TCP與SCTP—CMT分析及在無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展策略
當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的傳輸層協(xié)議是TCP和UDP協(xié)議，TCP與UDP的顯著區(qū)別是TCP可以提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，這使它在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中有著杰出的貢獻(xiàn)，然而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提高，TCP的局限性也越來越明顯。SCTP協(xié)議(流控制傳輸協(xié)議)是2000年提出的新一代傳輸層協(xié)議，它具有與傳統(tǒng)TCP和 UDP協(xié)議不同的多宿性和多流性，不僅可以提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)還具有選擇性重傳、無序遞交等特性[1]。為充分利用每條路徑資源以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，Iyengar博士等人在SCTP基礎(chǔ)上提出了并行多路徑傳輸(Concurrent Multipath Transfer)機(jī)制，在近年來受到了更多的關(guān)注，并已逐漸成為研究的熱點，該文對TCP及SCTP-CMT的基本特性進(jìn)行了介紹。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及接入方式的多樣化，無線網(wǎng)絡(luò)通信受到了越來越多的關(guān)注，尤其是具有多種接入方式的無線網(wǎng)絡(luò)通信，而車載網(wǎng)絡(luò)屬于高速移動的無線網(wǎng)絡(luò)，且隨著汽車的日益普及，對車載網(wǎng)絡(luò)的研究具有一定的意義，基于以上幾點，該文以車載網(wǎng)絡(luò)為例來研究TCP和SCTP-CMT在具有多種接入方式的無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸性能，并在NS2仿真平臺上對TCP與SCTP-CMT在車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的性能進(jìn)行了仿真分析比較。
1 TCP
TCP協(xié)議(傳輸控制協(xié)議)是面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層協(xié)議，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)的應(yīng)用是使用TCP協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)�。作為在IP網(wǎng)絡(luò)中可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，TCP協(xié)議有著杰出的表現(xiàn)。使用TCP協(xié)議進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)必須滿足無重復(fù)、無差錯和按序到達(dá)特點，正是因為TCP這些特性保證了數(shù)據(jù)傳送的可靠性和健壯性;TCP協(xié)議的擁塞控制算法包括慢啟動、擁塞避免、快速恢復(fù)和快速重傳算法，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時擁塞控制算法能顯著提高TCP的傳輸性能。使用TCP協(xié)議進(jìn)行通信的兩個端點在通信之前需通過三次握手來建立一條邏輯通信鏈路，在鏈路建立好后會進(jìn)入慢啟動階段，進(jìn)而進(jìn)入擁塞避免階段和擁塞控制階段。
在剛開始制定TCP協(xié)議時，由于當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度還很慢，網(wǎng)絡(luò)性能也比較穩(wěn)定，因此在設(shè)計數(shù)據(jù)包格式時為減少開銷，將頭部設(shè)計的非常緊湊，這使得 TCP協(xié)議的可擴(kuò)展性較差，幾乎不能擴(kuò)展。然而隨著網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的提高和網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的增加，TCP因受到可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)要求以及擁塞控制機(jī)制的限制，已經(jīng)不能充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，急需進(jìn)行擴(kuò)展，尤其是在以車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為例的具有多種接入方式的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。不同的鏈路在帶寬以及傳輸時延上都存在著較大的差異，當(dāng)TCP在不同鏈路之間進(jìn)行切換時，性能會受到很大的影響。此外，TCP不能有效區(qū)別擁塞丟包與鏈路故障丟包，而是簡單的將丟包均視為擁塞丟包，然而在無線網(wǎng)絡(luò)中丟包不僅僅是擁塞丟包造成的也可能是因無線信號差錯造成的，簡單的歸因于擁塞丟包會導(dǎo)致?lián)砣翱诘牟槐匾档停M(jìn)而降低傳輸效率�？梢姡琓CP在具有多種接入方式的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)用的局限性越來越明顯。
2 SCTP-CMT
SCTP協(xié)議是由SIGTRAN組織最初設(shè)計并用來在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸信令消息、面向數(shù)據(jù)流的端到端傳輸協(xié)議， SCTP可以提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)并且可以保留數(shù)據(jù)消息邊界[5]。SCTP協(xié)議中引入了關(guān)聯(lián)的概念，關(guān)聯(lián)是指兩個終端經(jīng)過四次握手后建立的一種連接關(guān)系。除此之外，SCTP還具有許多新特性，如多宿性、多流性。多宿性是SCTP的重要特性之一，在具有多個網(wǎng)絡(luò)接口的主機(jī)上，可以通過多個IP地址來訪問該主機(jī)，假設(shè)需要通信的兩個主機(jī)分別有N個和M個接口，則該關(guān)聯(lián)中最多可以擁有N*M條路徑，使用多路徑的目的是獲得冗余，這可以避免因某條路徑的失效而導(dǎo)致整個關(guān)聯(lián)失敗的現(xiàn)象發(fā)生，提高了通信的可靠性。多流性(multi-stream)是指在使用SCTP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚�端點可以同時擁有多個流，用戶除了可以選擇使用不同的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸外，還可通過不同的數(shù)據(jù)流來傳輸數(shù)據(jù)，且不同的數(shù)據(jù)流之間相互獨立。
在實際應(yīng)用中，使用SCTP協(xié)議進(jìn)行通信的終端間雖然可以擁有多條路徑，但通常只使用主路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)主路徑失敗后才會選擇備用路徑來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這極大的浪費了網(wǎng)絡(luò)資源。隨著人們對帶寬的要求越來越高，為充分利用每一條路徑的鏈路資源、增加端到端之間的網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量、提高傳輸效率，Iyengar博士等人提出了并行多路徑傳輸(CMT)的概念，它不僅可以在多條路徑上同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且當(dāng)某條路徑發(fā)生故障時，可以及時的選擇其他路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而新路徑不需像傳統(tǒng)SCTP一樣，需要從慢啟動階段開始，這大大的提高帶寬的利用率和吞吐量[7]。為使多路徑傳輸技術(shù)更加完美，Iyengar博士等人還針對CMT的不足之處分別提出了相應(yīng)的改進(jìn)算法。因每條路徑的傳輸性能不同，有些被判斷為需要重傳的封包可能是因為在一個傳輸速率較慢的路徑上，針對因此導(dǎo)致的亂序現(xiàn)象提出了SFR算法，該算法在每條路徑上獨立的應(yīng)用快速重傳算法，并且在發(fā)送端設(shè)置了兩個參數(shù)，分別是 highest_in_sack_for_dest和saw_newack以判斷數(shù)據(jù)是在傳輸中還是真的需要重傳;由于SACK是基于整個關(guān)聯(lián)而不是單個路徑，SCTP在收到GAP信息時不會更新cwnd，既而減少了cwnd更新的機(jī)會，就此問題提出了CUC算法，與SFR類似，CUC算法在每條路徑上獨立地應(yīng)用擁塞控制機(jī)制，以更加合理的更新?lián)砣翱?針對個別延遲到達(dá)的ACK導(dǎo)致緩存不斷增加的問題，提出了DAC算法，該算法通過修改計算丟包次數(shù)方法，以觸發(fā)快速重傳。
使用多條路徑進(jìn)行并行傳輸時，由于每條路徑的屬性不同，網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)(如帶寬、時延)各異，很難保證數(shù)據(jù)包能夠同時到達(dá)接收端。同時丟包也可能會導(dǎo)致后發(fā)出的數(shù)據(jù)包先到達(dá)，使亂序問題變得更加嚴(yán)重，容易產(chǎn)生接收端緩存問題。Iyengar等人就接收端緩存問題提出了五種重傳策略，分別是同路徑重傳(RTX-SAME);隨機(jī)重傳(RTX-ASAP);最大窗口重傳(RTX-CWND);最大門限重傳(RTX-SSTHRESH);最小丟包率重傳(RTX-LOSSRATE)。此外，Preethi Natarajan等人也提出了CMT-PF(Potentially-failed)機(jī)制來緩解接收端緩存問題。Shailendra也為 SCTP-CMT提出了改進(jìn)的MPSCTP機(jī)制。
3 仿真實驗
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)通信受到了越來越多的關(guān)注，當(dāng)前越來越多的終端可以擁有多種接入方式，因此具有多種接入方式的無線網(wǎng)絡(luò)通信成為時下熱點話題之一。車載網(wǎng)絡(luò)屬于高速移動的無線網(wǎng)絡(luò)，隨著車輛的日益普及，人們對車載網(wǎng)絡(luò)的要求也越來越高。為研究SCTP-CMT與TCP在具有多種接入方式的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳輸性能，我們以車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為例，針對SCTP-CMT和TCP分別建立了模擬車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖1所示為SCTP-CMT的拓?fù)鋱D，其中，S為服務(wù)器端，在傳輸層采用SCTP-CMT協(xié)議，應(yīng)用層采用FTP協(xié)議。圖2為TCP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中，S1和S2為服務(wù)器端，傳輸層均采用TCP協(xié)議，應(yīng)用層采用FTP協(xié)議。R1，1與R1，2以及R2，1與R2，2這兩條瓶頸路徑帶寬均為2Mb，時延為20ms，其中MN為接收端，即移動車輛，基站 BS1和BS2的距離設(shè)為500m，MN以60km/h的速度在其站BS1和BS2之間移動。在版本為2.34的NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺[12]上進(jìn)行了仿真實驗，以分析SCTP-CMT與TCP誰更適合應(yīng)用于車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
圖3和圖4分別為SCTP-CMT和TCP的擁塞窗口變化和吞吐量變化的仿真結(jié)果圖，從圖中我們可以看到，無論是擁塞窗口變化還是吞吐量，SCTP- CMT的性能都高于TCP。尤其是在12.5秒時，TCP因需要轉(zhuǎn)換路徑時，擁塞窗口幾乎降為零，重新經(jīng)歷了一個慢啟動過程。而SCTP-CMT因為在整個仿真過程中都可以在兩條路徑上同時進(jìn)行傳輸，因此無論是在3.5s為有線鏈路擁塞造成丟包、在12.0s時發(fā)生無線鏈路信息造成的丟包，還是在 20.0s是無線鏈路信號造成超時，其傳輸性能都一直優(yōu)于TCP。
雖然在仿真結(jié)果中SCTP-CMT性能始終高于TCP，但可以發(fā)現(xiàn)在12.0s和20.0s時，并沒有將因無線信號錯誤而造成的差錯丟包與受帶寬限制而產(chǎn)生的擁塞丟包區(qū)分開了，造成了擁塞窗口不必要的降低。這是因為SCTP-CMT采用與傳統(tǒng)TCP協(xié)議相同的擁塞控制機(jī)制(CC)，無法區(qū)分擁塞丟包與差錯丟包。近期有許多學(xué)者為SCTP-CMT、MPTCP分別提出CMT/RP CC和MPTCP CC機(jī)制，以使擁塞控制機(jī)制更加適合應(yīng)用于多路徑數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，[13]但在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中還需做進(jìn)一步的研究。
4 結(jié)論
TCP是面向連接的可靠傳輸協(xié)議，SCTP在繼承了TCP的優(yōu)點上發(fā)展出了多宿、多流等特性，在SCTP基礎(chǔ)上提出的多路徑并行傳輸機(jī)制(SCTP- CMT)可以同時利用多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了鏈路的利用率。該文介紹了TCP與SCTP-CMT的基本特性，分析了TCP的不足之處以及SCTP- CMT的優(yōu)點。為比較TCP與SCTP-CMT在具有多種接入方式的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳輸性能，該文以車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為例，在NS2上建立仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以分析TCP與SCTP-CMT誰更適合車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，根據(jù)仿真實驗結(jié)果，我們可以看到，SCTP-CMT在車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳輸性能明顯高于TCP的傳輸性能，尤其是在多個基站間切換時，可以保證數(shù)據(jù)的高效傳輸，因此認(rèn)為SCTP-CMT比TCP更適合應(yīng)用于具有多種接入方式的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。但當(dāng)前 SCTP-CMT的發(fā)展還不夠成熟，尤其是在無線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法上仍須做進(jìn)一步的改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)：
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