TCP協議以及多路徑傳輸協議研究進展

摘要：文章主要研究了TCP傳輸協議以及MPTCP多路徑網絡傳輸的研究進展。首先，文章對TCP的傳輸原理以及各項問題和應用進行研究，引用若干典型案例闡述TCP傳輸協議的優勢及其存在的局限性，給出相應建議和改進措施；其次，提出了MPTCP多路徑網絡傳輸是當下一種提高網絡速度可行、高效的方式，但MPTCP在公平性、安全性、網絡速度等方面還存在問題，故未達到可以全面普及的程度；最后，詳細介紹了MPTCP多路徑網絡傳輸協議的發展趨勢與難題，提出采用做多路徑傳輸的代理的方式可以優化傳輸性能。

關鍵詞：TCP；多路徑傳輸協議；MPTCP

中圖分類號：TN929.11

文獻標志碼：A

0 引言

互聯網是社會發展不可或缺的支柱，研究人員將不同的計算機局域網互聯，形成“互聯網”，包括網際互聯協議和傳輸控制協議。二十世紀八九十年代，互聯網高速發展，萬維網（World Wide Web， WWW）、瀏覽器、寬帶光纖等技術逐漸崛起。

傳輸控制協議（Transmission Control Protocol， TCP）是互聯網的主要傳輸方式，由于其可靠性和穩定性較好，在計算機領域被廣泛使用。眾多學者通過研究與調研，認為TCP具有很大發展空間，需要繼續深入研究。

本文首先進行了TCP傳輸協議的分析探究，其次介紹了多路徑傳輸的研究與發展現狀，最后分析了多路徑傳輸的未來發展方向，為該領域研究提供參考。

1 TCP傳輸協議的分析探究

TCP協議是在TCP/IP協議群中的傳輸協議。TCP本身是面向連接的、可靠的流協議。TCP可以為發送消息提供可靠性傳輸，方法包括采用“順序控制”和“重發控制”等機制，還包括“流控制”“擁塞控制”等眾多功能。

1.1 TCP協議發展現狀及應用

TCP/IP協議作為網絡中不可或缺的傳輸層，主要發揮著傳輸數據的作用。

2022年，史亞平^［1］主要研究了TCP/IP協議在服務器與客戶端之間的實現。2023年謝躍偉^［2］主要針對加密目標是為控制文件的加密時長與密文響應時長之間的相對時延量進行了研究，從而實現通信數據的安全加密。該項研究聯合了PowerPC嵌入式架構、微處理器子模塊以及復位通信控制電路等多個結構，定義出密鑰模板，實現了對于通信文本的移植和擴容處理，如圖1所示。

TCP不僅在通信領域起著重要作用，在教育領域也有獨特的作用。郁曉慶等^［3］發現了TCP協議的可靠性、穩定性以及公開透明等特征，將其應用于教育中。在不遠的將來，TCP協議將被不斷完善，從而在各領域發揮其更為廣闊的應用價值。

1.2 TCP協議存在的問題

如今網絡技術在不斷發展，TCP協議仍是主流傳輸協議。TCP協議可靠、穩定，但也存在耗能大、成本高、對硬件要求更為嚴格等弊端。此外，TCP協議的時間延遲相對嚴重，存在不可預測性。

盛建平^［4］發現某公司防火墻在搬遷時終端始終無法訪問萬維網界面。業務的TCP連接可以產生會話信息，辦公終端處于正常狀態。但防火墻會話仍然處于握手階段，通過查看防火墻的二層地址解析協議信息，發現始終不能解析業務終端172.18.212.47的ARP信息，業務終端Eth10的接口地址也無法獲得ARP信息。以上問題說明雖然都是Eth10接口地址，卻可能不在一個廣播域。后經檢查發現，Eth10對應的端口、虛擬局域網（Virtual Local Area Network， VLAN）沒有劃分，修改后Web的訪問恢復正常，如圖2所示。

為避免網絡擁塞、提升網絡性能，在徐文娟等^［5］的研究中可知，TCP協議的作用主要是保證安全、穩定傳輸，避免網絡崩潰，而主動隊列管理的算法則可以保證端到端數據傳輸隊列穩定到期望值。

TCP大多以軟件的形式集成在操作系統中，丁帥等^［6］研究表明，軟件在數據處理和中斷處理方面給系統帶來了巨大的開銷。隨著網絡帶寬逐漸增大，中央處理器壓力越來越大。目前，采用TCP卸載引擎網卡，將TCP層和網絡層加入網卡硬件當中，不僅可以減輕處理器負擔，還可以提高利用效率。該方法具有開發周期短、風險小等優勢。

如今，無線網絡盛行，TCP的擁塞控制在無線傳輸中存在滯后，穩定性不如有線網絡，但卻用著和有線網一樣的擁塞邏輯，導致速度大大落后。如果可以用無線網為模板重新設計擁塞控制算法，或適當啟用用戶數據報協議（User Datagram Protocol， UDP），可解決TCP在網絡速度上的瓶頸。

2 多路徑傳輸的研究與發展現狀

2.1 TCP協議的研究方向

TCP協議本身有其他協議無可代替的優勢，但也有著無法突破的技術瓶頸。如今，大多設備具有多個網絡接口，單一的TCP無法最大限度利用這些資源。因此，為了充分利用網絡資源，提升傳輸效率，滿足高速發展的網絡、VR、AR、直播以及超高清視頻等需求^［7］，關于為多宿設備提供傳輸支持的協議的研究便逐漸成為主流。

網絡的異構性給互聯網帶來了挑戰和機遇，這也讓MPTCP的實施成為可能。MPTCP在無線網絡環境中的優勢尤為明顯。在生活中，用戶進入或離開信號覆蓋范圍時，連接路線可以靈活地添加或斷開，而端對端的TCP連接不會被中斷。這樣線路的切換問題在端點處便得到了解決，不需要再增加任何機制或特殊處理。

2.2 多路徑傳輸協議的問題探究

MPTCP有諸多優勢及廣闊前景，但由于各種問題限制了其發展，使得MPTCP依然無法成為當今的主流技術。

2.2.1 安全性及公平性研究

根據中國計量學院的調查^［8］，約有70.8%的人會在上網后刪除緩存，約有80.53%的人會擔心隱私而不去使用云服務。由此可見，個人隱私是不可忽視的因素。

劉立坤^［9］的研究表明現在網絡攻擊多是通過協議漏洞進行，主機與深度報文檢測系統之間的差異滲透深度報文檢測系統是可行的。針對多路徑傳輸協議，攻擊者利用MPTCP協議將每個分片經過的單獨網絡向目標傳輸，又因深度報文檢測的分布式檢測MPTCP協議較少，容易出現攻擊數據分片的誤判。高沖等^［10］提出單路徑TCP的公平性已不再適用于多路徑的環境，研究了多路徑傳輸的公平性的衡量準則，在提升網絡整體的吞吐量的前提下，考慮單一路徑TCP流的公平性，即對鏈路資源進行公平競爭。同時，文章提出了基于丟包的DB-Balia算法，既可以提高網絡吞吐量，又具有更好的公平性。

2.2.2 網絡速度及多路徑算法問題

理論上，多路徑傳輸協議是如今TCP協議的傳輸疊加，其速度和傳輸帶寬應該成倍地提升。事實上，絕大多數實驗中的MPTCP協議對傳輸速度的提升微乎其微，甚至有時不增反降，這是目前所遇到的最大挑戰。

在多個宿主設備上使用多個網絡接口，現有的MPTCP多路徑傳輸協議可實現跨物理鏈路的網絡聚合從而大幅度提升網絡吞吐量。研究表明，數據包調度決策的錯誤會嚴重影響MPTCP的性能^［11］，多路徑傳輸任意一條子流出現波動或擁塞，會影響其他多個子流傳輸，使最終的速度遠低于預期值。

綜上所述，增強MPTCP整體性能的關鍵就是最小化接收端的數據包OQS。廖彬彬等^［12］主要研究并應用編碼器或數據包調度器，使用了深度強化神經網絡的動態多路徑編碼調度器，同時利用了Transformer神經網絡及深度強化學習智能體。該研究表明動態多路徑編碼調度器更能適應動態的網絡環境，尤其是在高丟包和多子流的情況下，動態多路徑編碼調度器能降低亂序隊列的數量約25%，提高有效吞吐量占比約19%。

陳梓晗^［13］提供了一種解決措施多路徑傳輸的共享瓶頸檢測方案，描述了原有的基于時延的MPTCP-SBD共享瓶頸檢測方案的工作原理與其局限性。由于MPTCP可能同時存在多個瓶頸，這就很難在復雜的網絡條件下檢測出子流是否進入共享瓶頸。同時，引入了ENC擁塞信號，提出了EMPTCP，利用中間節點主動信息技術（顯式擁塞通知的方法）記錄了顯式擁塞通知的到達時間EAT，從而來判斷共享瓶頸。總體設計如圖3所示。

付宇迪^［14］針對MPTCP雖能大幅提高網絡利用效率但無法處理多種信息容易形成堵塞的問題進行了研究。李恒^［15］主要研究了在非對稱異構網絡中，根據不同種類流的特點及子流的往返時延和擁塞程度提供不同的傳輸策略。文章先對各個路徑進行量化分析，研究其往返時延和擁塞程度，選擇往返時延小、擁塞度小的路徑建立一個最優路徑集合。分類完畢后，如時延敏感的子流，使用馬爾可夫決策選出路徑組中的最佳子流來進行傳輸，使得短流的完成時間達到最小；對于重視吞吐量的長流，使用最優路徑組來進行傳輸，保證長流的吞吐量最大化。

2.3 多路徑傳輸協議目前的應用情況

在5G發展盛行的當下，由于基站的分布處于不均勻狀態，導致5G信號在不同地區響應強度不同，利用MPTCP將不同運營商的5G信號鏈路聚合，可大幅度提高其穩定性。韓彥超等^［16］研究了硬件系統的搭建，演示了不同運營商SIM卡的聯合使用，同時在系統平臺上移植Uboot的引導程序以及MPTCP_Linux版本的內核，以完成軟件錄入，最后構成成品。5G多路徑傳輸模型如圖4所示。

徐建鵬^［17］針對MPTCP多路徑傳輸應用進行了研究。文章針對MPTCP不能正常處理非擁塞數據包丟失問題，采用了RVeno擁塞控制算法；通過修改TCPVeno的AIMD策略，有效地耦合所有子流；針對RVeno擁塞控制算法難以適應高動態的信息網絡，采取基于深度強化學習的擁塞控制算法；最后針對毫米波的易遮擋特性，研究RIS輔助的高鐵毫米波網，借助于RIS反射的傳輸鏈來提高網絡彈性。

盧偉^［18］、任開明等^［19］研究了MPTCP的另一個應用，即在車聯網上的多路徑應用。這能為車載應用提供更加高效便捷的數據傳輸體驗，同時針對車聯網的獨特需求如優先保證駕駛安全以及駕駛體驗等進行了研究。

高楷^［20］研究了多路徑傳輸在軟件上的表現，更加專注于軟件適配方面。文章指出在軟件方面，多路徑傳輸的管控方式比較落后、單一，在擁塞控制、應用接口以及安全問題上都有待完善。另外，軟件的開發使用成本也比較高。針對上述問題，文章采取了“網絡側-終端側”聯合優化的新型傳輸架構進行優化調控，利用隨機優化的多路傳輸數據調度策略控制開銷。此外，文章還設計了信息年齡感知的多路傳輸擁塞控制算法，實現了信息的實時更新。通過以上手段，最終實現了MPTCP的合理化。

2.4 MPTCP的總結以及展望

MPTCP雖然優勢明顯，但也存在很大挑戰。首先，就是在傳輸技術上，MPTCP目前的擁塞控制及算法較落后且具有明顯缺陷。典型案例就是其中多條子流不可避免地相互干擾，致使效率降低。其次，公平性以及安全性是MPTCP特有的困境，由于其要同時支持不同線路，就必須要解決如何合理地、公平地分配資源的問題。MPTCP面對的網絡環境更加復雜，其技術又未成熟，導致其極易受到攻擊，安全性也應該重點考慮。最后，MPTCP所用的協議區別于如今市面上主流應用，導致其即使有一定的優勢也很難被普及，其可靠性、透明程度還達不到如今成熟技術的水平。

綜上，MPTCP有很多應用場景，目前大多數研究都是關于擁塞算法、軟件上的研究，致力于大幅提高網絡速度。如上文所述，TCP協議本身已經較為復雜，如今數據包越來越大，給中央處理器帶來了不小的壓力。相較于TCP，MPTCP成本更高。本文提出可以做一個MPTCP的代理，即將MPTCP的核心燒錄到一個集成電路內，打造一個類似路由器的硬件，使其獨立于計算機之外。這樣做可以減少對于原本計算機的修改，增加其靈活度和兼容性，也減輕了服務端、接收端的處理器壓力。此外，由于現在大部分手機、電腦等設備都是不支持MPTCP協議的，內部仍然是TCP協議，如果想完成多路徑傳輸，就必須修改2個設備的內核。這種做法十分煩瑣，只能為修改后的設備傳輸，一旦換設備，就又需修改。如果使用代理，將TCP轉換為MPTCP的形式發出，接收端也接入代理，再由MPTCP轉回TCP協議，就可實現多路徑傳輸。

3 結語

本文詳細介紹了網絡傳輸層的TCP協議及其改進后的MPTCP的現狀、發展和應用，然后提出了有關TCP及MPTCP的目前問題和發展瓶頸，闡述了限制原因并給出建議，得出以下結論：（1）TCP協議目前仍是世界網絡的主流工具，優勢明顯。經研究發現，TCP的擁塞控制算法在有線與無線傳輸時一致，但有線傳輸和無線傳輸的邏輯不同，因此，大大影響了無線傳輸速度，致使網速無法得到大幅提升。（2）MPTCP是目前的熱門研究領域，可以聚合多條傳輸線路，使得帶寬成倍增長。實驗證明MPTCP的多條線路有一條子流出現問題或擁塞，會輻射影響到其他子流，導致網速大大下降，甚至達不到單路徑傳輸的水平。本文提出了強化學習、SCTC傳輸調度算法、動態多路徑編碼調度器等多種解決措施，可改變這一現象。（3）MPTCP協議應用廣泛，有極好的前景。本文提供了一種思路，即做多路徑傳輸的代理，搭建類似路由器的設備，發送端將TCP轉MPTCP，接收端將MPTCP轉為TCP，從而實現MPTCP的傳輸，能夠取得良好的效果。

參考文獻

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（編輯 王永超）

Research progress of the TCP protocol and multipath transmission protocol

Si" Qihao¹， Liu" Zhenxiang²

（1.Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China;

2.Southeast University， Nanjing 210096， China）Abstract： The research progress of TCP transmission protocol and MPTCP multipath transmission were studied in this article. Firstly， the transmission principle of TCP， as well as many issues and applications was studied. Several typical cases were cited to explain their advantages and limitations. Furthermore， corresponding suggestions and improvement measures were provided. In addition， multipath network transmission is currently a practical， feasible and efficient way to improve network speed. However， MPTCP still faced issues such as fairness， security and network speed， so it has not yet reached the level of popularization. Finally，the detailed introduction to the development trends and challenges of MPTCP were provided and it was proposed that the transmission performance can be optimized by using a proxy for multipath transmission.

Key words：TCP; multipath transfer protocol; MPTCP