基于SCTP的异构网垂直切换研究*

吴财生 唐宏 何春燕

（重庆邮电大学移动通信重点实验室 重庆 400065）

1 前言

异构无线网络中的移动管理分为两个部分：水平移动(Horizontal Mobility)和垂直移动(Vertical Mobility)。与之对应的切换也分为水平切换(Horizontal Handoff)和垂直切换(Vertical Handoff)。水平切换指的是移动主机在基于同一种链路层技术的不同接入路由器间的切换。而垂直切换则是指在不同的网络接口间的切换，通常在这个过程中，接入路由器和链路层技术也会发生变化。移动SCTP协议是传输层支持移动性的典型技术。移动SCTP能够提供传输层的端到端的、对上层应用透明的移动性支持，并且不需要额外的网络设备支持，逐渐被认为是实现移动性管理的最佳方案之一，也成为移动性管理领域的研究新热点。

2 SCTP协议介绍

SCTP（流控制传输协议）主要用于IP网中传送PSTN的信令消息或IP 网内的信令消息。与TCP（传输控制协议）一样，SCTP协议提供面向连接的可靠传输。但SCTP相比TCP有许多改进的地方[1]。

TCP提供的是单连接，而SCTP协议提供的是多宿主连接，称为SCTP关联。它包括两个SCTP端点、验证标签以及传输顺序号等信息，一个关联可以由SCTP端点用传输地址唯一标识。两个SCTP端点间最多只能有一个关联。

流也是SCTP的重要特征之一，它是两个SCTP端点之间建立的单向逻辑通道，用来指示需要按顺序递交到高层协议的用户消息的集合，也就是说在同一个流中所有用户消息必须按顺序递交。

TCP采用3次握手，而SCTP采用4次握手建立连接，首先A给B发送INIT消息，B收到后返回INIT-ACK消息，A再发送Cookie-ECHO消息，B再返回Cookie-ACK消息，以此建立了SCTP连接。

除此以外，SCTP可以对用户数据进行分段，以确保发送到低层的SCTP分组长度满足通路MTU（最大传输单元）的限制，在接收方再将各分段重组成完整消息。SCTP还具有通路管理功能，SCTP连接的发送方可以使用一组地址作为SCTP分组的目的地址，在关联建立后需要为每个SCTP端点定义一个首选通路，用来在正常情况下发送分组。通过发送Heart Beat消息可以检测该关联上某个特定目的地址是否可达。若发现首选通道异常，则选择一个可用的备用通道继续传输。在避免拥塞、避免洪泛和匿名攻击等方面，SCTP也有相应的改进。

3 基于SCTP的异构网垂直切换

3.1 基于SCTP的垂直切换[2,3]

假设移动终端从无线网络N1移动到另一种无线网络N2，其垂直切换过程如下：

（1）在N1网络中，移动终端通过在N1网络中获得的IP地址作为首选通路与Server建立数据传输。

（2）当移动终端移动到N2网络中时，移动终端获得一个新的IP地址，并将此地址加入SCTP关联中作为备用通路的地址。

（3）移动终端向Sever发送带有Add IP Address参数的ASCONF消息，Server收到后给移动终端返回一个确认消息ASCONF_ACK。

（4）当移动终端逐渐远离N1网络变得不可用时，移动终端进行切换，切换过程是通过重新设置首选通路地址来实现的。移动终端向Server发送带有Set Primary Address参数的ASCONF消息，Server收到后给移动终端返回一个确认消息ASCONF_ACK。

（5）移动终端通过新的首选通路与Server建立数据传输。

（6）移动终端通过发送带有Delete IP Address参数的ASCONF消息删除不可用的地址。Server收到后给移动终端返回一个确认消息ASCONF_ACK。

3.2 基于SCTP的垂直软切换[4]

上述垂直切换过程通过设置首选通道实现，在切换前后进行数据传输的只有一个通道，这可能会导致切换过程中暂时的分组丢失发生，为此，提出基于SCTP的垂直软切换技术，使分组丢失率为零。

假设移动终端仍从无线网络N1移动到另一种无线网络N2，其垂直软切换过程如下：

（1）在N1网络中，移动终端通过在N1网络中获得的IP地址作为首选通路与Server建立数据传输。

（2）当移动终端移动到N2网络中时，移动终端获得一个新的IP地址，并将此地址加入SCTP关联中作为备用通路的地址。

（3）移动终端向Sever发送带有Add IP Address参数的ASCONF消息，Server收到后给移动终端返回一个确认消息ASCONF_ACK。

（4）当移动终端逐渐远离N1网络时，移动终端同时启用备用通路进行数据传输。传输的数据与首选通道传输的数据一样。

（5）当移动终端远离N1变得不可用时，移动终端关闭首选通路的传输，同时向Server发送带有Set Primary Address参数的ASCONF消息，Server收到后给移动终端返回一个确认消息ASCONF_ACK。此时数据只通过新的首选通道进行传输。

（6）因为N1网络已经不可用，移动终端发送带有Delete IP Address参数的ASCONF消息删除不可用的地址。Server收到后给移动终端返回一个确认消息ASCONF_ACK。

4 仿真及分析

下面我们采用ns2软件进行仿真。ns2是一种免费软件，由于ns2的协议代码与真实网络应用代码的相似性和仿真结果的可靠性，成为众多仿真软件中的首选。ns2是一种面向对象的离散事件驱动的网络模拟器, 支持多个流行的网络协议如各个版本的TCP、UDP和路由调度、拥塞控制算法等。ns2的源代码完全公开,可供使用者在UNIX、Linux、Windows等系统平台上使用和进行二次开发,并可以提供有线网络、无线网络中链路层及其高层精确到数据分组的诸多网络行为的模拟与仿真[5]。

基于移动SCTP的垂直切换准则为：

仿真参数：网络1的带宽为1.0Mbit/s，端到端时延为150ms，网络2的带宽为0.5Mbit/s，端到端时延为200ms。对于其他条件包括偏好程度、服务资费、可靠度本文假设两个网络相同，实际中偏好程度依据不同用户而变化，服务资费依据用户业务等因素而定，可靠度与网络采用的传输技术等有关。

采用上述切换准则及仿真参数，在ns2仿真软件下进行仿真。得到结果如图1所示。

图1 分别切换到网络1和2时移动终端接收包的情况对比

图1中横坐标代表仿真时间，纵坐标代表移动终端从网络接收到的分组的序列号，两曲线代表分别切换到两个网络的情况。设置多宿主连接以及SCTP关联的代码如下：

设置初始首选通路的代码如下：

在6s时开始切换，切换时重选网络以及重新设置首选通路的代码如下：

当选择网络1作为切换目标网络时，由于网络1带宽较大，所以分组的序列号增长较快，同时由于切换过程中发送的分组较多，导致分组丢失严重，重传次数明显多于切换到网络2的情况。当切换到网络2时，分组的序号增长较慢，但分组丢失情况好于切换到网络1情况。

由仿真结果我们可以知道：在开始传输数据时，序列号是断断续续的，在切换过程中，接收分组的序列号也是断断续续的，这是因为SCTP协议的慢启动过程造成的。另外当目标切换网络是带宽较大的网络时将导致较多数据的丢失，产生较多的重传，这将使得用户体验值下降。

5 总结

异构无线网络中的垂直切换过程中，接入路由器和链路层技术也会发生变化。移动SCTP协议是传输层支持移动性的典型技术，本文基于SCTP协议，在现有的切换算法的基础上提出一种软切换方案，并在本文的切换准则下，通过ns2仿真得到以下结论：当切换到带宽大的网络时分组丢失将比切换到带宽小的网络分组丢失严重，同时由于传输层协议的慢启动，通信开始和切换过程数据传输速率很低。本文提出的软切换算法，需要修改SCTP协议的代码，并且由于慢启动带来传输速率较低的问题，也需要修改SCTP协议的慢启动过程，下一步的工作将从这两方面展开。

[1] Coene L. Stream Control Transmission Protocol, RFC 3257, Apr 2002

[2] Stewart R.et al, Stream Control Transmission Protocol(SCTP) Dynamic Address Reconfiguration, draft-ietf-tsvwg-addip-sctp-14.txt,Mar.2006

[3] Ylianttia M, Pande M，Mahonen P. Optimization scheme for mobile users performing vertical handoff between IEEE 802.11 and GPRS／EDGE networks. Proceedings of IEEE GLOECOM．2006：3439-3443

[4] Ma L，Yu F，Leung V，et a1．A new method to support UMTS／WLAN vertical handover using SCTP．IEEE Wireless Communication, 2004,11(4)：44-51

[5] NS-2 simulation: http://www.isi.edu/nsnam/ns