何世杰 童孟軍

摘 要： 為了更好地了解流控制協(xié)議—SCTP的相關(guān)性能，利用NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，從單路徑和多路徑兩個(gè)方面對TCP和SCTP協(xié)議進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在應(yīng)對鏈路惡化的情況下，SCTP協(xié)議的吞吐量更大，也具有更高的穩(wěn)定性，更能滿足現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)高性能傳輸?shù)囊蟆?/p>

關(guān)鍵詞： 流控制傳輸協(xié)議； 傳輸控制協(xié)議； 單路徑； 多路徑； 吞吐率； 延遲

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）05-03-04

Comparison study of TCP and SCTP routing protocol

He Shijie， Tong Mengjun

（School of computer science， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： In order to get better understanding of SCTP protocol performance， the NS-2 network simulation software is utilized to compare TCP and SCTP protocols from a single path and multi path. The experimental results show that， in response to the link's deteriorating condition， the SCTP protocol has a larger throughput capacity ， and also a higher stability， and it can meet the transmission requirement of high performance network.

Key words： stream control transmission protocol； transmission control protocol； single path； multi path； throughput rate； delay

0 引言

SCTP代表的是流控制傳輸協(xié)議，它是由IEFT的信令傳輸工作組（SIGTRAN）新近提出的一種面向多媒體通信的流控制協(xié)議（SCTP），用于在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸PSTN信令消息，即通常所說的SS7 over IP。

在國內(nèi)，1985年是流控制傳輸協(xié)議技術(shù)開始萌芽的時(shí)期。從1985到1995年，該技術(shù)主要局限于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中接人端口數(shù)據(jù)流的控制技術(shù)，以防止計(jì)算設(shè)備之間大量數(shù)據(jù)互相通信時(shí)出現(xiàn)阻塞，保證更高的傳輸效率和可靠性。目前對該技術(shù)的研發(fā)仍處于較淺的層次，對整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)規(guī)PSTN信令傳輸?shù)募夹g(shù)還鮮有涉及；國內(nèi)的SCTP研究還主要側(cè)重于應(yīng)用方面，比如SCTP與TCP的比較、SCTP在移動(dòng)環(huán)境下的性能研究（例如平滑切換，移動(dòng)IP，最后一跳性能惡化問題，基于SCTP移動(dòng)Internet傳輸模型等）、基于獨(dú)立路徑擁塞控制的SCTP負(fù)荷分擔(dān)機(jī)制研究、結(jié)合SS7的研究，以及SCTP的安全問題研究、軍事應(yīng)用等。

國外則更側(cè)重于起草標(biāo)準(zhǔn)，如：定義SCTP負(fù)荷分擔(dān)草案（多路徑同時(shí)傳輸）；制定部分可靠傳輸標(biāo)準(zhǔn)；提交建立SCTP偶聯(lián)后的動(dòng)態(tài)地址重配置；提交SCTP API草案；定義SCTP對移動(dòng)IP的支持；提交單播擁塞控制建議標(biāo)準(zhǔn)；TCP友好可變速率控制等等。目前，IETF致力于把SCTP作為一種通用的傳輸協(xié)議。對SCTP本身的研究集中在對其功能的完善和擴(kuò)展上，主要是從兩個(gè)本質(zhì)特點(diǎn)入手：多路徑和多流。同時(shí)，對SCTP應(yīng)用的研究主要集中在兩個(gè)方面：在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用和對多媒體的傳輸。

本文的主要研究工作是利用NS-2構(gòu)建仿真平臺(tái)，對SCTP和TCP這兩種協(xié)議進(jìn)行對比，并根據(jù)仿真的結(jié)果計(jì)算、分析和比較這兩種協(xié)議的性能，發(fā)現(xiàn)它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 TCP和SCTP的單路徑的對比研究

單路徑的實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖1所示，一共有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。其中0-2是發(fā)送節(jié)點(diǎn)，5-7是相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)。3個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)都綁定了FTP應(yīng)用，其中0號節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送往5號節(jié)點(diǎn)，流標(biāo)簽為1；1號節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送往6號節(jié)點(diǎn)，流標(biāo)簽為2；2號節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送往7號節(jié)點(diǎn)，流標(biāo)簽為3。設(shè)置最大的傳輸單元為1500。路由3、4間的droptail隊(duì)列大小分別為5、10。本實(shí)驗(yàn)主要更改了1號節(jié)點(diǎn)和6號節(jié)點(diǎn)的傳輸協(xié)議?，F(xiàn)在設(shè)0-5號節(jié)點(diǎn)的路徑為L1，1-6號節(jié)點(diǎn)的路徑為L2，2-7號的路徑為L3。變量主要在L1上面。其中發(fā)送節(jié)點(diǎn)到路由節(jié)點(diǎn)3，路由節(jié)點(diǎn)4到接收節(jié)點(diǎn)的帶寬均為10Mbps，延遲均為15ms。路由節(jié)點(diǎn)3、4直接的帶寬為1.7Mbps，延遲為15ms。這樣路由節(jié)點(diǎn)3、4之間就成為接收方和發(fā)送方直接的瓶頸。

圖1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)一的過程是：在0.5s的時(shí)候三個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，4s的時(shí)候斷開L1，7s的時(shí)候斷開L2。這樣做的主要目的是讓L1的數(shù)據(jù)包先在有兩個(gè)TCP傳輸協(xié)議競爭的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后逐漸斷開其他兩個(gè)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，來觀察TCP和SCTP在有TCP競爭條件下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?，延遲和丟包率。吞吐量如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)一中TCP和SCTP數(shù)據(jù)的吞吐量

圖2所表示的是鏈路L2上的數(shù)據(jù)吞吐量。X坐標(biāo)軸表示時(shí)間的變化，單位為s，Y坐標(biāo)軸表示接收的數(shù)據(jù)量，單位為Byte。紅色線表示TCP協(xié)議在droptail隊(duì)列為5時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量。綠色線表示TCP協(xié)議在droptail隊(duì)列為10時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量。藍(lán)色線為SCTP協(xié)議在droptail隊(duì)列為5時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量，黃色為SCTP協(xié)議在droptail隊(duì)列為10時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量。從圖2中可以看出，總體上SCTP的吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過TCP。對于SCTP來說，在droptail隊(duì)列為5的時(shí)候，其吞吐量比10的時(shí)候略高，但差距不是很大。在兩個(gè)TCP數(shù)據(jù)傳輸斷掉以后，兩種情況下的吞吐量趨于相同，而且數(shù)據(jù)吞吐量趨于穩(wěn)定?？蹿厔?，在9s以后，droptail隊(duì)列為10的時(shí)候，其吞吐量會(huì)略大于5的時(shí)候。對于TCP協(xié)議來說，很明顯，在droptail隊(duì)列為10的時(shí)候，其吞吐量高于5的時(shí)候，在兩個(gè)TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸都斷掉以后，數(shù)據(jù)吞吐量的增長率趨于平行式增長。

圖3 實(shí)驗(yàn)一中TCP和SCTP延遲對比

圖3是實(shí)驗(yàn)一中SCTP和TCP兩種協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸延遲的對比。如圖所示，是TCP和SCTP在droptail隊(duì)列為5的時(shí)候，兩種協(xié)議延遲的對比。紅色線為TCP的延遲，綠色的為SCTP的延遲。X坐標(biāo)軸表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間變化，單位為s，Y坐標(biāo)軸表示兩種協(xié)議在某個(gè)時(shí)刻的延遲，單位為s。從圖3中可以看到，兩者的數(shù)據(jù)線略有交叉，SCTP的延遲略高于TCP；TCP的延遲是在一個(gè)范圍內(nèi)上下波動(dòng)，而SCTP的延遲呈一種階段性的梯度變化。從這里也可以看出兩種數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟顒e：TCP在鏈路達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)候，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一定；而SCTP的數(shù)據(jù)傳輸，在沒有擁塞避免的情況下，是呈指數(shù)增長的。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的拓?fù)鋱D，更改鏈路L1和L3的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，此為實(shí)驗(yàn)二。在0.5s的時(shí)候1號節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在1.5s的時(shí)候0號節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在4.5s的時(shí)候3號節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在7.5s的時(shí)候?qū)1和L3兩條鏈路斷開連接，8s的時(shí)候結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。通過觀察TCP和SCTP協(xié)議在逐漸有一個(gè)TCP協(xié)議和兩個(gè)TCP協(xié)議競爭的條件下的數(shù)據(jù)吞吐量，延遲和丟包率來對比兩種協(xié)議。

圖4 實(shí)驗(yàn)二中TCP和SCTP兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)吞吐量

在圖4中，表示的是鏈路L2上的數(shù)據(jù)吞吐量。X坐標(biāo)軸表示時(shí)間的變化，單位為s，Y坐標(biāo)軸表示接收的數(shù)據(jù)量，單位為Byte。紅色線表示TCP協(xié)議在droptail隊(duì)列為5時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量。綠色線表示TCP協(xié)議在droptail隊(duì)列為10時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量。藍(lán)色線為SCTP協(xié)議在droptail隊(duì)列為5時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量，黃色為SCTP協(xié)議在droptail隊(duì)列為10時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量。從圖4中可以看出，總體上來說，在相同的droptail隊(duì)列值的情況下，SCTP的吞吐量遠(yuǎn)大于TCP的吞吐量。在兩個(gè)TCP競爭數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)后，它們的吞吐量都有一個(gè)短暫性的下降，然后繼續(xù)趨于上升。在8.0s的時(shí)候，兩種協(xié)議的吞吐量開始趨于穩(wěn)定。

對比實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二中數(shù)據(jù)吞吐量的圖，我們看到，由于實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的區(qū)別在于競爭的TCP協(xié)議出現(xiàn)的時(shí)間不同，在實(shí)驗(yàn)一的環(huán)境下，SCTP在有其他協(xié)議競爭的條件下，能夠更容易、更快地達(dá)到數(shù)據(jù)吞吐的穩(wěn)定狀態(tài)，這樣非常有利于數(shù)據(jù)的傳輸。

圖5是實(shí)驗(yàn)二中鏈路L2在droptail隊(duì)列值為10的時(shí)候的延遲對比。紅色線為TCP的延遲，綠色的為SCTP的延遲。X坐標(biāo)軸表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間變化，單位為s，Y坐標(biāo)軸表示兩種協(xié)議在某個(gè)時(shí)刻的延遲，單位為s。由圖5中可以看出，SCTP與TCP延遲隨時(shí)間的走勢相互交叉，與實(shí)驗(yàn)一中的情形類似，SCTP的延遲略高于TCP。

圖5 實(shí)驗(yàn)二TCP和SCTP的延遲對比

圖6 TCP和SCTP競爭時(shí)的延遲和吞吐量

圖6是在實(shí)驗(yàn)一環(huán)境下，SCTP和TCP相互競爭下的延遲和吞吐量的對比，主要是鏈路L2和L3的對比，紅色線表示的是TCP，綠色線表示TCP。圖6上圖中，X坐標(biāo)軸表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間變化，單位為s，Y坐標(biāo)軸表示兩種協(xié)議在某個(gè)時(shí)刻的延遲，單位為s；圖6下圖中，X坐標(biāo)軸表示時(shí)間的變化，單位為s，Y坐標(biāo)軸表示接收的數(shù)據(jù)量，單位為Byte。從圖6中可以看出，情況基本與上面的實(shí)驗(yàn)保持一致。在相同的droptail隊(duì)列值的情況下，SCTP的吞吐量遠(yuǎn)大于TCP，但是TCP和SCTP的延遲相互交叉，SCTP延遲略高于TCP。

2 TCP和SCTP的多路徑的對比研究

多路徑的實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖7所示，節(jié)點(diǎn)0-2合起來是一個(gè)發(fā)端，節(jié)點(diǎn)3-5合起來是一個(gè)收端。0是核心節(jié)點(diǎn)，1、2是接口，即該端點(diǎn)的兩個(gè)IP地址；3也是核心節(jié)點(diǎn)，4、5也是接口，也即該端點(diǎn)的兩個(gè)IP地址。1和4路徑命名為if0；2和5路徑命名為if1。

在SCTP傳輸過程中，數(shù)據(jù)只能從接口發(fā)或收，不能直接從核心節(jié)點(diǎn)發(fā)或收。該實(shí)驗(yàn)過程為：應(yīng)用層傳輸FTP數(shù)據(jù)，在0.5s后開始傳輸；在第5s前，路徑if0、if1的帶寬為5M，時(shí)延為50ms；在第5s，路徑if0性能惡化，帶寬變成1M，時(shí)延變?yōu)?00ms；在第8s，傳輸結(jié)束。

圖7 SCTP多路徑仿真拓?fù)鋱D

由于TCP沒有多路徑這個(gè)特點(diǎn)，所以，要與SCTP作對比，只能重新建立拓?fù)鋱D。拓?fù)鋱D如圖8所示：數(shù)據(jù)傳輸過程和SCTP一樣，應(yīng)用層傳輸FTP數(shù)據(jù)，在0.5s后開始傳輸；在第5s的時(shí)候鏈路發(fā)生惡化，帶寬變成1M，時(shí)延變?yōu)?00毫秒；在第8s，傳輸結(jié)束。

圖8 相應(yīng)的TCP拓?fù)鋱D

對于這兩種協(xié)議延遲方面的比較，我們在上一節(jié)中已經(jīng)有過很詳細(xì)的對比，所以在這里，主要針對兩種協(xié)議在多路徑的情況下，對數(shù)據(jù)吞吐量作比較，如圖9所示。

圖9 多路徑下TCP與SCTP吞吐量的比較

如圖9，其中為了表示自己搭建的TCP網(wǎng)絡(luò)和SCTP網(wǎng)絡(luò)有對比性，所以測試了在圖8中拓?fù)鋱D中SCTP數(shù)據(jù)的吞吐量，如圖9中的綠線。從圖中來看，在6.5s以前兩種拓?fù)鋱D中SCTP的數(shù)據(jù)吞吐量完全吻合，這樣看來，兩種拓?fù)鋱D是具有可比性的。圖中藍(lán)色線表示TCP協(xié)議的吞吐量，黃色線表示if0路徑上SCTP的吞吐量，紅色線表示if1路徑是SCTP的吞吐量。X坐標(biāo)軸表示時(shí)間的變化，單位為s，Y坐標(biāo)軸表示接收的數(shù)據(jù)量，單位為Byte。從圖9中看，5s之前鏈路沒有惡化，SCTP默認(rèn)if0是主路徑，5s之后鏈路if0惡化，吞吐量開始下降，此時(shí)，因?yàn)橛辛硪粭l路徑if1的存在，而且鏈路狀態(tài)比if0好，SCTP開始將if1作為主路徑進(jìn)行傳輸，圖中if1的吞吐量開始上升，由此可以看出，SCTP的吞吐量在經(jīng)過一段時(shí)間的降低之后，會(huì)恢復(fù)原來的吞吐量，使數(shù)據(jù)傳輸不受影響。由圖9可以看出，TCP在路徑出現(xiàn)惡化的時(shí)候，吞吐量開始下降，如果路徑得不到緩解，吞吐量會(huì)受到很大的影響。由此可以看出，SCTP多路徑的特點(diǎn)較TCP存在很大的優(yōu)勢。我們再來分析路徑if0數(shù)據(jù)傳輸與時(shí)間的關(guān)系，如圖10所示。圖10中有上（紅色）、中（綠色）、下（藍(lán)色）三條線。上線（紅色）代表 SCTP 把數(shù)據(jù)包發(fā)送到緩存，即入隊(duì)列；中線（綠色）代表數(shù)據(jù)包從緩存注入到網(wǎng)絡(luò)，即出隊(duì)列；下線（藍(lán)色）代表數(shù)據(jù)包從收端反饋回來的證實(shí) SACK?？v坐標(biāo)代表所發(fā)送的數(shù)據(jù)包序列號，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，斜率指示傳輸速率（下面類似圖的信息也是這樣的）。在第5s，帶寬和時(shí)延發(fā)生變化，路徑性能變差，所以第5s后的斜率小于第5s前的斜率，即第5s后的傳輸速率小于第5s前的傳輸速率。

圖10 if0上數(shù)據(jù)傳輸與時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié)束語

本文主要是通過NS-2構(gòu)建仿真平臺(tái)，對TCP和SCTP在單路徑和多路徑的條件下進(jìn)行對比。通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，兩種協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t方面，SCTP協(xié)議略高于TCP協(xié)議，相差不是很大，但是SCTP的數(shù)據(jù)吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TCP協(xié)議。由于SCTP具有多路徑和多重定址的特點(diǎn)，在應(yīng)對鏈路惡化的情況時(shí)，SCTP表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。作為一個(gè)新的傳輸協(xié)議，SCTP還具有很大的發(fā)展空間，SCTP較TCP更能滿足高性能傳輸?shù)囊?，隨著IP網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，SCTP一定會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。

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