技術(shù)/應(yīng)用 Technology/ Application技術(shù)交流SCTP在NGN中的應(yīng)用上海交通大學(xué)電子工程系郭強(qiáng)朱杰摘要本文研究了流控制傳輸協(xié)議(SCTP)作為一種新興的傳輸層協(xié)議,在下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)中的應(yīng)用。重點(diǎn)分析了SCTP在移動(dòng)nternet訪問(wèn)、無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換以及無(wú)線資源分配中相對(duì)于傳統(tǒng)協(xié)議及方案的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞 SCTP NGN移動(dòng) Internet垂直切換帶寬借用圖1NGN結(jié)構(gòu)它將是一個(gè)功能齊備、同時(shí)也異常復(fù)雜的系統(tǒng)。雖然引言系統(tǒng)的第三層(網(wǎng)絡(luò)層)統(tǒng)一到IP協(xié)議,但是要真正近年來(lái),互聯(lián)網(wǎng)取得了跨越式發(fā)展、用戶數(shù)量增實(shí)現(xiàn)NGN的功能,在傳輸層及其以上層就必須使用更長(zhǎng)迅猛,對(duì)業(yè)務(wù)、帶寬的需求越來(lái)越高。有效的協(xié)議。為此IETF等組織提出了大量的傳輸層而移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)歷了2代的GSM到25代的會(huì)話層和應(yīng)用層上的新協(xié)議,其中在傳輸層上最有代GPRS再到以CDMA技術(shù)為代表的3G和研究中的超表性的是流控制傳輸協(xié)議(SCTP: Stream Control3G網(wǎng)絡(luò),也顯現(xiàn)出對(duì)多媒體業(yè)務(wù)、以及無(wú)線傳輸帶寬 Transfer protocol)a。SCTP的設(shè)計(jì)初衷是在傳輸層上取的巨大需求。這一切都推動(dòng)了下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN:代UDP和TCP來(lái)更有效地傳輸信令信息。因?yàn)閁DPNext Generation Network)發(fā)展。NGN的結(jié)構(gòu)如圖1是一種“不可靠”傳輸協(xié)議,不適用于信令傳輸;TCP所示,其顯著特點(diǎn)是具有網(wǎng)絡(luò)的融合化、承載的IP雖然是“可靠”傳輸協(xié)議并具有差錯(cuò)等功能,但傳輸信化、接人技術(shù)的多樣化和業(yè)務(wù)的綜合化。令的性能也很低,會(huì)出現(xiàn)頭阻塞等問(wèn)題。SCTP則吸收具體來(lái)說(shuō),在NCN中,現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)和TCP和UDP兩種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn),解決了信令傳輸上存在有線電視網(wǎng)將逐漸合而為一、走向融合。三網(wǎng)融合的的問(wèn)題并提高了傳輸性能。然而,除了適于信令傳輸前提是每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都要以P技術(shù)作為承載,并且在將來(lái)外,SCTP的諸多新特性使之在NGN中有著廣闊的應(yīng)NGN中使用一個(gè)全P的骨干網(wǎng)作為融合后的網(wǎng)絡(luò)核中國(guó)煤化工進(jìn)行了重點(diǎn)研究,給出心。在骨干網(wǎng)的外層會(huì)有一個(gè)自適應(yīng)層,它負(fù)責(zé)連接CNMHG驗(yàn)證。外層接入網(wǎng)絡(luò)到核心網(wǎng)。最外層是各種使用不同接人技術(shù)的網(wǎng)絡(luò),它們提供了包括話音、數(shù)據(jù)和多媒體在SCTP協(xié)議特性內(nèi)的全面而綜合的業(yè)務(wù)。從NGN的結(jié)構(gòu)和功能上看同傳輸層上傳統(tǒng)的TCP和UDP相比,SCTP有著技術(shù)交流Technology/ Application技術(shù)/應(yīng)用以下顯著特性(1)面向消息的傳輸:SCTP中,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間建立的連移動(dòng)客戶端服務(wù)器端接被稱為“關(guān)聯(lián)( Association)”。傳統(tǒng)的TCP是流導(dǎo)向的協(xié)應(yīng)用層應(yīng)用層議,即被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都被看作是連續(xù)的字節(jié)流而不是按消(HTTP、FTP①④①息來(lái)劃分。但SCTP卻是完全以消息導(dǎo)向的,數(shù)據(jù)會(huì)按不同的消息分別遞交給上層。(2)多宿( Multi- homing)特性:如圖2所示,SCTP支SCTP持一個(gè)主機(jī)擁有兩個(gè)或兩個(gè)以上的P地址。主機(jī)利用SCTP協(xié)議傳送數(shù)據(jù)包給目的地址時(shí),若此IP地址不可剛絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層達(dá),SCTP可將包重新路由給另一個(gè)可達(dá)的IP地址。并且鏈路層路層物理層物理層傳輸過(guò)程中當(dāng)一個(gè)地址所在的連接出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),可以將數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)移到另一PP地址所在的鏈路上,提供了非常有效的鏈路失敗保護(hù)措施,可容忍網(wǎng)絡(luò)級(jí)差錯(cuò)。圖3SCTP的多流特性因此會(huì)導(dǎo)致頭阻塞現(xiàn)象;而SCTP則可分別獨(dú)立地遞交給鏈路1:衛(wèi)星鏈路應(yīng)用層屬于不同流的片斷并保留流內(nèi)序列號(hào)接收器(6) Heartbeat機(jī)制:SCTP采用專門(mén)的 Heartbeat消息來(lái)監(jiān)控鏈路或關(guān)聯(lián)的有效性,極大地提高了網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)探測(cè)SCTP關(guān)聯(lián)性能多宿主機(jī)(7)動(dòng)態(tài)地址重構(gòu)叫:動(dòng)態(tài)地址重構(gòu)功能是賦予已存在的SCTP關(guān)聯(lián)可以動(dòng)態(tài)地增加、減少和更改通信節(jié)點(diǎn)所交黃抓2,以太網(wǎng)鏈路具有的IP地址并且不會(huì)干擾正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。這特性對(duì)于主機(jī)移動(dòng)的情況具有重要意義。圖2ScTP的多宿特性二SCTP在NGN中的擴(kuò)展應(yīng)用(3)多流( Multi- streaming)特性:流的概念在TCP中sCTP的上述新特性使之在有效傳輸信令之外還可以指一連串字節(jié),在SCTP中則是指發(fā)送到上層的一系列用戶在“移動(dòng) Internet”、“異構(gòu)網(wǎng)垂直切換”和“異構(gòu)小區(qū)信道消息。用戶在建立SCTP關(guān)聯(lián)時(shí),可以指定此關(guān)聯(lián)使用的流借用”等NGN的關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的數(shù)目。如圖3,SCTP關(guān)聯(lián)中發(fā)送的每個(gè)消息都會(huì)被分配21基于SCTP的移動(dòng) Internet訪問(wèn)·個(gè)流序號(hào)。在接收端,SCTP可以保證某特定流中和消息移動(dòng) Internet的業(yè)務(wù)主要有網(wǎng)頁(yè)瀏覽、收發(fā)電子郵件按順序向上層遞交。多流最大的特點(diǎn)是,當(dāng)一個(gè)流在傳輸過(guò)和傳輸文件。常用的是HTTP和FTP等應(yīng)用層協(xié)議,目前程中被阻塞時(shí),其他流則不受影響地繼續(xù)發(fā)送。在傳輸層主要采用TCP協(xié)議來(lái)保證可靠傳輸。SCTP也是(4)強(qiáng)制SACK:sCTP繼承使用了TCP中的那些得到面向連接的,同樣可以保證傳輸?shù)目煽啃?。不僅如此充分驗(yàn)證的擁塞控制技術(shù),如慢啟動(dòng)和擁塞避免。同時(shí)也SCTP的多流、多宿和面向消息的特性使其應(yīng)用于移動(dòng)In提出了新的特性,特別是強(qiáng)制SACK快速重傳。SACK可 ternet傳輸層時(shí),可以提供更小的時(shí)延、更快的重傳和更以加速錯(cuò)誤檢測(cè)并提高帶寬的使用。在TCP中,SACK是好的鏈路保障?？蛇x項(xiàng),而在SCTP中是強(qiáng)制的,這樣當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)窗中數(shù)中國(guó)煤化工移動(dòng)mme傳輸進(jìn)行據(jù)頻繁丟失時(shí)可以有更魯棒性的反應(yīng),避免了耗時(shí)的慢開(kāi)了對(duì)CNMHG單宿多流模式下Wh訪始階段可L,任頭中采用三個(gè)流,分別傳(5)流內(nèi)按序遞交:TCP中只支持嚴(yán)格的按序遞交輸三種頁(yè)面組成元素,即:文字文件、圖片文件和動(dòng)畫(huà)文技術(shù)/應(yīng)用 Technology/Application技術(shù)交流件;另一種是SCTP多宿模式下 Telnet業(yè)務(wù)鏈路中斷處理方對(duì)于TCP其優(yōu)勢(shì)是相當(dāng)明顯的。圖5中,當(dāng)傳輸層使用式對(duì)比。結(jié)果如圖4-5所示TCP協(xié)議時(shí),業(yè)務(wù)隨鏈路中斷而中斷;而SCTP將更改關(guān)聯(lián)的首地址以保證業(yè)務(wù)繼續(xù),所以在保障業(yè)務(wù)可靠性上SCTP更為優(yōu)秀。22基于SCTP的垂直切換切換是指移動(dòng)通信的主機(jī)在通信過(guò)程中從一個(gè)小區(qū)基站轉(zhuǎn)移到另一個(gè)小區(qū)基站,或者是從一個(gè)移動(dòng)交換中心轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)移動(dòng)交換中心并維持當(dāng)前通信不中斷的過(guò)程。它是移動(dòng)通信系統(tǒng)特有的,也是最重要的功能。在NGN網(wǎng)絡(luò)中,切換可能發(fā)生在使用不同接入技術(shù)的小區(qū)間,從而稱為“垂直切換”。圖6所示為垂直切換的一種典型情況。上屨遞歹4Web業(yè)務(wù)頁(yè)面元素響應(yīng)時(shí)間對(duì)比IP NetworkWLANUMTSWLANT仿真時(shí)間( second圖6移動(dòng)用戶在WLAN和UMTs小區(qū)間的垂直切換圖5 Telnet業(yè)務(wù)鏈路中斷處理方式對(duì)比顯然,相對(duì)于單一接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)而言,垂直切換的由仿真結(jié)果可見(jiàn):在WEB訪問(wèn)并采用TCP時(shí),由于難度極大,一般需要增加新的網(wǎng)絡(luò)模塊來(lái)專門(mén)處理。而頁(yè)面元素的傳輸是嚴(yán)格按序的,若傳輸較大的圖片在無(wú)線sCTP協(xié)議的“動(dòng)態(tài)地址重構(gòu)”功能可使垂直切換過(guò)程變得環(huán)境下很可能出現(xiàn)丟包,則整個(gè)傳輸就會(huì)停止等待;而非常易于實(shí)現(xiàn)。只要在移動(dòng)用戶進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域sCTP的三個(gè)流分別傳輸不同頁(yè)面元素,當(dāng)其中某個(gè)流被時(shí),就可以利用“動(dòng)態(tài)地址重構(gòu)”功能向新網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)一個(gè)阻塞時(shí),其它流還可以正常工作。對(duì)于Web來(lái)說(shuō),只要新中國(guó)煤化工地址列表中,然后利用文字部分(包含頁(yè)面主要信息)收到,就可以預(yù)先顯示給CNMH〔的傳輸,并逐步把舊鏈訪問(wèn)者。且文本文件體積小,傳輸時(shí)延遠(yuǎn)小于其它元素路上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到新的鏈路上來(lái)傳輸,完全轉(zhuǎn)移后同樣利因而SCTP憑借其多流特性可以更快地顯示網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容,相用“動(dòng)態(tài)地址重構(gòu)”功能將舊的鏈路去除,這樣就完成了技術(shù)交流Technology/Application技術(shù)/庭用」不同接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)間的垂直切換。顯然基于SCTP的垂直切換是非常易于實(shí)現(xiàn)的且無(wú)須增加新的網(wǎng)絡(luò)模塊MHMicro-cellMacroc更重要的是整個(gè)切換過(guò)程不會(huì)有數(shù)據(jù)丟失,做到了真正(MH is served by the macro-cell)的“無(wú)縫”切換23基于SCTP的帶寬借用ABCONF(Add a new IP, mIcro-cell IP)NGN系統(tǒng)中業(yè)務(wù)類型、用戶數(shù)量、和數(shù)據(jù)傳輸速率ASCONF (ACK的增長(zhǎng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了前幾代系統(tǒng),然而與之對(duì)應(yīng)的是無(wú)線頻譜資源的有限數(shù)量。因此,如何高效地利用頻譜資MH is served by both macro and micro cell源就成為NGN系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的問(wèn)題。當(dāng)頻譜資源用帶寬來(lái)表示時(shí),就是如何有效進(jìn)行帶寬分配的問(wèn)ASCONF(Set Primary IP a micro cell IP題。而在不同的小區(qū)間利用帶寬借用來(lái)增加小區(qū)無(wú)線資ASCONF(ACK源的利用率,是一種有效的方法,可以提升系統(tǒng)的整體性能。然而在前幾代網(wǎng)絡(luò)中,帶寬借用只能發(fā)生在相同接入技術(shù)且相鄰的小區(qū)間,借用是為避免同道干擾還要(MH is served by the micro-colD進(jìn)行頻率鎖定,借用效率受到了極大的影響。而NGNdata backup)中的小區(qū)將采用不同的接入技術(shù),從而給帶寬借用提(Soft Hando)了更高的要求。本文提出一種利用SCTP的多宿和動(dòng)態(tài)D地址同構(gòu)特性來(lái)進(jìn)行異構(gòu)小區(qū)間的帶寬借用的方法。借用方案的場(chǎng)景仍參考圖6,定義UMTS小區(qū)為宏小區(qū)( Macro-cell),WLAN小區(qū)為微小區(qū)( Micro-cel)l圖7基于SCTP的帶寬借用信令流程圖并以宏小區(qū)向微小區(qū)進(jìn)行借用為例來(lái)說(shuō)明垂直借用方案。當(dāng)宏小區(qū)中有新呼叫或者切換需求發(fā)起卻無(wú)足夠帶是說(shuō)在切換鏈路時(shí)不會(huì)造成任何數(shù)據(jù)的丟失寬資源,那么宏小區(qū)可以向其覆蓋范圍內(nèi)的微小區(qū)請(qǐng)求垂直借用。具體來(lái)說(shuō)就是系統(tǒng)將對(duì)宏小區(qū)中的“進(jìn)行總結(jié)中”呼叫(同時(shí)被微小區(qū)覆蓋)進(jìn)行評(píng)估,尋找合適的呼作為傳輸層上的新協(xié)議,流控制傳輸協(xié)議在信令傳叫將其轉(zhuǎn)移到此呼叫所在的微小區(qū)中,從而為宏小區(qū)空輸、移動(dòng) Internet訪問(wèn)、垂直切換和無(wú)線資源分配方面出帶寬。這一轉(zhuǎn)移過(guò)程在傳輸層上依靠SCTP的“多宿”都有出色的表現(xiàn),相信隨著對(duì)協(xié)議的不斷研究和擴(kuò)展,和“動(dòng)態(tài)地址重構(gòu)”特性實(shí)現(xiàn)。其中,SCTP的“動(dòng)態(tài)地SCTP在通信網(wǎng)絡(luò)向NGN的演進(jìn)過(guò)程中將發(fā)揮越來(lái)越重址重構(gòu)”幫助MH在微小區(qū)中獲取一個(gè)新IP,而“多宿要的作用。國(guó)保證通信兩端的數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)不同的鏈路同時(shí)進(jìn)行,從而由MH和BS間單鏈路傳輸轉(zhuǎn)變成在MH、BS參考文獻(xiàn)和AP間的復(fù)鏈路傳輸。在新的鏈路成功建立并將業(yè)務(wù) Nguyen TH, Sadik m.n.c," Next generation network",tEEE由原宏小區(qū)完全轉(zhuǎn)移到微小區(qū)后,刪除宏小區(qū)的鏈路以Potentials[JI, Apr-May 2002空出帶寬。此呼叫轉(zhuǎn)移過(guò)程的信令流程圖如圖7所示。(2] Stream control transport protocol IS,ETF,RFC2960. October通過(guò)垂直借用宏小區(qū)獲得了空閑帶寬并可以重新分配給新呼和切換。這種重疊網(wǎng)絡(luò)中的垂直借用過(guò)程不同于同13 STEWART R. RAMALHO M A“ Stream control transmission構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的借用,例如,由于SCTP是傳輸層上的協(xié)議protocol (SCTP) dynamic address reconfiguration, draft它對(duì)下層是透明的,所以借用過(guò)程不受接入技術(shù)的限中國(guó)煤化工mber2003制;又因它是在不同接入技術(shù)的小區(qū)間進(jìn)行借用,因此4CNMHGSCTP for soft handover in無(wú)須進(jìn)行鎖頻處理和動(dòng)態(tài)功率控制。不僅如此,SCTPlEEE Communications Letters. 2004的多宿特性可以保證垂直借用過(guò)程是天生平滑的,也就