SCTP：让“可靠”变得“更快更安全”的数据传输协议

Part1：什么是SCTP?

SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控传输协议）的出现，并不是万丈高楼平地起，而是站在TCP这个巨人肩膀上，让数据传输从“可靠”变得“更快更安全”。

假设有2个主机（Host）之间想要通过IP通信，SCTP在TCP的基础上，进行了下面的一系列改造：

端点

端点位于主机上，是一个逻辑实体。简单来说，2个主机之间进行数据传输的话，端点可以看作是“起点”和“终点”。

1个主机可以有多个IP地址和多个开放端口，IP地址+端口号的组合，称为传送地址。

一个传送地址，例如：100.100.10.1:1000，可以唯一标识一个端点。一个端点，可以拥有多个不同的传送地址。例如：端点A可以使用的传送地址包括100.100.10.1:1000、100.100.10.2:1000、100.100.10.1:1001。端点B可以使用的传送地址包括200.200.20.1:2000、200.200.20.2:2000。那么端点A可以使用传送地址100.100.10.1:1000、100.100.10.2:1000，与端点B进行数据传输。

细心的粉丝应该也发现了，对于同1个目的端点，起始端点的多个传送地址之间，端口号可以相同，IP地址必须不相同。

如果将网络世界比作是海洋，主机可以看做是港口，端点就是港口中专营数据进出口的商家，传送地址就是港口中的一个个码头，海量的数据通过码头完成了装载出发和到达卸载。

偶联（Association）

2个端点之间，通过四步握手机制建立的逻辑联系或者通道，叫做偶联。

SCTP规定：在任何时刻的2个端点之间，最多只能建立1个偶联。

港口A中的本端端点（商家A），要想与港口B中的对端端点（商家B）进行数据传输，必须握手四次，成功达成共识，相当于签订了一个进行数据传输的合同。

只有成功建立偶联（签订合同）后，2个端点之间才可以进行数据的传输。

流（Stream）

流是SCTP协议中的一个特殊术语，主要用来指明数据的序列：1个流中包含了多个消息，而且消息之间是有先后顺序的。

在1个偶联中，包含了多个流，每个流，都是从1个端点到另外1个端点的单向逻辑通道。

每个流都有自己专属的流ID，不同流之间是相互独立的，每个流可以单独发送数据而不受其他流的影响。

数据是如何从一个码头传输到另外一个码头的？

TCP和SCTP各有自己的方式：SCTP采用了流，流中的数据是以块为基本单位；TCP采用了包，包中的数据以字节为基本单位。

相当于TCP在传输数据的时候，一艘货船上只装载1件货物。而STCP在传输数据的时候，将多件货物打包成集装箱，一艘货船上可以装载N多个集装箱，而且集装箱之间是有编号的，是顺序排列的。

通路（Path）

通路是在一个偶联中，数据在传输过程中所经过的路径。这个路径，是可以多条的。通路的数量，取决于一个偶联中的起始端点、目的端点中使用的传送地址的数量。简单来说，本端端点（商家A）拥有2个码头，对端端点（商家B）也拥有2个码头，那数据要装船启航，就有4条不同的航线可以选择。

Path0：本端传送地址1（100.100.10.1:1000）发送SCTP分组到对端传送地址1（200.200.20.1:2000）。
Path1：本端传送地址2（100.100.10.2:1000）发送SCTP分组到对端传送地址1（200.200.20.1:2000）。
Path2：本端传送地址1（100.100.10.1:1000）发送SCTP分组到对端传送地址2（200.200.20.2:2000）。
Path3：本端传送地址2（100.100.10.2:1000）发送SCTP分组到对端传送地址2（200.200.20.2:2000）。

一般情况下，两个端点之间会选择一条航线，作为首选通路。一旦首选通路出现故障，SCTP可以将航线自动切换到其他备用的通路上。

Part2 SCTP如何加快数据传输?

在上述改进的基础上，SCTP的数据传输效率有了飞跃。SCTP的基本工作步骤如下：

建立偶联：握手四次，成功达成共识。
打开数据流：在建立偶联后，发送OPEN消息来打开1个新的数据流。OPEN消息中包含了流的ID、优先级和其他参数。
发送数据：一旦数据流打开，就可以在这个流上发送数据，通过发送USER消息来完成。USER消息中包含了流ID和要发送的数据。
关闭数据流：数据都已经传输完毕，发送1个CLOSE消息来关闭数据流。CLOSE消息中包含了流ID和其他参数。
关闭偶联：发送1个SHUTDOWN消息来关闭偶联。SHUTDOWN消息中包含了关闭连接的原因和其他参数。

在发送数据的环节上，SCTP拥有一些独特的办法：

首先，SCTP是面向消息的传输，将上层应用传递下来的用户数据以消息的形式传输，SCTP提供消息的拆分、绑定、重组功能。在传输侧，将用户数据装入一个集装箱，这个集装箱叫做SCTP分组。每个SCTP分组包括一个公共头和多个块，块分为控制块和数据块，控制块用于SCTP的连接控制，包括连接的建立、关闭、传输路径的维护等；数据块包含了应用层的用户数据。

而且如果某个用户数据的长度很短，装在一个集装箱内会很浪费空间。SCTP可以将多个用户数据绑定在一起，装在同一个集装箱的数据块中，大大提高了利用率。在接收侧，SCTP将一个集装箱的内用户数据，重新组装成完整的用户数据，传递给上层应用。
其次，SCTP支持多路复用，即允许在1个偶联中发送多个流。每个流，都是一艘艘装载满数据的货船，每个货船都有自己独特的ID，相互之间互不影响。

Part3：SCTP如何让数据传输更安全?

SCTP在以下几个方面，对数据传输的安全性、稳定性进行了有效的保障。

只是因为建立连接时，多握了一次手

SCTP的四次握手流程如下：

本端端点（商家A）发送INIT消息到对端端点（商家B），向对端端点（商家B）通知本端端点（商家A）的接收窗口大小、地址列表、初始标记及发送的第一个DATA包的发送序号。
对端端点（商家B）收到INIT消息后，回送INIT ACK消息给本端端点。INIT ACK消息中除了携带着与INIT消息相同的自己的连接信息外，还携带有状态的COOKIE信息。
本端端点（商家A）收到INIT ACK消息后。利用消息中的STATE COOKIE生成COOKIE ECHO消息，将COOKIE ECHO消息发到对端端点（商家B），告诉对端端点（商家B）已收到消息。
对端端点（商家B）在收到合法的COOKIE ECHO后，开始进行创建连接TCB（传输控制块）和申请资源的工作，发送COOKIE ACK消息给本端端点，并进入ESTABLISH状态。对端端点（商家B）在收到COOKIE ACK后，状态变为ESTABLISH，至此完成连接建立工作。

与TCP的三次握手流程对比，SCTP在第2步和第3步中使用了COOKIE ECHO和INIT ACK消息，这2个消息都包含了对端端点（商家B）的参数信息和Cookie值。这些参数信息和Cookie值用于验证对端端点（商家B）的身份，保证连接的安全性。还因为在传输数据时，多了身份的认证。SCTP提供了无差错的传输服务，靠的是在集装箱公共分组头里面，包含了一个验证标签（VerificATIon Tag）和一个可选的32位校验码（Checksum）。

验证标签的值，在建立偶联（签订合同）时，由本端端点（商家A）和对端端点（商家B）共同设置的。如果收到的集装箱公共分组头中如果没有期望的验证标签值，对端端点（商家B）会认为这个集装箱是危险的或者无效的，将丢弃这个集装箱。
集装箱中的校验码，是通过ADLER-32算法在数据块的基础上计算出来的32位字符串。本端端点（商家A）把计算后的校验码放在集装箱中，是为了给数据块的一个额外保护，用来避免由网络造成的数据差错。对端端点（商家B）收到集装箱，也通过ADLER-32算法在数据块基础上计算出来1个校验码，如果和集装箱里已有的32位校验码一致，说明数据块是没有差错的。如果两个校验码不一致，说明数据块出错了，对端端点（商家B）也会丢弃这个集装箱。

也因为在通路空闲时，多了心跳的检测。

SCTP通过心跳检测功能，定期检查连接的健康状况，从而及时发现和修复连接问题。

当某条通路空闲时，本端端点（商家A）会要求SCTP生成相应的心跳消息，并通过该通路发送到对端端点（商家B），而对端端点（商家B）必须立即发回对应的心跳确认消息。

通过这样的方式，SCTP精确测量回路时延RTT（Round Trip Time），达到监控偶联的可用情况和保持SCTP 偶联的激活状态的目的。

Part4：SCTP的发展趋势如何?

前面讲过，SCTP是在TCP的基础上进行了一些改进。

这是因为TCP在处理多媒体应用时，存在拥塞控制问题和可靠传输问题。

所以早在1990年代中期，人们就开始研究SCTP协议，并先后发布了多个版本。

每个新版本，都是对前一个版本的改进，并在2000 年成为 RFC 2960，相关的RFC 3286是介绍性的文档、RFC 4960（2007）是RFC 2960的替代协议。

为了适应不断发展变化的网络标准，SCTP也在不断进化，比如：增加了端到端的认证功能、改进了心跳机制，优化了调度算法。

TCP/UDP有其先发优势，已经广泛应用在网络的各种场景中。

SCTP作为后来者，目前的应用范围有限，却也在越来越多的场景中得到应用，比如：多媒体会议、视频会议。

Part5：今天大家学到了什么?

文档君为大家总结了一下，你学会了吗？

站在TCP的肩膀上，SCTP有一些自己的特点，比如：端点、偶联、流、通路。
消息传输、多路复用，让数据传输更加有效率。
多一次握手，验证标签和验证码，检测心跳，SCTP就想给数据一些稳稳的安全感。
一项技术都是早早出现、慢慢改进、逐步应用，需要经过时间的检验。

作者：中兴文档
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/mMhuxq9T_oL_ipccHRAPQQ