SCTP在NGN中的应用

技术/应用 Technology/ Application技术交流SCTP在NGN中的应用上海交通大学电子工程系郭强朱杰摘要本文研究了流控制传输协议(SCTP)作为一种新兴的传输层协议,在下一代网络(NGN)中的应用。重点分析了SCTP在移动nternet访问、无线异构网络的切换以及无线资源分配中相对于传统协议及方案的优势。关键词 SCTP NGN移动 Internet垂直切换带宽借用图1NGN结构它将是一个功能齐备、同时也异常复杂的系统。虽然引言系统的第三层(网络层)统一到IP协议,但是要真正近年来,互联网取得了跨越式发展、用户数量增实现NGN的功能,在传输层及其以上层就必须使用更长迅猛,对业务、带宽的需求越来越高。有效的协议。为此IETF等组织提出了大量的传输层而移动通信网络在经历了2代的GSM到25代的会话层和应用层上的新协议,其中在传输层上最有代GPRS再到以CDMA技术为代表的3G和研究中的超表性的是流控制传输协议(SCTP: Stream Control3G网络,也显现出对多媒体业务、以及无线传输带宽 Transfer protocol)a。SCTP的设计初衷是在传输层上取的巨大需求。这一切都推动了下一代网络(NGN:代UDP和TCP来更有效地传输信令信息。因为UDPNext Generation Network)发展。NGN的结构如图1是一种“不可靠”传输协议,不适用于信令传输;TCP所示,其显著特点是具有网络的融合化、承载的IP虽然是“可靠”传输协议并具有差错等功能,但传输信化、接人技术的多样化和业务的综合化。令的性能也很低,会出现头阻塞等问题。SCTP则吸收具体来说,在NCN中,现有的互联网、电信网和TCP和UDP两种协议的优点,解决了信令传输上存在有线电视网将逐渐合而为一、走向融合。三网融合的的问题并提高了传输性能。然而,除了适于信令传输前提是每个网络都要以P技术作为承载,并且在将来外,SCTP的诸多新特性使之在NGN中有着广阔的应NGN中使用一个全P的骨干网作为融合后的网络核中国煤化工进行了重点研究,给出心。在骨干网的外层会有一个自适应层,它负责连接CNMHG验证。外层接入网络到核心网。最外层是各种使用不同接人技术的网络,它们提供了包括话音、数据和多媒体在SCTP协议特性内的全面而综合的业务。从NGN的结构和功能上看同传输层上传统的TCP和UDP相比,SCTP有着技术交流Technology/ Application技术/应用以下显著特性(1)面向消息的传输:SCTP中,两个节点间建立的连移动客户端服务器端接被称为“关联( Association)”。传统的TCP是流导向的协应用层应用层议,即被传输的数据都被看作是连续的字节流而不是按消(HTTP、FTP①④①息来划分。但SCTP却是完全以消息导向的,数据会按不同的消息分别递交给上层。(2)多宿( Multi- homing)特性:如图2所示,SCTP支SCTP持一个主机拥有两个或两个以上的P地址。主机利用SCTP协议传送数据包给目的地址时,若此IP地址不可刚络层网络层达,SCTP可将包重新路由给另一个可达的IP地址。并且链路层路层物理层物理层传输过程中当一个地址所在的连接出现错误时,可以将数据传输转移到另一PP地址所在的链路上,提供了非常有效的链路失败保护措施,可容忍网络级差错。图3SCTP的多流特性因此会导致头阻塞现象;而SCTP则可分别独立地递交给链路1:卫星链路应用层属于不同流的片断并保留流内序列号接收器(6) Heartbeat机制:SCTP采用专门的 Heartbeat消息来监控链路或关联的有效性,极大地提高了网络差错探测SCTP关联性能多宿主机(7)动态地址重构叫:动态地址重构功能是赋予已存在的SCTP关联可以动态地增加、减少和更改通信节点所交黄抓2,以太网链路具有的IP地址并且不会干扰正在进行的数据传输。这特性对于主机移动的情况具有重要意义。图2ScTP的多宿特性二SCTP在NGN中的扩展应用(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传输信令之外还可以指一连串字节,在SCTP中则是指发送到上层的一系列用户在“移动 Internet”、“异构网垂直切换”和“异构小区信道消息。用户在建立SCTP关联时,可以指定此关联使用的流借用”等NGN的关键领域发挥重要作用的数目。如图3,SCTP关联中发送的每个消息都会被分配21基于SCTP的移动 Internet访问·个流序号。在接收端,SCTP可以保证某特定流中和消息移动 Internet的业务主要有网页浏览、收发电子邮件按顺序向上层递交。多流最大的特点是,当一个流在传输过和传输文件。常用的是HTTP和FTP等应用层协议,目前程中被阻塞时,其他流则不受影响地继续发送。在传输层主要采用TCP协议来保证可靠传输。SCTP也是(4)强制SACK:sCTP继承使用了TCP中的那些得到面向连接的,同样可以保证传输的可靠性。不仅如此充分验证的拥塞控制技术,如慢启动和拥塞避免。同时也SCTP的多流、多宿和面向消息的特性使其应用于移动In提出了新的特性,特别是强制SACK快速重传。SACK可 ternet传输层时,可以提供更小的时延、更快的重传和更以加速错误检测并提高带宽的使用。在TCP中,SACK是好的链路保障。可选项,而在SCTP中是强制的,这样当某个数据窗中数中国煤化工移动mme传输进行据频繁丢失时可以有更鲁棒性的反应,避免了耗时的慢开了对CNMHG单宿多流模式下Wh访始阶段可L,任头中采用三个流,分别传(5)流内按序递交:TCP中只支持严格的按序递交输三种页面组成元素,即:文字文件、图片文件和动画文技术/应用 Technology/Application技术交流件;另一种是SCTP多宿模式下 Telnet业务链路中断处理方对于TCP其优势是相当明显的。图5中,当传输层使用式对比。结果如图4-5所示TCP协议时,业务随链路中断而中断;而SCTP将更改关联的首地址以保证业务继续,所以在保障业务可靠性上SCTP更为优秀。22基于SCTP的垂直切换切换是指移动通信的主机在通信过程中从一个小区基站转移到另一个小区基站,或者是从一个移动交换中心转移到另外一个移动交换中心并维持当前通信不中断的过程。它是移动通信系统特有的,也是最重要的功能。在NGN网络中,切换可能发生在使用不同接入技术的小区间,从而称为“垂直切换”。图6所示为垂直切换的一种典型情况。上屦递歹4Web业务页面元素响应时间对比IP NetworkWLANUMTSWLANT仿真时间( second图6移动用户在WLAN和UMTs小区间的垂直切换图5 Telnet业务链路中断处理方式对比显然,相对于单一接入技术的网络而言,垂直切换的由仿真结果可见:在WEB访问并采用TCP时,由于难度极大,一般需要增加新的网络模块来专门处理。而页面元素的传输是严格按序的,若传输较大的图片在无线sCTP协议的“动态地址重构”功能可使垂直切换过程变得环境下很可能出现丢包,则整个传输就会停止等待;而非常易于实现。只要在移动用户进入新的网络覆盖区域sCTP的三个流分别传输不同页面元素,当其中某个流被时,就可以利用“动态地址重构”功能向新网络申请一个阻塞时,其它流还可以正常工作。对于Web来说,只要新中国煤化工地址列表中,然后利用文字部分(包含页面主要信息)收到,就可以预先显示给CNMH〔的传输,并逐步把旧链访问者。且文本文件体积小,传输时延远小于其它元素路上的数据转移到新的链路上来传输,完全转移后同样利因而SCTP凭借其多流特性可以更快地显示网页内容,相用“动态地址重构”功能将旧的链路去除,这样就完成了技术交流Technology/Application技术/庭用」不同接入技术的网络间的垂直切换。显然基于SCTP的垂直切换是非常易于实现的且无须增加新的网络模块MHMicro-cellMacroc更重要的是整个切换过程不会有数据丢失,做到了真正(MH is served by the macro-cell)的“无缝”切换23基于SCTP的带宽借用ABCONF(Add a new IP, mIcro-cell IP)NGN系统中业务类型、用户数量、和数据传输速率ASCONF (ACK的增长都远远超过了前几代系统,然而与之对应的是无线频谱资源的有限数量。因此,如何高效地利用频谱资MH is served by both macro and micro cell源就成为NGN系统中一个非常重要的问题。当频谱资源用带宽来表示时,就是如何有效进行带宽分配的问ASCONF(Set Primary IP a micro cell IP题。而在不同的小区间利用带宽借用来增加小区无线资ASCONF(ACK源的利用率,是一种有效的方法,可以提升系统的整体性能。然而在前几代网络中,带宽借用只能发生在相同接入技术且相邻的小区间,借用是为避免同道干扰还要(MH is served by the micro-colD进行频率锁定,借用效率受到了极大的影响。而NGNdata backup)中的小区将采用不同的接入技术,从而给带宽借用提(Soft Hando)了更高的要求。本文提出一种利用SCTP的多宿和动态D地址同构特性来进行异构小区间的带宽借用的方法。借用方案的场景仍参考图6,定义UMTS小区为宏小区( Macro-cell),WLAN小区为微小区( Micro-cel)l图7基于SCTP的带宽借用信令流程图并以宏小区向微小区进行借用为例来说明垂直借用方案。当宏小区中有新呼叫或者切换需求发起却无足够带是说在切换链路时不会造成任何数据的丢失宽资源,那么宏小区可以向其覆盖范围内的微小区请求垂直借用。具体来说就是系统将对宏小区中的“进行总结中”呼叫(同时被微小区覆盖)进行评估,寻找合适的呼作为传输层上的新协议,流控制传输协议在信令传叫将其转移到此呼叫所在的微小区中,从而为宏小区空输、移动 Internet访问、垂直切换和无线资源分配方面出带宽。这一转移过程在传输层上依靠SCTP的“多宿”都有出色的表现,相信随着对协议的不断研究和扩展,和“动态地址重构”特性实现。其中,SCTP的“动态地SCTP在通信网络向NGN的演进过程中将发挥越来越重址重构”帮助MH在微小区中获取一个新IP,而“多宿要的作用。国保证通信两端的数据传输可以通过不同的链路同时进行,从而由MH和BS间单链路传输转变成在MH、BS参考文献和AP间的复链路传输。在新的链路成功建立并将业务 Nguyen TH, Sadik m.n.c," Next generation network",tEEE由原宏小区完全转移到微小区后,删除宏小区的链路以Potentials[JI, Apr-May 2002空出带宽。此呼叫转移过程的信令流程图如图7所示。(2] Stream control transport protocol IS,ETF,RFC2960. October通过垂直借用宏小区获得了空闲带宽并可以重新分配给新呼和切换。这种重叠网络中的垂直借用过程不同于同13 STEWART R. RAMALHO M A“ Stream control transmission构网络的借用,例如,由于SCTP是传输层上的协议protocol (SCTP) dynamic address reconfiguration, draft它对下层是透明的,所以借用过程不受接入技术的限中国煤化工mber2003制;又因它是在不同接入技术的小区间进行借用,因此4CNMHGSCTP for soft handover in无须进行锁频处理和动态功率控制。不仅如此,SCTPlEEE Communications Letters. 2004的多宿特性可以保证垂直借用过程是天生平滑的,也就