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标题: 使用 SCTP 优化网络（1） [打印本页]

作者: look_w 时间: 2018-5-18 21:30 标题: 使用 SCTP 优化网络（1）

SCTP 是在 IP 网络上使用的一种可靠的通用传输层协议。尽管 SCTP 协议最初是为发送电话信号而设计的（RFC 2960），但带来了一个意外的收获：它通过借鉴 UDP 的优点解决了 TCP 的某些局限。SCTP 提供的特性使套接字初始化的可用性、可靠性和安全性都得以提高。（图 1 给出了 IP 堆栈的层次化架构。）
图 1. IP 栈的层次化架构

本文简要介绍了 Linux 2.6 内核中 SCTP 的概念，重点介绍了一些高级特性（例如多宿主和多流），并且给出了服务器和客户机的部分代码片断（并给出了一个可以获得更多代码的 URL），从而展示了这种协议提供多流的能力。
下面让我们开始介绍 IP 堆栈的内容。
IP 堆栈Internet 协议套件被划分成几层；每层都提供特定功能，如图 1 所示。
自下而上：

链路层（link layer） 提供了通信介质的物理接口（例如以太网设备）。
网络层（network layer） 负责管理网络中的报文移动，具体来说就是确保报文都到达自己的目标（也称为路由）。
传输层（transport layer） 为应用层控制了报文在两台主机之间的流动。它还代表通信的应用程序端点，称为 端口（port）。
最后，应用层（application layer） 对通过套接字传递数据具有深刻的意义。这些数据可能包括通过简单邮件传输协议（Simple Mail Transport Protocol，SMTP）发送的 e-mail 消息，或通过超文本传输协议（Hypertext Transport Protocol，HTTP）呈现的 Web 页面。

所有应用层协议都使用套接字层作为与传输层协议之间的接口。Sockets API 是由 UC Berkeley 在 BSD UNIX® 操作系统上开发的。
在深入钻研 SCTP 之前，让我们首先简单回顾一下传统的传输层协议。
传输层协议两种最流行的传输层协议是传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）：

TCP 是一种可靠的协议，它可以确保有序地发送数据，并管理网络中的拥塞问题。
UDP 是一种面向消息的协议，它不能确保有序地发送数据，也无法管理网络拥塞的问题。

然而，UDP 是一种快速协议，可以保护自己传输的消息的边界。
本文引出了另外一个选择：SCTP。它提供了像 TCP 一样可靠、有序地发送数据的功能，但却以像 UDP 一样面向消息的方式来进行操作，这可以保护消息边界。SCTP 还提供了几个高级特性：

多宿主（Multi-homing）
多流（Multi-streaming）
初始化保护（Initiation protection）
消息分帧（Message framing）
可配置的无序发送（Configurable unordered delivery）
平滑关闭（Graceful shutdown）

SCTP 的关键特性SCTP 相对于传统的传输层协议来说，两个重要的增强是终端主机的多宿主和多流功能。
多宿主多宿主 为应用程序提供了比 TCP 更高的可用性。多宿主主机就是一台具有多个网络接口的主机，因此可以通过多个 IP 地址来访问这台主机。在 TCP 中，连接（connection） 是指两个端点之间的一个通道（在这种情况下，就是两台主机的网络接口之间的一个套接字）。SCTP 引入了 联合（association） 的概念，它也是存在于两台主机之间，但可以使用每台主机上的多个接口进行协作。
图 2 阐述了 TCP 连接与 SCTP 联合之间的区别。
图 2. TCP 连接与 SCTP 联合

该图的上面部分是 TCP 连接，每个主机都只包含一个网络接口；连接是在每个客户机和服务器之间的单个接口之间建立的。在建立连接时，就被绑定到了每个接口上。
在该图的下面部分中，您可以看到这样一个架构：每台主机上都包含两个网络接口。通过独立网络提供了两条路径，一条是从接口 C0 到 S0，另外一条是从接口 C1 到 S1。在 SCTP 中，这两条路径可以合并到一个联合中。
SCTP 负责使用内嵌的 heartbeat 机制来监视联合的路径；在检测到一条路径失效时，协议就会通过另外一条路径来发送通信数据。应用程序甚至都不必知道发生了故障恢复。
故障转移也可以用于维护网络应用程序的连通性。例如，让我们来考虑一台包含一个无线 802.11 接口和一个以太网接口的笔记本的例子。当笔记本放到固定的位置上时，我们倾向于使用高速的以太网接口（在 SCTP 中称为 主地址（primary address））；但是在这个连接丢失时（例如离开了固定位置），连接可迁移到无线接口上。在返回固定位置时，以太网连接会被重新检测到，通信就可以在这个接口上恢复。这是一种能提供更高的可用性和可靠性的强大机制。
多流从某种意义上来讲，SCTP 连接与 TCP 连接类似，不同之处只是 SCTP 能够在一个联合中支持多流机制。一个联合中的所有流都是独立的，但均与该联合相关（请参见图 3）。
图 3. SCTP 联合与流之间的关系

每个流都给定了一个流编号，它被编码到 SCTP 报文中，通过联合在网络上传送。多流非常重要，因为阻塞的流（例如等待重传的流会导致报文的丢失）不会影响同一联合中的其他流。这个问题统称为 head-of-line blocking（对头阻塞）。TCP 很容易出现这类阻塞问题。
多流如何在传输数据时提供更好的响应性呢？例如，HTTP 协议会在相同套接字上共享控制和数据。Web 客户机从服务器上请求一个文件，服务器通过相同的连接将这个文件发回给客户机。多流的 HTTP 服务器可以提供更好的交互能力，因为在联合中各单独的流上可以处理多个请求。这种功能可以并行化响应，尽管速度不一定会更快，但可以同时加载 HTML 和图像映像，从而表现出更好的响应性。
多流处理是 SCTP 的一个重要特性，尤其是在协议的设计中考虑一些控制和数据的问题时更是如此。在 TCP 中，控制和数据通常都是通过相同的连接进行共享的，这可能会产生问题，因为控制报文可能会在数据报之后延时。如果控制和数据被划分成单独的流，控制数据就可以以一种更及时的方式进行处理，从而可以更好地利用可用资源。

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