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北京邮电大学硕士研究生毕业论文移动网络下新型传输协议 传输流媒体的性 能研儿 摘要 本论文着眼于下一代网 络 ( 移动互联网)中 新型网 络协议 ( 流控制传输协议 s c t p , ie t f r f c 2 9 6 0 ) 传输新型网络应用 ( 流媒体 )的性能 研究。 本文研究课题的应用层技术背景是网 络中的 新型应用一流媒体。随着 i n t e rn e t 的发展，网络 与人们的 生活越来越紧密，用户对 i n t e rn e t 上的 应用需求越来越多。另外，网 络带宽、 速度的大 幅提高和计算机处理能力的大大增强， 使得在网 络中 传输大数据量的多媒体应用成为可能， 流媒 体应运而生。 流媒体技术利用网 络实时传输大量的多媒体数据， 用户不必下载就可以 一边接收数 据流一边播放. 本文研究课题的网络层技术背景是移动i p 技术。i n t e r n e t 与移动通信的飞速发展使得人们越 来越迫切地要求将与移动网结合起来为移动用户提供方便自由的移动业务，移动互联网 是下一代网 络发展的趋势之一， m o b i l e i p是移动互联网中的关键技术。 本文主要研究移动网 络中 流媒体的传输。 传输层协议是本文研究的重点，流控制传输协议 ( s t r e a m c o n tr o l t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l - s c t p ) 是i e t f在2 0 0 0 年1 0 月正式公 布的 新一代传输协议标准 ( r f c 2 9 6 0 ) ， 它有望在不远的 将 来替代t c p 协议成为下一代互联网中主流的 传输协议。 本文以 移动环境下传输层协议s c t p 及其 扩展的 性能 评估为主线， 重点研究了s c t p 的非可靠扩展在移动网 络环境下传输流媒体的性能 ， 同 时提出了 两种在s c t p 非可靠扩展上传输m p e g 一数据流的新机制。 作者通过在网 络环境下实现 s c t p 及其非可靠扩展 部分可 靠s c t p ( p r s c t p 一 p a r t i a l r e l i a b i l i t y s c t p ) 协议模型， 并通过大 量的 仿真， 评估了s c t p协议在移动网 络中 传输多媒体数据流的 性能，并将 s c t p , p r s c t p等几种新 传输层协议与传统的传输协议t c p 和u d p 进行了比 较。 关键字: 流 控 制 传输 协 议，流 媒 体， 移 动 i p ， 传 输 控 制 协议， 部 分 可靠 流 控制 传 输 协 议，下 一 代 网络 北京邮电大学硕士研究生毕业论文移动网 络下新型传输协汉 传输流媒体的性能 研儿 ab s t r a c t t h e t h e s i s f o c u s e s o n t h e p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f n e w tr a n s p o rt p r o t o c o l ( s c t p一 s t r e a m c o n t r o l t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l ) f o r n e w a p p l i c a t i o n ( s t r e a m i n g m e d i a ) o v e r n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k ( m o b i l e i n t e rn e t ) . f r o m t h e a p p l i c a t i o n l a y e r s p o i n t o f v i e w , n e w a p p l i c a t i o n一s t r e a m i n g m e d i a i s i n v e s t i g a t e d i n t h e t h e s i s . wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f i n t e rn e t a n d t h e c l o s e l in k h u m a n s l i f e t o i t , u s e r s r e q u i r e m e n t t o t h e i n t e r n e t i s i n c r e a s i n g d r a m a t i c l y . mo r e o v e r , t h e e n h a n c e m e n t o f t h e b a n d w i d t h , t h e r a t e o f i n t e rne t a n d t h e c o m p u t in g c a p a b i l i t y o f c o m p u t e r s m a k e i t p o s s i b l e t o t r a n s p o rt h u g e a m o u n t o f m u lt i m e d i a d a t a i n i n t e rne t . t h e a p p l i c a t i o n s u c h a s s t r e a m i n g m e d i a i s e m e r g in g i n t h i s e n v i r o n m e n t . s t r e a m i n g m e d i a t e c h n o l o g y t a k e s a d v a n t a g e o f i n t e rn e t t o t r a n s p o rt m u l t i m e d i a f i l e s w i t h l a r g e s i z e , t h e r e f o r u s e r s c a n p l a y t h e m d u r i n g t h e c o u r s e o f t r a n s m i s s i o n w i t h o u t d o w n l o a d . f r o m t h e n e t w o r k l a y e r s p o i n t o f v i e w , t h e m o b i l e i p i s in v e s t i g a t e d in t h e t h e s i s . w i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e i n t e rn e t a n d m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s , t h e r e h a v e b e e n g r e a t d e m a n d s f o r i n t e g r a t i n g t h e i n t e rne t a n d m o b i l e n e t w o r k s t o p r o v i d e a b u n d a n t s e r v i c e s f o r m o b i l e u s e r s . mo b i l e i n t e rn e t i s o n e o f t h e t r e n d s o f t h e n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k s , a n d m o b i l e i p p l a y s t h e k e y r o l e in m o b i l e n e t w o r k . i n t h e t h e s i e t h e s t r e a m i n g m e d i a a p p l i c a t i o n i s s t u d i e d o v e r m o b i l e i p . t h e t h e s i s p l a y s e m p h a s i s o n t h e t r a n s p o rt p r o t o c o l p e r f o rma n c e e v a l u a t i o n f o r s t r e a m i n g m e d i a o v e r m o b i l e n e t w o r k s . s t r e a m c o n t r o l t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l ( s c t p ) i s a n e w t r a n s p o rt p r o t o c o l p r o p o s e d b y i e t f a s r f c 2 9 6 0 o n o c t . 2 0 0 0 . i t e x p e c t s t o b e c o m e t h e m a j o r t r a n s p o rt p r o to c o l i n p l a c e o f t c p in n e x t g e n e r a t i o n i n t e r n e t . a s c t p m o d u l e a n d t h e u n r e l i a b l e e x t e n s i o n t o i t ( p r s c t p ) a r e im p l e m e n t e d in t h e p r o t o c o l s t a c k o f n e t w o r k s i m u l a t o r ( n s ) . b a s e d o n t h e m o d u l e s s o m e s i m u l a t i o n s i s p e r f o r m e d t o s t u d y t h e p e r f o r m a n c e o f s c t p a n d t h e e x t e n s i o n s t o i t f o r s t r e a m i n g m e d i a o v e r m o b i l e n e t w o r k . a t t h e s a m e t im e t w o m e c h a n i s m s o f t r a n s p o r ti n g s t r e a m in g m e d i a o v e r u n r e l i a b l e e x t e n t i o n s t o s c t p i s p r e s e n t e d a n d p e r f o r m a n c e o f s c t p , p r s c t p w i t h t c p a n d u d p i s c o m p a r e d . k e y wo r d s : s t r e a m c o n t r o l t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l ( s c t p ) , s t r e a m i n g me d i a , mo b i l e i p , t c p / i p , n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k ( n g n ) 北京邮电大学硕士研究生毕业论文移动网络下新型传输协议传输流媒体的性能研究 第一章 绪 论 本章内 容是本论文的 技术背景。 首先对下一代网 络， 其中的关键技术和移动互联网做了 简介。 最后介绍了本论文的主要研究内容和结构安排。 1 . 1下一代网络( n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k 一 n g n ) 下一代网 络是一个建立在i p 技术基础上， 在统一的管理平台下， 实 现音频、 视频、 数据信号 的传输， 提供各种宽带应用和传统电信业务的公共通信网 络。它是一个真正实现宽带窄带一体化、 有线无线一体化、 传输接入一体化的综合业务网络。 按照i t u的建议， 下一代网络是可以 提供包 括话音， 数据和多媒体等多种业务的网 络， 它具有综合开放的网络构架和以 下三大特征: 第一， 采用开放的网络架构体系; 第二， 是业务驱动的网 络， 其业务与呼叫控制分离， 呼叫与承载分离; 第三，是基于统一协议的分组网络。 全 球 信 息 荃 础 设 施( g l o b a l i n f o r m a t io n i n f r a s t r u c t u r e - g i i ) 二十世纪九十年代以 来， i n t e r n e t 在全世界范围内 得到了 飞速的 发展， 基于i n t e rn e t 构建未来 网络业已 成为一种可能。融合电 信网、i n t e r n e t 和电 视网于一体的全球信息基础设施 ( g i i )从更 为广泛的意义和内 涵勾画出未来信息社会的蓝图。 实现三网合一的g i i 是建设未来信息 和通信设 施的最终目 标。向g n 的发展进程如图1 - 1 所示。 视 算书 1!一 1 9 7 21 9 8 01 9 8 8 1 9 9 g i i的结构目 标是通过互联和互操作的电 信网、 计算机网和电视网等网络资源的无缝融合， 构成一个具有统一接入和应用界面的高速网络。 数据业务超过话音业务 随着以i p 业务为代表的数据业务迅猛发展， 在2 1 世纪第一个1 0 年期间， 许多国 家的 数据业 务量将要或已 经超过话音业务量。目 前， 在北美数据业务量己 经超过了电路交换的 话音业务量。 为了 适应数据业务量大大超过话音的趋势;为了 适应客户一 服务器等应用方式引起的网络流量分 布变化:为了支持层出不穷、 越来越多的网 上应用， 世界各国 都在探索与试验可持续发展的下一 代网络。 通过几年的 探索， 现在普遍认为， 从网 络特性看， 下一代网 络应该是: * 一个通过高 速公 共传输链路和路由 器等节点， 利用i p 承载话音、 数据和视象等所有比 特 流的多业务网: * 一个能为各种业务提供有保证的服务质量的网 络; * 一个在与网 络传送层及接入层分开的服务平台 上提供服务与应用的网络; * 一个向用户提供宽带接人，能充分发挥容量潜力的网络; * 一个具有后向兼容性，能充分挖掘现有网络设施潜力和保护已有投资，允许平滑演进的 网络; 上述这些特性不同于目 前的p s t n网和因特网。 p s t n是专门为话音业务设计的， 其实时性、 可靠性和服务质量是有保证的， 但传数据是不灵活的、 低效的。因 特网非常灵活， 传送数据的效 率高，能承载任何类型的数字比 特流，但它的服务质量只能“ 尽力而为，o 按上面定义的下一代网络，电话网与因特网在业务上的融合与互通是两者的最佳组合， 这样 的网络既有因特网的灵活性，又能为话音业务和重要的数据应用提供有保证的服务质量。下一代 网络上所使用的技术则是可以不断演进的。在通往理想多业务平台的过程中，大约要经过五个阶 段， 即 初级阶段、 解决q o s 阶段、 互 操作阶 段、 综合 阶段、 多 业务阶 段. 在各个阶段中 要既 不丢 失业务，又为新业务的出现和发展创造重要机遇. 1 . 2下一代网络中的三项关键技术 不管下一代网络如何发展，以 下三种技术都将会成为下一代网 络中的关键技术:服务层面上 的i p技术，特别是i p v 6 ;传送层面上的光传输;接入层面上的无线技术。 近几年来随着i p网络的发展， 人们认识到g i i 网络中包含的电 信网络、 计算机网络及有线电 视网络最终都将可能汇集到统一的i p 网络， 即人们通常所说的“ 三网合一” 大趋势， i p 协议使得各 种以i p为基础的业务都能在不同的网上实现互通， 人类首次具有了统一的为三大网都能接受的通 信协议，从技术上为g i i 奠定了最坚实的基础。 2 1 世纪的网络需要更高的速率、 更大的容量， 但到目 前为止我们能够看到的， 并能实现的最 理想的传送媒介仍然是光。 因为只有利用光谱才能 带给我们充裕的 带宽。 自 从上个世纪8 0 年代以 来，全光网 和光纤到家一直是人们的梦想。高 速传输技术在本世纪仍将以光纤通信为土，并向 更 北京邮电大学硕士研究生毕业论文移动网络下新型传输协议传输流媒体的性能, .) f 究 高的速率、更灵活的组网方向发展。光纤传输现已渗入网络的各个层面，从广域网、城域网，一 直到局域网:从长途网、本地网、接入网，一直到用户驻地网。光纤传输正在发挥着越来越重要 的作用， 总有一天， 全光网的梦想， 甚至全光纤地球的梦想都会变成现实， 在2 1 世纪必将形成一 个光的世界。 随着通信技术的发展，信息的 移动性成为 人们迫切的需求， 人们需 要更自由， 更方便的 通信 方式。无线通信技术使人们摆脱了导线的束缚， 可以 不受地理位置的限 制随时随地地获得信息 服 务， 它满足了人们对自由， 便捷的要求。 回顾近十年来中国移动电话和移动通信的飞 速发展过程， 我们不难相信无线接入将成为下一代网络的必然发展方向。在本世纪，无线接入技术，不管是固 定接入还是移动接入，将成为下一代网络接入技术的主流。 1 .3移动通信和i n t e r n e t 的融合 i n t e rn e t 和移动通信， 分别对应着对大量信息资 源的 有效访问 和随处漫游的个人通信。目 前， 随着移动手机和智能化移动终端的实现，已使得越来越多的用户习惯于移动通信的方式，同时也 期望能够更加灵活地、不受任何限制地进行通信和接入到 i n t e rn e t 网。各大电信运营商、制造商 和内容提供商都非常积极地工作促进移动通信和i n t e rn e t 的融合，并先后推出了移动 i p 、无线局 域网 ( wl a n ) 、蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 等解决 方案及相关的产品。 移动i p 技术通过在网络层改变 i p 协议， 从而实现移动计算机在 i n t e r n e t 中的 无缝漫游; 无线局域网 采用 i e e e 8 0 2 . 1 1 系列协议，以无线信道作传输媒介组建的计算机局域网络，是在有 线网的基础上发展起来的，使网上的 计算机具有可移动性，能快速、方便地 解决有线方式不易实 现的网络信道的连通问题。 b l u e t o o t h 是由爱立信、i b m 、 诺基亚、 英特尔和东芝共同推出的一项 短程无线电 技术标准， 旨 在取消有线连接， 实 现数字设备间的 无线互联， 以 便确保包括蜂窝电 话、 掌上电脑、笔记本电 脑、相关外设和家庭h u b 等众多设备之间进行信息交换; 移动互联网是移动通信和 i n t e rn e t 的融合的产物，它是对传统互联网和传统电 信网的一次革 命。它不是对传统互联网和电信网的增强及补充，而是在技术上和应用上都有了 质的飞跃。它的 出现给传统互联网和电 信网已有的技术提出了更高的要求。首先，由 于无线频谱和功率的限制， 使得无线链路的带宽较小，而带宽成本则相对较高， 对于实时的多 媒体业务而言， 很难保障必需 的性能指标:无线链路受到干扰和障碍时会出现较高的误码率，连接可靠性较低，时延较大;无 线信号有一定的传播距离， 超出 覆盖区， 服务拒绝接入; 在不同的 履盖区间切换时， 存在位置 可 预见性差、频繁切换、路由重新注册、呼叫暂时中断等问题:安全保障问题也在移动互联网中表 现得尤为重 要. 而相应的 流量控制技术也没有充分考虑移动/ 无线环境的 特点， 无法适应移动用户 对服务质量保证的需求。 以i p 为核心、 以 无线网 络为重要接入形式、 信息具有高 度移动性、 混合承载各种多媒体业务 将成为下一代互联网的重要特征. 移动和无线环境有高误码率、 大时延、 网络资源紧缺等特点， 以 及主机移动引起的频繁切换、路由、呼叫中断问 题。目 前， t c p / i p 协议是i n t e rn e t 的通信基础， 但是它们在设计时只是针对有线网络， 并没有考虑到无线和移动网络的上述特征， 它所提供的只 是一种尽力而为的 服务， 这使得 t c p / i p在移动和无线环境下提供服务质量保证面临着巨大的 挑 战。 针对下一代网络中层出不穷的数据业务 ( 如:实时传输，播放大量的多媒体数据)和下一代 网络的移动和无线特性， 我们把研究重点 放在了 对适 应下一代网 络的新型网络协议的研究， 尤其 是对新型传输层协议中的 拥塞控制机制， 流量控制机制和传输的可靠性的研究。相信以 下一代网 络及其新型应用为背景对新型网络协议的研究对下一代网络的发展具有重要意义。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文移动网络下新型 传愉协议 传输流媒体的性能 研究 1 .4 本 论 文的 结 构 下一代互联网特别是移动互联网络下的新型协议和新型应用的研究对互联网的持续快速发 展具有重要的意义。本论文针对一 f 一代互联网的新型传输协议 s c t p( 流控制传输协议 s t r e a m c o n t r o l t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l ) 进 行了 比 较 深 入的 介绍。 作 者 在 研究 生 阶段 首 先 对s u p 协 议 本身做了比 较深入的学习 在做课题后期把重点发在了s up 的非可靠扩展在移动网络下传输流媒 体应用的性能评估上，并将它与现有网络协议t c p , u d p 等进行了比较。 本论文的主要内容包括: 第一章 绪论:介绍本论文的技术背景。 第二章 流控制传输协议:首先对i e t f提出的 新型 传输层协议s up 的 特点 进行了全面的分 析和总结。并介绍2 0 0 2 年工 e t f 公布的对s c t p 的两种非可靠扩展草案: 非可靠s c t p ( u s c t p ) 和部 分可靠s c t p ( p r s c t p ) o 第三章 移动 i p 技术: 主要介绍了本课题涉及的网络层技术: 移动 i p 和移动网 络， 包括 m o b i l e i p v 4 和 m o b i l e i p v 6 ，以 及对m o b i l e i p v 6 切 换a题的几种解决方案。 第四 章 在 s c t p上传物流媒体:首先介绍了 本论文重点研究的应用一 流媒体以 及其中的两项 关键技术: 多媒体数据的压缩编码和网络传输层协议的选择， 并分析了由m p e g - 4 压缩编码后的多 媒体数据流的 特点。 然后介绍了 作者提出的两种使用 s c t p的非可靠扩展传输这种媒体流的新方 案。 这些方案将s c t p 和m p e g - 4 这两种最新的 技术结合在一起， 做出了一些新的探索和尝试， 是 本论文的一个创新之处。 第五章 移动网络中s c t p 传输流媒体的仿真和性能分析 : 为了 评估第四 章提出的用 s c t p 传输流媒体的 机制， 作 者在国际 上的 研究机构 普遍 使用的网 络仿真( n s - n e tw o r k s i m u l a t o r ) 平台 下做了一系列仿真试验。 本章首先介绍了作者为进行网络仿真建立的 s c t p及其非可靠扩展 p r s c t p的 协议模型。然后通过对仿真试验结果的分析， 对移动网中 使用s up 及其非可 靠扩展传 输流媒体的性能进行了 评估。 并对s c t p 及其扩展等新协议与 现有网络中运行的协议， 如t c p , u d p 进行了比较。 北京邮电大学硕 l 研究生学位论文移动网络下新型传输协议传输流媒体的性能研究 第二章 流控制传输协议 s u p 随着i p 技术和i n t e r n e t 的发展， 越来越多的电信业务开始使用i p 技术承载传统的电信业务， 如i p电话， 可视电话等等. 而传统的p s t n网络也开始纷纷连接到i n t e r n e t 上， 这需要在i p 网络 中同时传输业务数据流和 s s 7 信令。为了适应在分组网络传递 s s 7的需求， i e t f在 1 9 9 8 年 1 1 月成立了一个新的任务组 s i g t r a n，其任务就是解决 p s t n信令在 i p网络的传输。 1 9 9 9 年8 月s i g t r a n发布了一个报告文件， 说明了在i p 上支持信令传输的功能和性能需求， 信令消息有着很严格的时延和丢包率的要求， 而且也必须考虑到安全性和可伸缩性。 要连接 p s t n 网络和 i n t e rn e t 必须设立一个s s 7 - i p网关，该网关不仅仅是通过 i p网络转换 和传输 s s 7 信令， 也可以接收和处理发送给它们的管理消息。 它们提供在i p网络上的透明的基于 消息的信令传输协议。通过这种方式，媒体流和信令可穿过ep网络到达目的地，从而提供p s t n 的相同的业务，同时更有效的利用了语音传输网络。 2 . 1新的 传输协议的要求 显然，我们需要一个在i p网中 传送s s 7 信令的传输协议，该协议应支持的功能如下: . 传输不同的 交换电 路网s c n ( s w it c h e d c ir c u it n e tw o r k ) 协议类型， 如m t p 3 , i s u b , s c c p , t c ” 等等。并且能够提供分辨特定的s c n协议的 方法。 . 提供通用的基本协议，定义头部格式，安全扩展，和信令传输的规程，并支持良 好的扩 展性，以 便支持新的s c n协议。 .在i p网络上，提供s c n低层定义的相关的功能。这些相关功能可能包括: 流控制 在一个控制流里面传输按序递交的信令消息 错误检测 传输路径上的错误恢复 重传和其它的 错误纠正 方法 对端实体的 可用性检测。 . 支持复用多个高 层s c n会话到一个传输信令会话的能力。 一般来说， 要求在的同一个控 制流中是要求按序递交的，但是对于不同的控制流的消息没有这个要求。信令传输协议 应该能够利用这个特性避免因为其它的流的序号错误而阻塞本流中的的消息递交。 . 能 够传输超过下层s c n分助重组长度限制的完整消息. .支持合适的安全策略，保护穿过网络的信令消息。信令传输应该能够支持代理会话，并 可以穿过防火墙。 .提供拥塞避免和其它对网络拥塞的反应措施。 1 9 9 9 年9 月c is c o 公司的r a n d a l l r s te w a r t 和m o t o ro l a 公司的q i a o b in g x ie 等 将描述 流控制 传输协议( s t e a m c o n t r o l t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l 一s c t p ) 的第一版草案于提交给i e t f ， 之后s c t p 北京邮电人学硕 : 研究生学位论文移动网络下新型传输协议传输流媒体的性能研究 经过多次修改， 到2 0 0 0 年s 月s c t p 草案的第1 4 版升级为r f c 状态， i e t f 以r f c 2 9 6 0 的编号 出 版t s c t p 协议作为建议标准 ( p r o p o s e d s t a n d a r d ) . 设计 s c t p的初衷是用于电话信令的传输协议，在 s c t p这么长的设计期间，许多新的特性 被加入原始的框架中， 它们中的大多数都是为了解决使用t c p / i p 协议中发现的问题。 即便是这些 特性对于 其土要用途一 在i p 网 络中传输p s t n信令而言并非很重要。 根据r f c 2 9 6 0 中的定义s c 丁 p 的功能可以分为以一 f 一些模块: 关 联 的 建 立和关闭 确认和 拥塞避免 图 2 - 1 : s c t p的功能模块 2 0 0 1 年1 月， 对于s c t p 的讨论从s i g t r a n转移到了t s v w g ( t r a n s p o r t a r e a w o r k i n g g r o u p ) , i e t f 的另外一个 传输领域的工作组。 这意味着s i g t r a n成功地将s c t p 设计为能够在更广泛领 域应用的协议， 从而s c t p开始被认为是一种通用的 传输层协议而不仅仅是信令传输协议。 到目 前为止很多人己 经了解 s c t p并撰写扩展，所以一些有价值或必要的特性正在被加入 s c t p中， 使得s c t p 更适合在不同的环境中 工作。 s c t p 特有的 可扩展性使这些努力成为一种容易的工作， 在下文中会介绍对s c t p的扩展。 2 . 2 s c t p的特点 2 . 2 . 1 s c t p 关联与 4次握手过程 与t c p 类似s c t p是一个面向 连接的可靠传输协议， s c t p 在用户之间建立的端到端的连接 叫做关联 ( a s s o c i a t i o n ) , s c t p 的关联与t c p 中的连接类似， 但它是一个比t c p 连接更广的概 念，对这一点的 理解要和s c t ，的 特点联系起来， 本文会在下面的部分介绍s c t p的 特点。 下图 是一个 s c t p关联。 北京邮电大学硕_ : 研究生 学位论文移动网络下新型 传输协议传输流o lt 体的性能研究 s c t p n o d e a 令 n e tw o r k tr a n s p o r t c 二二今s c t p n o d e “ 图2 - 2 : s c t p 关联 ( a s s o c i a t i o n ) 在t c p的连接建立阶段， 服务器端发 送了 s y n - a c k后， 会打开半连接， 等待客户端的a c k , 由于服务器要为这个半连接预留资 源， 保存状态， 这个过程很容易被攻击者利用来进行拒绝服务 攻击。 通常攻击者伪装成多个不同的i p 地址， 不停的发送连接请求， 而服务器在发 送了s y n a c k 给这些伪装的i p地址之后始终收不到a c k ，又要为这些连接请求保留半连接的资源，最终服务 器的资源被耗尽， 不能再 接受新连接请求了。目 前在t c p 中这个问 题始终没有得到 很好的解决。 在s c t p 中为了 避免这种攻击， 采用了4 次握手和c o o k i e 机制， c o o k i e 机制的原理和会话密钥机 制基本相同。 其中需要注意的是i n r r 和inr r a c k中的a d v e r t i s e d r e c e i v e r wi n d o w c r e d i t 字段， 这个字段 和t c p 头部的wi n d o w的功能是一样的。 所不同 是t c p 中 这个字段是1 6 位的， 而s c t p 则是3 2 位的。 t c p 的1 6 位的窗口 值最大为6 4 k b y t e s ， 这在设计t c p的时候是足够的， 但是很快这个限 制便显得太小了。 t c p 的性能更多的 依赖于带宽时延积。 所谓的 带宽时延积衡量了已 经发送出去， 而没有到达目 的 端的 数据总量。接收端的b u ff e r 设定应该尽量使得连接的吞吐量达到最大值。随 着网络带宽日 益增加， t c p 的小窗口限制了t c p 连接的吞吐量进一步提高。 s c t p则在设计之始 就考虑到这个问 题， 其3 2 位的窗口 值理论上的吞吐量最大可以 达到4 g b y t e s a 端 点 a咱点 b端点 a端点 b syn i n厅 +八ck c ook i e e c ho 八ck cook i e a c k ( a ) t c p的三次握手过程( b ) s c t p的四次握手过程 图2 - 3 : t c p 和s c t p的连接建立过程 北京邮电大学硕士研究生学位论文移动网 络下新型传输协议传输流媒体的性能研j c 在i n it a c k 中 携 带 了 一 个很 重 要 的p a r a m e t e r : s ta te c o o k ie ( 通 常 称 为c o o k ie ) . c o o k ie 使 得t c p 的s y n攻击在s c t p 中得以 避免. c o o k i e 没有内部结构， i n i t a c k的接收者须完全透明 将接收到的c o o k i e 在c o o k i e e c h o中返回到i n i t a c k的发送者( s e r v e r ) 。 这时s e v e r 端可以 验 证 c o o k i e 是否被修改，从而验证了关联发起者的身份。直到这个时候， s e v e r才为新关联分配资 源，发送c o o k i e a c k告诉c l i e n t 关联最终建立完成。 2 .2 .2多穴 主机 ( m u lt i- h o m in g ) s c t p 和t c p的 最 大的 区 别在于m u l tih o m in g. 为了 增 加 通信的 健 壮性， s c t p 关联两端主 机可以 具有多个可达的i p 地址. 一般说来， 不同的地址意味着不同 的路径， 其网 络状况也是不同 的。因此，s c t p为每个目 的地址设计了一套各自 独立的拥塞控制的参数。目 前的算法有以下的 假设: . 发送者通常使用相同的目 的 地址，直到上层通知地址发生改变。 然而s c t p的 地址也可 能在发现不活动时改变。同时，在发生重传的时候，会使用不同的地址进行重传。 .发送端为每个地址维护一套独立的拥塞控制参数，这些参数只有在本地址超过一定长度 时间内没有使用后才作废。 . 每当第一次使用一个新的地址进行传输时，都从慢启动开始。 . 在关联的建立阶段端点之间向 对方提供一个地址列表。 多穴主机的优点是可以 增加通信的健壮性。最初s c t p 是针对在i p网络中传送信令而提出， 信令对传输的 可靠性要求是比 较高的。 s c t p多穴主机的 特性可以 提高通信的 可靠性，因为当通 信双方保留了对端的多个地址后，在通信过程中当一方得知对方的某个地址不可达时它可以自动 选择另一个对端地址继续进行通信，而不必像t c p那样只能断开这次连接从新建立新的连接。 2 .2 )多 流 ( m u lt i- s t re a m ) 流的定义是: 在两个s c t p端点间的单向 逻辑信道， 在这个流中，除了 那些指定的无序递交 的业务之外，所有的用户消息都是按序传输的。 因此从某种意义上来说， 流是s c t p 关联内部的子连接。 流的数目 在关联建立的时候协商好。 在关联内 部 分成 多个流 是为了 解决t c p 中 存在的队 头堵塞的问 题 ( h e a d -of - l in e b lo c k in g ) . t c p 是 一个严格按序的 传输协议， 由 于t c p 是面向字节流的， 接收端不能 识别数据流中 互不相关的 数据， 因此数据必须以 接收到的 相同 顺序递交给上层. 我们以 一个例子来说明 这个问 题。图的左边是客户端， 右边是服务器。图2 - 4 是t c p中单流 的情况， 我 们 假设 客户 端向 服务 器发 送了 三个消息， 而第一 个消息的 一个 报文丢失了。 图2 -4 ( a ) 中，由 于第一个报文丢失， 虽然后面的消息都正确收到了， 但是不能 递交给应用层，因为t c p 中 的数据是在一个流中传输的，而且必须严格按照发送的顺序递交给上层，不管这些消息之间有没 有先后次序关系。 这就是所谓的队头堵塞问题。 实际应用中， 客户可能为每个文件打开一个新的连接。虽然这样可以解决队头堵塞的问题， 但是打开和关闭多个连接会增加时延，更糟糕的是，在两个节点间同时打开多个连接会浪费很多 资源，影响服务器的服务更多的用户。 在图2 - 4向中， 我们 可以 看到s c t p 中的 多流 机制能 够解决 这个问 题: 我们 可以 在客 户端把 没有先后次序关系的消息放在不同的流中传输，而把必须按序递交的消息放在同一个流中传输。 这样当某一个流中的消息丢失，在服务器端阻塞的仅仅是它所在流中的其他消息，而其他流中的 北京邮电大学硕士研究生学位论文移动网络下新型传输协议传输流媒体的性能研究 消息 依然可以 继续提交给上层协议。 这样， 服务器可以节省资源，且有效地避免了队头堵塞的问 题，还可以提高吞吐量。 me s s a g e i n p u tme s s a g e o u t p u t a p p l i c a t i o n l a y e r 5 自 n d l o w e r l a y e r ( a ) m e s s a g e in p u t t c p单流中的队头阻塞现象 a p p lic a tio n la y e r m e s s a g e d e liv e ry s c t p l a y e r - - -l l o w e r l a y e r ( b ) s c t p 中的多流减轻了队头阻塞现象 图2 -4 队头拥塞和s c t p的多流 2 . 2 .4面向 消息 ( m e s s a g e - o r i e n t e d ) 传统的t c p中， 用户数据在传输层是以 一连串的比 特流形式传送的， 用户数据的格式 ( 如: 一块完整数据的 起始和终止)对t c p 来说是不可见的。s c t p 则不同， 用户的数据在s c t p 是以 一个一个消息的 形 式发 送的， s c t p 中 消息是指由 上层协议( u l p 一 u p p e r l a y e r p r o to c o l ) 提交的 数据，就是说在传输层s c t p是可以看见用户数据的格式。而且s c t p还提供了对人块用户数据 北京邮电大学硕士研究生学位论文移动网络下新型传输协议传输流媒体的性能研究 的拆分机制，当用户提交的一个消息的大小大于网络的最大传输单元 ( m t u一m a x i t n u m t r a n s m is s i o n u n it ) 时， 在传 输前s c t p 会 把它拆分成一个一个小的 数据块 ( c h u n k ) ， 并 把这些数 据块按照消息的格式编号封装到s c t p包中发送出去。 当接收方收到后会把这些c h u n k 后重新组 装成完整的消息递交给上层协议。s c t p面向消息的特性的优点是为多流发送提供了 可能， 并且 把在t c p中由 应用层完成的用户数据的拆分和重组工作放到了 传输层来完成， 减轻了 上层应用的 负担。 下图显示了s c t p 对用户消息的 发送过程: u s e r m. . . 翻 日 . s c t p d a t a c h u n k ss c t p c o n t r o l c h u n k s s ctp pa c k e t s 图 2 - 5 s c t p的数据发送过程 2 .2 .5有 序或 无 序的 数 据 递交( o p ti o n a l s e q u e n c e d d e li v e ry ) 另外，s c t p 不仅可以 在流内 有序地传递数据， 也可以全无序地传递完数据。 而t c p 只能严 格地按照发送地顺序递交数据。我们注意到d a t a c h u n k 的头部有3 个标志， b和e 是用于对超 过m t u的用户消息分段的标志。 b是用户消息的开始， e表示用户消息的结束。 而u则 表示这 个消息是可以 完全无序的。当 接收端接收到这种消息的时候可以 立刻提交给应用层，而不必考虑 消息之间的顺序。 这事实上部分提供了u d p 的功能. 所以， s c t p d a t a c h u n k 提供了3 个级别的有序性: 用户消息级别: 所有包含了 一个大用户消息片段的d a t a c h u n k 在目 的端重新排序， 所以 用 户消息总能在目 的端正确的重组. 这个级别的有序性是通过b和e标志，以 及t s n来达到 的。 流级别:在同一个流的内部发送用户消息是按照发送的顺序递交的.但是不同的流之间的消 息没有相关性，各自 独立。 而完全无序的消息一到接收端就立刻递交给上层。s s n和s t r e a m i d e n t i f ie r 提供了 这一级别的 有序 性. 关联级别: 所有在一个关联内部的d a t a c h u n k 都有唯一的 序号， 这样它们可以 被逐一确认。 t s n携带了这一信息。 北京邮电大学硕士研究生学位论文移动网络下新型传输协议传输流媒体的性能研究 由 于 这3 种级别的 有序 性， s c t p 可以 提供严格的 有序性， 部 分有序性， 和完 全无序的传 输 能力。这种灵活的能力可以满足所有的应用的各种有序性需求。 2 .3 s c t p的可扩展性 s c t p 有望成为i n t e r n e t 中主要的传输协议在未来代替t c p ， 正因为s c t p 具 有良 好扩展能力 的t c p 的更新版，井且同i p v 6 一起使用。人们期望它能够改变i n t e rn e