吳財(cái)生 唐宏 何春燕

（重慶郵電大學(xué)移動通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400065）

1 前言

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的移動管理分為兩個部分：水平移動(Horizontal Mobility)和垂直移動(Vertical Mobility)。與之對應(yīng)的切換也分為水平切換(Horizontal Handoff)和垂直切換(Vertical Handoff)。水平切換指的是移動主機(jī)在基于同一種鏈路層技術(shù)的不同接入路由器間的切換。而垂直切換則是指在不同的網(wǎng)絡(luò)接口間的切換，通常在這個過程中，接入路由器和鏈路層技術(shù)也會發(fā)生變化。移動SCTP協(xié)議是傳輸層支持移動性的典型技術(shù)。移動SCTP能夠提供傳輸層的端到端的、對上層應(yīng)用透明的移動性支持，并且不需要額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持，逐漸被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)移動性管理的最佳方案之一，也成為移動性管理領(lǐng)域的研究新熱點(diǎn)。

2 SCTP協(xié)議介紹

SCTP（流控制傳輸協(xié)議）主要用于IP網(wǎng)中傳送PSTN的信令消息或IP 網(wǎng)內(nèi)的信令消息。與TCP（傳輸控制協(xié)議）一樣，SCTP協(xié)議提供面向連接的可靠傳輸。但SCTP相比TCP有許多改進(jìn)的地方[1]。

TCP提供的是單連接，而SCTP協(xié)議提供的是多宿主連接，稱為SCTP關(guān)聯(lián)。它包括兩個SCTP端點(diǎn)、驗(yàn)證標(biāo)簽以及傳輸順序號等信息，一個關(guān)聯(lián)可以由SCTP端點(diǎn)用傳輸?shù)刂肺ㄒ粯?biāo)識。兩個SCTP端點(diǎn)間最多只能有一個關(guān)聯(lián)。

流也是SCTP的重要特征之一，它是兩個SCTP端點(diǎn)之間建立的單向邏輯通道，用來指示需要按順序遞交到高層協(xié)議的用戶消息的集合，也就是說在同一個流中所有用戶消息必須按順序遞交。

TCP采用3次握手，而SCTP采用4次握手建立連接，首先A給B發(fā)送INIT消息，B收到后返回INIT-ACK消息，A再發(fā)送Cookie-ECHO消息，B再返回Cookie-ACK消息，以此建立了SCTP連接。

除此以外，SCTP可以對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，以確保發(fā)送到低層的SCTP分組長度滿足通路MTU（最大傳輸單元）的限制，在接收方再將各分段重組成完整消息。SCTP還具有通路管理功能，SCTP連接的發(fā)送方可以使用一組地址作為SCTP分組的目的地址，在關(guān)聯(lián)建立后需要為每個SCTP端點(diǎn)定義一個首選通路，用來在正常情況下發(fā)送分組。通過發(fā)送Heart Beat消息可以檢測該關(guān)聯(lián)上某個特定目的地址是否可達(dá)。若發(fā)現(xiàn)首選通道異常，則選擇一個可用的備用通道繼續(xù)傳輸。在避免擁塞、避免洪泛和匿名攻擊等方面，SCTP也有相應(yīng)的改進(jìn)。

3 基于SCTP的異構(gòu)網(wǎng)垂直切換

3.1 基于SCTP的垂直切換[2,3]

假設(shè)移動終端從無線網(wǎng)絡(luò)N1移動到另一種無線網(wǎng)絡(luò)N2，其垂直切換過程如下：

（1）在N1網(wǎng)絡(luò)中，移動終端通過在N1網(wǎng)絡(luò)中獲得的IP地址作為首選通路與Server建立數(shù)據(jù)傳輸。

（2）當(dāng)移動終端移動到N2網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，移動終端獲得一個新的IP地址，并將此地址加入SCTP關(guān)聯(lián)中作為備用通路的地址。

（3）移動終端向Sever發(fā)送帶有Add IP Address參數(shù)的ASCONF消息，Server收到后給移動終端返回一個確認(rèn)消息ASCONF_ACK。

（4）當(dāng)移動終端逐漸遠(yuǎn)離N1網(wǎng)絡(luò)變得不可用時(shí)，移動終端進(jìn)行切換，切換過程是通過重新設(shè)置首選通路地址來實(shí)現(xiàn)的。移動終端向Server發(fā)送帶有Set Primary Address參數(shù)的ASCONF消息，Server收到后給移動終端返回一個確認(rèn)消息ASCONF_ACK。

（5）移動終端通過新的首選通路與Server建立數(shù)據(jù)傳輸。

（6）移動終端通過發(fā)送帶有Delete IP Address參數(shù)的ASCONF消息刪除不可用的地址。Server收到后給移動終端返回一個確認(rèn)消息ASCONF_ACK。

3.2 基于SCTP的垂直軟切換[4]

上述垂直切換過程通過設(shè)置首選通道實(shí)現(xiàn)，在切換前后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹挥幸粋€通道，這可能會導(dǎo)致切換過程中暫時(shí)的分組丟失發(fā)生，為此，提出基于SCTP的垂直軟切換技術(shù)，使分組丟失率為零。

假設(shè)移動終端仍從無線網(wǎng)絡(luò)N1移動到另一種無線網(wǎng)絡(luò)N2，其垂直軟切換過程如下：

（1）在N1網(wǎng)絡(luò)中，移動終端通過在N1網(wǎng)絡(luò)中獲得的IP地址作為首選通路與Server建立數(shù)據(jù)傳輸。

（2）當(dāng)移動終端移動到N2網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，移動終端獲得一個新的IP地址，并將此地址加入SCTP關(guān)聯(lián)中作為備用通路的地址。

（3）移動終端向Sever發(fā)送帶有Add IP Address參數(shù)的ASCONF消息，Server收到后給移動終端返回一個確認(rèn)消息ASCONF_ACK。

（4）當(dāng)移動終端逐漸遠(yuǎn)離N1網(wǎng)絡(luò)時(shí)，移動終端同時(shí)啟用備用通路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與首選通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一樣。

（5）當(dāng)移動終端遠(yuǎn)離N1變得不可用時(shí)，移動終端關(guān)閉首選通路的傳輸，同時(shí)向Server發(fā)送帶有Set Primary Address參數(shù)的ASCONF消息，Server收到后給移動終端返回一個確認(rèn)消息ASCONF_ACK。此時(shí)數(shù)據(jù)只通過新的首選通道進(jìn)行傳輸。

（6）因?yàn)镹1網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不可用，移動終端發(fā)送帶有Delete IP Address參數(shù)的ASCONF消息刪除不可用的地址。Server收到后給移動終端返回一個確認(rèn)消息ASCONF_ACK。

4 仿真及分析

下面我們采用ns2軟件進(jìn)行仿真。ns2是一種免費(fèi)軟件，由于ns2的協(xié)議代碼與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用代碼的相似性和仿真結(jié)果的可靠性，成為眾多仿真軟件中的首選。ns2是一種面向?qū)ο蟮碾x散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)模擬器, 支持多個流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如各個版本的TCP、UDP和路由調(diào)度、擁塞控制算法等。ns2的源代碼完全公開,可供使用者在UNIX、Linux、Windows等系統(tǒng)平臺上使用和進(jìn)行二次開發(fā),并可以提供有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)中鏈路層及其高層精確到數(shù)據(jù)分組的諸多網(wǎng)絡(luò)行為的模擬與仿真[5]。

基于移動SCTP的垂直切換準(zhǔn)則為：

仿真參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)1的帶寬為1.0Mbit/s，端到端時(shí)延為150ms，網(wǎng)絡(luò)2的帶寬為0.5Mbit/s，端到端時(shí)延為200ms。對于其他條件包括偏好程度、服務(wù)資費(fèi)、可靠度本文假設(shè)兩個網(wǎng)絡(luò)相同，實(shí)際中偏好程度依據(jù)不同用戶而變化，服務(wù)資費(fèi)依據(jù)用戶業(yè)務(wù)等因素而定，可靠度與網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸技術(shù)等有關(guān)。

采用上述切換準(zhǔn)則及仿真參數(shù)，在ns2仿真軟件下進(jìn)行仿真。得到結(jié)果如圖1所示。

圖1 分別切換到網(wǎng)絡(luò)1和2時(shí)移動終端接收包的情況對比

圖1中橫坐標(biāo)代表仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)代表移動終端從網(wǎng)絡(luò)接收到的分組的序列號，兩曲線代表分別切換到兩個網(wǎng)絡(luò)的情況。設(shè)置多宿主連接以及SCTP關(guān)聯(lián)的代碼如下：

設(shè)置初始首選通路的代碼如下：

在6s時(shí)開始切換，切換時(shí)重選網(wǎng)絡(luò)以及重新設(shè)置首選通路的代碼如下：

當(dāng)選擇網(wǎng)絡(luò)1作為切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)1帶寬較大，所以分組的序列號增長較快，同時(shí)由于切換過程中發(fā)送的分組較多，導(dǎo)致分組丟失嚴(yán)重，重傳次數(shù)明顯多于切換到網(wǎng)絡(luò)2的情況。當(dāng)切換到網(wǎng)絡(luò)2時(shí)，分組的序號增長較慢，但分組丟失情況好于切換到網(wǎng)絡(luò)1情況。

由仿真結(jié)果我們可以知道：在開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，序列號是斷斷續(xù)續(xù)的，在切換過程中，接收分組的序列號也是斷斷續(xù)續(xù)的，這是因?yàn)镾CTP協(xié)議的慢啟動過程造成的。另外當(dāng)目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)是帶寬較大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)將導(dǎo)致較多數(shù)據(jù)的丟失，產(chǎn)生較多的重傳，這將使得用戶體驗(yàn)值下降。

5 總結(jié)

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的垂直切換過程中，接入路由器和鏈路層技術(shù)也會發(fā)生變化。移動SCTP協(xié)議是傳輸層支持移動性的典型技術(shù)，本文基于SCTP協(xié)議，在現(xiàn)有的切換算法的基礎(chǔ)上提出一種軟切換方案，并在本文的切換準(zhǔn)則下，通過ns2仿真得到以下結(jié)論：當(dāng)切換到帶寬大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)分組丟失將比切換到帶寬小的網(wǎng)絡(luò)分組丟失嚴(yán)重，同時(shí)由于傳輸層協(xié)議的慢啟動，通信開始和切換過程數(shù)據(jù)傳輸速率很低。本文提出的軟切換算法，需要修改SCTP協(xié)議的代碼，并且由于慢啟動帶來傳輸速率較低的問題，也需要修改SCTP協(xié)議的慢啟動過程，下一步的工作將從這兩方面展開。

[1] Coene L. Stream Control Transmission Protocol, RFC 3257, Apr 2002

[2] Stewart R.et al, Stream Control Transmission Protocol(SCTP) Dynamic Address Reconfiguration, draft-ietf-tsvwg-addip-sctp-14.txt,Mar.2006

[3] Ylianttia M, Pande M，Mahonen P. Optimization scheme for mobile users performing vertical handoff between IEEE 802.11 and GPRS／EDGE networks. Proceedings of IEEE GLOECOM．2006：3439-3443

[4] Ma L，Yu F，Leung V，et a1．A new method to support UMTS／WLAN vertical handover using SCTP．IEEE Wireless Communication, 2004,11(4)：44-51

[5] NS-2 simulation: http://www.isi.edu/nsnam/ns