一种新型SCTP路径切换机制

梁鑫晟，方旭明，青 亮

（西南交通大学 信息编码与传输省重点实验室，四川 成都 610031）

0 引言

随着无线通信技术的快速发展，各种接入技术日益成熟，一个终端设备拥有多个网络接口的现象已非常普遍。为提高端到端的吞吐量，一个多模终端能够通过不同的接入方式同时接入到互联网。因而，多路径传输技术的研究变得十分重要。流控制传输协议SCTP是继TCP和UDP之后由IETF定义的第三个通用传输协议。相较于TCP和UDP协议，SCTP具有多宿主、多流及动态多路径等新特性。此外，SCTP的兼容性也有相关研究[1]，其应用也越来越广泛[2]。在未来异构泛在的网络架构中，基于SCTP的研究变得更加具有现实意义，其中的一个研究热点在于主备路径的选择与切换机制。

RFC2960标准使用临时路径失败转换机制[3]，UDP.E.L.提出一种永久路径失败转换机制[4]。在这两种机制的基础上，文献[5]提出一种SCTP的鲁棒失败转换机制，进一步提高了SCTP的容错性能。文献[6]提出一种首选路径自动切换方案。文献[7]提出了一种跨层SCTP故障恢复机制，减少了故障恢复时间。本文提出一种更有效的主-备路径转换机制。仿真结果表明，所提出的机制在可靠性方面有显著的提升，可较好地对抗无线环境的不稳定性，更加有效地利用无线频谱资源。

1 现有路径失败切换机制

临时路径切换机制中，“首选路径”在整个关联存活期间是不变的。具有n个目的地址的临时路径切换机制如图1所示。

图1 临时路径切换有限状态机

图中Di为主目的地址，Dj为备份地址中的一个，PMR为路径“差错门限”。当“首选路径”不可达时，SCTP则寻找下一个状态为Active的Dj，并将新数据向该地址发送。而一旦“首选路径”回复HeartBeat ACK，则立即恢复“首选路径”上的数据传输。

永久路径切换机制主要的改进是将“首选路径”变为一个可以改动的参数，引入首选路径切换阈值CPT，在CPT溢出时改变“首路路径”的值，其示意图如图2所示。

图2 永久路径切换机制有限状态机

以上两种机制都实现了端到端的连接冗余，但它们都存在以下共同问题。

1）长时间中断。当首选路径中断或不可达时，发送的数据将等待超时重传，但新数据无法正常发送，根据PMR的建议值[8]，需要6次超时后，才会将新数据发往备用路径，这将会导致大约60s的中断。

2）首选路径虚假恢复。在SCTP的一个关联中，当首选路径发生中断而使用备用路径传输时，一旦首选路径回复一次HeartBeat ACK，则立即将“当前路径”从备用路径切换回到首选路径，而不对首选路径恢复的可靠性进行验证。在无线环境下，如果首选路径的状态不稳定，这种不可靠恢复很容易使传输路径再次由首选路径切换到备用路径，导致路径的频繁切换。

3）网络资源浪费。在无线网络中，底层信道质量的变化会影响上层链路的带宽，用户定义的首选路径可能在一段时间后带宽变得低于其它备用路径。按现有的两种切换机制，极可能出现关联长期使用低效率路径进行数据传输的情况，从而造成优质网络资源的浪费。

2 基于SCTP的新型路径切换机制

为解决现有机制的缺陷，提升资源利用率，提出一种新型的路径失败转换机制。利用多个HeartBeat数据块评估路径性能，并采用“快切换，慢恢复”的路径切换策略。

2.1 快速路径切换与虚假恢复避免

SCTP标准中，目的地址包含UNCONFIRMED、ACTIVE和INACTIVE三种状态。UNCONFIRMED是初始状态，ACTIVE表示目的地址可送达，INACTIVE表示目的地址不可送达。

在ACTIVE状态和INACTIVE状态之间增加一种UNSTABLE状态。一旦出现一次数据超时，就进入UNSTABLE状态，立即将重传数据和新数据发往目的地址列表中的下一个标记为ACTIVE的目的地址。与此同时，向原目的地址发送HeartBeat探测包。当出现连续PMR＋1次超时后，再进入INACTIVE状态。这样，只要出现一次数据超时，立即就进行路径转换，即为“快切换”。理论上，快切换最小切换时间为1s。

针对“虚假路径恢复”问题，修改SCTP在收到HeartBeat ACK后的行为。修改后的SCTP在收到HeartBeat ACK后，并不将“错误计数”清零，而是将其减1。直到“错误计数”为0后再更改状态为ACTIVE，此为“慢恢复”。

使用以上“快切换，慢恢复”算法，可以在当前路径突发超时后，立即将所有数据通过备份路径发送，不会给用户造成“中断”的感觉；另一方面，若只出现1次重传超时，说明只是突发中断，链路还有可能恢复，只需要1次HeartBeat ACK就可以恢复ACTIVE状态。反之，若出现多次超时，则说明链路可能长时间中断。需要与超时次数相应的HeartBeat ACK才能肯定其已经恢复连接（最高不超过PMR＋1），从而也避免了“鲁莽”地恢复路径上新数据的传输。其有限状态机模型如图3所示。

图3 加入Unstable状态的路径失败切换机制

2.2 备份路径上的带宽估计算法

在SCTP的无线应用场景中，由于频谱资源的稀缺性，应尽量提高带宽利用率。TCP在无线场景中应用时，有TCP-westwood[9]等带宽估计方法。但这些方法都要求被估计的链路上不间断地有数据在传输。对于SCTP来说，空闲的链路上除了HeartBeat以外，没有数据在传输。而使用 Packet-Pair[10]带宽估计需要两个较大的数据包。对此，提出一种在备份链路上采用一次捆绑发送多个HeartBeat的方法来估计带宽。

为了防止SCTP自动将多个HeartBeat打包到一个数据块中，将n(n>4)个HeartBeat数据块分别在末尾进行补0填充，使每一个HeartBeat chunk都相当于一个MTU大小。之后将这n个HeartBeat包依次不间断地发送出去。

接收端收到第一个 HB后，开始计时，直到收到第n个HB。假设时间间隔为t，则:

根据当前路径的平滑参数值α对采样值进行平滑处理，并以处理后的带宽值更新备份路径的bw_average参数值。

接收端以同样方法处理HeartBeat ACK，并将其发送出去。发送端收到HeartBeat ACK后也以相同方法进行计算，估计出带宽。

2.3 主备、路径选择与切换

通过引入“UNSTABLE”状态，以及备份路径上的带宽估计算法，可以设计出一个更加灵活的首选路径更新机制来避免网络资源浪费。

定义首路径为A，数据正通过A路径在传输，则可以利用经典带宽估计方法得到A路径的带宽BA。定义备份路径为B，且路径B处于ACTIVE状态，通过所提出的改进带宽估计方法得到路径B的带宽为BB。设定系数β（β>1），典型值为2。当BB≥β×BA时，可强制将路径B设置为首选路径，所有新数据立即按“慢开始”从B路径发送。

3 仿真实验及结果分析

使用NS 2.35进行仿真实验，仿真拓扑及参数设置如图4所示，仿真设置在第20s首选路径中断，在第100s恢复。分别使用临时路径切换机制、永久路径失败切换机制和改进机制进行模拟。

图4 仿真网络拓扑

仿真结果如图5所示。仿真开始后，在20～50s期间，临时机制和永久机制的吞吐率一直为0，直到第53s左右才切换到了备份路径上（仿真中将PMR设置为4）。而采用提出的切换机制，可在首选路径中断后1s左右立即切换到备份路径上。100s左右原首选路径恢复连接，临时路径切换机制在第一次收到HeartBeat ACK的第110s左右就切回了原首选路径。而永久路径切换机制中，原首选路径已成为备份路径，不再切换。提出的切换机制在首选路径恢复后，使用了40s时间验证其稳定性，然后对两条路径带宽进行评估，最后重新切换到速率更高的路径上进行传输，有效地避免了首选路径虚假恢复。

图5 仿真结果

4 结语

针对无线网络的特点，分析了现有的两种机制存在的弊端，提出一种新的路径状态，结合“快切换、慢恢复”算法和带宽估计算法，提出一种无线环境下的SCTP快速路径切换机制。仿真结果验证了该机制可有效避免“虚假路径恢复”，提高路径切换的效率和可靠性。

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[7]孙长永,余敬东.SCTP 故障恢复机制改进[J].通信技术,2010,43(05):138-142.

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