TCP和SCTP路由协议的对比研究

何世杰 童孟军

摘 要： 为了更好地了解流控制协议—SCTP的相关性能，利用NS-2网络仿真软件，从单路径和多路径两个方面对TCP和SCTP协议进行了比较。实验结果表明，在应对链路恶化的情况下，SCTP协议的吞吐量更大，也具有更高的稳定性，更能满足现在网络高性能传输的要求。

关键词： 流控制传输协议； 传输控制协议； 单路径； 多路径； 吞吐率； 延迟

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）05-03-04

Comparison study of TCP and SCTP routing protocol

He Shijie， Tong Mengjun

（School of computer science， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： In order to get better understanding of SCTP protocol performance， the NS-2 network simulation software is utilized to compare TCP and SCTP protocols from a single path and multi path. The experimental results show that， in response to the link's deteriorating condition， the SCTP protocol has a larger throughput capacity ， and also a higher stability， and it can meet the transmission requirement of high performance network.

Key words： stream control transmission protocol； transmission control protocol； single path； multi path； throughput rate； delay

0 引言

SCTP代表的是流控制传输协议，它是由IEFT的信令传输工作组（SIGTRAN）新近提出的一种面向多媒体通信的流控制协议（SCTP），用于在IP网络上传输PSTN信令消息，即通常所说的SS7 over IP。

在国内，1985年是流控制传输协议技术开始萌芽的时期。从1985到1995年，该技术主要局限于计算机网络中接人端口数据流的控制技术，以防止计算设备之间大量数据互相通信时出现阻塞，保证更高的传输效率和可靠性。目前对该技术的研发仍处于较浅的层次，对整个IP网络中实规PSTN信令传输的技术还鲜有涉及；国内的SCTP研究还主要侧重于应用方面，比如SCTP与TCP的比较、SCTP在移动环境下的性能研究（例如平滑切换，移动IP，最后一跳性能恶化问题，基于SCTP移动Internet传输模型等）、基于独立路径拥塞控制的SCTP负荷分担机制研究、结合SS7的研究，以及SCTP的安全问题研究、军事应用等。

国外则更侧重于起草标准，如：定义SCTP负荷分担草案（多路径同时传输）；制定部分可靠传输标准；提交建立SCTP偶联后的动态地址重配置；提交SCTP API草案；定义SCTP对移动IP的支持；提交单播拥塞控制建议标准；TCP友好可变速率控制等等。目前，IETF致力于把SCTP作为一种通用的传输协议。对SCTP本身的研究集中在对其功能的完善和扩展上，主要是从两个本质特点入手：多路径和多流。同时，对SCTP应用的研究主要集中在两个方面：在移动网络中的应用和对多媒体的传输。

本文的主要研究工作是利用NS-2构建仿真平台，对SCTP和TCP这两种协议进行对比，并根据仿真的结果计算、分析和比较这两种协议的性能，发现它们各自的优缺点。

1 TCP和SCTP的单路径的对比研究

单路径的实验拓扑图如图1所示，一共有6个节点，2个路由节点。其中0-2是发送节点，5-7是相应的接收节点。3个发送节点都绑定了FTP应用，其中0号节点的数据包发送往5号节点，流标签为1；1号节点的数据包发送往6号节点，流标签为2；2号节点的数据包发送往7号节点，流标签为3。设置最大的传输单元为1500。路由3、4间的droptail队列大小分别为5、10。本实验主要更改了1号节点和6号节点的传输协议。现在设0-5号节点的路径为L1，1-6号节点的路径为L2，2-7号的路径为L3。变量主要在L1上面。其中发送节点到路由节点3，路由节点4到接收节点的带宽均为10Mbps，延迟均为15ms。路由节点3、4直接的带宽为1.7Mbps，延迟为15ms。这样路由节点3、4之间就成为接收方和发送方直接的瓶颈。

图1 实验拓扑图

实验一的过程是：在0.5s的时候三个节点同时开始发送数据，4s的时候断开L1，7s的时候断开L2。这样做的主要目的是让L1的数据包先在有两个TCP传输协议竞争的情况下进行数据传输，然后逐渐断开其他两个链路的数据传输，来观察TCP和SCTP在有TCP竞争条件下，数据传输的吞吐量，延迟和丢包率。吞吐量如图2所示。

图2 实验一中TCP和SCTP数据的吞吐量

图2所表示的是链路L2上的数据吞吐量。X坐标轴表示时间的变化，单位为s，Y坐标轴表示接收的数据量，单位为Byte。红色线表示TCP協议在droptail队列为5时的数据吞吐量。绿色线表示TCP协议在droptail队列为10时的数据吞吐量。蓝色线为SCTP协议在droptail队列为5时的数据吞吐量，黄色为SCTP协议在droptail队列为10时的数据吞吐量。从图2中可以看出，总体上SCTP的吞吐量远远高过TCP。对于SCTP来说，在droptail队列为5的时候，其吞吐量比10的时候略高，但差距不是很大。在两个TCP数据传输断掉以后，两种情况下的吞吐量趋于相同，而且数据吞吐量趋于稳定。看趋势，在9s以后，droptail队列为10的时候，其吞吐量会略大于5的时候。对于TCP协议来说，很明显，在droptail队列为10的时候，其吞吐量高于5的时候，在两个TCP协议的数据传输都断掉以后，数据吞吐量的增长率趋于平行式增长。

图3 实验一中TCP和SCTP延迟对比

图3是实验一中SCTP和TCP两种协议数据传输延迟的对比。如图所示，是TCP和SCTP在droptail队列为5的时候，两种协议延迟的对比。红色线为TCP的延迟，绿色的为SCTP的延迟。X坐标轴表示数据传输的时间变化，单位为s，Y坐标轴表示两种协议在某个时刻的延迟，单位为s。从图3中可以看到，两者的数据线略有交叉，SCTP的延迟略高于TCP；TCP的延迟是在一个范围内上下波动，而SCTP的延迟呈一种阶段性的梯度变化。从这里也可以看出两种数据传输的差别：TCP在链路达到稳定的时候，每次传输的数据量一定；而SCTP的数据传输，在没有拥塞避免的情况下，是呈指数增长的。

根据实验一的拓扑图，更改链路L1和L3的数据传输时间，此为实验二。在0.5s的时候1号节点开始发送数据，在1.5s的时候0号节点开始发送数据，在4.5s的时候3号节点开始发送数据，在7.5s的时候将L1和L3两条链路断开连接，8s的时候结束数据传输。通过观察TCP和SCTP协议在逐渐有一个TCP协议和两个TCP协议竞争的条件下的数据吞吐量，延迟和丢包率来对比两种协议。

图4 实验二中TCP和SCTP两种协议的数据吞吐量

在图4中，表示的是链路L2上的数据吞吐量。X坐标轴表示时间的变化，单位为s，Y坐标轴表示接收的数据量，单位为Byte。红色线表示TCP协议在droptail队列为5时的数据吞吐量。绿色线表示TCP协议在droptail队列为10时的数据吞吐量。蓝色线为SCTP协议在droptail队列为5时的数据吞吐量，黄色为SCTP协议在droptail队列为10时的数据吞吐量。从图4中可以看出，总体上来说，在相同的droptail队列值的情况下，SCTP的吞吐量远大于TCP的吞吐量。在两个TCP竞争数据传输出现后，它们的吞吐量都有一个短暂性的下降，然后继续趋于上升。在8.0s的时候，两种协议的吞吐量开始趋于稳定。

对比实验一和实验二中数据吞吐量的图，我们看到，由于实验一和实验二的区别在于竞争的TCP协议出现的时间不同，在实验一的环境下，SCTP在有其他协议竞争的条件下，能够更容易、更快地达到数据吞吐的稳定状态，这样非常有利于数据的传输。

图5是实验二中链路L2在droptail队列值为10的时候的延迟对比。红色线为TCP的延迟，绿色的为SCTP的延迟。X坐标轴表示数据传输的时间变化，单位为s，Y坐标轴表示两种协议在某个时刻的延迟，单位为s。由图5中可以看出，SCTP与TCP延迟随时间的走势相互交叉，与实验一中的情形类似，SCTP的延迟略高于TCP。

图5 实验二TCP和SCTP的延迟对比

图6 TCP和SCTP竞争时的延迟和吞吐量

图6是在实验一环境下，SCTP和TCP相互竞争下的延迟和吞吐量的对比，主要是链路L2和L3的对比，红色线表示的是TCP，绿色线表示TCP。图6上图中，X坐标轴表示数据传输的时间变化，单位为s，Y坐标轴表示两种协议在某个时刻的延迟，单位为s；图6下图中，X坐标轴表示时间的变化，单位为s，Y坐标轴表示接收的数据量，单位为Byte。从图6中可以看出，情况基本与上面的实验保持一致。在相同的droptail队列值的情况下，SCTP的吞吐量远大于TCP，但是TCP和SCTP的延迟相互交叉，SCTP延迟略高于TCP。

2 TCP和SCTP的多路径的对比研究

多路径的实验拓扑图如图7所示，节点0-2合起来是一个发端，节点3-5合起来是一个收端。0是核心节点，1、2是接口，即该端点的两个IP地址；3也是核心节点，4、5也是接口，也即该端点的两个IP地址。1和4路径命名为if0；2和5路径命名为if1。

在SCTP传输过程中，数据只能从接口发或收，不能直接从核心节点发或收。该实验过程为：应用层传输FTP数据，在0.5s后开始传输；在第5s前，路径if0、if1的带宽为5M，时延为50ms；在第5s，路径if0性能恶化，带宽变成1M，时延变为200ms；在第8s，传输结束。

图7 SCTP多路径仿真拓扑图

由于TCP没有多路径这个特点，所以，要与SCTP作对比，只能重新建立拓扑图。拓扑图如图8所示：数据传输过程和SCTP一样，应用层传输FTP数据，在0.5s后开始传输；在第5s的时候链路发生恶化，带宽变成1M，时延变为200毫秒；在第8s，传输结束。

图8 相应的TCP拓扑图

对于这两种协议延迟方面的比较，我们在上一节中已经有过很详细的对比，所以在这里，主要针对两种协议在多路径的情况下，对数据吞吐量作比较，如图9所示。

图9 多路径下TCP与SCTP吞吐量的比较

如图9，其中为了表示自己搭建的TCP网络和SCTP网络有对比性，所以测试了在图8中拓扑图中SCTP数据的吞吐量，如图9中的绿线。从图中来看，在6.5s以前两种拓扑图中SCTP的数据吞吐量完全吻合，这样看来，两种拓扑图是具有可比性的。图中蓝色线表示TCP协议的吞吐量，黄色线表示if0路径上SCTP的吞吐量，红色线表示if1路径是SCTP的吞吐量。X坐标轴表示时间的变化，单位为s，Y坐标轴表示接收的数据量，单位为Byte。从图9中看，5s之前链路没有恶化，SCTP默认if0是主路径，5s之后链路if0恶化，吞吐量开始下降，此时，因为有另一条路径if1的存在，而且链路状态比if0好，SCTP开始将if1作为主路径进行传输，图中if1的吞吐量开始上升，由此可以看出，SCTP的吞吐量在经过一段时间的降低之后，会恢复原来的吞吐量，使数据传输不受影响。由图9可以看出，TCP在路径出现恶化的时候，吞吐量开始下降，如果路径得不到缓解，吞吐量会受到很大的影响。由此可以看出，SCTP多路径的特点较TCP存在很大的优势。我们再来分析路径if0数据传输与时间的关系，如图10所示。图10中有上（红色）、中（绿色）、下（蓝色）三条线。上线（红色）代表 SCTP 把数据包发送到缓存，即入队列；中线（绿色）代表数据包从缓存注入到网络，即出队列；下线（蓝色）代表数据包从收端反馈回来的证实 SACK。纵坐标代表所发送的数据包序列号，横坐标代表时间，斜率指示传输速率（下面类似图的信息也是这样的）。在第5s，带宽和时延发生变化，路径性能变差，所以第5s后的斜率小于第5s前的斜率，即第5s后的传输速率小于第5s前的传输速率。

图10 if0上数据传输与时间的关系

3 结束语

本文主要是通过NS-2构建仿真平臺，对TCP和SCTP在单路径和多路径的条件下进行对比。通过两个实验对比发现，两种协议在数据传输的延迟方面，SCTP协议略高于TCP协议，相差不是很大，但是SCTP的数据吞吐量远远大于TCP协议。由于SCTP具有多路径和多重定址的特点，在应对链路恶化的情况时，SCTP表现出更高的稳定性。作为一个新的传输协议，SCTP还具有很大的发展空间，SCTP较TCP更能满足高性能传输的要求，随着IP网络的迅猛发展，SCTP一定会有更广阔的应用空间。

参考文献：

[1] Esbold Unurkhaan， Erwin P， Andreas Jungmaier. Secure SCTP-A

Versatile Secure Transport Protocol[J].Springer，2004.10（3）：273

[2] V. Jaclbson. Congestion Avoidance and Contrl[J].ACM SIGCOMN，

1988.36（2）：273

[3] K.Fall and S.Floyd.Simulation-based comparisons of Tahoe Reno

and SACK TCP[J]. ACM Computer Communication Review，1996.26（3）：5

[4] L.Brakmo and L.Peterson.TCP Vegas：End to End Congestion

Avoidance on a Gloabal Internet[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communication，1995.13（8）：1465

[5] 周开波，刘桐，蒋皓等.mSCTP协议异构网络切换性能评估[J].现代电

信科技，2011.3（3）：19

[6] 方路平，刘世华，陈盼等.NS-2网络模拟基础与应用[M].国防工业出

版社，2008.

[7] 胡文静.SCTP主路径自动切换的研究[D].吉林大学硕士学位论文，

2006.

[8] 叶凌伟，陈雁.SCTP与TCP的功能对比及应用分析[J].中国数据通

信，2003.1（2）：43

[9] 贺翀，张继棠.流控传输协议SCTP的研究[J].山西电子技术，

2005.11（5）：21

[10] 黄晓波，郑应平.流控制传输协议与TCP协议的比较[J].微型机与应

用，2005.7（6）：37

[11] 成为青.流控制传输协议概述[J].电子电气教学学报，2003.4（2）：31

[12] 何志亨，程荣祥，邓德隽.NS2仿真实验——多媒体和无线网络通信[M].

电子工业出版社，2009.