梁鑫晟，方旭明，青 亮

（西南交通大學 信息編碼與傳輸省重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種接入技術(shù)日益成熟，一個終端設(shè)備擁有多個網(wǎng)絡(luò)接口的現(xiàn)象已非常普遍。為提高端到端的吞吐量，一個多模終端能夠通過不同的接入方式同時接入到互聯(lián)網(wǎng)。因而，多路徑傳輸技術(shù)的研究變得十分重要。流控制傳輸協(xié)議SCTP是繼TCP和UDP之后由IETF定義的第三個通用傳輸協(xié)議。相較于TCP和UDP協(xié)議，SCTP具有多宿主、多流及動態(tài)多路徑等新特性。此外，SCTP的兼容性也有相關(guān)研究[1]，其應用也越來越廣泛[2]。在未來異構(gòu)泛在的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，基于SCTP的研究變得更加具有現(xiàn)實意義，其中的一個研究熱點在于主備路徑的選擇與切換機制。

RFC2960標準使用臨時路徑失敗轉(zhuǎn)換機制[3]，UDP.E.L.提出一種永久路徑失敗轉(zhuǎn)換機制[4]。在這兩種機制的基礎(chǔ)上，文獻[5]提出一種SCTP的魯棒失敗轉(zhuǎn)換機制，進一步提高了SCTP的容錯性能。文獻[6]提出一種首選路徑自動切換方案。文獻[7]提出了一種跨層SCTP故障恢復機制，減少了故障恢復時間。本文提出一種更有效的主-備路徑轉(zhuǎn)換機制。仿真結(jié)果表明，所提出的機制在可靠性方面有顯著的提升，可較好地對抗無線環(huán)境的不穩(wěn)定性，更加有效地利用無線頻譜資源。

1 現(xiàn)有路徑失敗切換機制

臨時路徑切換機制中，“首選路徑”在整個關(guān)聯(lián)存活期間是不變的。具有n個目的地址的臨時路徑切換機制如圖1所示。

圖1 臨時路徑切換有限狀態(tài)機

圖中Di為主目的地址，Dj為備份地址中的一個，PMR為路徑“差錯門限”。當“首選路徑”不可達時，SCTP則尋找下一個狀態(tài)為Active的Dj，并將新數(shù)據(jù)向該地址發(fā)送。而一旦“首選路徑”回復HeartBeat ACK，則立即恢復“首選路徑”上的數(shù)據(jù)傳輸。

永久路徑切換機制主要的改進是將“首選路徑”變?yōu)橐粋€可以改動的參數(shù)，引入首選路徑切換閾值CPT，在CPT溢出時改變“首路路徑”的值，其示意圖如圖2所示。

圖2 永久路徑切換機制有限狀態(tài)機

以上兩種機制都實現(xiàn)了端到端的連接冗余，但它們都存在以下共同問題。

1）長時間中斷。當首選路徑中斷或不可達時，發(fā)送的數(shù)據(jù)將等待超時重傳，但新數(shù)據(jù)無法正常發(fā)送，根據(jù)PMR的建議值[8]，需要6次超時后，才會將新數(shù)據(jù)發(fā)往備用路徑，這將會導致大約60s的中斷。

2）首選路徑虛假恢復。在SCTP的一個關(guān)聯(lián)中，當首選路徑發(fā)生中斷而使用備用路徑傳輸時，一旦首選路徑回復一次HeartBeat ACK，則立即將“當前路徑”從備用路徑切換回到首選路徑，而不對首選路徑恢復的可靠性進行驗證。在無線環(huán)境下，如果首選路徑的狀態(tài)不穩(wěn)定，這種不可靠恢復很容易使傳輸路徑再次由首選路徑切換到備用路徑，導致路徑的頻繁切換。

3）網(wǎng)絡(luò)資源浪費。在無線網(wǎng)絡(luò)中，底層信道質(zhì)量的變化會影響上層鏈路的帶寬，用戶定義的首選路徑可能在一段時間后帶寬變得低于其它備用路徑。按現(xiàn)有的兩種切換機制，極可能出現(xiàn)關(guān)聯(lián)長期使用低效率路徑進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，從而造成優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。

2 基于SCTP的新型路徑切換機制

為解決現(xiàn)有機制的缺陷，提升資源利用率，提出一種新型的路徑失敗轉(zhuǎn)換機制。利用多個HeartBeat數(shù)據(jù)塊評估路徑性能，并采用“快切換，慢恢復”的路徑切換策略。

2.1 快速路徑切換與虛假恢復避免

SCTP標準中，目的地址包含UNCONFIRMED、ACTIVE和INACTIVE三種狀態(tài)。UNCONFIRMED是初始狀態(tài)，ACTIVE表示目的地址可送達，INACTIVE表示目的地址不可送達。

在ACTIVE狀態(tài)和INACTIVE狀態(tài)之間增加一種UNSTABLE狀態(tài)。一旦出現(xiàn)一次數(shù)據(jù)超時，就進入UNSTABLE狀態(tài)，立即將重傳數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)發(fā)往目的地址列表中的下一個標記為ACTIVE的目的地址。與此同時，向原目的地址發(fā)送HeartBeat探測包。當出現(xiàn)連續(xù)PMR＋1次超時后，再進入INACTIVE狀態(tài)。這樣，只要出現(xiàn)一次數(shù)據(jù)超時，立即就進行路徑轉(zhuǎn)換，即為“快切換”。理論上，快切換最小切換時間為1s。

針對“虛假路徑恢復”問題，修改SCTP在收到HeartBeat ACK后的行為。修改后的SCTP在收到HeartBeat ACK后，并不將“錯誤計數(shù)”清零，而是將其減1。直到“錯誤計數(shù)”為0后再更改狀態(tài)為ACTIVE，此為“慢恢復”。

使用以上“快切換，慢恢復”算法，可以在當前路徑突發(fā)超時后，立即將所有數(shù)據(jù)通過備份路徑發(fā)送，不會給用戶造成“中斷”的感覺；另一方面，若只出現(xiàn)1次重傳超時，說明只是突發(fā)中斷，鏈路還有可能恢復，只需要1次HeartBeat ACK就可以恢復ACTIVE狀態(tài)。反之，若出現(xiàn)多次超時，則說明鏈路可能長時間中斷。需要與超時次數(shù)相應的HeartBeat ACK才能肯定其已經(jīng)恢復連接（最高不超過PMR＋1），從而也避免了“魯莽”地恢復路徑上新數(shù)據(jù)的傳輸。其有限狀態(tài)機模型如圖3所示。

圖3 加入Unstable狀態(tài)的路徑失敗切換機制

2.2 備份路徑上的帶寬估計算法

在SCTP的無線應用場景中，由于頻譜資源的稀缺性，應盡量提高帶寬利用率。TCP在無線場景中應用時，有TCP-westwood[9]等帶寬估計方法。但這些方法都要求被估計的鏈路上不間斷地有數(shù)據(jù)在傳輸。對于SCTP來說，空閑的鏈路上除了HeartBeat以外，沒有數(shù)據(jù)在傳輸。而使用 Packet-Pair[10]帶寬估計需要兩個較大的數(shù)據(jù)包。對此，提出一種在備份鏈路上采用一次捆綁發(fā)送多個HeartBeat的方法來估計帶寬。

為了防止SCTP自動將多個HeartBeat打包到一個數(shù)據(jù)塊中，將n(n>4)個HeartBeat數(shù)據(jù)塊分別在末尾進行補0填充，使每一個HeartBeat chunk都相當于一個MTU大小。之后將這n個HeartBeat包依次不間斷地發(fā)送出去。

接收端收到第一個 HB后，開始計時，直到收到第n個HB。假設(shè)時間間隔為t，則:

根據(jù)當前路徑的平滑參數(shù)值α對采樣值進行平滑處理，并以處理后的帶寬值更新備份路徑的bw_average參數(shù)值。

接收端以同樣方法處理HeartBeat ACK，并將其發(fā)送出去。發(fā)送端收到HeartBeat ACK后也以相同方法進行計算，估計出帶寬。

2.3 主備、路徑選擇與切換

通過引入“UNSTABLE”狀態(tài)，以及備份路徑上的帶寬估計算法，可以設(shè)計出一個更加靈活的首選路徑更新機制來避免網(wǎng)絡(luò)資源浪費。

定義首路徑為A，數(shù)據(jù)正通過A路徑在傳輸，則可以利用經(jīng)典帶寬估計方法得到A路徑的帶寬BA。定義備份路徑為B，且路徑B處于ACTIVE狀態(tài)，通過所提出的改進帶寬估計方法得到路徑B的帶寬為BB。設(shè)定系數(shù)β（β>1），典型值為2。當BB≥β×BA時，可強制將路徑B設(shè)置為首選路徑，所有新數(shù)據(jù)立即按“慢開始”從B路徑發(fā)送。

3 仿真實驗及結(jié)果分析

使用NS 2.35進行仿真實驗，仿真拓撲及參數(shù)設(shè)置如圖4所示，仿真設(shè)置在第20s首選路徑中斷，在第100s恢復。分別使用臨時路徑切換機制、永久路徑失敗切換機制和改進機制進行模擬。

圖4 仿真網(wǎng)絡(luò)拓撲

仿真結(jié)果如圖5所示。仿真開始后，在20～50s期間，臨時機制和永久機制的吞吐率一直為0，直到第53s左右才切換到了備份路徑上（仿真中將PMR設(shè)置為4）。而采用提出的切換機制，可在首選路徑中斷后1s左右立即切換到備份路徑上。100s左右原首選路徑恢復連接，臨時路徑切換機制在第一次收到HeartBeat ACK的第110s左右就切回了原首選路徑。而永久路徑切換機制中，原首選路徑已成為備份路徑，不再切換。提出的切換機制在首選路徑恢復后，使用了40s時間驗證其穩(wěn)定性，然后對兩條路徑帶寬進行評估，最后重新切換到速率更高的路徑上進行傳輸，有效地避免了首選路徑虛假恢復。

圖5 仿真結(jié)果

4 結(jié)語

針對無線網(wǎng)絡(luò)的特點，分析了現(xiàn)有的兩種機制存在的弊端，提出一種新的路徑狀態(tài)，結(jié)合“快切換、慢恢復”算法和帶寬估計算法，提出一種無線環(huán)境下的SCTP快速路徑切換機制。仿真結(jié)果驗證了該機制可有效避免“虛假路徑恢復”，提高路徑切換的效率和可靠性。

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