[硕士论文精品]基于sctp的异构网络垂直切换技术研究

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要随着移动通信行业日益迅速的发展，各种层出不穷的无线网络接入技术满足了不同距离、速率和服务级别的通信需求。而在人们对无处不在的通信需求的扩张下，向用户提供异构无线网络的无缝业务，支持用户在异构网络间无缝漫游及垂直切换的移动性管理技术成为未来全妒架构的下一代网络中必须解决的问题。IETF信令传输IETFSIGTRAN工作组制定了SCTPSTREAMCONTROLTRANSMISSIONPROTOC01技术标准，利用它的多宿主MULTIHOMING特性可以为异构网络垂直切换提供传输层的解决方案。SCTP无需基础网络的额外支持，对上层和下层的服务保持透明的接口，是快速实施异构网络无缝业务的理想方案。在这个新领域中，目前大多数国内外的研究尚处于理论和仿真阶段，针对SCTP在真实网络中的推广和优化的研究仍然滞后，主要表现在以下几个方面1缺乏在真实物理网络中进行SCTP切换过程优化和切换准则设计的测试床平台；2传输层的拥塞控制机制、切换执行优化和切换准则设计中往往需要相应的路径带宽作为控制参数，而在SCTP协议栈的相关实现中缺乏对路径带宽估计机制；3当前IP网络中常见的NATNETWORKADDRESSTRANSLATION设备大多未提供对SCTP协议的支持，引起的SCTP报文传输阻断问题影响了SCTP协议的推广。本文对LINUX内核中的SCTP协议栈源代码进行修改和扩展，实现以上问题的解决方案。本文的工作结果对基于SCTP的异构网络解决方案在真实网络系统中的推广和优化改进有积极的贡献。论文第L章针对异构网络垂直切换的发展背景及各个网络层次上的解决方案进行了优劣点分析和讨论，并提出了本论文的研究贡献及组织结构安排。第2章综合描述了异构网络垂直切换领域的主要概念和关键问题，并对SCTP协议的相关背景知识进行了介绍。第3章讨论了基于SCTP的异构网络切换测试床的架构设计与功能实现。第4章对SCTP中的两种带宽估计机制进行分析且在LKSCTP项目中扩展实现。第5章针对SCTP报文穿越NAT设备时遇到三个问题进行分析解决并在LINUX平台下实现。最后总结了全文，并提出了未来工作的希望。关键词流控制传输协议，垂直切换，LINUX，带宽估计，网络地址转换HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页ABSTRACTWITHTHERAPIDLYGROWTHOFMOBILECOMMUNICATIONSINDUSTRY,THEDEVELOPMENTOFAVARIETYOFEMERGINGWIRELESSNETWORKACCESSTECHNOLOGYMEETSTHEDIFFERENTDISTANCE，SPEEDANDSERVICELEVELOFCOMMUNICATIONSNEEDSTOMEETTHEPEOPLESEXPANDINGUBIQUITOUSCOMMUNICATIONNEEDS，MOBILITYMANAGEMENTTECHNOLOGY,WHICHCOULDPROVIDETHESEAMLESSSERVICEINHETEROGENEOUSWIRELESSNETWORKSANDSUPPORTSEAMLESSROAMINGANDVERTICALHANDOFFINHETEROGENEOUSNETWORKS，MUSTBEADDRESSEDINTHEFUTUREOFALLIP踟CHITECTLLRENEXTGENERATIONNETWORKSIETFSIGNALINGTRANSPORTIETFSIGTRANWORKINGGROUPDEVELOPEDSCTPSTREAMCONTROLTRANSMISSIONPROTOC01TECHNOLOGYSTANDARD，ANDITSMULTIHOMINGFEATUREPROVIDESTRANSPORTLAYERSOLUTIONSTOVERTICALHANDOFFFORHETEROGENEOUSNETWORKSCTPISRUNNINGONINFRASTRUCTURENETWORKWITHOUTNEEDFORADDITIONALSUPPORTSERVICES，ANDITKEEPSTRANSPARENTINTERFACESTOTHEUPPERANDLOWERSERVICEFORTHESEADVANTAGES，ITGIVESTHEIDEALSOLUTIONTOTHESEAMLESSOPERATIONSFOR也EIMPLEMENTATIONOFTHEHETEROGENEOUSNETWORKINTHISNEWFIELD，THEMOSTCURRENTDOMESTICANDABROADRESEARCHISSTILLONTHETHEORYANDSIMULATIONSTAGERESEARCHFORTHEPROMOTIONANDOPTIMIZATIONONSCTPINPRACTICALNETWORKSTILLLAGSBEHIND，WHICHISSHOWNINTHEFOLLOWINGASPECTS1TESTBEDPLATFORMISSTILLREQUIREDFOROPTIMIZATIONOFHANDOFFEXECUTIONPROCESSANDHANDOFFDECISIONDESIGNINPRACTICALPHYSICALNETWORK2PATHBANDWIDTHISREQUIREDASIMPORTANTPARAMETERSINSOMETRANSPORTLAYERCONGESTIONCONTROLMECHANISMS；OPTIMIZATIONOFHANDOFREXECUTIONPROCESSANDHANDOFFDECISIONDESIGN，BUTTHETYPICALSCTPPROTOCOLSTACKIMPLEMENTATIONISSTILLLACKOFPATHBANDWIDTHESTIMATINGMECHANISM3NATNETWORKADDRESSTRANSLATIONDEVICESNORMALLYEXISTINGINTHECURRENTIPNETWORK，AREMOSTLYNOTAVAILABLEONTHESCTPPROTOCOLSUPPORT，RESULTINGINSCTPPACKETTRANSMISSIONBLOCKINGPROBLEMS，WHICHAFFECTTHEPROMOTIONOFSCTPPROTOC01INTHISTHESIS，THESOURCECODEOFLINUXKERNELSCTPSTACKISMODIFIEDTOACHIEVETHEABOVESOLUTIONTOTHEPROBLEMTHERESULTSOFTHISTHESISCOULDMAKEAPOSITIVECONTRIBUTIONTOTHEPROMOTIONANDOPTIMIZATIONINHETEROGENEOUSSCTPBASEDNETWORKSOLUTIONSINTHEPRACTICALNETWORKSYSTEMCHAPTER1STATESDEVELOPMENTBACKGROUNDOFVERTICALHANDOFFFORHETEROGENEOUSNETWORK，ANALYZEANDDISCUSSTHESTRENGTHSANDWEAKNESSESOFSOLUTIONSINVARIOUSNETWORKLAYERS，ANDTHENSTATESTHEMAINCONTRIBUTIONSANDORGANIZATIONALSTRUCTUREOFTBJSTHESISHTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第1II页CHAPTER2DESCRIBESMAINBACKGROUNDKNOWLEDGEANDKEYISSUESOFVERTICALHANDOFFFORHETEROGENEOUSNETWORKANDSCTPPROTOC01CHAPTER3DISCUSSESTHESCTPBASEDTESTBEDFORHETEROGENEOUSNETWORK，ESPECIALLYONITSARCHITECTUREDESIGNANDFUNCTIONIMPLEMENTATIONCHAPTER4ANALYZESTHETWOAVAILABLEKINDSOFBANDWIDTHESTIMATIONMODELINSCTP,ANDIMPLEMENTSTHEMASEXPANSIONOFLKSCTPPROJECTSCHAPTER5ANALYZESANDSOLVESTHETHREEPROBLEMSINSCTPPACKETSTRAVERSINGTHROUGHTHENATDEVICE，ANDGIVEIMPLEMENTATIONSINTHELINUXPLATFORMATLAST，THEFULLTHESISISCONCLUDED，ANDTHEFUTUREWORKISPROPOSEDKEYWORDSSCTP，VERTICALHANDOFF,LINUX，BANDWIDTHESTIMATION，NATHTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1保密口，在年解密后适用本授权书；2不保密，使用本授权书。请在以上方框内打吖”学位论文作者签名村L瓣双日期帅王1指导老师签名锄娥日期幽口R夕HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下一设计并实现了基于SCTP协议的异构网络测试床测试床提供在真实异构网络环境中SCTP业务传输及网络切换支持，它包含基于LINUX内核的受控测试端及基于WINDOWS图形界面的控制台。在受控端的内核空间修改SCTP协议栈以提供异构网络切换的完整支持，在用户空间中开发应用程序，并建立各种业务类型及切换控制的接口。控制台操作受控端进行基于SCTP协议的各种业务类型的流量测试、切换控制及测试结果分析。这套系统不仅对SCTP协议应用于异构业务网络融合提供了真实环境下的可行性测试和性能测试，并且将异构网络切换接口暴露给控制台，为多目标的异构网络切换准则的设计提供了测试平台，而且为内核中进行切换流程的优化提供了评估切换效率和切换时延的测试环境。二实现SCTP协议对带宽估计机制的支持在LINUX内核中的SCTP协议栈中实现了基于报文对的瓶颈带宽估计模型以及基于WESTWOOD算法的可用带宽估计模型，不需要上层应用协议支持就可以对路径的带宽信息进行测量估计，并将路径带宽估计结果存储为传输层连接的属性之一，供本层次服务或上层服务使用。三在现有P网络中实现SCTP报文的NAT穿越当前IP网络中的NAT设备未实现对SCTP报文的支持。本文解决了SCTP在当前的PV4网络实施中所遇到的NAT阻断问题，分析了NAT设备的转发特性，从修改收发端的TCPIP协议栈中SCTP协议的部分功能出发，针对NAT对SCTP报文阻断的三个问题分别提出了解决方案。这三个方案不需要对IPV4网络中的NAT设备做任何修改就可以实现SCTP报文的NAT穿越，能够解决SCTP协议在当前网络中推广的最大瓶颈，具有普遍意义，尤其突破了在异构网络切换场景下应用SCTP的多宿主特性时由当前NAT所带来的限制。本人郑重声明所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名讨魂强日期州弗2HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论本章首先对论文选题的研究背景和意义进行了总结和归纳之后介绍了本论文的主要研究工作及贡献。屉后介绍了本论文的结构安排。11研究背景及意义近年来，随着通信技术、丽络技术、电子技术等行业的迅猛发展，以及人类对无时不在的通信需求的扩张，越来越多的用户对通信产品的移动性提出了更高的要求。日新月异的终端产品从PC机发展到笔记本、PDA、智能手机、无线传感器，呈现出了便携化、智能化的变化趋势，服务类型也由从前孤立的计算服务、互联网服务、移动电话服务及短消息服务逐渐融合，催化出更符合现代人的移动上网、移动商务以及移动计算等一系列新需求。这也反映了人们对于不同功能，不同层次的信息类产品服务都提出了更高的移动性要求。SLDI吐LC0帷RQNGNETWORKSLABOR,ATORV器嚣圈11异构髓络应用示意图HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第2页在目前的通信领域中，为了适应不同距离、速率和服务级别的通信需求，各种无线接入网络技术层出不穷，如图11所示，包括无线个域网WIRELESSPERSONALAREANETWORK，典型协议如80215TL】【2】、无线局域网WIRELESSLOCALAREANETWORK，典型协议如8021LABEGNT3】等、无线城域网WIRELESSMETROPOLITANAREANETWORK，典型协议如80216DEIT4】【5】等以及常见的广域蜂窝网络典型蜂窝系统如GSM、UMTS等。这些在应用背景、系统结构、发展方向、覆盖范围、链路特性和业务质量级别等方面各不相同的接入技术以及未来可能产生的新型网络接入技术，共同为用户提供泛在的异构接入网络。用户可以通过多模终端实现跨频段接入，完成多类渠道的信息传递及通信。为了满足用户在移动性上日益增加的需求，向用户提供异构网络的无缝业务，支持用户在异构网络间无缝漫游及切换，支持异构网络的移动性管理技术成为未来全IP架构的下一代网络中必须解决的问题之一。随着对异构网络移动性管理研究的发展，在OSI体系中的各个协议层次都发展出实现异构网络移动性的解决方案。A数据链路层的异构网络融合技术MIHL6IMEDIAINDEPENDENTHANDOVER为了解决IEEE8023、IEEE80211、IEEE80216等IEEE802系列网络之间及IEEE802网络与3GPP3GPP2等非802网络之间的无缝切换问题，IEEE启动了数据链路层的异构网络融合相关研究，并于2004年1月成立IEEE80221工作组制定相关标准，试图填补现行WLAN、WIMAX与蜂窝网络之间的空隙，实现让3G、WIMAX、WLAN、UWB、蓝牙和RFID等同时共存并无缝连接的混合网络。80221的核心思想是在2层和3层之间加入新的功能模块MIHF7MEDIAINDEPENDENTHANDOVERFUNCTION，媒介独立切换功能，它独立于各类标准的MAC之上，并将各种不同的MAC层统一为一个向上的接口。25层从二层获得触发事件或信息来完成不同的切换进程，为上层业务监视并控制不同接口链路层的状态。MIHF对称地存在于终端和网络设备中，定义了统一的业务接入点并通过独立于接入技术的业务与上层的各种移动性管理协议进行交互。对底层，MIHF为不同的接入技术定义了不同的业务接入点，以获得对各种介质的访问和控制。因此，显而易见，MIH技术的优势在于它直接与数据链路层交互，可以更快地收集物理接口上的参数变化并作出反应，减小网络切换时延问题。而它的缺点也很明显，比如它需要靠移动的配合才能完成对上层应用透明的无缝切换流程；对它进行推广需要更改目前已有的网络设备和终端设备的协议栈，甚至替换大部分设备，更新成本高；它只能反映最后一跳网络的链路质量，无法向应用层提供端到端的整体传输质量，在终端应用主导的切换决策系统中实用价值低等等。B网络层的移动性解决方案MIPMOBILEIPISL移动口技术是网络层移动管理的核心技术，它具有与底层接入技术和物理传输媒介无关、相对于上层协议透明，能够保持数据包的正确路由并转发，与现有协议兼容HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第3页性良好等特点。移动IP协议包括MIPV48】和MIPV69】两个版本，保证移动节点MOBILENODE，MN改变接入点时，不必向通信对端通知其口地址的变化，仍能实现通信。MIPV4中，除MN外，新定义了两个功能实体家乡代理HOMEAGENT，HA和外地代理FOREIGNAGENT，FA，分别指代位于移动节点家乡网络中的路由器和位于移动节点所访问的网络中的路由器。当移动节点离开家乡网络时，家乡代理负责把发往移动节点的数据通过隧道方式转发给移动节点，并且维护移动节点当前的位置信息。外地代理接收移动节点的家乡代理通过隧道方式转发来的数据分组，进行解封装后转发给移动节点。当移动节点检测到进入外地网络时，通过外地代理或者DHCP获得转交地址CAREOFADDRESS，COA，并向其HA发送位置注册请求消息，注册其在当前外地网络的COA。HA更新位置缓存中该移动节点的位置信息，并发送位置注册应答消息。、移动技术实现了在网络层的切换，独立于物理传输技术，与数据链路层切换机制无关，为实现不同接入技术之间的垂直切换打下了基础。然而，严格的协议层次划分也会屏蔽了协议层间信息的交互，降低了移动性管理的效率，存在着移动节点切换时延长、丢包率高、信令开销大等问题，降低了上层应用的性能。同时，由于需要在网络中部署家乡代理和外地代理，移动IP技术的实施仍需要对网络基础设施进行更换，影响了升级的成本。C应用层的异构网络支持技术SIPSESSIONINITIATIONPROTOC01SIP协议是应用层支持移动性的典型技术，是由IETF在RFC3261101协议标准中定义。SIP协议最初提出是作为多媒体会话的应用层控制协议，负责控制会话的建立、终止和能力的协商等，将会话建立和会话描述分开实现。SIP协议及其扩展对终端移动性、个人移动性、会话移动性和业务移动性均有一定的支持能力。SIP能够建立用户的公共身份标识SIPURIUNIVERSALRESOURCEIDENTIFIER，统一资源标识符与当前IP地址之间的绑定关系，用户可以通过支持SIP的任何终端进行注册，这样SIP就能支持用户的移动性和发现功能。SIP对终端移动性的支持包括两种典型的场景通过注册服务实现对呼叫建立前PRECALL移动性的支持【L，通过REINVITE消息实现对呼叫过程中MIDCALL移动性的支持【12】。在应用层实现切换同时具备相应的优势和不足。优势在于可以屏蔽底层的网络差异、对底层网络保持透明，可以提供更好的高层移动性，提供更多更丰富的应用，具备良好的灵活性和可扩展性。其不足在于应用层感知底层变化会带来更多的时延，对于实时切换来说，单纯应用层切换很难获得满意的结果，同时由于应用层移动性管理的实现被包含在应用的业务逻辑中，无法被抽象出来移植到其他应用中，因此同样存在着推广的难度。D传输层的异构网络垂直切换解决方案SCTPSTREAMCONTROLTRANSMISSIONPROTOC01HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第4页SCTP协议【13】是传输层支持移动性的典型解决方案。SCTP协议可以提供端到端且对上层应用透明的移动性支持，更重要的是，它不需要基础网络设备的额外支持，逐渐被认为是实现移动性管理的最理想方案之一，也成为移动性管理领域的研究新方向。标准SCTP协议配合带有动态地址重配置DYNAMICAD出ESSRECONFIGURATION，DAR扩展【14】后便具有了多宿主性和动态配置地址列表的能力，因而能够对端到端的移动性进行支持。SCTP协议是由IETF在RFC4960T13】定义的传输层协议。SCTP协议最初的设计是用于在口网中承载七号信令系统，用于电话信令报文传输，并以此为基础逐步发展成为通用的数据传输协议。在OSI七层网络体系中，SCTP与TCP、UDP处于体系结构中的相同位置，它使用下层面向无连接的分组网络提供的服务，又为上层应用提供端到端的传输服务。SCTP协议提供了一些新的特性，例如面向消息传输、多宿主性、多流性及四次握手建立连接等机制。其中，多宿主性是指每一个SCTP端点可以拥有多个IP地址用于多个路径的数据传输，这可以用于网络级容错、实现负载分担，也是支持移动性的重要特性之一。在多宿主性主机参与的通信中，可以从多个可选IP地址中选择一个作为主地址对应传输路径被称为主路径，相应地，其他可用地址被称为备用地址对应传输路径被称为备用路径。主路径的选择问题也就成为了异构网络融合中所关心的网络切换问题。在异构网络切换领域，SCTP协议虽然也存在着对底层物理环境变化感应迟钝的缺陷，但是它具有无需更改网络设备、针对端到端路径而非物理网络进行切换、对上层提供透明移动性支持的优势，是实现用户侧主导的切换场景的理想解决方案。本文中将围绕着SCTP利用其多宿主性实现异构网络切换的若干问题进行研究。12本文的主要研究及贡献本文研究并解决了SCTP协议作为传输层解决方案应用于异构网络垂直切换场景的若干问题。这些问题的解决为推动SCTP在异构网络切换领域的未来推广奠定了基础。SCTP作为下一代网络中的典型传输层协议，具有支持异构网络无缝切换的潜力，但是目前的大多数相关研究仍然基于NS2或者OPNET仿真平台，缺乏在真实物理环境中基于实际网络流量和背景参数建立的异构网络切换研究平台；在切换准则及平滑切换流程优化的研究上，缺乏相应的带宽估计机制来提供网络连接质量的评估当前的口网络中普遍存在的NATNETWORKADDRESSTRANSLATION，网络地址转换设备尚未提供对SCTP的支持，导致SCTP业务无法在包含有NAT的网络中进行传输。针对这些问题，本文研究的主要贡献有以下三点HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第5页一设计并实现了基于SCTP协议的异构网络测试床测试床在真实异构网络环境中为SCTP业务传输及网络切换监控提供支持，它包含基于LINUX内核的受控测试端及基于WINDOWS图形界面的控制台。在测试床上可以针对各类常见业务模型或各种分布规律的随机业务模型构建测试任务，受控测试端负责实施基于SCTP的测试业务传输，并向控制台实时反馈测试参数。控制台实时监控测试业务传输过程中的路径连接质量参数，并依据切换判决算法的结果向受控测试端实施切换决策。最终通过受控端的收发报文日志统计分析整个测试过程中的传输时延、时延抖动、丢包率及吞吐率曲线，以此为基础实现以下目的。A评估SCTP协议在各层网络设备或核心网设备中的兼容性，以及承载各类常见业务的性能分析对比。B为异构网络切换准则的研究提供切换控制接口和可扩展的路径质量信息，作为真实物理环境下的多目标的切换准则设计及测试平台。C针对基于SCTP协议栈的无缝切换为目的的流程优化研究，本测试床也能够以图形化的方式对优化后的切换时延、丢包率等参数提供对比分析及评估。二实现SCTP协议栈对带宽估计机制的支持在LINUX内核中的SCTP协议栈中实现了基于报文对的瓶颈带宽估计模型以及基于WESTWOOD算法的可用带宽估计模型，不需要上层应用协议支持就可以对路径的带宽信息进行测量估计，并将带宽估计结果存储为传输层连接的属性之一，供本层次服务或上层服务使用。估计带宽可以在基于SCTP的异构网络环境应用中解决以下问题A反映网络QOS指标，作为异构网络垂直切换的准则。B反映当前连接质量，指导拥塞窗口修正，建立基于路径带宽的拥塞控制机制。C切换至新路径后，修正慢启动门限，避免切换过程中吞吐率骤降。D估计带宽可以作为多路径并行传输研究中实现各路径负载平衡的指标。在现有IP网络中实现SCTP报文的NAT穿越当前IP网络中的NAT设备未实现对SCTP报文的支持从而导致了SCTP报文被阻断。本文解决了SCTP在当前的IPV4网络实施中所遇到的NAT阻断问题，分析了NAT设备的转发特性，从修改收发端内核中的SCTP协议栈的部分功能出发，针对NAT对SCTP报文阻断的三个问题分别提出了解决方案。这三个方案不需要对IPV4网络中的NAT设备做任何修改就可以实现SCTP报文的NAT穿越，能够解决SCTP协议在当前网络中推广的最大瓶颈，具有普遍意义，尤其突破了在异构网络切换场景下应用SCTP的多宿主特性时由当前NAT所带来的限制。13本论文的组织结构本文围绕着SCTP应用于异构网络切换的几个问题展开了研究讨论及技术实现。HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第6页后续的章节的组织安排如下。第二章引入了异构网络及垂直切换的基本概念，分析了垂直切换中的三个基本阶段，并对SCTP协议的基本特性和ADDIP扩展进行简要的介绍。第三章从异构网络切换测试床的背景和意义出发，引出了异构网络切换测试床所需的业务模型设计，多路径传输质量监控和切换控制以及业务收发日志统计分析功能。接下来从基于WINDOWS平台的控制台软件和基于LINUX平台的受控测试端软件的架构及功能设计入手，详细描述了软件中各功能模块的实现方法。最后在典型异构网络场景中对测试床进行了功能验证和分析。第四章关注于在SCTP协议栈内实现带宽估计机制，从传输层协议的带宽估计机制的重要性分析出发，讨论了典型的瓶颈带宽估计PACKETPAIR和可用带宽估计的模型WESTWOOD。接下来，详细分析了LINUX内核中SCTP协议栈的实现架构，并在协议栈中实现了以上带宽估计模型。最后利用带宽估计结果优化了切换过程中的初始路径拥塞控制窗口，减小了切换时延，并在测试床平台上验证了优化的效果。第五章针对SCTP在当前IP网络中遇到的NAT阻断问题，进行了不同角度的分析，从中剥离出三个独立子问题，对其分别给予了分析，并提出了解决方案，最终在LINUX内核的SCTP协议栈中实现并测试验证了这三个解决方案，完成了SCTP报文在当前IP网络中对NAT设备的穿越。最后总结了全文，并对未来工作做出了展望。HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第7页第2章异构网络垂直切换及SCTP综述本文关注于解决异构网络垂直切换领域中SCTP技术的相关问题。为了更好地理解后文中对该技术的运用和改进，本章将综合介绍异构网络垂直切换的基本概念、垂直切换需要解决的基本问题、SCTP技术本身的重要特性以及SCTP主要实现方案LKSCTP50】的基本架构。21异构网络垂直切换综述切换控制是移动性管理中关键功能之一，也是移动性管理中的重要研究内容。211切换的分类垂直切换与水平切换依据接入点改变前后所采用接入技术的异同，可以将切换分类为垂直切换与水平切换两类。由各类无线接入技术共同构成的无线重叠网络E151WIRELESSOVERLAYNETWORK中，在同类接入技术之间进行的切换称为水平切换【16】【171，例如，蜂窝网中的终端在同种网络不同基站之间的切换，WIMAX终端在不同基站及运营商间的切换；而不同类接入技术之间的切换称为垂直切换【16】F171，例如UMTS和WLAN之间的切换。垂直切换中，切换前后的无线链路和接入网络存在明显的链路特征差异，因此垂直切换具有不对称性。一一一，图21垂直切换与水平切换示意HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第8页根据垂直切换目标网络覆盖范围的不同，又可以分为向上切换和向下切换。向上切换是指从覆盖范围小的网络到覆盖范围大的网络的切换；反之即为向下切换。如图21所示。垂直切换与水平切换在其他很多方面还存在着差异，包括1触发切换的原因不同。水平切换往往和终端的物理位置变化有关，是动态变化的。垂直切换强调接入点的变动，而接入点变化除了物理位置变化之外，还可能由接入技术的变化引起，可能是静态的。2切换判决的判决指标不同。水平切换的判决通常依据终端所接收到的物理信号强度RECEIVEDSIGNALSTRENGTH，RSS和信道可用程度进行。而在垂直切换中，由于切换前后的异构网络特性差异较大，RSS指标本身不具有可比性，虽然可以分别为不同的网络设置不同的切换门限值，但是，只基于物理信号强度进行垂直切换判决是不够的，还需要考虑与网络、用户和终端相关的网络QOS、用户偏好、流量资费等多种因素，是典型的多目标判决问题。3切换控制方式不同。水平切换通常是由网络方发起，终端是被动接受的。垂直切换中，终端用户可以根据偏好设置主动发起切换。硬切换与软切换根据切换前后接入点的连接顺序分，切换可以分为硬切换和软切换。硬切换是指先断开旧接入点的连接，再与新接入点建立连接。这种切换的过程是移动台先暂时断开通话，在与原基站联系的信道上，传送切换的信令，移动台自动向新的频率调谐，与新的基站接上联系，建立新的信道，从而完成切换的过程。简单来说就是“先断开、后切换”，切换的过程中会有短暂中断。这是硬切换的特点。在FDMA和TDMA系统中，所有的切换都是硬切换。当切换发生时，手机总是先释放原基站的信道，然后才能获得新基站分配的信道，是一个”释放建立”的过程。软切换是指先建立新接入点的连接，再断开旧接入点的连接。在码分多址CDMA移动通信系统中，采用的就是这种软切换方式，CDMA的切换是一个”建立比较释放”的过程。由于软切换是在频率相同的基站之间进行的，因此当移动台移动到多个基站覆盖区交界处时，移动台将同时和多个基站保持联系，起了业务信道分集的作用，加强了抗衰落的能力，因而不可能产生“掉话”。即使当移动台进入了切换区而一时不能得到新基站的链路，也进入了等待切换的队列，从而减少了系统的阻塞率。因此也可以说，软切换是实现了“无缝”的切换。在第二代无线通信系统中，GSM就是采用硬切换的方式，CDMA采用软切换的方式。在异构网络切换的各类技术中，MIP81、MIH6】采用的都是硬切换，而SIP和本文重点描述的SCTP采用的是软切换技术。HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第9页212切换控制方式按照切换的发起者不同，移动通信系统共有三种切换控制方式，即移动节点控制切换MOBILECONTROLLEDHANDOFF,MCHO，网络控制切换NETWORKCONTROLLEDHANDOFR，NCHO和移动节点辅助切换MOBILEASSISTEDHANDOFF,MAH0。A移动台控制切换MCHOMCHO是无线系统最广泛使用的技术，在这种方式中，移动台持续监视来自所接入的接入点和切换候选接入点的信号强度和质量。当满足某些切换准则时，移动台检查一个可用业务信道的“最佳”候选接入点，并发出切换请求。移动台完成自动链路转换和时隙转换的组合控制，这样可以减轻网络的切换控制负载；如果无线信道突然变差，可以重新连接两个呼叫来保证无线连接的稳固性；控制自动链路转换和时隙转换，因此能防止两个过程同时激发。B网络控制切换NCHO在这种方式中，网络方监督来自移动台的信号强度与质量。当这些参数低于某些阈值时，网络安排到另一个接入点的切换。移动台的信号，并将测量结果报告给网络。把结果通过旧基站通知移动台和新接入点，网络要求附近所有的接入点监督来自某个然后，网络为切换选择一个新接入点，并随后切换生效。接入点通过测量接收信号强度监督所有当前连接的质量。移动交换中心MOBILESWITCHCENTER，MSC指示周围的基站经常性地测量这些链路。依据这些测量值，控制中心决定何时和何地使切换生效。由于网络收集需要的信令信息业务量很重，相邻接入点不必连续地将测量报告发送回控制中心，在接收信号强度低于一个预先设定的阈值之前也不作比较。C移动台辅助切换MAHO在MAHO中，切换过程更加分散化。移动台和网络方共同监督链路的质量。由移动台来测量相邻BS的RSSI值。比如在GSM中，移动台每秒钟向BS传送两次测量结果。这里，仍然由网络方即BS、MSC或BSC决定何时何地来执行切换。在MAHO和NCHO系统中，需要用网络信令去通知移动台有关网络所做出的切换决策，即由一个正在失效的链路传送将要在哪个新信道上开始通信的决策。因而存在这样的可能性，即在此信息传送到移动台之前信道己失效，在这种情况下，呼叫被迫中断。在基于SCTP的异构网络切换应用场景中，切换的实现基于客户端的端到端连接，承载网络提供的网络层和链路层服务对移动客户端是透明的，网络方无法干预切换操作，因此基于SCTP的垂直切换应被归类为移动台控制切换MCHO。213垂直切换的三个阶段垂直切换包括三个阶段，即网络发现、切换判决和切换执QFT“181。网络发现阶段用于发现当前可用的网络系统并分析其网络特性，切换判决阶段用于确定恰当的切换HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第10页目标和切换触发时机，切换执行阶段用于实施切换过程。A网络发现在网络发现阶段，移动台搜索并发现当前可用的无线网络。其中，网络发现时间和终端的能耗是两个重要但互相矛盾的参数。一种网络发现方法可以在不同网络接口上接收到广播消息。各种无线网络会定时不断发送广播消息，例如，GSM网络中的小区广播消息、WLAN中的信标帧。多网络接口终端根据不同接口上所接收到的广播消息，得知当前的可用网络。若移动节点的所有网络接口始终保持激活状态。这样虽然可以保证快速的网络发现，却造成了移动终端较大的能耗。对于能量受限的终端而言，需要对此进行改进。改进的方法是移动终端定时开启网络接口搜索可用网络。通过调整定时的间隔，这种方法可以兼顾网络发现效率与终端能耗，但是需要确定恰当的网络接口开启时间间隔，在二者之间达到良好的平衡。另一种网络发现方法则是基于LSSLOCATIONSERVICESERVER实现【19】【201。LSS中存储了位于不同区域的各种无线网络的信息，基于移动终端的地理位置，向移动终端提供其周围可用的网络系统及其带宽、时延等参数，这种方法能够有效地节约了能耗。因此，网络发现阶段的工作目标是，以尽可能小的工作时间、网络资源消耗和能源消耗为代价换取尽可能及时、丰富且准确的网络质量信息。B切换判决切换判决用于决定移动节点在最恰当的时间切换至最恰当的网络。垂直切换可以由网络、由终端或者由二者共同发起。但是，因为垂直切换的判决因素包括不同网络状况和性能参数，只有移动终端可以方便地获取不同网络接口上的相关信息，显然网络方控制切换NCHO方式不适合。另外，移动台辅助切换MAHO方式通常由网络根据终端上报的各种QOS信息进行统一的优化和切换控制，而垂直切换跨越异构网络，无法在多网络场景下实现跨网络的总体控制。且考虑到网络边缘化和终端智能化的发展趋势，MCHO才是垂直切换中最恰当的切换控制方式。很多垂直切换研究中将切换判决功能放在移动终端中实现，使得终端可以基于某些因素主动发起切换。例如，可以基于服务资费，总是选择资费最低的网络为了提高QOS，可以主动从低性能网络切换至高性能网络；为了提高网络资源的总体利用效率，应用并行多路径传输策略，使用高带宽网络完成FTP、视频通信等高带宽应用，而使用低性能网络完成网页浏览、电子邮件等低带宽应用。在垂直切换判决中，应根据当前可用网络的不同状况和特性、当前所运行的应用的不同特点和需求，以及用户和终端的特性与偏好，进行综合的判断，是一个多目标的判决问题。表21对垂直切换判决中需要考虑的各种因素进行了总结HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第11页表21垂直切换决策指标决策因素类别动态指标静态指标用户方移动台位置、移动速度、用户操作习惯用户属性、用户偏好、终端特性当前可用状态、信号强度、错误率或丢包率、流网络运营商、网络配置、网络类网络方型、覆盖面积、地理信息、典型量负载、当前带宽和时延带宽和时延应用特性、服务费片J、信息安全业务特性资源分配、优先级分配考量由于垂直切换决策是多目标决策问题，决策中涉及的因素多样化、度量值又各不不同，如何根据这些因素进行统一、综合的决策和判断，研究者们提出了各种不同的方法【2M6】。其中，文献2122侧重研究如何降低终端的能耗，以及确定恰当的切换触发时间。文献2326侧重于研究切换目标网络的选择策略，所采用的典型多标准决策方法包括基于简单加权和的方法【23】【24】、基于模糊推理的方法【25】幽等。C切换执行切换执行阶段通过某些垂直切换支持协议完成切换的实施过程，将正在进行的通信会话从切换前网络中的接入点转移至目标网络中的新接入点。由于垂直切换要保证与底层接入技术的无关性，因此通常在网络层及以上层实现。网络层的垂直切换技术以移动MMOBILEIP，MIPT8】【9】为代表。MIP从路由角度解决移动性的问题，是目前在网络层支持终端移动性的典型协议，也因此可以作为网络层实现垂直切换的典型技术。传输层的垂直切换技术典型的如SCTPSTREAMCONTROLTRANSMISSIONPROTOCOL，SCTP是这类技术的代表，通过多宿主性和动态地址配置特性，在传输层实现端到端的移动性支持。切换执行阶段的工作目标是在切换的过程中尽可能减小丢包率和切换时延，使用户感受不到服务质量下降甚至服务中断，提高切换过程的平滑性。22SCTP综述SCTP是一种可靠的传输协议，它能够在两个对端之间提供可靠、有序的数据传输服务类似于TCP并且可以保留数据消息边界类似于UDP。然而SCTP并不是TCP与UDP的简单叠加，它的多流、多宿主等新特性，使得它具有更高的稳定性、灵活性和可用性。本节介绍SCTP的发展背景、主要特性及动态地址重配置DAR扩展。HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第12页221SCTP发展背景IP网络和电信网曾经是两个相互独立的网络，随着口网络的飞速发展以及电信网提供新业务的需求，两大网络开始出现了融合的迹象。但由于两者在设计上存在着很大的差别，很多技术难题出现在了融合的道路上。为此IETF成立了信令传输工作组SIGNALINGTRANSPORT，SIGTRAN，它的主要研究课题是基于IP网络的公共交换电话网PUBLICSWITCHEDTELEPHONENETWORK，PSTN信令的传输，即SS7信令系统。SS7在PSTN网中发挥非常重要的作用，它控制着各种业务的建立、维持、释放等重要功能。然而，SS7信令在IP网络中传输却遇到了一些问题。例如PSTN中承载SS7信令的信令网络提供高可靠性的数据传输服务，而在IP网络中只能提供“尽力而为的服务，SS7信令在IP网络中传输过程中就可能出现丢失、乱序、高延迟等问题。对时序要求严格的通信过程来说这些情况的发生是致命的，将会使两个网络中的设备就不能协调一致地工作，从而导致通信过程失败。因此必须保证当SS7信令在IP网络中传输时能够获得与PSTN网络中类似的服务质量。SCTP自此应运而生【13】，它与TCP、UDP一样位于OSI体系架构的传输层，提供端到端的服务，如22所示【53】。应用层传输层网络层数据链路层物理层图22SCTP在OSI架构中的位置除了与TCP协议提供类似的可靠、有序的端到端连接功能外，SCTP还拥有多宿主、多流等特性来完成SS7对传输可靠性的要求，随着各种新的特性被添加到SCTP中，它已经能够作为一个具有普遍意义的传输层协议为应用程序提供服务了，在性能上它并不亚于TCP，甚至在某些领域显得比它的竞争者TCP更有优势，因此SCTP有望在未来取代TCP成为主要的提供可靠服务的传输协议。HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第13页222SCTP主要特性SCTP继承了TCP和UDP的优良特性，例如TCP的拥塞控制机制和UDP的消息边界等，同时SCTP引入了多流、多宿主等新特性。由于在SCTP的设计阶段，广泛地评估现有传输协议存在的问题和缺陷，因此SCTP能够更好地服务于目前的互联网应用。而这些优势是通过SCTP的新特性体现出来的。尤其是为了保持连接的可靠性而设计的多宿主性，成为了本文借以支持异构网络切换的基础。下面将本文逐一介绍这些新特性。多宿主性MULTIHOMING能够采用多种网络接入方式接入到网络的设备通常被称为多宿主机。具有多个网络接121卡不仅仅意味着主机同时具有了多个IP地址，而且说明它能够使用多条传输路径将数据包递送到口的端。在这一点上，多宿主机十分类似于SS7网络中的信令转接点STP。每个STP具有多条的冗余链路，这些链路在大多数的时间里面都是空闲的或者只是用于传输少数的管理信息，只有一条主链路在工作，当主链路出现故障而无法完成消息传递功能时，才会启用备用链路来传输信令消息，这种冗余结构保证了SS7网络具有更高的可靠性。图23SCTP多宿主性示意SCTP中的多宿主性如图23所示，每个端点各有两个IP地址，一个关联里可以HTTP/INFO3DOUCOM/网络推广西南交通大学硕士研究生学位论文第14页有多条传输路径。在建立SCTP关联后，两个SCTP对端SCTPENDPOINT会将各自可用的多个本地IP地址绑定在SCTP关联的本地端，这样就会产生多个IP地址对组合而成的传输路径，例如图23中的，等。SCTP会事先确定一条主路径PRIMARYPATH，其余的路径为备用路径，随后的数据传输都会默认地使用这条主路径进行，部分重发的数据有可能在备用路径上传输。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HEARTBEATACK，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，重传超时RETRANSMISSIONTIMEOUT，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。多宿主特性保证传输的连续性，保证关联的可靠性【2刀。通过心跳块可以把关联中的多条路径管理起来，并通过路径冗余来实现网络级容错，提高传输的可靠性。SCTP的多宿主特性可用于实现容错、切换场景或多路传输技术中。在本文中，正是利用了SCTP对多路径间主路径的选择来完成异构网络的垂直切换。多流性MULTISTREAMING在一个SCTP关联中，用户除了可以选择使用不同的传输路径以外，还可以通过不同的逻辑流来发送和接收用户消息。但在用户选择不同的传输路径时，指定的是发送SCTP报文的传输路径，而逻辑流与用户消息一个SCTP报文中可以包含多个用户消息对应的。不同逻辑流的用户消息彼此独立，SCTP只保证同一个逻辑流的消息被按序地递交给接收端的用户。输出流队列RF蓑；磊茅6。NR、输入流队列流O，_JI流O流1。11SEAMI。NJ|流1MJ，流2”STREAM2。N；I流2MJO，输入流队列输出流队列湖1LF一聂7磊I为。NJ|湖L、。一、LSCTP对端ASCTP对端B图24SCTP多流特性示意图如图24所示。它是SCTP关联中的单向逻辑流通道