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宽带ip 接入带宽测试 摘要 随着i n t e r n e t 的爆炸性增长，宽带i p 接入网的规模也曰益扩 大。宽带i p 接入网具有组网灵活、可利用小规格设备实现低成本接 入的优势，但同时也暴露出服务质量、性能保证等方面的问题。另一 方面，随着对网络的使用和依赖性的增长，用户对网络性能的要求也 越来越高。带宽是网络最重要的性能指标，因此如何对接入网带宽进 行高效、准确的测试是目前进行接入网性能测试以及接入网的进一步 发展需要解决的首要问题。 作者所作相关工作包括： 对带宽测试技术、原理、算法以及相关规范和协议进行了广 泛、深入的阅读和系统的整理。 对单分组技术和分组对模型对两种主流的带宽测试技术进行 了深入的研究，总结了这些技术的特点。分析了p a t h c h a r 算 法的性能及大误差和路由变化情况下的误差消除方法。 把三层链路带宽估计算法应用到二层存储转发设备所在的二 层链路，提出了包含二层存储转发设备的上下行带宽链路估 计方法，完善了不对称链路的带宽测试算法，解决了链路中 存在二层存储转发设备时单分组技术低估链路带宽的问题， 并在局域网、校园网和宽带接入环境进行实验，验证了上述 算法的准确性。 本文分为两大部分，第一部分总结了当前主流带宽测试技术，侧 重于链路带宽测试技术的研究。这一部分分为两章： 第一章阐述带宽测试技术的重要性，针对带宽测试技术涉及的 基础问题作出说明。 第二章对当前主流测试技术作出分析总结。 本文第二部分侧重带宽测试技术的误差分析及其改进建议 第三章以p a t h c h a r 为例，分析了算法本身的性能；阐述了 p a t h c h a r 对大误差和路由变化问题的解决建议；提出了包含二层存 储转发设备的上下行带宽链路估计方法，完善了不对称链路的带宽测 试问题。 第四章作者通过对具体接入网网络环境测试，验证了第三章作 者提出的上下行链路带宽估计的准确性。 第五章对后续工作作出分析和展望。 关键字：性能测试链路带宽带宽测试上行链路下行链路 北京邮电大学硕士研究生学位论文 b r o a d b a n de s t i m 【a t i o no nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k b a s e do ni p a b s t r a c t t h eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o 嫩e x t e n d s p e e d l yw h i l et h ei n t e r n e ti s c h a n g i n gr a p i d l y t h eb r o a d b a n d a c c e s se x p o s ei t s e l ft ol o w q u a n t i t ya n d l e s sq o st h o u g hi t s p r e d o m i n a n c ei s f l e x i b l et ob u i l dt h en e t w o r ka n d p e r f o r m a c c e s sw i t hn o r m a l i z e d e q u i p m e n t w i t h t h i s g r o w t h o f d e p e n d e n c ya n du s eo ft h ei n t e m e t ，m o r ea n dm o r ed e m a n d s a r eb e i n g p l a c e do nt h ep e r f o r m a n c eo f t h en e t w o r k o n eo ft h ec o n s e q u e n c e so f t h i s c h a n g e i sag r o w i n gn e e df o r h i g h e rq u a l i t y o fs e r v i c e a st h e b a n d w i t hi st h em o s ti m p o r t a n tm e t r i co ft h en e t w o r kp e r f o r l t i a n c e a c o r o l l a r yo f t h en e e df o rh i g h e rq u a l i t yo fs e r v i c ei st h en e e df o ra c c u r a t e a n de x t e n s i v e m e a s u r e m e n t ，i n c l u d i n g t h en e e dt om e a s u r eb a n d w i d t h t h ea u t h o rf i n i s ht h ew o r ks u c ha s ： r e a d s e x t e n s i v e l y t h e p r o t o c o l a n dl i t e r a t u r eo nb a n d w i d t h t e c h n o l o g y ，a n d s u m r i z e sc o n s e c u t i o na r i t h m e t i ca n d t h e o r y r e s e a r c h e s d e e p l yt h es i n g l ep a c k e tt e c h n i q u e sa n dp a c k e tp a i r m o d e l s ，s u m m e r i z et h ec h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h e m d i s c u s s e st h e p e r f o r m a n c e o fp a t h c h a ra n dt h em e t h o dt oe l i m i n a t ee r r o r s w h e nu n e x p e c t e d l yl a r g ee i t o r so rr o u t ea l t e r n a t i o ni s p r e s e n t d u r i n g t h e m e a s u r e ，e x p l a i n t h e p a c k e tp a i r m o d e la n dt h e i m p r o v e m e n t p l a c et h et e c h n o l o g yf o re s t i m a t i n gt h eb a n d w i d t ho f l a y e r3l i n k o nt h e l a y e r2l i n k w i t hs t o r e d - a n d - f o r w o r dd e v i c e ，a n db r i n g f o r w a r dt h ea r i t h m e t i ce s t i m a t i n gt h ea s y m m e t r yl i n kc a p a c i t y w i t hl a y e r 一2 一s t o r e a n d - f o r w o r dd e v i c e s ，a n dm a k ei tc l e a rt h a t w h yv p s t o o l sr e s u l t si nc o n s i s t e n tu n d e r e s t i m a t i o no ft h a tl 3 垄壅塑皇盔兰堡主型塞生兰垡堡壅 h o p sc a p a c i t yw i t hl a y e r - 2 - s t o r e - a n d f o r w o r dd e v i c e s f i n a l l y w ed o e x p e r i m e n t a n dv a l i d a t ei t t h i sa r t i c l ei sd i v i d e di n t ot w op a r t s t h ef i r s t p a r tf o c u so nt h e s u m m a r i z a t i o no ft h ep o p u l a rt e c h n o l o g yo nt h eb a n d w i d t he s t i m a t i o n i n c l u d i n g t w o c h a p t e r s c h a p t e rl f i r s ti n t r o d u c e st h ee s s e n t i a lc o n c e p t i o no ft h eb a n d w i d t h m e a s u r e m e n t ，a n dp r e s e n tt h es e v e r a lr a l a t e dt e r m c h a p t e r 2s m m e r i z e st h e p o p u l a r b a n d w i d t he s t i m a t i o n t e c h n o l o g y t h es e c o n d p a r ta n a l y s e t h ee r r o rs o u r c ea n d e m p h a s i z e t h e i m p r o v e m e n t o f t h em e t h o d c h a p t e r3a n a l y s et h ep e r f o r m a n c eo f t h ea r i t h m e t i ci ni l l u s t r a t i o no f p a t h c h a r d i s c u s s e st h e p e r f o r m a n c e o fp a t h c h a ra n dt h em e t h o dt o e l i m i n a t ee r r o r sw h e nu n e x p e c t e d l yl a r g ee r r o r so rr o u t ea l t e r n a t i o ni s p r e s e n td u r i n gt h em e a s u r e b r i n gf o r w a r dt h ea r i t h m e t i ce s t i m a t i n gt h e a s y m m e t r y 1 i n k c a p a c i t y w i t h l a y e r - 2 一s t o r e - a n d f o r w o r dd e v i c e s ，a n d m a k ei tc l e a rt h a tw h yv p st o o l sr e s u l t si nc o n s i s t e n tu n d e r e s t i m m i o no f t h a tl 3 h o p sc a p a c i t y w i t h l a y e r - 2 - s t o r e a n d - f o r w o r dd e v i c e s c h a p t e r 4w ed oe x p e r i m e n to nt h eb r o a d b a n dn e t w o r ka n dv a l i d a t e t h em e t h o d c h a p t e r3m e n t i o n e d 。 c h a p t e r 5v i e w st h e p r o s p e c t a n d d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f b a n d w i d t hm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：b a n d w i d t he s t i m a t i o n ，l i n k c a p a c i t y , a s y m m e t r y l i n k ，u pl i n el i n k ，d o w n l i n el i n k 4 y 5 8 c 3 9 2 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申清学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：童基主当 日期：芝色。：2 ：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于北糸那电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论义被查阅和 借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：注蠢盔 日期： ! 里i j 导师签名：_ 7 存白簖酗一 日期：“止土 一 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章概述 1 1 问题提出 接入网概念的提出始于1 9 9 4 年i t u t 关于v 5 接口标准的制定。在传统 通信网中，接入网部分建设的比重约为3 0 4 0 ，基于v 5 的光纤接入网从 1 9 9 7 年开始在电信网的建设中每年都有较大的增长，1 9 9 5 年全国接入网建设量 约5 0 万用户线，到1 9 9 9 年已达到近8 0 万线，如今已超过1 0 0 0 万线，可见， 在每年新增2 8 0 0 万线交换机和接入网中，接入网部分所占的比例逐年。随着技 术和业务的发展，特别是随着i n t e r n e t 的爆炸性增长和其他宽带数据业务的发 展，传统的p s t n 几十k b p s 的接入速率已经远远不能满足用户需要，宽带接入网 是目前网络建设的重点。在众多的接入技术中，基于i p 架构宽带接入技术已成 为首选，例如l a n 、a d s l 接入，可以综合接入语音、数据和多媒体业务。宽带 i p 接入网具有组网灵活、可利用小规格设备实现低成本接入的优势，但同时也 暴露出服务质量、性能保证等方面的问题。作为最靠近用户的基础网络的接入网 是反映各电信运营商网络竞争力的关键因素，也是反映网络服务质量的关键所 在。另一方面，随着对网络的使用和依赖性的增长，用户对网络性能的要求也越 来越高。 为了使网络能够提供高性能、高质量的服务，一方面是提高网络基础设施， 增加物理链路带宽，利用最新的光纤技术，建设高速公路，这在一定程度上缓解 了问题的严峻性。但随之而来的问题是带宽利用率太低，网络成本太高，显然无 穷带宽决不是解决问题之道。因此人们开始研究为i p 增加服务质量保证机制， 如区分服务、综合服务以及m p l s ，事实证明这是更有效的手段，在保证服务质 量的同时也提高了网络利用率。 另一方面，也是经常被忽略的是进行网络性能测试。从历史上看，人们对网 络测试认识是很少的，认为网络建立起来，信息能够传输就够了。事实证明，没 有经过性能测试的网络往往t e 较低效，故障多。网络性能测试是保证网络高效高 性能运行、检测网络故障的有效手段。尤其现在，网络发展迅速，成为综合业务 传输平台，网络性能测试的重要性越来越凸现出来。 基于目前宽带i p 接入网的状况，宽带i p 接入网的性能测试最关键的是带宽 测试。从用户的角度看，接入带宽是最关心的性能。传统的电信接入网带宽都是 非常确定的，例如窄带i s d n 提供( 6 4 2 + 1 6 ) k b p s 的带宽，但i p 接入网带宽并 北京邮电大学硕士研究生学位论文 不是固定的，例如l a n 接入可以是l o m b p s ，也可以是l o o m b p s ，因此用户都期望 能够自己通过测试了解接入带宽。从运营商的角度，带宽测试直接反映自己的网 络运行情况，是改进优化自己的网络，增强竞争力的首要切入点。另外，随着技 术革新，核心网的传输技术和建设都得到飞速发展，核心网已经不是网络访问速 度慢的原因，很大程度上接入网的带宽成为整个网络的瓶颈带宽，所以正确有效 的进行接入网带宽的测试意义重大。 带宽测试分析是i p 性能测试的主要部分，自1 9 9 7 年b e r k e l e y 大学的v a n j a c o b s o n 发表p a t h c h a r 以来，相继产生了基于吞吐量、p a t h c h a r 和分组对的测 试带宽的技术，但是，这些技术都存在很多问题，例如：低准确率，不灵敏等等 问题，也相继发表了很多基于这些问题的分析研究，但是这些测试研究都存在很 大的困难和挑战。 国内，也有很多组织例如信息产业部下属的传输所、网络世界评测实验 室、北邮通信测试技术研究中心等组织和机构致力于网络的性能测试的研究。其 中北邮通信测试技术研究中心在测试仪表领域有着坚实的理论基础、长期的开发 和市场经验，并在协议测试以及i p 性能测试方面有一定的技术突破。早期开发 的i p t s 系列的仪表完成了对i p 网络的协议解析、流量统计、仿真测试、网管测 试等测试功能。作为研究中心一员，本文作者研究生期间一直从事i p 网络性能 测试相关的研究和开发工作，紧紧跟踪国内外的研究发展，对宽带i p 网络性能 测试有了一定的认识和理解，并在性能度量定义和测试方法及算法的研究分析方 面进行了较为深入的探索。本文，针对宽带i p 接入网的特殊性，着重分析宽带 接入网的带宽测试，提出带宽测试中的不对称问题分析方法。 1 2 带宽测试及相关概念 为了系统的测试和评价宽带接入网，我们可以把整个测试过程分为以下几个 部分：性能测试、流量测试、用户行为测试、安全测试、功能测试、故障测试和 仿真测试。其它测试这里不作赘述，只是简单介绍一下宽带接入网的性能测试。 其具体的测试参数包括：主要网元的r r t ( r o u n dt r i pt i m e ) ，主要业务应用( f t p 、 h t t p 、t e l n e t 等) 的响应时间这一部分的参数可以用于确定网络系统中的带宽 瓶颈和延迟瓶颈。从接入网的角度来说，带宽测试是用户最关心的也是最直接的 反映接入网性能的参数。 网络性能测试分析一般可以分为内部法和外部法，内部法直接获取分组延 迟、丢失等信息，外部法是通过获取端到端的分组延迟、丢失等信息来确定网络 内部的延迟、丢失、拥塞状况等。内部法有许多不足之处，容易加重网络负载、 可扩展性不好、不同的网络产品难于协调一致等。而外部法不需要网络内部各个 北京邮电大学硕士研究生学位论文 结点协调一致，只需要外界端点处的延迟、丢失等信息。 网络性能的测试技术又可以分为被动和主动两种技术。被动方式是网络的一 些结点上收集分组数据，然后从中提取网络信息，其最大优点是它不会对监测的 网络造成干扰，不会加重网络负载，但其缺点是不能够即时获取所需要的数据量、 对收集的数据进行实时处理以及可能会带来安全性问题等。主动方式是先向网络 中注入一些分组，然后考察网络对此作出的响应。主动方式可用来测试网络的吞 吐量、拓扑结构、分组延迟、分组丢失、带宽等。 测试宽带接入网络的性能是困难的，因为并不是所有的i s p 都愿意提供自身 网络的负载和性能情况。即使有i s p 的支持，网络的结构是复杂的，这就意啄着， 主机阃的端到端连接通常涉及多个服务提供商。因此任何一个单独的i s p 都不能 实现端到端的性能监测。 对接入网来说，带宽是用户最关心的参数，也是直接反映网络提供商服务水 平的最有说服力的指标。从带宽测试技术的角度看，接入带宽就是用户到服务器 提供商的第一条链路的带宽。所以讨论接入带宽测量主要就是要讨论第一到! 链路 的带宽测量。现存多种测量带宽的技术，本文主要讨论链路带宽的测量问题讨 论测试方法存在的问题，并在接入网实验环境中进行实验，提出分析改进，当然 本文讨论的这些技术方法不仅仅适用于接入网环境，其它网络环境也同样适用。 像其它专业研究领域一样，带宽测试和估计有许多具体的术语需要说明，不 幸的是，不同的作者使用不同的术语。这一章阐述主要的术语，并且说明这篇论 文我们如何使用这些术语。 我们从网络构件的命名开始。主机是一个分组的发出或者到达的端点。路由 器连接一个或者多个网络，从一个网络转发到另一个网络，使分组更靠近目的地， 通常称为“跳”( h o p ) 。链路指路由器和路由器或者路由器与主机之间的单个连 接，通常称为“段”( s e g m e n t ) 。一条路径是一组链路的集合，也就是说：一个 跳可能包括一个或多个段序列，包括路由器、接入网交换机，网桥或其它二层设 备。如果中间路由器不同那么两条路径就不同。需要特别提到的是：计算机网络 的路由器通常都是存储转发的。这就意味着每个从链路上接收的字节在向目标琏 路转发之前必须先在路由器上储存。如果链路上分组达到的速率大于向适当的输 出端口转发分组的速率，将为该转发端口组成分组队列。通常用先进先出队列建 队。 下面我们将深入的分析各种术语。 1 2 1 带宽 随着科学技术的发展、社会的进步，人类对信息的需求在不断地增长。以前 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 单一模式、单一媒体为主的信息交流方式( 如电话、传真) 己不能满足现代社会 发展与人们生活的需求，网络通信正在逐步成为信息交流的主流。网络通信之所 以能获得如此迅速的发展，在于它提供了多种多样的高质量服务，如面向商业应 用的电子商务、面向社会各阶层的多媒体通信等。近年来，这些服务项目在内容 上和质量上都取得了日新月异的进步，与网络通信相关的技术也逐渐成为人们研 究的焦点。近几年来，信息网络技术迅猛发展，网络用户和网络流量的规模呈指 数规律不断增长，这必然造成网络资源和网络服务之间的相互制约，因而网络性 能成为十分重要的问题。网络性能是对网络完成任务如何的度量。对于很多网络 应用来说，网络连接所能提供的带宽资源对于服务质量具有重大影响。例如在多 媒体通信中，语音、图像数据量及其巨大，无论采取何种数据压缩技术，都不可 能无限制地减少通信的数据量，因此对每个多媒体应用来说，网络的带宽资源至 少要保证一个最小值，否则无论采用何种同步控制技术，均无法实现客户满意的 多媒体播放质量，导致应用协商失败。向多媒体流的同步控制方法提供通信网的 带宽信息，可使用同步方法更好地、自适应地进行多媒体流的调度控制，在已有 的条件下实现最好的播放效果。因而在应用中事先获得相应的网络带宽信息，将 有助于网络应用的规划和开发。 同时延一样，同样存在多个带宽描述术语。 链路带宽是分组插入到媒体上的速率。二层链路或段通常能以此固定的比特 率传输数据，也就是段的传输速率，通常也称为链路容量，本文中所讲的带宽都 是指链路带宽。带宽越宽，在给定时间里有更多的比特发送到媒介上。例如说， 基于l o b a s e t 以太网段的带宽是l o m b p s ，基于t l 段的带宽是1 5 4 4 m b p s 。链路 带宽是由底层传播媒体的物理层带宽和电子或光传输接收硬件共同决定。链路 带宽作为链路的一个主要属性，反映了链路可能达到的最大带宽，对于一条链路 而言，链路带宽是恒定的，它不会因链路中流量的变化而改变。 与时延不同的是，链路带宽在路径带宽中不累积。路径带宽是路径中最小的 链路带宽，也就是空闲状态下，路径中传输业务的最快速率。路径带宽也就通常 说的路径带宽。如果用c ，表示第1 跳的链路带宽，路径中有m 跳链路，那么路 径带宽c 由下列公式给出： c2磐袅cf(1-1) 对一条路径而言，组成路径的每条链路带宽是恒定的，因此路径带宽也是恒定， 它反映一条路径的最大传输能力。 另一个重要的参量是链路或者端到端路径的可用带宽。一条链路的可用带宽 是一定时间内未用的“空闲的”链路带宽。虽然链路带宽取决于底层传输技术或 传输媒体，但是链路的可用带宽取决于链路上负载的业务量，是一个随时间变化 北京邮电太学硕士研究生学位论文 的参量。在任何特定的时间里，一条链路或者以全链路带宽的速率传输一个分组， 或者是空闲的，所以链路的瞬时使用率或者是o 或者是l 。因此，可用带宽的任 何有意义的定义都必须是一段瞬时时间( t f ，t ) 内平均可用带宽，使用率的平均 “= ( f r ，f ) 由下给出： 一 l “( f f ，f ) = 二i “( x ) d x ( 1 2 ) r 一 一段时间间隙中4 ，跳i 的可用带宽。如果c 是跳i 的带宽，u 是指定时 间里的跳的平均使用率，跳i 的可用带宽爿，是带宽的未使用部分 a i = ( 1 一u ) c ( 1 3 ) 与链路带宽类似，路径的可用带宽是路径中最小的可用带宽。如果用4 表示 第i 跳的链路可用带宽，路径中有m 跳链路，那么路径带宽a 由下列公式给出： a = 。r a i n 。 a i ) ( 卜4 ) 但是可用带宽最低的链路不一定是链路带宽最低的链路。d o v r o l i se 7a l 限定路径带宽的链路称为“n a r r o wl i n k ”，限定可用带宽的链路“t i g h tl i n ；( 1 _ 。 我们用“流业务的管道模型”作一下说明。如下图所示： 图卜1 流业务的管道模型 其中用管道表示每条链路，每条管道的宽度定影相应链路的带宽。管道的阴 影部分表示链路己被占用的带宽部分，剩下的部分表示可用的带宽。本例中，最 小的链路带宽c 1 ，决定端到端带宽，最小可用带宽a 3 决定端到端可用带宽，如 图3 所示，路径中带宽最小的n a r r o w 链路l l 不一定是t i g h t 链路l 3 。 1 2 2 带宽测试中涉及的网络延迟 所有的带宽测试技术都利用了网络延迟和带宽的关系对带宽进行估测，因此 测量带宽首要的问题就是测量网络延迟。网络延迟有时候也称为网络时延。网络 时延也是影响网络通信的最重要的性能指标之。使用i p 网络时，时延的增加 北京邮电大学硕士研究生学位论文 能够直接让用户感受到网络性能下降。 我们知道过去i n t e r n e t 主要承载数据应用，如e m a i l ，f t p 等，这些应用不 要很高的实时性。然而近年来，涌现了很多网络应用，如视频和话音等，对网络 时延十分敏感。我们阻v o i p 为例，人们大多数可接受的时延是1 5 0 毫秒以下， 但在1 5 0 毫秒到4 0 0 毫秒时，已经感到交流出现停顿和不流畅：如果超过4 0 0 毫秒则是完全不可接受的了。因此时延是影响这些应用的性能的最主要因素之 一，当时延超出一定阀值时，这些应用将不能很好甚至不能工作。 另外，即使是数据业务，时延也影响采用自适应传输协议的应用性能。例如 基于t c p 的f t p 应用，由于t c p 具有对网络性能的自适应能力，在监测到网络时 延增加时，t c p 会自动减慢发包速率，从而降低了f t p 的数据传输速率。 网络时延简单的说就是网络收发一个完整报文或者一段信息的时间，即特指 某个报文的延迟。通常说某个网络的延迟都是指其统计平均值，这个值随系统的 负载变化而变化，负载越大，其值也越大。因此一般给出其延迟对负载率变化曲 线来说明某个网络时延性能好坏。网络系统中存在许多独立的时延值。本文中涉 及了很多延迟值，下面我们逐一介绍这些值的定义。 链路延迟( 1 i n kl a t e n c y ) 指从分组的第一个字节发送到媒介上的时间到第一个 字节从媒介上接收的时间之间的时间。这个时间由信号在链路上的传播速度( 例 如电子在电缆中的传播速度) 和媒介的距离共同决定。 传输时延( t r a n s m i s s i o nt i m e ) 是一个分组完全转发到媒介上所耗费的时间。这 个时l 可与分组长度和链路带宽成比例。是分组的第一个字节出现在网络上的时间 到最后一个字节发送完毕的时间之间的延迟。传输时延由网络中连接设备的接口 速率决定。 传输时间( t r a n s m i s s i o nt i m e ) 是第一个字节出现在媒体上的时间和最后一个 字节从媒体上取出的时间。它是链路延迟_ ( 1 i n kl a t e n c y ) 平n 传输t 醚( t r a n s m i s s i o n d e l a y ) 的总和。 路径延迟是所有单个传输时间和路由器排队时延的总和。是发送 者发出分组到接收者收到分组之间的时间。路径延迟通常指单端延 迟。 路径延迟很难测量，因为它要求一个分布式的同步时钟为分组发出和分组接 收时间打时闻标签。因为发送时间需要在发送端打时间标签，而接收标签需要在 目的主机上完成，所以这两个时钟需要同步，下一节会介绍同步。 另一个常用的度量单位是环回时延( r o u n d t r i pt i m er t t ) 。它是前向和反向路 径延迟的总和，相对容易测量：标记发送分组的时间，采取某种测量使目的主机 收到分组后立刻返回响应，最后让发送主机标记分组返回的时间，就可以得到环 北京邮电大学硕士研究生学位论文 刚时延。 不幸的是，因为前向路径和后向路径可能不同，因此路径延迟也可能不尽相 同，r t t 延迟不能区分前向延迟和后向延迟。 1 2 3 带宽测试中涉及的同步问题 要获得网络延迟这个性能参数，首先要确定两台狈试主机之间的时钟同步关 系，也就是说要确定一个分组传送时间的基准，否则测试结果将毫无意义。 实际应用中实现时间同步的方法很多，主要采用高精度的硬件设备如g p s 等来确定时间偏差，进而实现同步。倘若采用高精度的时间同步设备，如g p s 系统，可阻获得毫秒级的时钟同步，这样就不需要采用算法来计算主机时钟之间 的相对偏差。但是即使再廉价的g p s 系统，其价格因素也是不可忽视的。另外 g p s 设备的普及使用也是一个无法预测的问题，而且在许多场合可能无法堕用 g p s 设备，从而只能使用n t p 协议从远端具有g p s 设备的服务器上获驭再乏， 这样就大大降低了测量精度，甚至使其结果不可靠。 v e t op a x s o n 在九七年曾提出了种计算网络延迟的方法，在他的算法的基 础上我们实现了对网络延迟的分析。该算法有以下几个特点： ( 1 )通过统计方法确定收发数据上方主机的时钟扭曲，在计算中排除其偏 差，从而实现了时间同步。 ( 2 )算法中对所记录的数据文件进行离线分析，无法得到当时网络的某些 实际信息，因此算法的实用性和精度受到一定的影响。而我们进行的 是实时在线测量，可以评价算法的效果。算法引进了许多经验公式， 用以处理由于网络条件所限、在记录分组传输时间时产生的噪声：艰 于篇幅，这里不作赘述。 本文后续着重讨论的算法是基于v p s 的p a t h c h a r 改进算法。算法充分利用 了i c m p 分组包。利用i c m p 包进行探测的一个特点就是可以测量分组的环回对 延，这就避免进行端到端的复杂同步，仅仅提供测试端精确的定时就可以了：这 就大大简化了测试过程的复杂性。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章现有的带宽测试技术 带宽测试领域现在有多种技术。大部分致力于测量以下两个参数的一个：路 径带宽和链路带宽。一般来说，带宽测试可以分成两类：单分组和分组对技术。 名字中涉及的数目指单次探测中用到的分组的数量。单分组技术通常指基于可变 分组长度探n 4 ( v p s ) 的技术，可以测量路径带宽和沿路各跳的链路带宽。分组对 技术只能测量路径带宽。最近几年也出现了可用带宽测试工具，其理论依据各不 相同。本文主要分析单分组技术，所以本章将详细介绍单分组技术及其后续改进， 为了完整起见，也简要介绍分组对技术，结合测量不同测试原理简要介绍有效带 宽测试技术。 2 1 单分组技术及上下行链路带宽估计 2 1 1 单分组技术原理 单分组探测技术是通用的基本测试技术一也就是我们所说的可变分组长度 探测( v p s ) 技术。v p s 中的关键假设是路径链路线性的增加分组的单端延迟， 该比率是分组长度除以链路带宽。如果假设成立，v p s 技术能够估计与环回时延 和分组长度相关的链路带宽。最早的单分组技术为1 9 9 7 年j a c b s o n 公布p a t h c h a r 算法，单分组技术能够测量链路带宽也能测量路径带宽。下面简单回顾一下v p s 的探测原理。 首先v p s 要求测量发送端( s n d ) 到接收端( r c v ) 沿路的环回时延( r t t ) ， 根据延迟和分组长度的关系计算链路带宽。首先定义发送端到接收端的路径模型 如下： 图2 1 ：端到端网络路径模型 路径一般由多个路由器及其连接它们的链路组成。模型中节点s 表示发送 端，节点r 表示接收端：节点鼬表示第i 个路由器；l i n k i 表示位于节点( i 一1 ) 和 节点i 之间的链路，其中l i n k l 表示发送端和节点r 1 之间的链路，l i n k n + l 表示 北京邮电大学硕士研究生学位诒文 路由器r n 与接收端之间的链路。 注意：我们这里的链路指互联路由器的三层链路( 或者称为跳) ，与之对应 的是二层链路( 或者称为段) ，二层链路互联二层设各( 如以太网交换机、h u b 等) 。一跳中可能包含多个二层设备，也就是由多个段组成。在带宽测试算法描 述中，如果没有特别指出，链路指的是三层链路。 虽然路由器的结构和实现各不相同，但在数据包转发的上下文中，路由器的 转发模型基本是固定的：路由器从输入链路上接收数据包，转发引擎检查目的地 址域信息，如果是目的地址是本地机器，就接收并进行相应处理，如果不是本地 机器，则把分组头域中的t t l 值减，然后查询路由表，根据查询结果选择输 出链路，将数据包转发到输出链路。一般输出链路包含一个有限大小的f i f o 队 列，可以容忍输出链路上一定时长的突发，但如果队列已填满待发送的数据包， 后面的数据包将被丢弃。 因此路由器的转发时延包括两部分：转发引擎选择输出链路的时延和数据包 在输出链路队列中的排队时延。 上面假设的路由器模型是最简化的模型，今天的路由器一般都具有很多额外 的特征。例如，对于支持q o s 的路由器，不同q o s 级别要求的数据包会放入分 开的队列，保证数据包的及时转发；高端路由器的每条输入链路都具有一个转发 引擎，极大地提高了路由器的整体性能；对于高带宽链路，数据包抵达的速率超 过接口的处理能力时，输入链路也可以增加队列来应付这种突发。 实际操作中，为了避免使用特殊路由器设备，单分组技术充分利用i p 包头 的t t l 域。网络中的三层设备收到分组后，把i p 头中的t t l 域值减一之后才转 发，这样，这个域的值随者经过三层设备数目的增加而递减。一旦t t l 递减为 零，分组将被丢弃并且路由器将返回一个i c m pt t l 域e x p i r e d 消息给分组的发 送源，如果到达目的地址t t l 域值不为零，那么就返回一个与原分组同长度的响 应分组给发送源。这就是t r a c e r o u t e 机制和p i n g 机制。通过返回的分组，发送方 可以记录分组的r t t 。 如果利用i c m pe x p i r e d 消息也就是t r & g e r o l l t e 机制探测沿路的所有路由器， 根据上面的分析，路由器时延转发模型都可以建模如下图所示，其中用三表示分 组长度，表示返回的i c m pe x p i r e d 消息长度，和a 表示链路带宽： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 确 伊磷 ? 眵 c 酬竺l s n dl 7 茜涵缈耐型 图2 - 2 路由器时延转发模型 由上可以看出链路时延包括三部分：传播时延、传输时延和转发时延： 传播时延由传输媒介的物理性质决定，对于一定的传输媒介，传播 时延是固定的； 传输时延e ：由数据包长度和链路带宽共同决定的，大小等于两者的 比值； 转发时延d ：指数据包进入路由器输入接口到输出接口准备输出的时延， 包括链路选择时延和排队时延。 链路时延表达式就是：。 l d , = 鲁+ t + d l ( 2 1 ) 前面我们已经知道转发时延包括输出链路选择时延和排队时延，如果队列为 空，排队时延可以忽略，但在实际的网络上，排队时延是一个随机变量，并且往 往是不可忽略的。为了达到简化的目的，我们如果以适当间隔向网络不断发送同 样的测试数据包，将会得到一序列时延样本点，如果样本点足够的多，其中具有 最小的时延值的数据包可以认为经历的排队时延很小，这样就可以忽略排队时 延。对一条特定的链路来说，传播时延和选择时延都是固定值，这样链路时延就。 等于传输时延加上一个固定偏移。 上图展示的链路模型中单跳链路的环回时延表达式应该为： r 巧= 吉+ 等屺+ d i 屺+ d ： ( 2 2 ) 根据上面的分析，、r 。、d ：、d 。都是常数那么r t t 变为： r 玎= 三+ c o r t s t ( 2 3 ) 。 0 那么沿路经过i 跳的分组经历的环回时延就为 r t t ( i ，工) = 鲁+ 删盯 ( 2 4 ) 使用各种长度的分组重复探测，收集所有的r t t 可得如下所示的直线： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 3 分组长度环回时延散列图 根据测试数据可以计算直线的斜率设为t ，由上面的推导可以得知 皇= 砉那么 ，= l 1 c = ( i 0 其中k 0 = o ) ( 2 - - 5 ) k j k j 一1 这也是p a t h c h a r 中使用的探测原理。为了保证被测链路带宽b ，的精确度， 需要向网络发送大量的测试数据包以取得尽可能多的样本点来保证k ，的准确性。 所咀，v a nj a c o b s o n 在p a t h c h a r 实现中测量链路l i n k i 时，首先发送p 次6 4 字节 长的数据包，然后在发送p 次( 6 4 + 3 2 ) 字节长的测试数据包，依此类推，直到 测试数据包长度超过该路径的最大传输包长为止。并且在发送下一个数据包之前 必须收到前一个数据包的超时i c m p 包。 2 1 2 上下行链路带宽估计 实际网络中，链路对数据的处理并不都是对称的，例如，路由器以线速处理 某些分组，也就是通常所说的流转发，也可能以存储转发的方式对某些分组进行 处理。由此提出上行链路和下行链路的概念。上行指链路从发送端向接收端转发 分组，下行指链路从接收端向发送端转发分组。 分别以l 和表示发送和接收的分组长度，c ，表示上行链路带宽，d 表示 下行链路带宽，那么l c , 是上行传输时延，上a 就是下行传输时延，假设排队 时延d 足够小，线路传播时延固定，二者和值为f ，那么由上一节给出的时延转 发模型可得长度为l 的分组到跳i 的环回时延r t t 表达式为： g r r ( f ，三) = 砉+ 寺+ f ( 2 6 ) ，= i o f，- lo 北京邮电大学硕士研究生学位论文 如果为定值，那么( 1 ) 式的第二项是常数，r t t 成为l 的线性函数 r t t ( i ，工) = 鲁+ c o n s t ( 2 7 ) ，8l ， 可以得出线性函数的斜率为置= 骞专，从而推出上行链路带宽为： c ：l( 2 8 ) k 。一t 一1 在i p 网络中，为了返回一个固定长度数据包，最常用的方法是利用i c m p 超时消息。i p 数据包都包含一个t t l 域，源主机在发送前对其初始化，然后传 送路径上的每个转发路由器在转发前都将t t l 减一。如果路由器检测到t t l 为0 时，路由器会丢弃这个数据包，并产生一个错误指示包一超时的i c m p 包一一 发送回给源主机，包的源地址就是丢弃数据包的路由器。 如果l ：，( 1 ) 变成： r玎c“，=c宠古+套专，+r(2-9)7-i l j，= lo ， 线性函数的斜率为墨：窆軎+ 窆軎，那么上下行链路的调和带宽为 j = l l ij i 、l i 调和带宽用虿表示调和带盎： ：三+ 三( 2 l o ) c ic ic i 那么调和带宽等于 虿：l( 2 1 1 ) 。 k ，一k h 由( 2 - 8 ) 、( 2 - 1 0 ) 和( 2 - 1 1 ) 得出下行链路带宽估计公式： c l ：三一 ( 2 1 2 ) ( 足，一k 。) 一( 囊一t 一。) 这样，我们就可以分别得到上行和下行链路带宽。 网络中，为了返回一个长度与发送包相同的数据包，最常用的方法是利用 i c m p e c h o 消息，利用p i n g 机制：发送前，设置i p 数据包的目的地址为与目标 链路相连的路由器地址，设置t t l 域为足够大的值，虽然传送路径上的每个转发 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 路由器在转发前都将t t l 减一，但是至达目标路由器时，路由器检测到t t l 不为 0 ，路由器将会返回一个与原始数据包长相同的数据包给发送端，包的源地址就 是目标路由器。 由上面的公式容易得出，当上下行链路带宽对称即c = e ，并且l = 那么 1 c ：c ：兰一 ( 2 1 3 ) ( k ，一k f - 1 ) 2 2 分组对技术 2 2 1 分组对技术原理 分组对模型目的是为了估计路径带宽而不是链路带宽。这些技术早在1 9 9 3 就开始应用，当时b o l o t 使用这个技术估计f r a n c e 和u s a 之间的路径带宽，他 能够相当准确的测量大西洋彼岸的带宽，当时估计的带宽为t 2 8 k b p s 。 分组