SCTP协议详解与实例

Posted 2020-07-02 Shreck66

1.SCTP是什么？

只要是接触过编程的人，当你问他传输层都有哪些协议？我想几乎很多人会说TCP，IP协议而很少有人知道SCTP(流控制传输协议)这个和上述俩个协议具有相同地位的协议。
SCTP提供的服务与TCP，UDP类似，或者甚至可以理解为其是TCP与UDP协议各自优点的组合后的产物。

2.SCTP的特点

(1)SCTP连接的建立

SCTP协议建立连接可调用

int sctp_connectx(int sd, struct sockaddr *addrs, int addrcnt);
//或者直接发送消息就可建立连接
int sctp_sendmsg(int s, const void *msg, size_t len, struct sockaddr *to,
         socklen_t tolen, uint32_t ppid, uint32_t flags,
         uint16_t stream_no, uint32_t timetolive, uint32_t context);

介绍完建立连接的接口，那么就来谈谈其连接建立的具体过程，废话不多说，先给出其建立连接过程的示意图

SCTP连接建立的过程如上图所示：

(1)客户端给服务器发送一个INIT初始化消息，消息中包含有客户端要告诉服务器自己的IP地址的清单，初始化列号(可以和TCP初始化序列一样来理解)，用于表示本关联中的所有分组的其实标志，客户请求以及能够支持流的数目等
(2)服务器给客户端回一个INIT ACK来确认刚收到的消息，并且还有和刚才客户端给服务器发的所有种类的服务器自己的信息，除此之外还会还有一个状态cookie
(3)客户端收到状态cookie之后，给服务器回一个COOKIE ECHO 并且此时还可以在此数据包中包含用户数据
(4)服务器收到客户端给其发的COOKIE ECHO之后在给其发个COOKIE ACK 此时同样也可以携带数据

至此一个SCTP关联就建立成功

(2)SCTP断开连接

SCTP断开连接和TCP的接口相同都是调用shutdown()，但是语义却不同其how参数对SCTP来说都是读写都禁掉
其具体流程如下图

SCTP不像TCP那样允许”半关闭的关联”。当一端关闭某个关联时，另一段必须停止发送数据。

(3)多宿主

TCP为客户与服务器之间提供连接，从而可以使双方安全的传送数据，而SCTP将连接改为了”关联”。

要解释清楚为什么SCTP将TCP的连接改为”关联”我打算从他们的bind(绑定接口)来说明原因，先以服务器调用bind为例，
TCP的bind接口如下

int bind(int sockfd,const struct sockaddr *my_addr,socklen_t addrlen);

SCTP的bind接口如下

int sctp_bindx(int sockfd, struct sockaddr *my_addrs, int addrcnt, int flags);

上面给出了TCP和STCP对应的绑定套接字的接口，我们逐一的对比其参数
(1)首先二者的第一个参数sockfd含义相同，都是指待绑定的套接字
(2)bind中的参数my_addr指的是要把哪个插座(IP地址和端口号)绑定到sockfd上，这相当与给了sockfd一个身份，之后网络中就可以唯一的标识该sockfd了，而sctp_bindx中对应位置的参数名变为my_addrs，细心的读者会发现这个参数变为了复数了。没错该参数并不是单一的某个sockaddr结构体的地址，而是sockaddr结构体数组的首地址，参数addrcnt表示该数组中元素的个数。既然相比TCP的bind接口，此处为多个地址，我们也不难理解sctp_bindx所做的工作是将这些地址都绑定到sockfd上。这样其和TCP的第一个不同点就出来了。即TCP的bind之后的socket只有一个身份(只绑定了一个地址)，而SCTP　bind之后socket有多个身份(绑定了多个地址)。关于flags参数我们之后在补充

上述中我们的俩种协议的服务器调用bind接口有所区别，那么SCTP其对应的客户端建立连接时调用的connect接口也类似稍有不同
sctpconnect接口

int sctp_connectx(int sd, struct sockaddr *addrs, int addrcnt);

可以看出SCTP在建立连接时addrs也为一个sockaddr结构体数组

那么SCTP相较TCP的绑定端口和连接时使用了地址数组有什么用意呢？没错这就是我们这里最终想要说明的其多宿主的特性。服务器调用多个地址来标识自己，客户端可以和每一个地址建立一个路径。这样当客户端的哪条路劲失效时，可以自动切换到另一条路径上，应用程序甚至都不必知道发生了故障，这样是不是比起TCP的单一路径安全保障性更好一点呢？

(4)多流解决头端阻塞

还是与TCP做比较，TCP虽然是个全双工协议，但是其读写方向各自只有一个流。一个流很多情况下会发生头端阻塞，其大概意思如下图

如上图所示，因为TCP每一个方向上只有一个流，那么当该流中的某个部分的报文丢失之后，其后的所有报文都只能等待丢失部分重传之后，并在重新排序之后方可被送入应用的接受缓冲区。这种协议设定对发送数据有严格顺序要求时还可以接受，但如果对发送数据没有这么强的顺序限制时就显的不那么友好了。
一个具体的场景

当我们的一个web页面要展示好多张图片时，就像上图所示。在这种情况下其实图片１到４之间到达的先后顺序是完全不影响的。此时如果你用TCP这种单项流协议，那么图片一有数据丢失，导致你因此也看不了其实已经发来的图二到图４。如果你改用SCTP这种支持多流的协议，那么你的每张图片发送都使用不同的流号，到时候，当图一对应流号的数据有丢失，那么只有这一个流会等待重传，其他几张图片都不会被其影响，这样我们就可以先看到图２到图４了，完全不受图１丢失的影响。不知道读者此时会不会感觉出来点多流在此种场景下的巨大优势

(5) 面向消息

SCTP是面向消息的协议，不像TCP那样没有包的概念，也意味着消息没有边界，边界只能由应用层来设计和划分，而SCTP一个包就是一个消息，这就大大降低了编程者的难度。其次它的发送接受接口还可以传递消息类型，接口具体如下

int sctp_sendmsg(int s, const void *msg, size_t len, struct sockaddr *to,
         socklen_t tolen, uint32_t ppid, uint32_t flags,
         uint16_t stream_no, uint32_t timetolive, uint32_t context);

上述的发送接口中flags参数就是用来标识消息类型的参数。通过这样直接获取消息类型由可以减少我们不必要的拆包操作，真的是方便之极

(6)一到多特性

SCTP的一到多特性其实和UDP的套接字一样，都能通过一个套接字接受多个消息，这意味着程序员可以不用向TCP那样管理大量的套接字了

3.SCTP常用接口

一下接口我们都是针对一到多形式的SCTP

(1)sctp_bindx端口绑定

该接口用来命名一个套接字

int sctp_bindx(int sd, struct sockaddr *addrs, int addrcnt, int flags);
//成功返回０，出错返回１

该接口用来给sd绑定一组地址，或从addrs地址组中添加，删除某个地址。具体操作由flags来控制，由于之前我们以介绍过其他参数，这里值介绍flags

flags	说明
SCTP_BINDX_ADD_ADDR	往套接字里添加地址
SCTP_BINDX_REM_ADDR	从套接字中删除地址

(2)sctp_connectx函数

该接口用于与服务器建立连接

int sctp_connectx(int sd, struct sockaddr *addrs, int addrcnt);

参数含义上文有介绍这里不在赘余

(3)sctp_sendmsg

如果之前没有调用sctp_connectx那么第一次调用该接口既负责建立连接也负责发送数据

int sctp_sendmsg(int s, const void *msg, size_t len, struct sockaddr *to,
         socklen_t tolen, uint32_t ppid, uint32_t flags,
         uint16_t stream_no, uint32_t timetolive, uint32_t context);

前5个参数与UDP的sendto参数含义相同，我们在此只讨论后４个

ppid参数指定将随数据块传递的净荷协议
flags参数标识消息类型
stream_no参数标识具体的流号
timetolive指定消息的生命期
context保存消息传输过程中可能产生的上下文

(4)sctp_recvmsg

该接口负责接受数据

int sctp_recvmsg(int s, void *msg, size_t len, struct sockaddr *from,
         socklen_t *fromlen, struct sctp_sndrcvinfo *sinfo,
         int *msg_flags);

由于前５个参数与UDP的recvfrom相同，在此我们同样也只讨论后几个参数

sinfo保存了消息相关的细节
msg_flags和sctp_sendmsg中的flags相对应

4.SCTP实例代码

下面是用SCTP的一到多实现的一个回显服务器

server.h

#pragma once

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/sctp.h>

#define SERVER_PORT 6666
#define BUFFER_SIZE 1024
#define LISTEN_QUEUE 100

class SctpServer
{
    public:
        SctpServer();
        void start(void);
    private:
        //开启监听socket
        void listenSocket(void);
        //循环处理请求
        void loop(void);

        int sockFd_;                            //用来接受的套接字
        int messageFlags_;                      //消息类型
        char readBuf_[BUFFER_SIZE];             //接受缓冲区
        struct sockaddr_in clientAddr_;         //用来保存客户端地址
        struct sockaddr_in serverAddr_;         //用来保存服务端地址
        struct sctp_sndrcvinfo sri_;            //消息相关细节信息
        struct sctp_event_subscribe events_;    //事件集
        int streamIncrement_;                   //流号
        socklen_t len_;                         //地址长度
        size_t readSize_;                       //读到的大小
};

server.cpp

#include "server.h"
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

SctpServer::SctpServer()
    :streamIncrement_(1)
{

}

void SctpServer::listenSocket(void)
{
    //创建SCTP套接字
    sockFd_ = socket(AF_INET,SOCK_SEQPACKET,IPPROTO_SCTP);
    bzero(&serverAddr_,sizeof(serverAddr_));
    serverAddr_.sin_family = AF_INET;
    serverAddr_.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serverAddr_.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&serverAddr_.sin_addr);   

    //地址绑定
    bind(sockFd_,(struct sockaddr *)&serverAddr_,sizeof(serverAddr_));

    //设置SCTP通知事件(此处只设置了I/O通知事件)
    bzero(&events_,sizeof(events_));
    events_.sctp_data_io_event = 1;
    setsockopt(sockFd_,IPPROTO_SCTP,SCTP_EVENTS,&events_,sizeof(events_));

    //开始监听
    listen(sockFd_,LISTEN_QUEUE);
}

void SctpServer::loop(void)
{
    while(true)
    {
        len_ = sizeof(struct sockaddr_in);
        //从socket读取内容
        readSize_ = sctp_recvmsg(sockFd_,readBuf_,BUFFER_SIZE,
                                 (struct sockaddr *)&clientAddr_,&len_,&sri_,&messageFlags_);
        //增长消息流号
        if(streamIncrement_)
        {
            sri_.sinfo_stream++;
        }
        sctp_sendmsg(sockFd_,readBuf_,readSize_,
                     (struct sockaddr *)&clientAddr_,len_,
                      sri_.sinfo_ppid,sri_.sinfo_flags,sri_.sinfo_stream,0,0);
    }
}

void SctpServer::start(void)
{
    listenSocket();
    loop();
}

main.cpp

#include "server.h"

int main(int argc,char **argv)
{
  SctpServer server;
  server.start();
  return 0;
}

client.h

#pragma once

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/sctp.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_PORT 6666
#define MAXLINE     1024

void sctpstr_cli(FILE *fp,int sock_fd,struct sockaddr *to,socklen_t tolen);

class SctpClient
{
    public:
        SctpClient():echoToAll_(0)
        {

        }
        ~SctpClient()
        {
            close(sockFd_);
        }
        //启动客户端
        void start(void)
        {
            makeSocket();
        }

    private:

        void makeSocket(void)
        {
            sockFd_ = socket(AF_INET,SOCK_SEQPACKET,IPPROTO_SCTP);
            bzero(&serverAddr_,sizeof(serverAddr_));
            serverAddr_.sin_family = AF_INET;
            serverAddr_.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
            serverAddr_.sin_port = htons(SERVER_PORT);
            inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&serverAddr_.sin_addr);

            bzero(&events_,sizeof(events_));
            events_.sctp_data_io_event = 1;
            setsockopt(sockFd_,IPPROTO_SCTP,SCTP_EVENTS,&events_,sizeof(events_));
            if(echoToAll_ == 0)
            {
                sctpstr_cli(stdin,sockFd_,(struct sockaddr *)&serverAddr_,sizeof(serverAddr_));
            }
        }

        int sockFd_;
        struct sockaddr_in serverAddr_;
        struct sctp_event_subscribe events_;
        int echoToAll_;
};

//循环发送并接受消息
void sctpstr_cli(FILE *fp,int sock_fd,struct sockaddr *to,socklen_t tolen)
{
    struct sockaddr_in peeraddr;
    struct sctp_sndrcvinfo sri;
    char sendline[MAXLINE];
    char recvline[MAXLINE];
    socklen_t len;
    int out_sz,rd_sz;
    int msg_flags;

    bzero(&sri,sizeof(sri));
    while(fgets(sendline,MAXLINE,fp) != NULL)
    {
        if(sendline[0] != ‘[‘)
        {
            printf("ERROR\n");
            continue;
        }
        sri.sinfo_stream = sendline[1] - ‘0‘;
        out_sz = strlen(sendline);

        //发送消息
        int count = sctp_sendmsg(sock_fd,sendline,out_sz,to,tolen,0,0,sri.sinfo_stream,0,0);
        len = sizeof(peeraddr);
        rd_sz = sctp_recvmsg(sock_fd,recvline,sizeof(recvline),
                             (struct sockaddr *)&peeraddr,&len,&sri,&msg_flags);
        printf("From str:%d seq:%d (assoc:0x%x):",
                sri.sinfo_stream,sri.sinfo_ssn,(u_int)sri.sinfo_assoc_id);
        printf("%d  %s\n",rd_sz,recvline);
    }
}

client.cpp

#include "client.h"

int main(int argc,char **argv)
{
  SctpClient client;
  client.start();
  return 0;
}