牽著老婆滿街逛

SCTP 是在 IP 網(wǎng)絡(luò)上使用的一種可靠的通用傳輸層協(xié)議。盡管 SCTP 協(xié)議最初是為發(fā)送電話信號而設(shè)計的（RFC 2960），但帶來了一個意外的收獲：它通過借鑒 UDP 的優(yōu)點解決了 TCP 的某些局限。SCTP 提供的特性使套接字初始化的可用性、可靠性和安全性都得以提高。（圖 1 給出了 IP 堆棧的層次化架構(gòu)。）

本文簡要介紹了 Linux 2.6 內(nèi)核中 SCTP 的概念，重點介紹了一些高級特性（例如多宿主和多流），并且給出了服務(wù)器和客戶機的部分代碼片斷（并給出了一個可以獲得更多代碼的 URL），從而展示了這種協(xié)議提供多流的能力。

下面讓我們開始介紹 IP 堆棧的內(nèi)容。

IP 堆棧

Internet 協(xié)議套件被劃分成幾層；每層都提供特定功能，如圖 1 所示。

自下而上：

• 鏈路層（link layer） 提供了通信介質(zhì)的物理接口（例如以太網(wǎng)設(shè)備）。
• 網(wǎng)絡(luò)層（network layer） 負責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)中的報文移動，具體來說就是確保報文都到達自己的目標（也稱為路由）。
• 傳輸層（transport layer） 為應(yīng)用層控制了報文在兩臺主機之間的流動。它還代表通信的應(yīng)用程序端點，稱為 端口（port）。
• 最后，應(yīng)用層（application layer） 對通過套接字傳遞數(shù)據(jù)具有深刻的意義。這些數(shù)據(jù)可能包括通過簡單郵件傳輸協(xié)議（Simple Mail Transport Protocol，SMTP）發(fā)送的 e-mail 消息，或通過超文本傳輸協(xié)議（Hypertext Transport Protocol，HTTP）呈現(xiàn)的 Web 頁面。

所有應(yīng)用層協(xié)議都使用套接字層作為與傳輸層協(xié)議之間的接口。Sockets API 是由 UC Berkeley 在 BSD UNIX® 操作系統(tǒng)上開發(fā)的。

在深入鉆研 SCTP 之前，讓我們首先簡單回顧一下傳統(tǒng)的傳輸層協(xié)議。

傳輸層協(xié)議

兩種最流行的傳輸層協(xié)議是傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）：

• TCP 是一種可靠的協(xié)議，它可以確保有序地發(fā)送數(shù)據(jù)，并管理網(wǎng)絡(luò)中的擁塞問題。
• UDP 是一種面向消息的協(xié)議，它不能確保有序地發(fā)送數(shù)據(jù)，也無法管理網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題。

然而，UDP 是一種快速協(xié)議，可以保護自己傳輸?shù)南⒌倪吔纭?/p>

本文引出了另外一個選擇：SCTP。它提供了像 TCP 一樣可靠、有序地發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，但卻以像 UDP 一樣面向消息的方式來進行操作，這可以保護消息邊界。SCTP 還提供了幾個高級特性：

• 多宿主（Multi-homing）
• 多流（Multi-streaming）
• 初始化保護（Initiation protection）
• 消息分幀（Message framing）
• 可配置的無序發(fā)送（Configurable unordered delivery）
• 平滑關(guān)閉（Graceful shutdown）

SCTP 的關(guān)鍵特性

SCTP 相對于傳統(tǒng)的傳輸層協(xié)議來說，兩個重要的增強是終端主機的多宿主和多流功能。

多宿主

多宿主 為應(yīng)用程序提供了比 TCP 更高的可用性。多宿主主機就是一臺具有多個網(wǎng)絡(luò)接口的主機，因此可以通過多個 IP 地址來訪問這臺主機。在 TCP 中，連接（connection） 是指兩個端點之間的一個通道（在這種情況下，就是兩臺主機的網(wǎng)絡(luò)接口之間的一個套接字）。SCTP 引入了 聯(lián)合（association） 的概念，它也是存在于兩臺主機之間，但可以使用每臺主機上的多個接口進行協(xié)作。

圖 2 闡述了 TCP 連接與 SCTP 聯(lián)合之間的區(qū)別。

該圖的上面部分是 TCP 連接，每個主機都只包含一個網(wǎng)絡(luò)接口；連接是在每個客戶機和服務(wù)器之間的單個接口之間建立的。在建立連接時，就被綁定到了每個接口上。

在該圖的下面部分中，您可以看到這樣一個架構(gòu)：每臺主機上都包含兩個網(wǎng)絡(luò)接口。通過獨立網(wǎng)絡(luò)提供了兩條路徑，一條是從接口 C0 到 S0，另外一條是從接口 C1 到 S1。在 SCTP 中，這兩條路徑可以合并到一個聯(lián)合中。

SCTP 負責(zé)使用內(nèi)嵌的 heartbeat 機制來監(jiān)視聯(lián)合的路徑；在檢測到一條路徑失效時，協(xié)議就會通過另外一條路徑來發(fā)送通信數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序甚至都不必知道發(fā)生了故障恢復(fù)。

故障轉(zhuǎn)移也可以用于維護網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的連通性。例如，讓我們來考慮一臺包含一個無線 802.11 接口和一個以太網(wǎng)接口的筆記本的例子。當筆記本放到固定的位置上時，我們傾向于使用高速的以太網(wǎng)接口（在 SCTP 中稱為 主地址（primary address））；但是在這個連接丟失時（例如離開了固定位置），連接可遷移到無線接口上。在返回固定位置時，以太網(wǎng)連接會被重新檢測到，通信就可以在這個接口上恢復(fù)。這是一種能提供更高的可用性和可靠性的強大機制。

多流

從某種意義上來講，SCTP 連接與 TCP 連接類似，不同之處只是 SCTP 能夠在一個聯(lián)合中支持多流機制。一個聯(lián)合中的所有流都是獨立的，但均與該聯(lián)合相關(guān)（請參見圖 3）。

每個流都給定了一個流編號，它被編碼到 SCTP 報文中，通過聯(lián)合在網(wǎng)絡(luò)上傳送。多流非常重要，因為阻塞的流（例如等待重傳的流會導(dǎo)致報文的丟失）不會影響同一聯(lián)合中的其他流。這個問題統(tǒng)稱為 head-of-line blocking（對頭阻塞）。TCP 很容易出現(xiàn)這類阻塞問題。

多流如何在傳輸數(shù)據(jù)時提供更好的響應(yīng)性呢？例如，HTTP 協(xié)議會在相同套接字上共享控制和數(shù)據(jù)。Web 客戶機從服務(wù)器上請求一個文件，服務(wù)器通過相同的連接將這個文件發(fā)回給客戶機。多流的 HTTP 服務(wù)器可以提供更好的交互能力，因為在聯(lián)合中各單獨的流上可以處理多個請求。這種功能可以并行化響應(yīng)，盡管速度不一定會更快，但可以同時加載 HTML 和圖像映像，從而表現(xiàn)出更好的響應(yīng)性。

多流處理是 SCTP 的一個重要特性，尤其是在協(xié)議的設(shè)計中考慮一些控制和數(shù)據(jù)的問題時更是如此。在 TCP 中，控制和數(shù)據(jù)通常都是通過相同的連接進行共享的，這可能會產(chǎn)生問題，因為控制報文可能會在數(shù)據(jù)報之后延時。如果控制和數(shù)據(jù)被劃分成單獨的流，控制數(shù)據(jù)就可以以一種更及時的方式進行處理，從而可以更好地利用可用資源。

初始化保護

TCP 和 SCTP 中對新連接的初始化是通過報文握手來完成的。在 TCP 中，這種機制稱為 三次握手（three-way handshake）。客戶機向服務(wù)器首先發(fā)送一個 SYN 報文（Synchronize 的簡寫），服務(wù)器使用一個 SYN-ACK 報文進行響應(yīng)（Synchronize-Acknowledge）。最后，客戶機使用一個 ACK 報文確認已接收到報文（請參見圖 4）。

當惡意客戶機使用虛假的源地址來偽造一個 IP 報文時，TCP 就會出現(xiàn)問題了，這會大量 TCP SYN 報文攻擊服務(wù)器。服務(wù)器在接收SYN 報文之前，要為連接分配資源，但是在大量產(chǎn)生 SYN 報文的情況下，最終會耗盡自己的資源，從而無法處理新的請求。這種情況就稱為 服務(wù)拒絕（Denial of Service）（DoS）攻擊。

SCTP 可以通過一種 4 次握手的機制并引入了 cookie 的概念來有效地防止這種攻擊的產(chǎn)生。在 SCTP 中，客戶機使用一個 INIT 報文發(fā)起一個連接。服務(wù)器使用一個 INIT-ACK 報文進行響應(yīng)，其中就包括了 cookie（標識這個連接的惟一上下文）。客戶機然后就使用一個 COOKIE-ECHO 報文進行響應(yīng)，其中包含了服務(wù)器所發(fā)送的 cookie。現(xiàn)在，服務(wù)器要為這個連接分配資源，并通過向客戶機發(fā)送一個 COOKIE-ACK 報文對其進行響應(yīng)。

要解決使用這種 4 次握手機制解決延時數(shù)據(jù)移動的問題，SCTP 允許把數(shù)據(jù)包含到 COOKIE-ECHO 和 COOKIE-ACK 報文中。

消息分幀

使用消息分幀機制，就可以保護消息只在一個邊界內(nèi)通過 socket 進行通信；這意味著如果客戶機向服務(wù)器先發(fā)送 100 個字節(jié)，然后又發(fā)送 50 個字節(jié)。那么服務(wù)器就會在兩次讀取操作中分別讀取到 100 個字節(jié)和 50 個字節(jié)。UDP 也是這樣進行操作，這對于面向消息的協(xié)議非常有益。

與此不同，TCP 是按照字節(jié)流的方式進行操作。如果沒有分幀機制，一端接收到的數(shù)據(jù)可能比另外一端發(fā)送的數(shù)據(jù)多或少（這會將一次寫操作劃分成多次操作，或者將多次寫操作合并到一個讀操作中）。這種行為需要在 TCP 之上進行操作的面向消息的協(xié)議可以在應(yīng)用層中提供數(shù)據(jù)緩沖和消息分幀機制（這可能是一項復(fù)雜的任務(wù)）。

SCTP 在數(shù)據(jù)傳輸中提供了消息分幀功能。當一端對一個套接字執(zhí)行寫操作時，可確保對等端讀出的數(shù)據(jù)大小與此相同（請參見圖 5）。

對于面向流的數(shù)據(jù)來說，例如音頻和視頻數(shù)據(jù)，可以沒有分幀機制。

可配置的無序發(fā)送

SCTP 中的消息的傳輸十分可靠，但未必是按照想要的次序來傳輸?shù)摹CP 可以確保數(shù)據(jù)是按照次序發(fā)送的（考慮到 TCP 是一種流協(xié)議，這是一件好事）。UDP 無法確保有序地發(fā)送數(shù)據(jù)。但是如果需要，您也可以在 SCTP 中配置流來接受無序的消息。

這種特性在面向消息的協(xié)議中可能非常有用，因為其中的消息都是獨立的，次序并不重要。另外，您可以在一個聯(lián)合中按照逐個流配置無序發(fā)送。

平滑關(guān)閉

TCP 和 SCTP 都是基于連接的協(xié)議，而 UDP 則是一種無連接的協(xié)議。TCP 和 SCTP 都需要在對等的兩端建立和拆除連接。SCTP 與 TCP 中關(guān)閉連接的不同之處在于 TCP 中連接的刪除是半關(guān)閉（half-close） 的。

圖 6 給出了 TCP 和 SCTP 的關(guān)閉序列。

在 TCP 中，一端可以關(guān)閉自己這端的 socket（這樣會導(dǎo)致發(fā)送一個 FIN 報文），但是仍然可以繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。FIN 說明這個端點不會再發(fā)送數(shù)據(jù)，但是在這一端關(guān)閉自己這端的套接字之前，它一直可以繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序很少使用這種半關(guān)閉狀態(tài)，因此 SCTP 的設(shè)計者就選擇放棄這種狀態(tài)，并將其替換成了一個顯式的終結(jié)序列。當一端關(guān)閉自己的套接字時（導(dǎo)致產(chǎn)生一個 SHUTDOWN原語），對等的兩端全部需要關(guān)閉，將來任何一端都不允許再進行數(shù)據(jù)的移動了。

多流的展示

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了 SCTP 的基本特性了，接下來讓我們來看一下使用 C 編程語言編寫的一個樣例服務(wù)器和客戶機，并展示 SCTP 的多流特性。

這個例子開發(fā)了一個服務(wù)器，它實現(xiàn)了一種形式的日期查詢協(xié)議。這個傳統(tǒng)的服務(wù)器會在連接上來的客戶機上打印當前時間，但是對于 SCTP 來說，我們會在流 0 上打印本地時間，在流 1 上打印格林威治時間（GMT）。這個例子讓我們可以展示如何使用這些 API 來開發(fā)流通信。

圖 7 對整個過程進行了歸納，它不但從套接字 API 的角度展示了應(yīng)用程序的流程，而且還從客戶機和服務(wù)器的角度介紹了它們之間的關(guān)系。

這些應(yīng)用程序是在 GNU/Linux 操作系統(tǒng)上開發(fā)的，其內(nèi)核版本是 2.6.11，并且包含了 Linux Kernel SCTP 項目（lksctp）。其中非標準的 socket 函數(shù)是在 lksctp 工具包中提供的，這個工具包可以從 SourceForge 上獲得。請參看 參考資料 中的鏈接。

daytime 服務(wù)器

清單 1 給出了這個多流 daytime 服務(wù)器的代碼。為了可讀性更好，我們在清單 1 中忽略了所有的錯誤檢查，但是 這些展示錯誤檢查機制的代碼 與其他 SCTP 套接字擴展一樣都可以通過給出的鏈接下載到。

int main()
{
  int listenSock, connSock, ret;
  struct sockaddr_in servaddr;
  char buffer[MAX_BUFFER+1];
  time_t currentTime;
  /* Create SCTP TCP-Style Socket */
  listenSock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_SCTP );
  /* Accept connections from any interface */
  bzero( (void *)&servaddr, sizeof(servaddr) );
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY );
  servaddr.sin_port = htons(MY_PORT_NUM);
  /* Bind to the wildcard address (all) and MY_PORT_NUM */
  ret = bind( listenSock,
               (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr) );
  /* Place the server socket into the listening state */
  listen( listenSock, 5 );
  /* Server loop... */
  while( 1 ) {
    /* Await a new client connection */
    connSock = accept( listenSock,
                        (struct sockaddr *)NULL, (int *)NULL );
    /* New client socket has connected */
    /* Grab the current time */
    currentTime = time(NULL);
    /* Send local time on stream 0 (local time stream) */
    snprintf( buffer, MAX_BUFFER, "%s\n", ctime(&currentTime) );
    ret = sctp_sendmsg( connSock,
                          (void *)buffer, (size_t)strlen(buffer),
                          NULL, 0, 0, 0, LOCALTIME_STREAM, 0, 0 );
    /* Send GMT on stream 1 (GMT stream) */
    snprintf( buffer, MAX_BUFFER, "%s\n",
               asctime( gmtime( &currentTime ) ) );
    ret = sctp_sendmsg( connSock,
                          (void *)buffer, (size_t)strlen(buffer),
                          NULL, 0, 0, 0, GMT_STREAM, 0, 0 );
    /* Close the client connection */
    close( connSock );
  }
  return 0;
}

清單 1 中的服務(wù)器首先創(chuàng)建服務(wù)器的套接字（使用 IPPROTO_SCTP 來創(chuàng)建一個 SCTP 的一對一的套接字）。然后創(chuàng)建一個 sockaddr 結(jié)構(gòu)，指定這個連接可以從任何本地接口上創(chuàng)建（使用通配符地址 INADDR_ANY）。我們使用 bind 調(diào)用將這個 sockaddr 結(jié)構(gòu)綁定到 socket 上，然后將服務(wù)器套接字設(shè)置成監(jiān)聽狀態(tài)。現(xiàn)在就可以接收到達的連接了。

注意 SCTP 使用了很多與 TCP 和 UDP 相同的套接字 API。在 lksctp 開發(fā)工具中還提供了其他一些 API 函數(shù)（請參看 參考資料）。

在服務(wù)器的循環(huán)中，一直等待新客戶機的連接請求。在從 accept 函數(shù)返回時，會使用 connSock socket 標識新客戶機的連接。我們使用 time 函數(shù)來獲取當前時間，然后使用 snprintf 將其轉(zhuǎn)換成字符串。使用 sctp_sendmsg 函數(shù)（一個非標準的 socket 調(diào)用），可以通過指定特定的流程（LOCALTIME_STREAM，將這個字符串發(fā)送給客戶機。當發(fā)送本地時間字符串之后，我們將使用 GMT 表示的當前時間轉(zhuǎn)換成一個字符串，然后將其發(fā)送到流 GMT_STREAM 上。

現(xiàn)在，日期查詢服務(wù)器已經(jīng)完成了自己的職責(zé)，因此我們就可以關(guān)閉這個 socket，然后等待一個新的客戶機連接。一切都非常簡單，對嗎？現(xiàn)在讓我們來看一下日期查詢客戶機是如何處理多流的。

日期查詢客戶機

多流客戶機如清單 2 所示。

int main()
{
  int connSock, in, i, flags;
  struct sockaddr_in servaddr;
  struct sctp_sndrcvinfo sndrcvinfo;
  struct sctp_event_subscribe events;
  char buffer[MAX_BUFFER+1];
  /* Create an SCTP TCP-Style Socket */
  connSock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_SCTP );
  /* Specify the peer endpoint to which we'll connect */
  bzero( (void *)&servaddr, sizeof(servaddr) );
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_port = htons(MY_PORT_NUM);
  servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr( "127.0.0.1" );
  /* Connect to the server */
  connect( connSock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr) );
  /* Enable receipt of SCTP Snd/Rcv Data via sctp_recvmsg */
  memset( (void *)&events, 0, sizeof(events) );
  events.sctp_data_io_event = 1;
  setsockopt( connSock, SOL_SCTP, SCTP_EVENTS,
               (const void *)&events, sizeof(events) );
  /* Expect two messages from the peer */
  for (i = 0 ; i < 2 ; i++) {
    in = sctp_recvmsg( connSock, (void *)buffer, sizeof(buffer),
                        (struct sockaddr *)NULL, 0,
                        &sndrcvinfo, &flags );
    /* Null terminate the incoming string */
    buffer[in] = 0;
    if        (sndrcvinfo.sinfo_stream == LOCALTIME_STREAM) {
      printf("(Local) %s\n", buffer);
    } else if (sndrcvinfo.sinfo_stream == GMT_STREAM) {
      printf("(GMT  ) %s\n", buffer);
    }
  }
  /* Close our socket and exit */
  close(connSock);
  return 0;
}

在客戶機中，我們首先創(chuàng)建了一個 SCTP 套接字，然后創(chuàng)建了一個 sockaddr 結(jié)構(gòu)，其中包含了將要連接的端點。connect 函數(shù)然后建立一個到服務(wù)器的連接。要獲取消息的流編號，SCTP 需要啟用套接字選項 sctp_data_io_event。

通過啟用這個選項，我們就可以通過 sctp_recvmsg API 函數(shù)接收一條消息，我們還接收到一個包含流編號的 sctp_sndrcvinfo 結(jié)構(gòu)。這個編號讓我們可以區(qū)分開流 0（本地時間）和流 1（GMT）的消息。

SCTP 的未來發(fā)展

SCTP 是一個相當新的協(xié)議，它在 2000 年 10 月份才成為一個 RFC 規(guī)范。從那以后，它開始進入所有的主流操作系統(tǒng)，包括 GNU/Linux、BSD 和 Solaris。在 Microsoft® Windows® 操作系統(tǒng)上也有第三方的商業(yè)包可以使用。

在獲得高可用性的同時，應(yīng)用程序也已經(jīng)開始使用 SCTP 作為自己的主要傳輸機制。諸如 FTP 和 HTTP 之類的傳統(tǒng)應(yīng)用程序已經(jīng)在 SCTP 的特性基礎(chǔ)上進行了構(gòu)建。其他一些協(xié)議也正在開始使用 SCTP，例如會話初始化協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）和通用通道信號系統(tǒng) 7（SS7）。在商業(yè)領(lǐng)域中，您可以在 Cisco 的 IOS 中找到 SCTP 的影子。

隨著 SCTP 被吸納到 2.6 版本的 Linux 內(nèi)核中，現(xiàn)在我們可以構(gòu)建并部署高可用性、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。作為一種基于 IP 的協(xié)議，SCTP 不但可以無縫地替換 TCP 和 UDP，而且擴展了很多新服務(wù)，例如多宿主、多流，并且對安全性也有了很大的提高。現(xiàn)在您已經(jīng)了解了 SCTP 的一些高級特性，并且探索了它的一些其他功能。Linux Kernel SCTP 項目（lksctp）提供了可以為您提供輔助的 API 擴展和文檔。

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關(guān)于下載方法的信息

參考資料

學(xué)習(xí)

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點上的 英文原文。
  
  
• RFC 3286 是 SCTP 協(xié)議的簡介。 
  
  
• 請參閱 Stream Control Transmission Protocol (SCTP): A Reference Guide（Addison-Wesley，2002 年），本指南是由該協(xié)議的創(chuàng)建者 Randall Stewart 和 Qiaobing Xie 撰寫的。 
  
  
• University of Delaware 的研究者正在研究 其他傳輸層協(xié)議，例如 SCTP。 
  
  
• RFC 2960 是 SCTP 的 Internet 標準。 
  
  
• 文章 “內(nèi)核比較: 2.6 內(nèi)核中網(wǎng)絡(luò)的改進”（developerWorks，2004 年 3 月）介紹了很多網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的改進，內(nèi)容從隧道和更好地實現(xiàn)文件的安全性一直到加密和私密性保護。 
  
  
• 教程 “Linux Socket 編程，第二部分 ”（developerWorks，2004 年 1 月）著重介紹了 UDP 的內(nèi)容，并展示了如何使用 C 和 Python 來編寫 UDP 套接字應(yīng)用程序（不過這些代碼也可以轉(zhuǎn)換成其他語言）。 
  
  
• 在 developerWorks Linux 專區(qū) 中可以找到為 Linux 開發(fā)人員準備的更多資源。 
  
  
• 跟蹤 developerWorks 技術(shù)事件和 Webcasts 的最新進展。 
  
  

獲得產(chǎn)品和技術(shù)

• 從 SourceForge 上的 Linux Kernel SCTP Project 主頁 中，可以獲得更多信息，還可以下載到最新版本的 SCTP。 
  
  
• 在 The Linux Kernel Archives 上，可以找到最新的 Linux 內(nèi)核。 
  
  
• 訂購免費的 SEK for Linux，這有兩張 DVD，包括最新的 IBM for Linux 的試用軟件，包括 DB2®、Lotus®、Rational®、Tivoli® 和 WebSphere®。 
  
  
• 在您的下一個開發(fā)項目中采用 IBM 試用軟件，這可以從 developerWorks 上直接下載。
  
  
  

討論

• 通過參與 developerWorks blogs 加入 developerWorks 社區(qū)。
  
  
  

關(guān)于作者

M. Tim Jones 是一名嵌入式軟件工程師，他是 GNU/Linux Application Programming、AI Application Programming和 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等書的作者。他的工程背景非常廣泛，從同步宇宙飛船的內(nèi)核開發(fā)到嵌入式架構(gòu)設(shè)計，再到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)。Tim 是 Emulex Corp. 的一名資深軟件工程師。