SCTP在NGN中的應用

技術(shù)/應用 Technology/ Application技術(shù)交流SCTP在NGN中的應用上海交通大學(xué)電子工程系郭強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)中的應用。重點(diǎn)分析了SCTP在移動(dòng)nternet訪(fǎng)問(wèn)、無(wú)線(xiàn)異構網(wǎng)絡(luò )的切換以及無(wú)線(xiàn)資源分配中相對于傳統協(xié)議及方案的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞 SCTP NGN移動(dòng) Internet垂直切換帶寬借用圖1NGN結構它將是一個(gè)功能齊備、同時(shí)也異常復雜的系統。雖然引言系統的第三層(網(wǎng)絡(luò )層)統一到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(hù)數量增實(shí)現NGN的功能,在傳輸層及其以上層就必須使用更長(cháng)迅猛,對業(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(huà)層和應用層上的新協(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 ),也顯現出對多媒體業(yè)務(wù)、以及無(wú)線(xiàn)傳輸帶寬 Transfer protocol)a。SCTP的設計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。因為UDPNext Generation Network)發(fā)展。NGN的結構如圖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(zhù)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 )出現頭阻塞等問(wèn)題。SCTP則吸收具體來(lái)說(shuō),在NCN中,現有的互聯(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(xiàn)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(zhù)廣闊的應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)自適應層,它負責連接CNMHG驗證。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(huà)音、數據和多媒體在SCTP協(xié)議特性?xún)鹊娜娑C合的業(yè)務(wù)。從NGN的結構和功能上看同傳輸層上傳統的TCP和UDP相比,SCTP有著(zhù)技術(shù)交流Technology/ Application技術(shù)/應用以下顯著(zhù)特性(1)面向消息的傳輸:SCTP中,兩個(gè)節點(diǎn)間建立的連移動(dòng)客戶(hù)端服務(wù)器端接被稱(chēng)為“關(guān)聯(lián)( Association)”。傳統的TCP是流導向的協(xié)應用層應用層議,即被傳輸的數據都被看作是連續的字節流而不是按消(HTTP、FTP①④①息來(lái)劃分。但SCTP卻是完全以消息導向的,數據會(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)主機擁有兩個(gè)或兩個(gè)以上的P地址。主機利用SCTP協(xié)議傳送數據包給目的地址時(shí),若此IP地址不可剛絡(luò )層網(wǎng)絡(luò )層達,SCTP可將包重新路由給另一個(gè)可達的IP地址。并且鏈路層路層物理層物理層傳輸過(guò)程中當一個(gè)地址所在的連接出現錯誤時(shí),可以將數據傳輸轉移到另一PP地址所在的鏈路上,提供了非常有效的鏈路失敗保護措施,可容忍網(wǎng)絡(luò )級差錯。圖3SCTP的多流特性因此會(huì )導致頭阻塞現象;而SCTP則可分別獨立地遞交給鏈路1:衛星鏈路應用層屬于不同流的片斷并保留流內序列號接收器(6) Heartbeat機制:SCTP采用專(zhuān)門(mén)的 Heartbeat消息來(lái)監控鏈路或關(guān)聯(lián)的有效性,極大地提高了網(wǎng)絡(luò )差錯探測SCTP關(guān)聯(lián)性能多宿主機(7)動(dòng)態(tài)地址重構叫:動(dòng)態(tài)地址重構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)行的數據傳輸。這特性對于主機移動(dòng)的情況具有重要意義。圖2ScTP的多宿特性二SCTP在NGN中的擴展應用(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,在SCTP中則是指發(fā)送到上層的一系列用戶(hù)在“移動(dòng) Internet”、“異構網(wǎng)垂直切換”和“異構小區信道消息。用戶(hù)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(fǎng)問(wèn)·個(gè)流序號。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,當一個(gè)流在傳輸過(guò)和傳輸文件。常用的是HTTP和FTP等應用層協(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,同樣可以保證傳輸的可靠性。不僅如此充分驗證的擁塞控制技術(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用于移動(dòng)In提出了新的特性,特別是強制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誤檢測并提高帶寬的使用。在TCP中,SACK是好的鏈路保障?？蛇x項,而在SCTP中是強制的,這樣當某個(gè)數據窗中數中國煤化工移動(dòng)mme傳輸進(jìn)行據頻繁丟失時(shí)可以有更魯棒性的反應,避免了耗時(shí)的慢開(kāi)了對CNMHG單宿多流模式下Wh訪(fǎng)始階段可L,任頭中采用三個(gè)流,分別傳(5)流內按序遞交:TCP中只支持嚴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)鏈路中斷處理方對于TCP其優(yōu)勢是相當明顯的。圖5中,當傳輸層使用式對比。結果如圖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,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)通信的主機在通信過(guò)程中從一個(gè)小區基站轉移到另一個(gè)小區基站,或者是從一個(gè)移動(dòng)交換中心轉移到另外一個(gè)移動(dòng)交換中心并維持當前通信不中斷的過(guò)程。它是移動(dòng)通信系統特有的,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)的小區間,從而稱(chēng)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)面元素響應時(shí)間對比IP NetworkWLANUMTSWLANT仿真時(shí)間( second圖6移動(dòng)用戶(hù)在WLAN和UMTs小區間的垂直切換圖5 Telnet業(yè)務(wù)鏈路中斷處理方式對比顯然,相對于單一接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )而言,垂直切換的由仿真結果可見(jiàn):在WEB訪(fǎng)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(zhuān)門(mén)處理。而頁(yè)面元素的傳輸是嚴格按序的,若傳輸較大的圖片在無(wú)線(xiàn)sCTP協(xié)議的“動(dòng)態(tài)地址重構”功能可使垂直切換過(guò)程變得環(huán)境下很可能出現丟包,則整個(gè)傳輸就會(huì )停止等待;而非常易于實(shí)現。只要在移動(dòng)用戶(hù)進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域sCTP的三個(gè)流分別傳輸不同頁(yè)面元素,當其中某個(gè)流被時(shí),就可以利用“動(dòng)態(tài)地址重構”功能向新網(wǎng)絡(luò )申請一個(gè)阻塞時(shí),其它流還可以正常工作。對于Web來(lái)說(shuō),只要新中國煤化工地址列表中,然后利用文字部分(包含頁(yè)面主要信息)收到,就可以預先顯示給CNMH〔的傳輸,并逐步把舊鏈訪(fǎng)問(wèn)者。且文本文件體積小,傳輸時(shí)延遠小于其它元素路上的數據轉移到新的鏈路上來(lái)傳輸,完全轉移后同樣利因而SCTP憑借其多流特性可以更快地顯示網(wǎng)頁(yè)內容,相用“動(dòng)態(tài)地址重構”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 )有數據丟失,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系統中業(yè)務(wù)類(lèi)型、用戶(hù)數量、和數據傳輸速率ASCONF (ACK的增長(cháng)都遠遠超過(guò)了前幾代系統,然而與之對應的是無(wú)線(xiàn)頻譜資源的有限數量。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系統中一個(gè)非常重要的問(wèn)題。當頻譜資源用帶寬來(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。而在不同的小區間利用帶寬借用來(lái)增加小區無(wú)線(xiàn)資ASCONF(ACK源的利用率,是一種有效的方法,可以提升系統的整體性能。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地址同構特性來(lái)進(jìn)行異構小區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小區為宏小區( Macro-cell),WLAN小區為微小區( Micro-cel)l圖7基于SCTP的帶寬借用信令流程圖并以宏小區向微小區進(jìn)行借用為例來(lái)說(shuō)明垂直借用方案。當宏小區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 )造成任何數據的丟失寬資源,那么宏小區可以向其覆蓋范圍內的微小區請求垂直借用。具體來(lái)說(shuō)就是系統將對宏小區中的“進(jìn)行總結中”呼叫(同時(shí)被微小區覆蓋)進(jìn)行評估,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移到此呼叫所在的微小區中,從而為宏小區空輸、移動(dòng) Internet訪(fǎng)問(wèn)、垂直切換和無(wú)線(xiàn)資源分配方面出帶寬。這一轉移過(guò)程在傳輸層上依靠SCTP的“多宿”都有出色的表現,相信隨著(zhù)對協(xié)議的不斷研究和擴展,和“動(dòng)態(tài)地址重構”特性實(shí)現。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”幫助MH在微小區中獲取一個(gè)新IP,而“多宿要的作用。國保證通信兩端的數據傳輸可以通過(guò)不同的鏈路同時(shí)進(jìn)行,從而由MH和BS間單鏈路傳輸轉變成在MH、BS參考文獻和AP間的復鏈路傳輸。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由原宏小區完全轉移到微小區后,刪除宏小區的鏈路以Potentials[JI, Apr-May 2002空出帶寬。此呼叫轉移過(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它對下層是透明的,所以借用過(guò)程不受接入技術(shù)的限中國煤化工mber2003制;又因它是在不同接入技術(shù)的小區間進(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