基于多路传输控制协议的地震信息网络研究

陈折桂　魏梦婉　陈楠

摘要：互联网的快速发展使得越来越多的智能设备能同时支持移动通信网、无线局域网或者有线网这种新型融合网络体系，然而这些设备虽配备有多个网络接口，它们的功能却还没有被充分利用。多路传输控制协议是近些年的研究热点，它通过利用智能设备的多个网络接口聚合传输过程中的多条路径，实现并发多路传输。基于此，以研究多路传输控制协议为核心，以江苏省地震局地震信息网络为应用场景，以局部信息网络为实验模型，在仿真实验平台上实现多接口设备在地震信息网络中的多路径传输的可行性，有效地降低了时延，从而满足工作人员对于更高质量的网络服务的需求。

关键词：地震信息网络；多路并行传输；多路传输控制协议

一、前言

随着地震行业现代化建设和信息化业务蓬勃发展，越来越多的互联网应用如P2P、ftp、视频会议、GIS地理信息系统技术等融入了日常化的工作中[1-4]，工作人员对带宽的需求也在与日俱增。尤其在2020年新一代通信技术5G的广泛部署和应用后，各类移动终端设备入网，通信流量进一步迅速增长，让人们在工作过程中对于优质服务质量有了更多的期待和更高的要求。然而，在默认情况下，传统的传输控制协议/用户数据报协议（Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol，TCP/UDP）在一个传输连接中仅使用单一的“最佳”路径，一旦链路发生故障，传输可能就会中断，对于网络服务质量有极大的影响。事实上，在不同接入技术相互融合的庞大现代通信网络中，存在丰富的资源并没有得到充分利用，原因在于，通信设备已经具备多个网络接口，如智能手机配备了蜂窝（如4G/5G或LTE）和WiFi接口，电脑配有有线网卡和无线网卡，两个通信节点之间有多条链路存在的可能性。因此，在现有单路径传输满足不了更高服务需求和互联网中丰富的资源没有得到充分利用的矛盾情况下，利用多接口设备的多条路径以提高端到端的传输性能和鲁棒性的想法应运而生。

二、国内外研究现状

互联网早期阶段，具有多个网络接口和多条路径的计算机并不是设计和研究的优先事项，只有路由器交换机等具有多个物理网络接口。而近几十年互联网技术显著的进步让便携式电子智能设备都配备了多个网络接口，丰富的网络资源促使多个网络接口采用多路径传输在理论上成为可能。学术界上，围绕多路径传输已经发表了数百篇科学文章，涵盖了数据链路层、网络层、传输层、应用层等不同网络结构层次以及数据调度管理、拥塞控制、数据包重排序等各个方面[5-9]。行业上，一些公司已经实现了他们的多路传输聚合方案，如比利时Tessares公司试图在多路传输控制协议 （MultiPath Transmission Control Protocol，MPTCP）之上开发新的创新网络服务，它的第一个产品旨在聚合不同基础设施（LTE/DSL）的带宽。苹果于2013年在部分IOS设备上加入了对MPTCP协议的支持，同时在Siri服务器的一部分上实现了MPTCP的变体，主要是支持Siri语音服务，确保IOS用户在LTE、WiFi网络下使用Siri都能很流畅。除此之外，苹果还支持网络管理员将MPTCP与IOS搭配使用，以加强与目标主机的备份TCP连接[10]。韩国KT电信在2015年IETF93大会上介绍了其商业服务Gigapath，它在三星Galaxy系列部分支持MPTCP的手机上聚合了LTE和WiFi网络，能让用户实现最高1Gbps的网速。在本文仿真中，我们探讨传输层的解决方案，因为它是在对等体之间保持端到端语义的最低层。

（一）传输层的其他传输控制协议

曾广泛应用于网络体系结构中传输层协议有传输控制协议（TCP），流控制传输协议（Stream Control Transmission Protocol，SCTP），流控制传输改进协议CMT-SCTP（Concurrent Multipath Transmission for SCTP，CMT-SCTP）等。TCP被看作是一种能够保证网络通信性能的有效的网络传输控制协议，它提供一条端到端的、可靠有序的主机间数据传输服务。但TCP协议只支持通过单个接口建立一条通信路径，无法满足终端设备多通信接口特性和人们日益增长的高吞吐量需求。SCTP是最早能实现多路传输控制的协议，发送端和接收端通过SCTP建立主备两条路径，默认在主路径传输数据流，当主路径失效时，启用备用路径。但SCTP协议专门针对网络中公用开关电话信号问题而设计，不能与现有使用TCP的应用程序兼容，且它虽然存在主备两条路径但在某一时刻仍然只能使用一条路径来传输数据流，因此SCTP只用在特定的操作系统和应用程序，仍然没有得到广泛应用。之后，IETF（Internet Engineering Task Force）研究工作组提出了SCTP的多路并行扩展协议CMT-SCTP，它能允许多个子流实现多路并行传输，但由于CMT-SCTP为SCTP的扩展协议，所以发送端和接收端的应用程序必须支持SCTP协议并有调用该协议的专用接口，这也造成了CMT-SCTP同样有应用和部署受限的问题。

鉴于上述传输层协议存在不同的问题以及当前网络中大部分应用程序均是基于TCP进行设计的，于是IETF工作组制定了新的网络传输层协议MPTCP。对于所有的互联网协议来说，它的成功不仅取决于协议规范，还因为它能被实际应用程序实现和使用的可参考性。

（二） MPTCP的特点和优势

MPTCP 作为传输层上一种新的网络标准，于2009年由IETF工作组提出，经过多次起草，于2011年推出协议的框架设计，并在2013年正式发布网络标准。MPTCP将一个原始数据流分成若干个子流，通过多个TCP连接同时进行并行传输实现吞吐量提升，达到对应用程序多路径透明传输的目的。另外，MPTCP引入了双序列号。子流序列号在子流级别用于对每个TCP子流进行重新排序，而数据序列号在连接级别用于对所有子流内的数据进行重新排序。其协议栈如表1所示。MPTCP 不需要对原有协议栈做大的改动，仅在TCP的基础上增加了MPTCP层，不仅实现了对端点间多条路径的管理和调度，还实现了与TCP的兼容。那么，当对端中的一端不支持MPTCP时，可主动切换为TCP协议继续发送数据流；而当双方都支持MPTCP时，两端用户可以选择开启多路径传输扩展，仍然保证了有序、可靠地面向字节发送。MPTCP的出现使得各式各样的移动式网络接入设备利用其多通信接口同时传输数据成为可能，同时与现有应用程序的兼容性使其在复杂的新型异构网络中更易于大规模部署。因此，MPTCP协议受到了国内外研究者们的广泛关注，也使得该协议能够快速发展。

三、基于MPTCP的地震信息网络仿真实验模型构建

本文以研究MPTCP协议为核心，以江苏省地震局地震信息网络为应用场景，以局部信息网络为实验模型，实现多接口设备在地震信息网络中的多路径传输并验证其可行性与可靠性。

江苏省地震局地震信息网络拓扑为星型结构（如图1），采用IP组网方式。为实现省局与全省各地市地震部门、各直属台站的相关业务和视频会商等数据流传输，以“十五”项目建成的“江苏省数字地震观测网络”（江苏省地震行业网）中29条2M MSTP（Multi-Service Transport Platform，多业务传送平台） 专线为载体进行互联；为实现省局上联中国地震台网中心和广州速报灾备中心，江苏省地震局分别开通了1条30M MSTP专线和1条20M MSTP专线；同时上联、下联均可以通过VPN拨号方式进入地震行业网；另外根据各部门各台站互联网办公的需求，江苏省地震局与省属台站建立了15条6M江苏电信互联网专线宽带，省级中心建立了6条50M江苏电信互联网专线宽带，同时在新老办公大楼部署无线网络，实现省局办公楼无线互联网的覆盖。于是，在该场景基础上以局部网络为例进行网络实验模型抽象。实验模型包含两个双接口的电脑终端，相互之间采用WiFi和以太网双路径进行数据传输，中间路径传输为有线链路传输。当两个终端有多个接口可以提供多个IP地址时，终端间将会建立多路径传输，实现MPTCP通信；而当其他接口关闭或者链路中断只剩一个通信链路时，则会转为单路径传输。可以根据其需要对网络传输数据包大小和传输带宽进行控制，从而来模拟数据传输过程。

四、仿真实验

由于本课题是一个科研性的研究课题，为得到相关实验数据，暂不能在实际地震信息网络中大规模实验和推广，因此，需要搭建仿真模拟平台进行网络构建和传输协议运行验证。本文实验环境为AMD PRO A10-8770 R7， 10 COMPUTE CORES 4C+6G 3.5GHz CPU，搭载8GB内存，操作系统采用Ubuntu16.04，仿真实验平台采用NS-3.30版本。NS-3仿真平台是一个离散事件的仿真模拟器，它允许学术研究人员在其开源项目的基础上根据实际网络情况和研究需要对网络拓扑与参数进行编写或修改，从而进行仿真实验。

仿真实验以p2p业务数据传输为例，两终端所用的以太网带宽均设置为100Mbps，时延设置为6560ns，中间有线链路传输带宽均设置为5Mbps，时延为2ms，WiFi使用ns3仿真平台中提供的默认的信道模型和传播时延模型，同时远程基站管理使用了AARF（Adaptive Auto Rate Fallback）速率控制算法，以调节网络速率。仿真实验结果表明，分别设置不同数据包大小的几组实验下，使用MPTCP相较于使用TCP时延更短，效率更高，吞吐量更大，说明MPTCP链路状态更好。对于日常办公中需要不间断的实时网络应用而言，MPTCP提供的网络服务质量相对来说更好。

五、结语

在地震信息化和现代化建设的当下，用于日常办公和业务交流的新型异构互联网络在使用现有TCP/UDP传输层协议时可能会存在总是根据特定的路由使用单一的“最佳”路径导致时延和链路质量影响因素差距较大等问题，不能达到工作人员对于更高的网络服务质量的要求。与此同时，以笔记本、智能手机为代表的具有多种接口的移动设备入网，让两个端点之间可能有多条传输路径。这更加扩大单路径传输和大量可用网络路径冗余的不匹配矛盾。针对上述矛盾和问题，本文引入了MPTCP协议进行解决和探讨。本文主要介绍了基于MPTCP的江苏省地震局地震信息网络研究相关情况并在地震信息网络传输层场景下验证其可行性。实验表明，在其他条件相同时，MPTCP时延更短，效率更高，其链路状态更好，未来能为工作人员提供更好的网络服务体验。H

参考文献

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[10]使用Multipath TCP为iOS创建备份连接. https：//support.apple.com/zh-cn/HT201373.

基金项目：江苏省地震局青年科学基金专项NO.202113