基于SCTP的多路同时传输负载均衡和重传策略研究

分类号密级UDC学位论文基于SCTP的多路同时传输负载均衡和重传策略研究作者姓名：邹洪星指导教师：刘杰民副教授东北大学信息科学与工程学院申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：计算机应用技术论文提交日期：2008年6月论文答辩日期：2008年7月学位授予日期：答辩委员会主席：评阅人：东北大学2008 年6月A Thesis in Computer Application TechnologyResearch on SCTP-based ConcurrentMultipath Transfer Load Balancing andRetransmission Policiesby Zou Hong XingSupervisor: Associate Professor Liu JieminNortheastern UniversityJune 2008独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。

论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。

学位论文作者签名：签字日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

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作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后:半年□一年□一年半□两年□学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：基于SCTP的多路同时传输负载均衡和重传策略研究摘要随着Internet的发展，传输层单穴的端到端通信协议如TCP、UDP在传输性能、容错性和安全性等方面皆受到了极大的挑战。

传输层多穴的端到端通信协议如基于SCTP 的多路同时传输CMT（Concurrent Multipath Transfer）的出现大大提高了端到端吞吐量和网络资源利用率。

随着CMT的广泛应用，如何构建高性能、高可伸缩和高可用的基于SCTP的CMT负载均衡机制，以满足不断出现的大型SCTP应用的需求正成为当前的研究热点。

此外，由于数据重传的不可回避性及接收端缓存存在上限的事实，多路同时传输重传策略的优劣将直接影响到接收端缓存拥塞的程度，因此多路同时传输重传策略对于保障多路传输的性能具有重要的作用，对其研究也已成为该领域的重点课题。

目前，对多路同时传输负载均衡和重传策略的研究存在如下问题：（1）标准SCTP 基于关联的拥塞控制机制在支持多路同时传输负载均衡应用方面存在很大的局限性。

此外，多路同时传输负载均衡必然面临数据包乱序和TCP友好性的问题；（2）现存的多路同时传输重传策略缺乏对网络参数的综合考虑，未能很好的处理“接收缓存拥塞”问题，该问题制约着多路同时传输端到端吞吐量的提高。

本文对上述两个问题进行了深入的剖析，并提出了相应的解决方案：（1）针对多路同时传输负载均衡的问题，对SCTP协议进行了三个方面的扩展，即子路径拥塞控制机制、具有带宽意识的数据调度算法和共享瓶颈检测与恢复机制，提出了SCTP扩展协议子路径拥塞控制SCTP（SPCC-SCTP），并通过仿真实验验证了所提出负载均衡机制的合理性和有效性，该机制提高了多路径传输的负载均衡能力；（2）针对现存的多路同时传输重传策略所存在的问题，通过对多路同时传输CMT重传机制进行修改，提出了基于综合参数的多路同时传输重传策略RTX-CSL（Retransmission-Congestion window and Slow start threshold and Lossrate），并对该策略合理性和有效性进行了仿真实验验证，结果证明该策略一定程度地避免了接收端缓存拥塞问题。

最后，对课题工作进行了总结，并对未来研究工作给予了展望。

关键词：多路同时传输（CMT）；负载均衡；接收端缓存拥塞；SPCC-SCTP；RTX-CSLResearch on SCTP-based Concurrent Multipath Transfer LoadBalancing and Retransmission PoliciesAbstractWith the improvement of Internet, end-to-end communication protocol based on transport layer singlehoming such as TCP and UDP are challenged in aspect of transmission performance, fault tolerance and security. The emergence of end-to-end communication protocol with transport layer multihoming such as SCTP-based CMT (Concurrent Multipath Transfer) greatly improved the end-to-end throughput and network resources utilization. With the extensive application of CMT, how to build a high-performance, scalable and highly available SCTP-based CMT load balancing mechanism so as to meet the emerging needs of large-scale application of SCTP is a current hotspot. In addition, because the data retransmission can not be avoided and the fact that the existence of the finite receive buffer, the pros and cons of CMT retransmission policies will directly affect the level of receive buffer blocking, so CMT retransmission policies plays an important role in guarantee the performance of the multipath transmission and the study on this issue has also become the focus of the field.At present, the problems of CMT load balancing and retransmission policies are as follows: (1)the standard SCTP congestion control mechanisms based on association are significantly limited in support of CMT load balancing application. In addition, the CMT load balancing has to face the issue of packet reordering and TCP-friendliness; (2) the existing CMT retransmission policies can not handle very well with the problem of "receive buffer blocking" for the lack of comprehensive consideration with network performance parameters. This problem has constrainted the improvement of the CMT end-to-end throughput.This paper analysis these two issues in-depth and points out the corresponding solutions: (1) did three aspects expansion for the SCTP with the CMT load balancing issues, namely the congestion control mechanisms based on path, the bandwidth-aware scheduling algorithm and the sharing bottleneck detection and recovery mechanisms, raised the Sub Path Congestion Control SCTP (SPCC-SCTP) to extend the standard SCTP and verified the rationality and effectiveness of the proposed load balancing mechanism by simulation. This mechanism enhanced the capacity of the CMT load balancing; (2) did potential changes to the CMT retransmission mechanism against the problem of the existing CMT retransmission policies and proposed RTX-CSL retransmission policies (Retransmission-Congestion window and Slow start threshold and Lossrate) based on an integrated parameters.Verified the rationalityand effectiveness of the proposed policies and the simulation test results show that the strategy avoid the receive buffer blocking problem to some extent.Finally, the paper gived the summary of the subject and outlook the research work of future.Key words：Concurrent Multipath Transfer；Load Balancing；Buffer Blocking；SPCC-SCTP；RTX-CSL目录独创性声明 (I)摘要 (III)A BSTRACT ............................................................................................................................... I V 第1章绪论 .. (1)1.1课题研究背景 (1)1.2课题研究现状 (2)1.2.1国内外研究现状 (2)1.2.2SCTP研究动态 (3)1.2.3SCTP应用 (3)1.3本文研究内容和方法 (4)1.4本文的组织结构 (5)第2章基于SCTP的端到端多路同时传输 (7)2.1SCTP及其多穴特性 (7)2.1.1SCTP关联的概念 (7)2.1.2SCTP分组格式 (8)2.1.3多穴特性 (11)2.1.4SCTP与TCP及UDP的区别 (12)2.2SCTP拥塞控制机制 (13)2.3多路同时传输及其关键技术 (15)2.3.1多路同时传输 (15)2.3.2关键技术 (16)2.4小结 (18)第3章基于SCTP的端到端多路同时传输负载均衡 (21)3.1引言 (21)3.2相关工作 (21)3.3问题的提出 (22)3.3.1标准SCTP拥塞控制的限制 (22)3.3.2基于SCTP的负载均衡机制面临的问题 (23)3.4SPCC-SCTP方案的设计 (24)3.4.1方案的提出 (24)3.4.2方案的实现 (25)3.5仿真实验及结果分析 (30)3.5.1仿真拓扑和模拟场景 (30)3.5.2结果分析和性能评价 (31)3.6本章小结 (38)第4章基于SCTP的端到端多路同时传输重传策略 (39)4.1引言 (39)4.2相关工作 (39)4.3问题的提出 (40)4.4基于综合参数的CMT重传策略RTX-CSL (42)4.4.1方案的提出 (42)4.4.2方案的实现 (42)4.5仿真实验及结果分析 (45)4.5.1仿真拓扑结构 (45)4.5.2结果分析 (46)4.6本章小结 (49)第5章总结与展望 (51)5.1本文工作总结 (51)5.2未来研究方向 (52)参考文献 (53)致谢 (59)研究生期间发表的文章及科研情况 (61)第1章绪论1.1课题研究背景随着因特网向多业务网的发展，尤其是近年来IP 电话（VoIP）、交互式网络电视（IPTV）的发展，在因特网中传输语音、视频等多媒体信息成为必然。