多路徑 TCP (MPTCP)

簡介

多路徑 TCP 或 MPTCP 是標準 TCP 的擴充套件，在 RFC 8684 (MPTCPv1) 中有所描述。它允許裝置同時使用多個介面，透過單個 MPTCP 連線傳送和接收 TCP 資料包。MPTCP 可以聚合多個介面的頻寬，或優先選擇延遲最低的介面。如果其中一條路徑出現故障，它還允許故障轉移，流量將無縫地重新注入到其他路徑上。

有關 Linux 核心中多路徑 TCP 的更多詳細資訊，請參閱官方網站：mptcp.dev。

用例

得益於 MPTCP，能夠並行或同時使用多條路徑帶來了與 TCP 相比的新用例

  • 無縫切換：在保留已建立連線的同時從一條路徑切換到另一條路徑，例如用於移動性用例，如智慧手機。

  • 最佳網路選擇：根據某些條件（例如延遲、丟包、成本、頻寬等）使用“最佳”可用路徑。

  • 網路聚合：同時使用多條路徑以獲得更高的吞吐量，例如結合固定網路和行動網路以更快地傳送檔案。

概念

從技術上講，當使用 IPPROTO_MPTCP 協議（Linux 特有）建立新的套接字時，會建立一個子流（或路徑）。這個子流由一個常規的 TCP 連線組成，用於透過一個介面傳輸資料。主機之間稍後可以協商額外的子流。為了使遠端主機能夠檢測到 MPTCP 的使用，在底層 TCP 子流的 TCP 選項欄位中添加了一個新欄位。該欄位包含（除其他外）一個 MP_CAPABLE 選項，如果支援 MPTCP，則它會告訴另一個主機使用 MPTCP。如果遠端主機或其間的任何中間裝置不支援 MPTCP，則返回的 SYN+ACK 資料包的 TCP 選項欄位將不包含 MPTCP 選項。在這種情況下，連線將“降級”為普通 TCP，並繼續使用單路徑。

這種行為是透過兩個內部元件實現的：路徑管理器和資料包排程器。

路徑管理器

路徑管理器負責子流的建立、刪除以及地址通告。通常，由客戶端發起子流，伺服器端透過 ADD_ADDR 和 REMOVE_ADDR 選項通告附加地址。

路徑管理器由 net.mptcp.pm_type sysctl 旋鈕控制——參見 MPTCP Sysfs 變數。有兩種型別：核心內建型別（型別 0），所有連線都應用相同的規則（參見：ip mptcp）；以及使用者空間型別（型別 1），由使用者空間守護程序（即 mptcpd）控制，可以為每個連線應用不同的規則。路徑管理器可以透過 Netlink API 進行控制；參見 Family mptcp_pm netlink specification。

為了能夠在主機上使用多個 IP 地址來建立多個子流（路徑），預設的核心內建 MPTCP 路徑管理器需要知道可以使用哪些 IP 地址。例如，這可以透過 ip mptcp endpoint 進行配置。

資料包排程器

資料包排程器負責選擇使用哪些可用子流來發送下一個資料包。它可以決定最大化可用頻寬的使用，或者只選擇延遲較低的路徑，或者根據配置選擇任何其他策略。

資料包排程器由 net.mptcp.scheduler sysctl 旋鈕控制——參見 MPTCP Sysfs 變數。

套接字 API

建立 MPTCP 套接字

在 Linux 上，建立 socket 時選擇 MPTCP 而不是 TCP 即可使用 MPTCP

int sd = socket(AF_INET(6), SOCK_STREAM, IPPROTO_MPTCP);

請注意，IPPROTO_MPTCP 被定義為 262。

如果不支援 MPTCP，errno 將被設定為

  • EINVAL：（無效引數）：MPTCP 在核心版本 < 5.6 時不可用。

  • EPROTONOSUPPORT（協議不支援）：MPTCP 在核心版本 >= v5.6 時未編譯。

  • ENOPROTOOPT（協議不可用）：MPTCP 已透過 net.mptcp.enabled sysctl 旋鈕停用；參見 MPTCP Sysfs 變數。

MPTCP 隨後是可選的（opt-in）：應用程式需要明確請求它。請注意，應用程式可以透過不同的技術強制使用 MPTCP，例如 LD_PRELOAD（參見 mptcpize）、eBPF（參見 mptcpify）、SystemTAP、GODEBUG（GODEBUG=multipathtcp=1）等。

對於使用者空間應用程式來說，從 IPPROTO_TCP 切換到 IPPROTO_MPTCP 應該儘可能透明。

套接字選項

MPTCP 支援 TCP 處理的大多數套接字選項。一些不太常用的選項可能不支援，但歡迎貢獻。

通常，相同的值會傳播到所有子流，包括在呼叫 setsockopt() 後建立的子流。eBPF 可用於為每個子流設定不同的值。

在 SOL_MPTCP (284) 級別有一些 MPTCP 特定的套接字選項用於檢索資訊。它們填充 getsockopt() 系統呼叫的 optval 緩衝區

  • MPTCP_INFO：使用 struct mptcp_info。

  • MPTCP_TCPINFO：使用 struct mptcp_subflow_data，後跟一個 struct tcp_info 陣列。

  • MPTCP_SUBFLOW_ADDRS：使用 struct mptcp_subflow_data，後跟一個 mptcp_subflow_addrs 陣列。

  • MPTCP_FULL_INFO：使用 struct mptcp_full_info，其中一個指標指向 struct mptcp_subflow_info 陣列（包括 struct mptcp_subflow_addrs），一個指標指向 struct tcp_info 陣列，後跟 struct mptcp_info 的內容。

請注意，在 TCP 級別，可以使用 TCP_IS_MPTCP 套接字選項來了解 MPTCP 當前是否正在使用：如果正在使用，其值將設定為 1。

設計選擇

針對面向使用者空間的套接字，MPTCP 增加了一種新的套接字型別。核心負責建立子流套接字：它們是使用 TCP-ULP 修改行為的 TCP 套接字。

如果客戶端的連線請求未要求 MPTCP，MPTCP 監聽套接字將建立“普通”的*已接受* TCP 套接字，從而在預設啟用 MPTCP 時將效能影響降至最低。