MPTCP 理解

背景

     随着技术的发展许多设备具有了多个网络接口，而TCP依然是一个单线路的协议，在TCP的通信过程中发端和收端都

不能随意变换地址。我们可以利用多个网络接口的这一特性来改善性能和有效冗余。例如：你的手机同时连接

WIFI信号和3G信号的时候，如果WIFI关掉，使用WIFI进行的TCP连接就会断开，而不能有效利用3G网络继续收发数据。

而Multipath TCP可以在一条TCP链接中包含多条路径，避免上述问题出现。

 

MPTCP简介

     MPTCP允许在一条TCP链路中建立多个子通道。当一条通道按照三次握手的方式建立起来后，可以按照三次握手的

方式建立其他的子通道，这些通道以三次握手建立连接和四次握手解除连接。这些通道都会绑定于MPTCP session，

发送端的数据可以选择其中一条通道进行传输。

 

MPTCP的设计遵守以下两个原则：

1.应用程序的兼容性，应用程序只要可以运行在TCP环境下，就可以在没有任何修改的情况下，运行于MPTCP环境。

2.网络的兼容性，MPTCP兼容其他协议。

 

MPTCP在协议栈中的位置如下所示：

 

 

 

建立连接过程 

 

　　如上图所示：MPTCP的第一个子通道的建立遵守TCP的三次握手，唯一的区别是每次发送的

报文段需要添加MP_CAPABLE的的TCP选项和一个安全用途的key。而下图是建立其他的子通道：

 

　　如上图所示：第二条子通道的建立依然遵守TCP的三次握手，而TCP选项换成了MP_JOIN。

而token是基于key的一个hash值，rand为一个随机数，而HMAC是基于rand的一个hash值。

 

数据的发送和接收

     MPTCP可以选择多条子通道中任意一条来发送数据。MPTCP如果使用传统的TCP的方式

来发送数据，将会出现一部分包在一条子通道，而另一部分包在另外一条子通道。这样的话，防火墙等

中间设备将会收到TCP的序号跳跃的包，因此将会发生丢包等异常情况。为了解决这个问题，MPTCP通过

增加DSN(data sequence number)来管理包的发送，DSN统计总的报文段序号，而每个子通道中的

序号始终是连续。

     MPTCP的接收包过程分为两个阶段：第一、每个子通道依据自身序号来重组报文段；第二、MPTCP

的控制模块依据DSN对所有子通道的报文段进行重组。

 

拥塞控制 

     MPTCP中拥塞控制的设计需遵守以下两个原则：

第一：MPTCP和传统TCP应该拥有相同的吞吐量，而不是MPTCP中每一条子通道和传统TCP具有相同的吞吐量。

第二：MPTCP在选择子通道的时候应该选择拥塞情况更好的子通道。

 

MPTCP的实现

MPTCP的实现主要分为三部分：

1. master subsocket 
2. Multi-path control bock(mpcb)
3. slave subsocket

 

master subsock是一个标准的sock结构体用于TCP通信。mpcb提供开启或关闭子通道、

选择发送数据的子通道以及重组报文段的功能。slave subsocket对应用程序并不可见，他们

都是被mpcb管理并用于发送数据。 

 

应用：

MPTCP的作用除了体现在移动设备领域，还可以用于数据中心。

比如EC2就会让两个终端间冗余有多条路径，论文《An overview of Multipath TCP》中对此进行了

实验，作者租借40台机器安装MPTCP的内核然后实验，其效果如下：

 

参考文献：

http://queue.acm.org/detail.cfm?id=2591369

An overview of Multipath TCP - O. Bonaventure, M. Handley and C. Raiciu. USENIX login; , October 2012.

MultiPath TCP: From Theory to Practice - S. Barré, C. Paasch and O. Bonaventure. IFIP Networking, 2011