特网对通用传输协议的需求，又推进了三网合一。
二.1.1多流特性
流是偶联中单向逻辑通道，是消息序列。
一条偶联中可以有多条流，即多流，如图2.3所示。
各条流相互独立。
流内可以顺序传输，递交；也可无序传输，递交，这取决于应用层对流的性质的规定。
图2.3偶联中的多流
Fig.2.3Multistreaminassociation
SCTP的消息具备定界机制。
消息是以数据块（DATACHUNK）为载体的，见图2.4。
数据块头Length（长度）用于消息定界。
FLAGS有3个比特。
第一比特“U（unorder）”用于表示消息是否需要有序。
如果不要求有序的，那么消息的“U”置1。
第二、三比特“B”“E”是begin,end的缩写，如果消息太大，就要把消息拆分，拆分后的第一块B置1，拆分后的最后一块E置1。
如果打成的IP包大于MTU（最大传输单元），那么消息就要被拆分。
因为即使SCTP不把它拆分，路由器也会把IP包再拆分，这时就增加了网络层的压力。
现在SCTP能自动检测出MTU，先行拆分，减少了网络层的压力。
性能又提一层。
StreamIdentifer是流标识符，标识各自独立的流。
StreamSequeueNum是流内序号。
图2.4DataChunk的分组格式
Fig.2.4FormatofDataChunk
SCTP可以对大消息拆分，也可以对小消息捆绑。
如果消息字节数太少，比如信令消息，就可以捆绑在同一个SCTP包里，然后再发送。
这样提高了SCTP的传输效率，降低了开销。
多流应用潜力非常广泛，音视频传输[26]，WEB访问，FTP传输等等。
音视频传输是指音频、视频放在不同的流里面，两者相互独立，假使网络性能不好，丢掉了大数据量的视频，小数据量的音频还是能很好传送到收端，不耽误收听、交流。
而且音频、视频都设置成无序方式（U=1），一旦到达收端，立即递交至高层，提高实时性。
WEB访问是指在WEB里种类丰富的多媒体信息，如文本、图片、动画、视频、声音等等，不同的种类可以放在不同的流里传输。
通过举例WEB访问来说明多流的优越性。
假定WEB服务器有3个小文件，每个文件打包成两个报文。
不同的文件用不同的形状表示。
三角形为数据文件，圆形为音频文件，方形为图片文件。
基于TCP的WEB访问方式。
如果客户端和服务器建立了一条连接，如图2.5所示。
第一个报文丢失，客户端收到了之后的所有报文，也只能放在缓存里，不能递交给用户，等待报文1的到达。
这是TCP典型的队头阻塞[27]问题。
它势必造成较大的延时。
图2.5一条TCP连接的Web访问
Fig.2.5WebaccessthroughanTCPconnection
为克服队头阻塞，提高传输效率，客户端与服务器建立3条连接，分别传输3个文件，如图2.6所示。
在连接1，报文1丢失，报文2收到后只能在缓存中等待，不能立即递交。
在连接2，报文乱序，报文4先到达，但不能立即递交给用户，需等报文3到达并排序后，才能递交给用户。
在连接3，报文是顺序的，一旦到达客户端，立即递交。
连接2上的文件2是音频文件，不需要严格有序，如果4报文先到达，也能立即递交给用户，那么能实时性就增强了。
但TCP不能满足此要求。
服务器、客户端需要为3条连接中的每条连接都维护一组变量（传输控制块），这增加了服务器、客户端的负担。
对于服务器来说，它能服务的客户就变少了。
此外，3条连接也增加了网络中路由器负担。
这些都是TCP的弊端。
图2.63条TCP连接的Web访问
Fig.2.6Webaccessthrough3TCPconnections
服务器、客户端需要为3条连接中的每条连接都维护一组变量（传输控制块），这增加了服务器、客户端的负担。
对于服务器来说，它能服务的客户就变少了。
此外，3条连接也增加了网络中路由器负担。
这些都是TCP的弊端。
而采用SCTP这些问题都能得以克服，如图2.7所示。
3个文件用3条流来传输，流之间相互独立，当报文1丢失时，不影响流2、流3递交。
这里很好地克服了队头阻塞。
3条流就像TCP的3条连接。
但是SCTP只用一组变量（传输控制块）来维护这一条偶联，减轻了服务器、客户端、路由器的压力。
图2.7基于SCTP传输
Fig.2.7TransportbasedonSCTP
不但如此，SCTP还有其它优点。
例子中文件2是音频文件，它不需要严格有序。
可以把DATACHUNK的FLAGS的“U”置为1，表示允许乱序。
这样当乱序的报文4先到达客户端时，不用等待报文3，就直接递交给用户。
这克服了队头阻塞，也提高了WEB访问的响应速度，降低了时延。
多流特性，很好地满足了因特网多媒体传输，三网合一等需求。
二.1.2多穴特性
多穴[28]即端点可以有多个地址，一般指多个IP地址。
如图2.2所示，每个端点各有两个IP地址，一个偶联里有两条传输路径。
SCTP建立偶联后，选择某条传输路径为主路径，其它路径为辅助路径，绝大部分数据都是在主路径上传输的，部分重发的数据有可能在辅助路径上传输。
SCTP具有路径故障管理功能。
SCTP发送心跳块（Heartbeat）周期性检查辅助路径是否处于激活状态。
如果收到心跳块证实（Heartbeat-ACK），那么该路径是正常的，否则记录该路径错误一次。
如果错误出现次数超过阈值，那么记录该路径为故障状态，关闭该路径。
如果主路径故障，RTO大于60秒，那么SCTP把主路径切换到其它激活路径上继续传输，不像TCP需要再次建立连接。
多穴特性保证传输的连续性，保证偶联的可靠性[29]。
通过心跳块把偶联中的多条路径管理起来了，通过路径冗余来实现网络级容错，提高传输的可靠性。
在SCTP多穴特性基础上，专家又在SCTP上扩展了动态地址重配置功能，即移动SCTP。
动态地址重配置是在偶联保持活动阶段，动态的增加和删除IP地址，并告诉对端将要使用的IP地址。
移动SCTP不同于移动IP[30]。
前者是传输层的移动，后者是网络层的移动。
网络层的移动需要在网络层设置移动代理，这增加了网络层的复杂程度，加重了路由器的负担。
动态地址重配置（移动SCTP）支持了终端的移动。
终端移动本质是端到端的移动，主机的移动只应该影响那些正在与之进行通信或是将要与之进行通信的节点。
而传输层刚好负责端到端通信的。
所以把移动从网络层提升到传输层后，会减少对网络层的修改和升级现有的网络层设施，有利于现有网络过渡到全面支持移动性。
图2.8描述了基于移动SCTP的终端移动[31]。
在第三代移动通信的Node_B的覆盖范围里有一笔记本电脑A，与对应端Z通过偶联进行通信，现在A正从C小区移向D小区。
分析一下建立偶联与移动的过程。
（1）A在C小区主动发起通信：
A在C小区收到Node_B分配给的IP2，以IP2为地址与Z的IP1建立偶联。
（2）A移动并获得新地址[32]：
A向D小区移动，在D小区边界处得到D小区分配的新地址IP3。
（3）在偶联中动态增加新地址：
把IP3新地址加入到偶联中，并通知对端IP3作为主地址。
（4）在偶联中动态删除旧地址：
由于C小区所发送的信号能量逐渐减弱，减弱到一定门限值时，删除C小区所分配的IP2。
（5）继续移动，重复2~4过程。
图2.8移动SCTP举例
Fig.2.8AnexampleformSCTP
二.1.3安全特性
TCP因为在拒绝服务中易受攻击所以被SIGTRAN否定掉。
而SCTP的四次握手机制很好的解决这一安全机制的问题。
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