多路径TCP协议概述 | AI生成和翻译
MPTCP 是一种传输层协议扩展，它通过使单个逻辑连接能够同时使用多个物理路径，从根本上改变了网络连接的运作方式。以下是详细解析：
1. 核心问题：单路径局限性
传统 TCP 将每个连接限制在由五元组（源 IP、源端口、目标 IP、目标端口、协议）定义的单一网络路径上。这带来了若干关键限制：
- 无法聚合接口：同时拥有 Wi-Fi 和蜂窝网络的设备每次只能使用一个接口
- 单点故障：若所选路径拥塞或中断，整个连接就会断开
- 资源利用不足：当某条路径拥塞时，其他未拥塞的替代路径仍处于闲置状态
- 移动性中断：在不同网络间切换（如从 Wi-Fi 切换到 4G）需要重新建立所有连接
现代设备本质上是多宿主的——智能手机、笔记本电脑和服务器都具有多个网络接口——但 TCP 无法利用这种多样性。
2. MPTCP 工作原理：子流架构
MPTCP（RFC 8684）并非全新协议，而是 TCP 的向后兼容扩展。它通过创建子流——在不同路径上的独立 TCP 连接——共同构成一个逻辑 MPTCP 连接。
连接建立过程：
- 初始握手：客户端和服务器在标准 TCP 三次握手期间协商 MPTCP 能力
- 路径发现：对等方交换它们可使用的其他 IP 地址
- 子流创建：在可用接口/路径上建立额外的 TCP 连接
- 数据分发：调度器将应用程序的字节流拆分到各个子流
- 重组：接收方使用连接级序列号将来自多个子流的数据重新排序为原始序列
传统 TCP：应用数据 → 单个 TCP 流 → 单一路径
MPTCP：应用数据 → 调度器 → 多个 TCP 子流 → 多个路径 → 重组
在 Linux 上，您可以使用 ss -M 命令可视化此过程，该命令显示分组在一个 MPTCP 连接下的子流。
3. 性能关键机制
带宽聚合
MPTCP 可以合并所有可用路径的吞吐量。一个 9 Mbps 的流可以拆分为跨越不同接口的三个 3 Mbps 子流，从而有效利用所有网络容量。这在拥有服务器间多条物理链路的数据中心中尤其强大。
智能调度
调度器持续监控：
- 路径延迟和拥塞情况
- 丢包率
- 可用带宽
- 链路成本/优先级
它动态调整在每个子流上发送的数据量，防止慢速路径过载，同时充分利用快速路径。
耦合拥塞控制
MPTCP 使用专门的算法（如 LIA、OLIA、BALIA），这些算法能够：
- 平衡各路径间的拥塞
- 确保与常规 TCP 流的公平性
- 防止单个 MPTCP 连接饿死其他流量
- 在某个路径拥塞时做出适当反应
4. 优势：韧性与吞吐量
增强的韧性
- 自动故障切换：如果 Wi-Fi 断开，蜂窝子流可在不中断应用的情况下维持连接
- 路径冗余：单一路径上的丢包不会中断连接——流量会重新路由到健康的子流
- 优雅降级：部分路径故障会降低带宽，但不会导致连接断开
- 恢复时间：模拟显示 MPTCP 通过快速将流量切换到备用路径来最小化中断
提升的吞吐量
- 资源池化：同时利用所有可用的网络资源
- 拥塞规避：通过使用拥塞程度较低的替代路径来绕过瓶颈
- 负载均衡：分发流量以防止任何单一路径成为瓶颈
无缝移动性
苹果自 iOS 7 起就将 MPTCP 用于 Siri，使得语音请求在 Wi-Fi 和蜂窝网络之间移动时能够持续不间断。连接得以保持，因为子流会随着接口可用或不可用而动态地添加和移除。
5. 实际应用场景
- 移动设备：在网络间无缝切换的智能手机
- 数据中心：利用路径多样性实现更高吞吐量和容错能力
- 物联网/机器对机器系统：在多接口设备中最大化资源利用率
- 混合网络：结合固定宽带和移动网络以实现更快的文件传输
- 云服务：需要高可用性的内容分发网络和企业环境
6. 实现与采用情况
操作系统支持
- Linux：通过
mptcpd守护进程提供完整内核支持（RHEL 9+、现代发行版） - iOS：自 2013 年起用于 Siri 和部分精选应用
- Android：近期版本提供部分支持
- Windows：有限的原生支持
应用透明性
应用程序通常无需任何更改——操作系统网络栈透明地处理 MPTCP。仅对于高级功能，可能需要对套接字选项进行微小修改。
部署状态
MPTCP 仍在发展中。虽然苹果内部使用它，但大多数互联网服务尚未支持它。采用需要客户端和服务器双方的支持，不过自动回退到常规 TCP 是支持的。
7. 权衡与挑战
复杂性
- 更复杂的协议状态机
- 中间设备支持有限——某些防火墙/NAT 可能会阻止 MPTCP 选项
- 网络故障排除变得更加困难
安全影响
- 检测盲点：防火墙和入侵防御系统难以重组被分割的流，从而产生安全漏洞
- 流量模式混淆：虽然这可以提高隐私性，但也使安全监控复杂化
- 思科产品：许多检测功能不支持 MPTCP，需要仔细配置
性能考量
- 数据包乱序：不同的路径延迟可能导致数据包乱序到达，如果管理不当可能损害性能
- 队头阻塞：如果调度器不够智能，慢速子流会延迟整体交付
- 缓冲区需求：接收端需要更多缓冲来对数据包重新排序
公平性
MPTCP 的耦合拥塞控制必须在多路径的侵略性与对共享链路上单路径 TCP 流的公平性之间谨慎平衡。
8. 与类似技术的比较
- 链路绑定/聚合：在第二层运行，通常需要相同介质，并且对单个 TCP 连接没有帮助
- 等价多路径路由：在网络层进行路由，分流但不能分割单个连接
- SCTP：具有多宿主功能的替代传输协议，但采用率低且存在 NAT 穿越问题
MPTCP 的关键优势在于它在现有的 TCP 生态系统中工作，同时提供了真正的连接级多路径。
核心要点：MPTCP 通过智能地汇聚多个网络资源，将僵化的单路径 TCP 模型转变为灵活、有韧性且面向性能的架构。虽然在成熟度和安全性方面仍存在挑战，但它代表了在现代网络中利用多宿端点最实用的解决方案。