（计算机应用技术专业论文）流控制传输协议的性能分析与研究.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 流控制传输协议的性能分析与研究 摘要 s c t p ( s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 一开始是由i e t f 信令传输 工作组( s i g t r a n s ) 为在i p 网络上开发一个用于传输呼叫控制信令时提出的。但 随着s c t p 协议的深入研究与开发，它的某些特征( 如多宿性和多流性) 能满足 更多其他应用程序的要求，s c t p 不仅继承了t c p 的很多成功机制，更弥补了 t c p 协议的许多不足之处，所以i e t f 将s c t p 作为一般目的的传输层协议 s c t p 作为新的传输层协议，还存在很多不足，本文旨在研究s c t p 协议的多 流特性、多宿特性的特点，从而提出优化方案，扩充其特性，使之在网络传输 中更好的发挥作用。 本文首先研究s c t p 协议发展的背景和历史，然后简单介绍s c t p 不同于 以往传输层协议的新特征和分组格式，及关联建立和关闭，链路的管理等。着 重研究s c t p 多宿、多流特性。针对s c t p 多宿特点中存在的缺陷提出性能改 进方法。s c t p 协议规定，在一个偶联活动期间仅仅支持一条激活路径进行数 据传输，另外的路径仅仅是出于容错目的而作为备用路径。为了改进s c t p 协 议的这种缺陷，本文提出两个性能改进策略，方案一是在偶联建立时，选择数 据传输性能最好的路径作为主传输路径，并且周期的通过选择传输性能最好的 路径作为主传输路径来进行动态地切换，掘弃了一条基本路径永久不变的思 想。进一步的性能改进方案是s c t p 的负荷分担传输，在传输数据时，在 s c t p 建立的偶联中选择若干条传输性能高的链路来传输数据，提高系统的吞 吐量和系统的健壮性。为了衡量每条链路的最大传输性能，方案中以链路的可 用带宽为依据。为获得收敛性更好的可用带宽测试算法，本文分析传统测试可 用带宽算法，以s l o p s ( s e l f - l o a d i n gp e r i o d i cs t r e a m s ) 带宽测试原理为依据，设 计一个可用带宽测试算法，包括三个子算法( 界定带宽范围算法、接近带宽值 算法和带宽变化趋势判定算法) ，来获得链路可用带宽。 最后利用n s 仿真环境，修改n s 中有关s c t p 实现的c + + 代码，编写脚 本，对论文提出的优化方案进行仿真，并处理实验数据。最后结果验证了修改 后的s c t p 在传输数据上减少数据丢包、提高传输时延、缩短拥塞过程的调整 时间上获得极大性能。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 通过对s c t p 多流特性的研究与性能改进策略必将对s c t p 的理论研究以 及应用具有一定推动作用。 关键词流控制传输协议；负荷均衡传输；多流；多宿 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 p e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n d r e s e a r c ho ns t r e a m c o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l a b s t r a c t s c t p ( s t r c a mc e n t r e lt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) i sd e s i g n e dt ot r a n s p o r tc a l l i n g c o n t r o ls i g n a lm e s s a g e so v e ri pn e t w o r k s ，o r i g i n a l l yp r o p o s e db yi e t fs i g t r a n s a s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs c t pp r o t o c 0 1 c e r t a i nc h a r a c t e r i s t i c s ( m u l t i - h o m i n ga n dm u l t i s t r e a m i n g ) a l ec a p a b l eo fb r o a d e ra p p l i c a t i o n s ，s c r pn o to n l y i n h e r i t ss o m es u c c e s s f u lm e c h a n i s m so ft c p , m o r eo v e rs c t pr e m e d i e st h es o m e d e f e c t so ft c p , h e n c e , i e t fe m p l o ys c t pa sg e n e r a lp u r p o s et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 t h i sa r t i c l ea i m st os t u d yt h ef e a t u r e so fm u l t i s t r e a m i n ga n dm u l t i - h o m i n g , p u t f o r w a r dt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m e , a n de x p a n d st h ep r o p e r t i e s ，w h i c hc a np r o v i d e b e t t e rp e r f o r m a n c ei i lt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h eb a c k g r o u n da n dh i s t o r yo fs c t pd e v e l o p m e n t , t h e nb r i e f l yi n t r o d u c e st h en o v e lc h a r a c t e r i s t i ca n dp a c k e tf o r m a to fs c t pw h i c hi s d i f f e r e n tf r o mp r e v i o u st r a n s p o r t - l a y e rp r o t o c o l ，c o n n e c t i o ne s t a b l i s h e da n dc l o s e d , l i n km a n a g e m e n t m a i n l ya n a l y z e st h em u l t i - h o m i n ga n dm u l t i - s t r e a m i n gf e a t u r e so f s c t p a c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c i e se x i s t i n gi nm u l t i - h o m e i n gf e a t u r eo fs c t p , m e t h o di sp o i n t e do u t i ns c t pr u l e s ，t h e r ei so n l yo n ea c t i v ep a t ht ot r a n s p o r td a t a o t h e rp a t h sa r eo n l yu s e d 勰s t a n d b yp a t h sf o rf a u l tt o l e r a n c e a i m i n ga tr e s o l v i n g t h ed e f e c to fs c t p , t h i sa r t i c l ep r o p o s e st w os t r a t e g i e st oi m p r o v ep e r f o r m a n c e , s t r a t e g yo n ei st oc h o o s et h ep a t hw i t hb e s td a t at r a n s m i s s i o nc a p a c i t y 勰t h ep r i m a r y t r a n s m i s s i o np a t hw h e na s s o c i a t i o ne s t a b l i s h e d , a n dt r a n s m i t sd a t at h r o u g hp a t h s w i t c hd y n a m i c a l l yi n s t e a do ft h ei d e ao fas i n g l ep e r m a n e n tp r i m a r yp a t h t h r o u g h o u tt h ea s s o c i a t i o n ab e t t e rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti st h et r a n s m i s s i o no f s c t pl o a ds h a r i n g , d u r i n gd a t at r a n s m i s s i o n , s e v e r a ll i n k s 丽ml l i g ht r a n s m i s s i o n c a p a c i t yi sp r e f e r r e dt ot r a n s m i td a t ai i lt h ec o n n e c t e da s s o c i a t i o i l s i no r d e rt o m e a s u r et h em a xt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo fe v e r yl i n k ，t h es c h e m ee m p | o y st h e i i i 哈尔滨理- t 大学工学硕i l ：学位论文 a v a i l a b l el i n kb a n d w i d t ha sb a s i s a i m i n gt oo b t a i nb a n d w i d t ha l g o r i t h mw i t hb e t t e r c o n v e r g e n c ew h i c hi s t e s ta v a i l a b l e , t h i sp a p e ra n a l y z c st h ec o n v e n t i o n a lt e s t a v a i l a b l eb a n d w i d t ha l g o r i t h m ，r e l i c so nt h es l o p sp r i n c i p l e ，a n dc o m b i n e st h r e e s u b - a l g o r i t h m s ( d e f i n e db a n d w i d t hr a n g ea l g e r i t h m ，a p p r o a c h i n gb a n d w i d t hv a l u e a l g o r i t h ma n dp r e d i c t i o no fb a n d w i d t hf l u c t u a t i o nt e n d e n c ya l g o r i t h m ) f o rl i n k a v a i l a b l eb a n d w i d t h w i t hn ss i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t , m o d i f yt h ec 抖i m p l e m e n t e dc o d ew h i c hi s s c t pr e l a t e di nn s ，c o m p i l es c r i p ta n ds i m u l a t et h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ew h i c hi s p r o p o s e di nt h ep a p e r , p r o c e s st h ee x p e r i m e n td a t a 1 1 1 ef i n a lr e s u l t sv e r i f yt h a t i m p r o v e ds c t pp r o v i d ed r a m a t i cp e r f o r m a n c eo fr e d u c i n gm i s s i n gp a c k e to nd a t a t r a n s m i s s i o n , s h o r t e n i n gt h et i m ec o s to fc o n g c s t i o np r o c e s s n 地s t u d y i n gt o t h ef e a t u r eo fs c t pm u l t i s t r e a m i n ga n ds t r a t e g yo f p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tp l a yc r i t i c a lp a r ti np r o m o t i n gt h er e s e a r c ho i ls c t p t h e o r ya n da p p l i c a t i o n k e y w o r d s s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，l o a d - s h a r i n gt r a n s m i s s i o n , m u l t i - s t r e a m i n g , m u l t i h o m i n g i v - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文流控制传输协议的性能分析 与研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：夏云磊 日期：2 。8年3 月1 5 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 流控制传输协议的性能分析与研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密凹。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 夏喙 日期：2 0 0 8 年3 月1 5 日 导师签名： 毒坎 日期：2 0 0 8 年3 月1 5 日 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 上世纪九十年代以来，网络和通信技术获得了飞速发展，其中最引人注 目的无疑是i n t e r n e t 在全球的普及和无线通信的迅速崛起。当今世界，以指 数速率高速增长的因特网和移动通信己成为信息产业的两大支柱。 因特网无处不在的成功发展很大程度上取决于因特网的t c p i p 协议族 技术。设计i p 协议的明确目标即在最大范围内支持各种不同种类的网络实 体进行信息交互，使得不同的网络可以在全球范围内广泛互联。为了更好地 支持业务的应用需求，通常要由比i p 层更高的传输层来控制和提高这种 b e s te f f o r t 业务的端到端性能。传输层协议是用户应用层与网络层( i p 层) 之 间的接口。虽然传输层协议提供的是面向用户的业务，但它们的设计是以适 应网络特性为目标。因此，提高传输层协议的性能，对提供满足因特网各种 应用要求的服务、适应底层链路的不同特性，具有重要的意义。 网络技术的发展及新应用的出现，对传输层的性能也提出了更高的要 求。但是，t c p 的设计有一定的局限性，在某些方面已不能满足应用的需 求和底层链路的特性。如t c p 设计时假定传输链路误码率很低，分组丢失 主要是由网络拥塞引起的。随着目前网络技术的发展，这些假设在很多情况 下都不再成立( 如，无线环境) 。目前高带宽链路的广泛应用，数据传输和多 媒体通信的飞速发展，各种无线通信技术的互联，也为t c p 协议的应用提 出了新的挑战。同时，各种不同应用的出现，对传输层的服务特性提出了新 的要求，而t c p 已经不能满足新出现的应用的要求，因此很多应用开始基 于u d p 协议来实现自己的可靠数据传输协议。t c p 主要的局限性在于心1 ： 1 t c p 提供可靠的数据传输，数据在接收端的严格有序递交。但有些 应用不需要维持数据在接收端的递交顺序，还有些应用只需要数据在接收端 递交时部分有序，如n o 7 信令消息，w w w 业务，m p e g 4 等业务。在这 两种情况下，t c p 的严格有序递交机制可能导致队头( h e a d o f - l i n e ) 阻塞，引 入不必要的延迟。 2 t c p 是面向比特流的，将数据看作没有结构的字节序列进行传输。 应用层只能自己标记发送的消息，采用t c p 的p u s h 机制来确保在合理的时 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 间内发送完这个消息。 3 t c ps o c k e t 不支持多宿性，不能很好的支持组播。 4 t c p 协议安全性较差，在初始化连接的过程中容易受到d o s ( d e n i a l o f s e r v i c e ) 攻击，如s y n 攻击。 由于t c p 协议己不能满足现在各种应用的要求，为了在i p 网络上传输 n o 7 信令，2 0 0 0 年，i e t f ( 互联网工程任务组) 的信令传输工作组 s i g t r a n ( s i g n a l i n gt r a n s p o r tg r o u p ) 提出了流控制传输协议s c t p ( s t r e a m c o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) ，命名为r f c 2 9 6 0 b 1 ，使得s c t p 正式成为国 际标准。s c t p 既继承了部分t c p 的性质，又增加了许多新的特性，如多 宿、多流、部分可靠性等。由于s c t p 具有适合i n t e r n e t 数据和多媒体传输 的特性，并可能成为下一代的传输层协议，因此s c t p 正成为当前研究的热 点引 1 2s c t p 的研究现状 1 2 1s c t p 的主要研究方向 s c t p 的研究领域基本上围绕着它的特性来展开。 1 失效恢复( f a i l o v e r ) 和切换的鲁棒性( r o b u s tc h a n g e o v e r ) s c t p 在 传输层支持m u l t i h o m i n g ( 多宿主) 特性，允许偶联在需要的时候，动态地发 送数据到一个替代的i p 地址，使得当一端某个i p 地址不可达时，偶联仍然 可以保存。这指的就是f a i l o v e r ( 失效恢复) 。s c t p 拥有内建的失效检测和恢 复系统，但s c t p 的f a i l o v e r 机制是静态的，有局限性，在某些应用环境和 网络条件要求下不具备适用性。为改进s c t p 的多地址的性能，出现了一些 高效的应用机制和地址切换策略晦“1 ，它们能够增强网络连接的健壮性，提 高吞吐量。假如偶联的一端变更了位置，移动到一个新的地方并且改变了 i p 地址，这种情况便是i p 地址切换( c h a n g e o v e r ) 。由于s c t p 协议允许应用 层通过地址配置扩展协议设置新的地址，因此可以将s c t p 用在地址切换的 场合。比如在移动环境中就使用过s c t p 的这一特性进行了测试，结果显示 切换过程中存在不必要的重传，这一点仍然需要进行研究，目前已有一些解 决方案被提出 1 2 并发多路传输c m t ( c o n c u r r e n tm u l t i p a t ht r a n s f e r ) 由于s c t p 提 供m u l t i h o m i n g ，端到端的c m t 能够在传输层实现，这样会比应用层的控 哈尔滨理- t 大学t 学硕：学位论文 制更加得力，能够提供性能更佳的负载平衡。端到端通信还有诸如拥塞控 制、丢包检测与恢复、瓶颈检测、排队算法等课题的研究同样也能够在并发 多路传输中开展。 3 部分可靠性( p a r t i a lr e l i a b i l i t y ) p a r t i a lr e l i a b i l i t y ( p r ) 指的是一种提 供部分的、而不是全部数据按顺序进行接收的服务。偶联一端如果收到 f o r w a r dt s n 数据块，表明发送方希望本端改变c a c k ( c u m u l a t i v ea c k ) 的值到指定的数值，而不管在指定值之前的数据是否都收到。也就是说，即 使以前的数据可能不完整，收到f o r w a r dt s n 之后，都要将可能是不完 整的数据交给上层，一切重新开始。这种方式能够应用在一些对时效性要求 很高的场合，在这些场合中等待重传一个过期信息中的缺失部分，不如重新 开始传输一次新的信息。在多媒体传输中，许多信息是经过编码的具有前后 相关性的，它们也非常适合采用p r s c t p 进行传输。与u d p 无序、不可靠 的数据传输相比，支持部分可靠性的s c t p 能够提供有序的、不可靠的数据 传输服务。部分顺序服务对应用程序来说十分有用，它能够平衡许多q o s 参数，并且避免用户为每一个应用程序编写自己的协议。但是必须注意，相 对于部分顺序协议而言，s c t p 提供的是一种受限制的部分顺序服务，它仅 能支持简单的服务，而无法提供复杂的应用。 4 流的优先级当前许多的网络用户纷纷要求多种类型的网络应用，如 视频音频等多媒体服务。因此，网络服务器必须能够具备提供多种数据并行 传输的能力，此外还应该能够应付常常出现的带宽不足的情况。以往采用在 端节点之间并行传输的方法有三种。第一种在两端之间建立多条t c p 连 接，每条连接传输一种类型的数据。这种方法在逻辑上区分了数据类型，但 是破坏了t c p 。f r i e n d l y 的拥塞控制，使得一个上层应用能够挤占网络的可用 带宽，获得不公平的传输性能。第二种方法是在一个t c p 连接中复用和解 复用不同类型的数据( 由上层应用完成) ，显然这样就要求上层应用进行繁杂 的处理，对数据传输的时间顺序进行高效、公平的管理。第三种方法使用 u d p ，类似于第二种方法，将多种类型的数据复用到一个连接当中，然后在 接收方解复用，但是由于u d p 是不可靠的数据传输，上层应用往往还需要 增加额外的可靠性保障机制。s c t p 的流在传输层为多种数据的传输提供了 一个新的解决方案，它将多个连接和复用解复用结合到一起，每个s c t p 的流是一个逻辑的、单向的传输通道，位于端到端的s c t p 偶联中。在 s c t p 端节点启动偶联之初，可以指定多个流，每个流拥有独立的发送和接 收缓存。由于各个流的时延的不确定性，在i e t f 的s c t p 实现指导中提供 哈尔滨理工大学i t 学硕士学位论文 了两种避免流饿死的排队方法，r o u n d r o b i n 和f i r s t c o m ef i r s t s e r v e 。前者循 环访问每个流的输出队列，选择每列当中最早的数据块，将之封装到数据包 中发送；后者按照上层应用发送的顺序一次封装入数据包，先到先服务。如 果将优先级的概念引入从发送方到接收方的逻辑流当中，那么我们便可以让 上层应用指定相对重要和相对次要的数据，放在优先级不同的流当中传输。 当网络带宽不足或者发生拥塞时，优先级较高的流相对优先级低的流而言应 获得更好的服务质量和更高的吞吐量。但是s c t p 中流的优先级并没有在标 准中规定，对于这种非标准的特性，既能够在应用层实现，也能够在传输层 实现。有文章给出了具体实现的方法，并进行了性能分析。 5 拥塞控制设计一种可靠的传输方法，重传定时器的设计常常是协议 设计时的一个重要的组成都分。由于从对端返回的信息很少甚至没有，所以 重传时间成为恢复一个丢失的数据包的唯一方式。t c p 和s c t p 是到目前为 止i e t f 制定的两个可靠的单播传输协议。s c t p 比较t c p 而言有一些改 变，但是两者的基本都使用了由j a c o b s o n 设计的重传计时器( 该设计被采纳 成标准r f c 2 9 8 8 ) 。 1 2 2 国内研究现状 国内的研究侧重于应用。文献 8 对s c t p 与t c p 的性能进行分析，指 出t c p 协议的缺陷。基于s c t p 在移动传输研究上，北京邮电大学交换技 术与通信国家重点实验室的郭伟，程时瑞于2 0 0 5 年提出一种新的s c t p 变 种r c s c t p 阳1 ，r c s c t p 具有s c t p 支持多宿和消息无序的优点，多宿主 机支持移动终端部署多个异质网络接口，利用移动终端上有限的缓冲资源， 采用以收方为控制中心，可以很好的解决最后一跳无限链路的小宽度、高误 码率、信道时变特性对传输性能的影响，特别适合无线移动终端的通信。郭 强，朱杰实现了基于移动s c t p 的建模训。王翔提出了利用s c t p 在p 2 p 网 络共享方面的思想1 。韦冬，杨寿保与鲁黎n 2 1 针对包含有线和无线网络的 异构环境中缺乏有效的错误检测和错误恢复机对s c t p 进行改造，避免了拥 塞窗口的盲目缩减。文献 1 3 分析了s c t p 适合于信令和多媒体传输的特 性，研究了用s c t p 传输m p e g 4 视频流的性能，并应用s c t p 设计了一个 识别程序。朱桂勇，吴庆波在文献 1 4 提出基于s c t p 多宿特性的多路径同 时传输，并且总结了多路径同时传输的关键技术，包括快速重传触发技术、 拥塞控制窗口增长技术、延迟应答技术、减轻接收端缓冲区阻塞问题的技术 4 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 以及重传时的路径选择技术。其它方面的研究有s c t p 在未来电信网中的应 用n 5 1 ：s c t p 的安全问题；军事应用等等。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。 1 2 3 国外研究情况 国外的研究侧重于起草标准。s h a o j i a nf u ，w i l l i a mi v a n e i e 于2 0 0 3 年 在i e t f 的年会中提出在s c t p 协议中增强移动功能引，它的功能直接建立 在a d d i p 功能的基础上，在没有移动i p 支持的情况下实现移动性，并且和 移动i p 兼容。在多路径研究上，l a r m a n d oj c a r o 引提出一种自适应的两阶 段倒换机制来提高对路径状况的适应性，减少路径间不必要的倒换，提高 s c t p 性能。j a n a r d h a n 等在文献 1 8 研究使用流控制传输协议进行并行多径 传输c m t ( c o n c u r r e n tm u l t i p a t ht r a n s f e r ) ，并且提出不同的c m t 转播策 略。c a s e t t i ，c a i o t t o 和w w e s t w o o d 提出改进协议w - s c t p n 引提出利用带宽 延时比对每条路径带宽进行估计，在各条路径之间正确分配流量来实现拥塞 控制，并且以精确的方式实现传输层的多路负载均衡。s t e w a r t r 在文献 2 0 中提出非对称路径延迟优化移动多媒体协议草案，并给出了建模分析。文献 2 1 提交建立s c t p 偶联后的动态地址重配置的草案，用于解决对传统移动 网的无缝切换；文献 2 2 提交单播拥塞控制建议标准t c p 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 ) 心3 1 受美国军方( a r l ，美国 陆军研究实验室) 的资助，重点研究s c t p 在移动网络和a dh o e 幢引网上的应 用，包括军事应用。除了p e l ，国外主要研究机构有思科、s u n 、诺基亚 在占 奇。 国内，国外对s c t p 协议的研究主要在其多流、多宿，部分可靠、 c o o k i e 机制等核心特性方面开展的，在多流方面郭伟，程时瑞提出了提出的 s c t p 负荷分担及其关键算法，但是这中算法上设计的比较复杂。s c t p 还 存在一些不完善的地方，例如拥塞控制机制和路径切换算法，多流的应用实 行等。要想成为一种获得广泛应用的通用协议标准，s c t p 还必须经过大量 的实践验证。s c t p 的多流特性需要进一步完善和发挥。 5 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 课题的来源及研究内容 1 3 1 课题来源 s c t p 作为一种新的传输层协议，不仅继承了传统传输层协议的优点， 而且它的多流、多宿等核心特性，在下一代网络和移动通讯网络中有非常广 泛的应用。本文课题自选，以s c t p 做为研究课题。 1 3 2 课题的主要研究内容 本文以s c t p 的标准文档为主线，并且根据国内外s c t p 的研究情况及 协议未来的发展趋势和人们需求的要求，结合所学习的一些算法，开展课题 研究的。本论文研究的主要内容包括以下几个方面： 1 首先研究s c t p 协议s c t p 的核心特性，并比较其在传输机制、多宿 主机、多数据流等方面与传统的传输层协议t c p 、u d p 的优势。 2 应用可用带宽测试算法作为一种s c t p 的功能扩充方案，在s c t p 关 联建立时，测试关联的每个路径的可用带宽心引，选择最大的带宽路径对应的 端口作为主传输路径，改变协议对主传输路径选择上做默认处理或留给上层 的规定。由于现有的基于自拥塞理论的可用带宽的测量算法t o p p ( t r a i n so f p a c k e tp a i r s ) 和s l o p s ( s e l fl o a d i n gp e r i o d i cs t r e a m s ) 的原理比较简单，而且 比较实用，但在测试速度上收敛比较慢，为了能更好的应用于选择s c t p 的 主传输路径，本课题以s l o p s 可用带宽测试原理为基础，设计可用带宽测试 算法用于优化协议。 3 基于s c t p 的多宿( m u l t i h o m i n g ) 特性来实现多流传输，从而来扩充 其功能，在多路径上通过测试每条链路的可用带宽及利用s c t p 的心跳反馈 消息来实现多路径负担均衡传输。 4 最后根据上面方案，扩充网络模拟软件n s 2 中s c t p 的模块，编写脚 本，并对具体的算法性能进行模拟，分析具体的仿真实验数据，并对结果进 行处理。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第2 章s c t p 协议研究与优化分析 在本章中，首先将s c t p 协议所提供的功能分门别类进行了归纳。然后 介绍s c t p 分组，通过对分组结构特点的分析，我们能够初步了解协议的工 作机制以及协议功能是如何得以实现的。接着，我们着重讨论s c t p 协议的 核心特性：多流、多宿、c o o k e 机制。并研究了偶联的建立和关闭、拥塞控 制和偶联管理。在本章最后，我们提出s c t p 缺陷，并给出优化的策略。 2 1s c t p 协议概述 s c t p 是s i g t r a n 协议族中的一员。s i g t 黜支持通过i p 网络传输 传统电路交换网s c n ( s w i t c h e dc i r c u i tn e t w o r k ) 信令。它支持s c n 信令协议 分层模型定义中的层间标准原语接口，从而保证已有的s c n 信令应用可以 未经修改的使用，同时，利用标准的i p 传输协议作为传输底层，通过增加 自身的功能来满足s c n 信令的特殊传输要求。s i g t r a n 协议族负责信令网 关和媒体网关控制器间的通信，有两个主要功能：适配和传输。与之相对 应，s i g t r a n 协议族包含两层协议：传输协议和适配协议。 s i g t 鼬谢工作组曾在早期将t c p 作为传输协议进行信令传输，但是在 使用过程中t c p 表现出一些如无法提供无序的可靠传输、易收到拒绝服务 攻击等局限性，导致t c p 在一些应用场合的表现不佳；而传输层的另一协 议u d p 只能提供无连接不可靠的连接服务，这显然不能满足信令传输的要 求。在这种情况下，s c t p ( s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 在2 0 0 0 年作 为舡c 2 9 6 0 被发布。 2 2s c t p 的核心特性 s c t p 源于m u l t i - n e t w o r kd a t e g r a mt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ( m d t p ) ，它针 对t c p 的一些缺陷和不足进行了改进，其特点主要表现在下列几个方面： 1 可以在偶联的一端或两端采用m u l t i s t r e a m n i g 技术； 2 使用m u l t i - s t r e a m n i g 顺序传递或无序传递消息； 3 四次握手，抵御s y nf l o o d i n g 或匿名攻击( m a s q u e r a d ea t t a c k ) ； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 提供选择确认方式； 5 能够为上层应用提供丰富的控制接口； 6 部分可靠性； 2 2 1 多宿( m u l t i - h o m i n g ) 在一些对性能要求严格甚至近乎苛刻的系统中，总是想方设法在各个层 次使用冗余备份的解决方案来防止某个部分失效。这种情况应用到网络通信 当中，就发展成为在一个连接两端提供多个宿主 如图2 - 1 所示，主机a 和主机b 都是拥有两个网络适配器的多宿主 机，可以通过多个地址进行访问，如果其中一个i p 地址失效可能由于 接口或者链路失效、或者路由汇聚到了一条通路导致阻塞目的主机依然 能通过另外一个接口来收到数据。 为了更好地支持网络冗余，s c t p 在传输层支持多宿主特性，一个 s c t p 端节点能够在建立连接时绑定多个i p 地址，而i e t f 的草案d r a f t i c t f - t s v w g a d d i p s c t p 一0 8 补充了在连接建立完毕后增删地址的方法。 一个t c p 连接在每一端使用一个i p 地址，因此在图2 - 1 中可能需要有 4 个t c p 连接( a 。，b 。) ，( a i b ：) ，( a ：，b 。) ，( a 2 ，b 。) 。在s c t p 中每两个端 节点之间只有一个连接，但是可以包含多个地址，这样的连接称为偶联。图 中的主机a 和b 之间只需建立一个s c t p 偶联( a l ，a ：) ， b 。，b ：) ) h 图2 一l 多宿特性 f i g 2 - 1m u l t i - h o m i n gc h a r a c t e r 目前s c t p 的多宿主技术仅用来实现冗余、数据重传，并没有用来进行 负载均衡。正常情况下，每个端节点使用一个首选目的地址发送所有数据， 如果一系列的数据无法送达，则认为该地址失效，数据将尝试向另一个地址 发送，如果发送成功那么该新目的地址将成为首选地址。这样一来，网络的 冗余能力将得到大大加强，而上层除了需要指定多个地址之外无需涉足操作 的具体细节，s c t p 内建的失效检测和恢复机制可以动态地选择可用链路。 哈尔滨理t 大学_ t 学硕十学位论文 s c t p 使用两种机制来追踪每个目的地址是否可达：a c kc h u n k 和心跳 c h u n k 。c h u n k ( 数据块) 是s c t p 报文的基本组成单元。每块发送的数据都需 要收到a c k 进行确认，如果数据进行重传，那么正在被使用的首选地址的 错误计数器将增加一次记数，同时，每隔一段时间，s c t p 会向各个目的地 址发送心跳c h u n k ，用于检测那些没有被使用的备用地址的可达性。当错误 记数器到达一个门限值( 通常是6 次) ，相应地址将被标志为不可达，并且不 能用来发送数据，此时心跳c h u n k 依然定期发送，直到收到心跳的确认，计 数器清零，地址重新变成可达。 2 2 2 多流( m u l t i s t r e a m i n g ) m u l t i s t r e a m i n g 是另一项s c t p 的新特性，流( s t r e a m ) 是包含在s c t p 偶联中的单向逻辑数据流。在偶联启动时，s c t p 端点协商需要建立的流 数，在偶联的生命周期内还可以通过协商改变数量。 如图2 - 2 演示了主机之间的关联。 图2 2 多流特性 f i g 2 - 2m u l t i s t r e a m i n gc h a r a c t e r 在图2 2 中a 到b 方向建立了三个流( o 2 ) ，而b 到a 方向建立了一 个流( 0 ) ，不同的流通过流标志符( s t r e a mi d e n t i f i e r ) 来进行区别。在一个流 内，s c t p 能够使用流序列号( s t r e a ms e q u e n c en u m b e r s ，s s n s ) 来保证数据的 顺序和可靠性，这一点类似t c p 。但是在流与流之间，数据间是无序的， 这种方法避免了t c p 的h e a d o f - l i n e 阻塞问题，在t c p 中一旦有数据块丢 失，后续成功传输的块必须在接收队列中等待直到发送端重传以前丢失的 哈尔滨理工大学_ t 学硕士学位论文 块。s c t p 流与流之间相互独立，如果流0 的数据丢失了，在接收端只有该 流会阻塞并等待重传，对于其他流的数据并不受影响，依然可以正常地送达 上层。因此s c t p 能够以更高的速率向上层递交数据，这在一些多媒体应用 或者信令传输中具有较大的优势。 。 s c t p 还支持流内的无序递交。得益于流与流之间的独立性，s c t p 能 够在不同的流中使用有序或无序的递交方式。如果使用无序方式，那么 s c t p 发送方将不分配s s n s ，接收方对之忽略，并且不经过任何的重新排 序就直接向上递交( 只有在大块数据被分段时才需要重新组装，但是数据块 和数据块之间依然没有顺序) 。可以看出，流内的无序递交方式类似u d p 协 议。 m u l t i s t r e a m i n g 特性为s c t p 提供了许多的灵活性，可以为上层应用提 供丰富的服务。 2 2 3c o o k i e 机制 在介绍c o o k i e 机制前，先简单介绍t c p 三次握手( t h r e e w a yh a n d s h a k e ) 的连接过程。首先，请求端发送一个包含s y n ( s y n c r o n i z e 同步) 标志的t c p 报文，接收端在收到请求端的s y n 报文后，将返回一个s y n + a c k 的报 文。然后，客户端也返回一个确认报文a c k 给服务器端。t c p 的三次握手 的连接过程经受了时间的考验，被认为是非常成功的设计。 但是t c p 协议也还有不少问题。t c p 刚设计时由于当时i n t e r n e t 刚刚 兴起，并没有意识到安全方面的问题。而随着i n t e r a c t 的快速发展，网络中 的安全问题也日趋层出不穷，针对t c p 握手机制而引发的安全隐患逐渐显 露。t c p 在握手过程中相对易受窃听而被攻击( 如匿名攻击) ，在连接建立时 容易受到s y nf l o o d i n g ( s y n 泛洪攻击) 。所谓s y nf l o o d i n g 攻击，是当 t c p 连接收端在收到请求端的s y n 报文后，返回一个s n y + a c k 报文时需 要为这个半连接( h a l f - o p e nc o n n e c t i o n ) 分配一定内存资源。这就给恶意的攻 击者制造了机会，如果攻击者集中发起大量t c p 连接，连接接收端将为此 分配大量的内存资源。数量庞大的半连接还会耗费许多c p u 资源。由于网 络终端设备的资源是有限的，如果攻击不断进行，最终所有的资源将会被耗 尽，导致无法响应客户正常的连接请求，此时从正常客户的角度来看，服务 器