基于多路傳輸控制協議的地震信息網絡研究

陳折桂　魏夢婉　陳楠

摘要：互聯網的快速發展使得越來越多的智能設備能同時支持移動通信網、無線局域網或者有線網這種新型融合網絡體系，然而這些設備雖配備有多個網絡接口，它們的功能卻還沒有被充分利用。多路傳輸控制協議是近些年的研究熱點，它通過利用智能設備的多個網絡接口聚合傳輸過程中的多條路徑，實現并發多路傳輸。基于此，以研究多路傳輸控制協議為核心，以江蘇省地震局地震信息網絡為應用場景，以局部信息網絡為實驗模型，在仿真實驗平臺上實現多接口設備在地震信息網絡中的多路徑傳輸的可行性，有效地降低了時延，從而滿足工作人員對于更高質量的網絡服務的需求。

關鍵詞：地震信息網絡；多路并行傳輸；多路傳輸控制協議

一、前言

隨著地震行業現代化建設和信息化業務蓬勃發展，越來越多的互聯網應用如P2P、ftp、視頻會議、GIS地理信息系統技術等融入了日常化的工作中[1-4]，工作人員對帶寬的需求也在與日俱增。尤其在2020年新一代通信技術5G的廣泛部署和應用后，各類移動終端設備入網，通信流量進一步迅速增長，讓人們在工作過程中對于優質服務質量有了更多的期待和更高的要求。然而，在默認情況下，傳統的傳輸控制協議/用戶數據報協議（Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol，TCP/UDP）在一個傳輸連接中僅使用單一的“最佳”路徑，一旦鏈路發生故障，傳輸可能就會中斷，對于網絡服務質量有極大的影響。事實上，在不同接入技術相互融合的龐大現代通信網絡中，存在豐富的資源并沒有得到充分利用，原因在于，通信設備已經具備多個網絡接口，如智能手機配備了蜂窩（如4G/5G或LTE）和WiFi接口，電腦配有有線網卡和無線網卡，兩個通信節點之間有多條鏈路存在的可能性。因此，在現有單路徑傳輸滿足不了更高服務需求和互聯網中豐富的資源沒有得到充分利用的矛盾情況下，利用多接口設備的多條路徑以提高端到端的傳輸性能和魯棒性的想法應運而生。

二、國內外研究現狀

互聯網早期階段，具有多個網絡接口和多條路徑的計算機并不是設計和研究的優先事項，只有路由器交換機等具有多個物理網絡接口。而近幾十年互聯網技術顯著的進步讓便攜式電子智能設備都配備了多個網絡接口，豐富的網絡資源促使多個網絡接口采用多路徑傳輸在理論上成為可能。學術界上，圍繞多路徑傳輸已經發表了數百篇科學文章，涵蓋了數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層等不同網絡結構層次以及數據調度管理、擁塞控制、數據包重排序等各個方面[5-9]。行業上，一些公司已經實現了他們的多路傳輸聚合方案，如比利時Tessares公司試圖在多路傳輸控制協議 （MultiPath Transmission Control Protocol，MPTCP）之上開發新的創新網絡服務，它的第一個產品旨在聚合不同基礎設施（LTE/DSL）的帶寬。蘋果于2013年在部分IOS設備上加入了對MPTCP協議的支持，同時在Siri服務器的一部分上實現了MPTCP的變體，主要是支持Siri語音服務，確保IOS用戶在LTE、WiFi網絡下使用Siri都能很流暢。除此之外，蘋果還支持網絡管理員將MPTCP與IOS搭配使用，以加強與目標主機的備份TCP連接[10]。韓國KT電信在2015年IETF93大會上介紹了其商業服務Gigapath，它在三星Galaxy系列部分支持MPTCP的手機上聚合了LTE和WiFi網絡，能讓用戶實現最高1Gbps的網速。在本文仿真中，我們探討傳輸層的解決方案，因為它是在對等體之間保持端到端語義的最低層。

（一）傳輸層的其他傳輸控制協議

曾廣泛應用于網絡體系結構中傳輸層協議有傳輸控制協議（TCP），流控制傳輸協議（Stream Control Transmission Protocol，SCTP），流控制傳輸改進協議CMT-SCTP（Concurrent Multipath Transmission for SCTP，CMT-SCTP）等。TCP被看作是一種能夠保證網絡通信性能的有效的網絡傳輸控制協議，它提供一條端到端的、可靠有序的主機間數據傳輸服務。但TCP協議只支持通過單個接口建立一條通信路徑，無法滿足終端設備多通信接口特性和人們日益增長的高吞吐量需求。SCTP是最早能實現多路傳輸控制的協議，發送端和接收端通過SCTP建立主備兩條路徑，默認在主路徑傳輸數據流，當主路徑失效時，啟用備用路徑。但SCTP協議專門針對網絡中公用開關電話信號問題而設計，不能與現有使用TCP的應用程序兼容，且它雖然存在主備兩條路徑但在某一時刻仍然只能使用一條路徑來傳輸數據流，因此SCTP只用在特定的操作系統和應用程序，仍然沒有得到廣泛應用。之后，IETF（Internet Engineering Task Force）研究工作組提出了SCTP的多路并行擴展協議CMT-SCTP，它能允許多個子流實現多路并行傳輸，但由于CMT-SCTP為SCTP的擴展協議，所以發送端和接收端的應用程序必須支持SCTP協議并有調用該協議的專用接口，這也造成了CMT-SCTP同樣有應用和部署受限的問題。

鑒于上述傳輸層協議存在不同的問題以及當前網絡中大部分應用程序均是基于TCP進行設計的，于是IETF工作組制定了新的網絡傳輸層協議MPTCP。對于所有的互聯網協議來說，它的成功不僅取決于協議規范，還因為它能被實際應用程序實現和使用的可參考性。

（二） MPTCP的特點和優勢

MPTCP 作為傳輸層上一種新的網絡標準，于2009年由IETF工作組提出，經過多次起草，于2011年推出協議的框架設計，并在2013年正式發布網絡標準。MPTCP將一個原始數據流分成若干個子流，通過多個TCP連接同時進行并行傳輸實現吞吐量提升，達到對應用程序多路徑透明傳輸的目的。另外，MPTCP引入了雙序列號。子流序列號在子流級別用于對每個TCP子流進行重新排序，而數據序列號在連接級別用于對所有子流內的數據進行重新排序。其協議棧如表1所示。MPTCP 不需要對原有協議棧做大的改動，僅在TCP的基礎上增加了MPTCP層，不僅實現了對端點間多條路徑的管理和調度，還實現了與TCP的兼容。那么，當對端中的一端不支持MPTCP時，可主動切換為TCP協議繼續發送數據流；而當雙方都支持MPTCP時，兩端用戶可以選擇開啟多路徑傳輸擴展，仍然保證了有序、可靠地面向字節發送。MPTCP的出現使得各式各樣的移動式網絡接入設備利用其多通信接口同時傳輸數據成為可能，同時與現有應用程序的兼容性使其在復雜的新型異構網絡中更易于大規模部署。因此，MPTCP協議受到了國內外研究者們的廣泛關注，也使得該協議能夠快速發展。

三、基于MPTCP的地震信息網絡仿真實驗模型構建

本文以研究MPTCP協議為核心，以江蘇省地震局地震信息網絡為應用場景，以局部信息網絡為實驗模型，實現多接口設備在地震信息網絡中的多路徑傳輸并驗證其可行性與可靠性。

江蘇省地震局地震信息網絡拓撲為星型結構（如圖1），采用IP組網方式。為實現省局與全省各地市地震部門、各直屬臺站的相關業務和視頻會商等數據流傳輸，以“十五”項目建成的“江蘇省數字地震觀測網絡”（江蘇省地震行業網）中29條2M MSTP（Multi-Service Transport Platform，多業務傳送平臺） 專線為載體進行互聯；為實現省局上聯中國地震臺網中心和廣州速報災備中心，江蘇省地震局分別開通了1條30M MSTP專線和1條20M MSTP專線；同時上聯、下聯均可以通過VPN撥號方式進入地震行業網；另外根據各部門各臺站互聯網辦公的需求，江蘇省地震局與省屬臺站建立了15條6M江蘇電信互聯網專線寬帶，省級中心建立了6條50M江蘇電信互聯網專線寬帶，同時在新老辦公大樓部署無線網絡，實現省局辦公樓無線互聯網的覆蓋。于是，在該場景基礎上以局部網絡為例進行網絡實驗模型抽象。實驗模型包含兩個雙接口的電腦終端，相互之間采用WiFi和以太網雙路徑進行數據傳輸，中間路徑傳輸為有線鏈路傳輸。當兩個終端有多個接口可以提供多個IP地址時，終端間將會建立多路徑傳輸，實現MPTCP通信；而當其他接口關閉或者鏈路中斷只剩一個通信鏈路時，則會轉為單路徑傳輸。可以根據其需要對網絡傳輸數據包大小和傳輸帶寬進行控制，從而來模擬數據傳輸過程。

四、仿真實驗

由于本課題是一個科研性的研究課題，為得到相關實驗數據，暫不能在實際地震信息網絡中大規模實驗和推廣，因此，需要搭建仿真模擬平臺進行網絡構建和傳輸協議運行驗證。本文實驗環境為AMD PRO A10-8770 R7， 10 COMPUTE CORES 4C+6G 3.5GHz CPU，搭載8GB內存，操作系統采用Ubuntu16.04，仿真實驗平臺采用NS-3.30版本。NS-3仿真平臺是一個離散事件的仿真模擬器，它允許學術研究人員在其開源項目的基礎上根據實際網絡情況和研究需要對網絡拓撲與參數進行編寫或修改，從而進行仿真實驗。

仿真實驗以p2p業務數據傳輸為例，兩終端所用的以太網帶寬均設置為100Mbps，時延設置為6560ns，中間有線鏈路傳輸帶寬均設置為5Mbps，時延為2ms，WiFi使用ns3仿真平臺中提供的默認的信道模型和傳播時延模型，同時遠程基站管理使用了AARF（Adaptive Auto Rate Fallback）速率控制算法，以調節網絡速率。仿真實驗結果表明，分別設置不同數據包大小的幾組實驗下，使用MPTCP相較于使用TCP時延更短，效率更高，吞吐量更大，說明MPTCP鏈路狀態更好。對于日常辦公中需要不間斷的實時網絡應用而言，MPTCP提供的網絡服務質量相對來說更好。

五、結語

在地震信息化和現代化建設的當下，用于日常辦公和業務交流的新型異構互聯網絡在使用現有TCP/UDP傳輸層協議時可能會存在總是根據特定的路由使用單一的“最佳”路徑導致時延和鏈路質量影響因素差距較大等問題，不能達到工作人員對于更高的網絡服務質量的要求。與此同時，以筆記本、智能手機為代表的具有多種接口的移動設備入網，讓兩個端點之間可能有多條傳輸路徑。這更加擴大單路徑傳輸和大量可用網絡路徑冗余的不匹配矛盾。針對上述矛盾和問題，本文引入了MPTCP協議進行解決和探討。本文主要介紹了基于MPTCP的江蘇省地震局地震信息網絡研究相關情況并在地震信息網絡傳輸層場景下驗證其可行性。實驗表明，在其他條件相同時，MPTCP時延更短，效率更高，其鏈路狀態更好，未來能為工作人員提供更好的網絡服務體驗。H

參考文獻

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[10]使用Multipath TCP為iOS創建備份連接. https：//support.apple.com/zh-cn/HT201373.

基金項目：江蘇省地震局青年科學基金專項NO.202113