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北京邮电大学硕士学位论文 端到端网络时延的性能测量 摘要 伴随着i n t e r n e t 技术和网络业务的飞速发展，网络的规模和复杂性不 断增加，新型的网络应用不断涌现，例如v o l p 、v o d 、网络视频会议等， 而这些新型的网络应用的一个共同的需求就是对网络提出质量要求。服 务提供商( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ，i s p ) 和网络用户都想了解自己提 供或正在使用的网络的性能，他们希望得到准确的数字指标来保证网络 的性能。如何得到准确、可靠的测量数据以及如何在大量的测量数据基 础上，对网络的总体运行状态做一个恰当的评估，从而发现问题，进而 提高网络的性能，这是亟待解决的问题。网络性能测量通过测量获取现 有网络的性能参数，并据此确定网络的问题所在，进一步解决问题使性 能得到优化，从而达到人们对网络性能的要求。 本论文对端到端网络时延的性能测量作了一个详细而系统的讲解。 首先，对i p 网络性能测量的发展背景和目前网络存在的问题以及如何 解决这些问题进行了分析，之后又详细讲述了端到端网络性能测量的一 些基本概念，比如，所谓的网络时延及其分类，影响网络传输时延的因 素，而后对网络性能测量的指标体系和测量方法作一个系统的介绍。接 下来详细介绍了有关时延的算法：累积生成函数c g f 年d 基于d e p e n d e n c e t r e e 模型的u p w a r d d o w n w a r d 算法以及端到端时延密度函数估计的算 法：高斯混合模型和e m 算法，并对其进行了网络仿真和实现，比较了 各个算法的优缺点及其适用性。同时列举了一些时延推测的应用，并用 实际的例子对应用于实际中的过程作了系统的分析。最后为了将此研究 成果转化为实际应用，设计和编写了n e t l n f e r 软件进行实际的网络测量。 为i s p ； o 大客户提供了网络性能可参考的依据，同时为网络的改进者提 供了便利。 关键字：服务提供商网络性能测量端到端网络时延性能测量累计 生成函数d e p e n d e n c et r e e 模型u p w a r d d o w n w a r d 算法 j ! 曼些皇查兰堡主兰堡堡苎 e n dt oe n dp e r f o r a l 气n c em e a r s u r e m e n t o f n e t w o r kd e i a y a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p i n go ft h ei n t e r n e tt e c h n o l o g i e sa n dt h en e t w o r k a p p l i c a t i o n sa tv e r yf a s ts p e e d ，t h es c a l ea n dt h ec o m p l e x i t yo fi pn e t w o r k e x p a n d sc o n t i n u o u s l y , n e wn e t w o r ka p p l i c a t i o n sa p p e a rc o n t i n u o u s l y ，s u c h a sv o i e , v o d ，n e t w o r kv i d e oc o n f e r e n c ea n ds oo n ，h o w e v e bt h e s en e w a p p l i c a t i o n sa l ln e e dah i g h e rq u a l i f i c a t i o no fs e r v i c e n e t w o r kt o m o g r a p h y e m e r g e sa st h et i m er e q u i r e i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r0 s p 、a n dt h ev e r y i m p o r t a n tc l i e n to fn e t w o r kw a n tt ok n o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h es u p p o r t e d n e t w o r kb yt h e mo rn e t w o r ki nu s e ，a n dt h e yh o p et og e tt h ee x a c td a t at o g u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k h o wt og e te x a c ta n dr e l i a b l et e s t i n g d a t aa n dh o wt om a k ear i g h te v a l u a t i o nf o rt h ew h o l en e t w o r k sr u n n i n g s t a t u sb a s e do nt h el a r g en u m b e rp r o b i n gd a t a ，a n dt h e nf i n dt h e q u e s t i o n ， t h e r e b yi m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k ，t h i si s a q u e s t i o n d e s i d e r a t et os o l v e n e t w o r k t o m o g r a p h yc a n 誊e tt h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e ro ft h eg i v e nn e t w o r ki nu s ea c c o r d i n go nt h em e a s u r e m e n to f n e t w o r k ，a n dt h e na s c e r t a i nt h eq u e s t i o n so ft h en e t w o r k ，a n do p t i m i z et h e p e r f o r m a n c eo ft h eg i v e nn e t w o r ka c c o r d i n g l yt oa c h i e v et h ed e m a n do f n e t w o r ku s e l t h i s p a p e r m a k e sad e t a i l e da n d s y s t e m i ce x p a t i a t i o na b o u tt h e e n d t o e n d p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t f o rn e t w o r k d e l a y f i r s t ，w e i n t r o d u c et h ed e v e l o p i n gb a c k g r o u n do ft h em e a s u r e m e n to fi pn e t w o r k p e r f o r m a n c ea n dt h ep r o b l e m si nn e t w o r ka n dh o wt os o l v e t h e nt h ep a p e r g i v e sac l e a rc o n c e p t i o no ft h er e l a t e dp a r a m e t e ra n dt h em e t h o d i te x p a n d s t h er e s e a r c h e da r i t h m e t i ci nt h i sp r o j e c ti ns u c c e s s i o n ，s u c ha st h ee u m u l a n t g e n e r a t i n gf u n c t i o n ，t h eu p w a r d d o w n w a r da r i t h m e t i cb a s e do i l t h e d e p e n d e n c et r e em o d e l ，t h em i x e df i n i t em i x t u r em o d e l sa n dt h ec o r r e c t e d 2 ：一 ! ! 塞塑璺查兰塑堂堡堡墨 ： m f m mm o d e la n da r i t h m e t i c t h i sp a p e rs t i l lp r o p o s e sam e t h o dt h a tc a n e s t i m a t ei n t e m a ll i n kd e l a yd i s t r i b u t i o n sf r o me n d t o e n dm e a s u r e m e n t s a l o n gas i n g l em e a s u r e m e n tp a t h m o r e o v e r , t h en e t w o r ks i m u l a t i o nr e s u l t s a n dt h ec o m p a r ea r eg i v e n a f t e rt h a t ，e n u m e r a t es o m ea p p l i c a t i o n sa b o u t t h ei n t e m e td e l a ym e a s u r e m e n t ，a n df u r t h e r m o r e ，u s es o m ee x a m p l e st o a n a l y z et h ep r a c t i c ep r o c e s s f i n a l l y , i no r d e rt om a k e i ti nu s e ，w ec o m p i l e t h en e t i n f e rs o f t w a r e n a r r a t et h ed e s i g na n dp r o g r a m m i n gp r o c e s si nd e t a i l t h es o f t w a r eo f f e rt h ei s pa n dt h ev e r yi m p o r t a n tc l i e n tr e f e f e n c e so ft h e n e t w o r k a tt h es a m et i m eo f f e rt h en e t w o r kj n n o v a t o rm u c hm o r ea d v a n t a g e t h e r es t i l lm u c hw o r kt od oi no r d e rt os e r v i c ef o rt h ei s pa n dt h ev e r y i m p o r t a n tc l i e n tb e t t e r k e yw o r d s ：i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r t h ep e r f o r m a n c eo fe n d t o 。e n d m e a s u r e m e n tf o rn e t w o r kd e l a yc u m u l a n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n t h e u p w a r d - d o w n w a r da r i t h m e t i c t h em i x e df i n i t em i x t u r em o d e l s 3 独创性( 或创新性) 声明 本入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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：与躲 本人承担切相关责任。 日期：2 堕：i ：il 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北京邮电大学。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，允许学位论文被查阅和借 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。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：冯姘 日期：上耐；f 导师签名：一冽暨起京 日期：趔：! l 北京邮电大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 i n t e r n e t 的发展历程中有许多标志从几十年前令人振奋的“信息高速公路” 到令人悲观的“世界范围的等待( w j r l dw i d ew a i t ) ”。作为一个给人以深刻印象的、 世界范围内网络互连的集成，i n t e r n e t 以各种速度将世界范围内的大量的信息传送到 地球的任何角落，大大改变了人们的生活，因此可以说i n t e r n e t 可能真的就像高速 公路一样。但是，大多数人可能都感受过这个所谓高速公路给我们带来的不可预料 的服务，我们几乎不能否认i n t e r n e t 发展中出现的“世界范围的等待”的存在。这 条信息高速公路有时候就好像是一条到处是车而且没有修好的街道，时常为了减轻 交通流量，通常会根据其重要性或者排队的先后顺序等等原则来选择一些分组，对 其进行一些处理延迟发送或者彻底丢弃，这大大影响了i n t e m e t 的服务质量， 甚至让用户感觉“信息高速公路”徒有虚名。而服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 就是要最大限度减少这类问题的发生。要提高网络的服务质量，首先就要找出网络 存在的问题，于是网络推测应运而生。网络推测又称为网络断层成像( n e t w o r k t o m o g r a p h y ) ，是一个新兴的领域，它利用端一端q o s 测量结果，比如测量端一端的 时延，使用统计信号处理技术进行计算，推测网络的运行参数，比如各节点间链路 的时延等。 1 1 论文背景 1 1 1 为什么需要网络时延的性能推测 大多数人在玩文字游戏的时候如果看见“尽力而为( b e s te f f o r t ) ”这个词时， 他们头脑里首先反应的可能就是 n t e r n e t 。网际协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，1 p ) 族的发 展历史清晰集中地反映出了这种能在各种情况下寻找和建立连接的网络技术的发展 过程。一旦分组给定了其最终的目的地址，网络就试图通过任何可用的内部链路确 定一条通路，来完成分组向目的地的传送。网络完成传送的实际时间( 传输时延) 是我们应该考虑的第二个问题。如果由于网络中出现长期或短期的问题而造成网络 中没有能到达目的地址的通路，分组就可能会被丢弃( 延迟的一种相当极端的形式) 。 在这两种情况下，网络不会向分组的源端返回任何信息来指示分组发送成功还是失 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 败。如果需要提供有保证的传递，源端和目的端之间一定要采用额外的端到端机制 ( 例如传输控制协议或称为代p ) 来确定分组是否被成功传送，如果失败还要重新 传送丢失的分组。 当然，在现实世界中事件的及时性是很重要的。一个通过i p 网络产生分组流的 网络程序常常需要满足其自身的某些要求，仅仅在某一些时刻将分组发送出去是远 远不够的。一个自动的、每天运行一次的文件备份程序，可能要花数小时完成备份 任务，因此它可能根本不关心那些经过很长环形路径才到达的分组。如果你在w e b 上浏览或查询一个远程数据库，那么你会忍受以秒计的延迟；如果延迟超过几分钟， 你就根本不可能接受。一些要求更严格的应用程序，例如会话聊天、实时的声音和 图象等，必须满足用户的交互的要求这些可以忍受的延迟是以几分之一秒来衡 量的。由网络引入的延迟通常被称为端到端的延迟时间( 1 a t e n c y ) 。 在现实世界中的另一个常见需求是保持分组在时间上的序列特性( 来自同一个 源的分组到达的时间间隔) 。如果一个应用程序按照规律间隔地发送分组流，而这些 分组在到达远端目的地时发生分组聚集的突发，那么就说明网络已经破坏了分组源 的时间序列特性_ j 恿常这种现象称为抖动( j i t t e r ) 。这也给那些用于实时音频和视 频传送的应用程序带来一些十分棘手的要求( 尽管在非实时应用程序中很少考虑这 一点，如文件传送和邮件传输j 。一般来说，人们还是希望视频和音频的传输在接收 端能够还原出连续平滑、正常的媒体内容。 为了防止抖动的出现，许多现有的网络视频音频应用程序配置了播放 ( p l a y - o u t ) 缓冲区，以便在对视频和音频内容进行解码时恢复最初的时间序列。然 而，播放缓冲区会增加分组从源端发送到接收端的平均时间。交互式应用程序( 如 i n t e r n e t 电话) 需要在大缓冲和小缓冲之间仔细平衡。大缓冲区用来应付网络的不可 预测行为，小缓冲区用来确定某种可以接受的通话效果。为保证时间序列特性，有 时丢弃那些在网络中延迟了很长时间的分组也是值得的。对于非交互式应用程序( 如 i n t e m e t 电视广播) ，播放缓冲区可能会相对大一些，因为这并不会影响用户那端的 使用效果。 目前的i n t e m e t 既不能保证分组传输的及时性，也不能保证分组时间的序列特 性这是因为i n t e m e t 更关注向哪里发送分组，而较少注意发送分组的时间。在 发展的早期这种做法是可以接受的，因为那时的应用程序通常是不要求实时性的。 而对简单的实时服务如远端登录等，当时的网络一般情况下也已经能提供足够好的 服务了。网络的设计和配置通常都遵循这样一句格言，“网络出现拥塞时就增加带 宽”。共享可用带宽的工作完全交给了统计复用的随机原理。只要任何一条链路的可 北京邮电火学硕士学位论文第章绪论 用带宽远远大于平均的通信负载，大概每个人都会感到满意。 然而，时代已经发生了变化。企业的i p i n t r a n e t 和商业i p 骨干网同样都要面l 临 许多新的需求，要求他们的网络在端到端的行为上具有更高的可预测性。这些需求 是由一系列因素所引出的，这些因素包括运行网络多媒体应用程序的p c 数量的爆 炸式的增长，许多企业也正试图将其关键应用程序迁移到基于i p 的网络中。中级和 顶级i p 骨干网的提供者也感到了压力，他们需要在其广域i p 网络上提供可预测的 和有保证的服务。只要用户仍然对i p 互连有所需求，服务提供商( i n t e m e ts e r v i c e p r o v i d e r ，i s p ) 就会一直处于不断改善其网络服务质量的巨大压力之下不仅要 从其他网站那里吸引新的客户，还要留住自己已有的客户。 1 1 2i p 网络存在的问题以及如何解决 与生活中的大多数事情一样，人们对网络性能也存在着不同的看法。对于一个 具有传统网络操作背景的人来说，o o s 是网络的一个长期可靠性和可用性的问题， 具体而言，就是连接网络的时间是一天几小时、一星期几天还是一年几个月等。其 引申的含义是用户在相当短的时间内即保持网络连接和传输分组的过程中 对网络行为的看法。这时，网络的性能就变成了一系列问题，包括传输速度、分组 传送的及时眭、网络给分组流带来的抖动总量以及完全分组丢失的概率。 网络中单个组件( 如路由器、交换机或链路) 的可靠性到底有多高，关键设备 是否都需要进行冗余配置保证其连接性，当冗余设备投入运行的时候，其连接的质 量如何( 包括可用的带宽、延迟、突发性以及分组丢失的概率等) ，在一个网络连接 质量由短期问题变成一个连接性丢失的长期性问题以前，可以容忍多大程度的网络 性能的下降。 当一般用户发送其分组的时候，一般都不会去注意i p 网络的内部情况。然而， 在你能够决定什么技术适于增强网络的性能之前，你必须理解现有i p 网络的弱点。 这些弱点可以总结如下： 1 ) 在发生瞬时拥塞时，路由器提供的时间响应是不可预测的。 2 ) 对不同的业务流类型不能提供优先级的服务。 3 ) 不能动态地请求( 或修改) 端到端的服务质量。 4 ) 只有有限的机制可以用于审计网络资源使用情况。 分组沿着由链路和路由器构成的通路传递。路由器和链路的互连可能构成任意 的拓扑结构，它们需要使用路由协议来为每一个分组寻找其合适的通路到达目的地。 北京邮电大学硕士学位论文 第一傅绪论 路由器本身就像是一个数十、数百以至数干不相关分组流的汇聚点和分支点。数据 应用程序可能产生许多具有数据突发( 其中存在静态的间隔时间) 或者有着均匀分 组间隔的分组流。当分组的突发同时到达时，到达的分组数量会超过路由器的瞬时 分组传送能力，这些试图通过该路由器的分组都将经历一个附加的延迟时间。路由 器和交换机要承受瞬时的网络拥塞，并缓冲到达的过量分组，直到它们被发送出去。 ( 当瞬时的网络拥塞变得很严重时，缓冲区可能溢出导致分组被完全抛弃。) 在提供 网络性能保证时最关键的两个因素如下： 如何保证最小的时延和时延抖动并在发生瞬时网络拥塞时，如何处理。 如何保证丢包率最小。 任何分组所经历的延迟时间都是由经过每一条链路的传输时延以及在每一个路 由器中的处理时延( 包括缓冲时延和排队时延) 组成的。 抖动是路由器中由拥塞导致的不可预料的缓冲延迟造成的缓冲延迟每时每 刻都是不断变化的，即使是对那些去往同一个目的地的分组也是同样。为尽力而为 的i n t e r a c t 而建造的路由器并不能区分来自不同应用程序或不同用户的分组。但是， 我们所需要的是路由器能够对不同种类的分组提供不同的延迟和抖动特性参数。 ，为：了建立_ 个具洧较高性能的j n t e r r i c t ；网络的设计者必须开发和配置新型的路 由器，j 这些路卣器能够将分组划分成不同的类型，在网络拥塞的时候对不同类别的 分组分别进行排队，并为每一类别分配唯一的处理优先级。有了这些工具以后，网 络的设计者就可以开始控制那些付出了额外费用的客户的端到端的延迟和抖动。 然而，要想达到这样的目的，首先就要取得现有网络的性能指标，从而定位问 题，解决问题。而网络性能测量恰恰满足了这些需求，提供现有的方法和工具。在 此基础上可以对现有网络进行优化，确保高性能网络的生成；也可以为大客户提供 良好的服务，提供具有优先级的服务。 1 2 国内外的发展状况 在2 0 世纪9 0 年代初期就有人开始研究因特网的测量。1 9 9 5 年美国科学基金会 ( n s f ) 系统地进行了因特网通信量的较大规模测量。1 9 9 6 年初，美国应用网络研究 国家实验室( n l a n r ) 在n s f 支持下召开了有关因特网统计与分析的研讨会i s m a 。 此后，依托于美n d 口 j 【 大学圣地亚哥分校超级计算中心的因特网数据分析合作组织 ( c a i d a ) ，对网络测量的相关理论和方法展开了系统性研究。i e t f 也成立了专门的 工作组i p p m 来制定i p 网络的运行参数。1 9 9 7 年，vp a x s o n 的博士学位论文“因 4 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 特网的端到端动态性能的测量与分析”成为网络测量领域中的经典文献。 互联网性能监测这一行业正在细化，从t c p i p 体系结构来看，从接口层到应 用层，针对每一层不同协议有不同的产品；从网络应用来看，从公共网到服务器再 到后台数据库，针对每一部分都有监测工具；从功能来看，对网络安全、速度、可 用性等都有监测手段。这一市场的发展得益于发达国家相当完善的网络基础设旌和 相对成熟的电子商务环境。在全球r r 市场上，有关互联网性能监测方面的产品和服 务得势场总值已达2 0 0 亿美元。 在我国，由于受网络带宽、互联网普及程度、网上交易环境等影响，互联网性 能监测这一行业发展相对较晚。但是，随着目前政府对网络经济的大力支持和软硬 件环境的不断完善。跨国公司在华业务的发展、金融证券业网上交易的开展、传统 企业的触网以及一些电子商务企业对自身竞争能力的要求已经为这个市场的发展打 下了初步的客户基础。因此，第三方互联网性能监测服务提供商游龙科技应运而生， 并且已经获得良好的市场反应。 国内清华大学提出了大规模互联网络性能监控模型l i p m ( l a r g es c a l ei n t e r n e t p e r f o r m a n c em o n i t o rm o d e l 、，借鉴了i s oft h ei n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 的层次结构思想，将整个模型分为数据采集、数据管理、数据分析、 数据表示四个层次，融汇了t m nf t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 在对象管 理方面韵方法，易于实现和维护。西安交通大学提出了互联网应用性能测量系统 n a p m ( n e t w o r k a p p l i c a t i o np e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ) ，提出应用探针和区域探针的 分布式体系结构。 未来几年，随着我国全民上网的普及和电子商务交易环境的日趋成熟以及网络 竞争的日趋激烈，互联网性能监测这一市场空间将得到极大的拓展。 1 3 本论文是如何组织的 本文主要研究网络时延的推测。网络内部性能在空间的分布信息可以极大地提 高动态路由算法和流量传输踟议的性能与效率，但是，在网络的每个点进行网络时 延测量是不切实际的。一种有前途的方法是：仅在网络边缘测量，并由这些测量来 推测网络的内部延迟行为，通过发送端到接收端的端到端延迟测量估计内部延迟或 延迟分布。需要解决的核心问题是如何从端到端测量结果获得每个链路的延迟。 本课题分析了对i p 网进行网络推测的重要性，同时学习网络测量方法和推测原 理。在掌握其基本原理的条件下对各种算法，如c g f 函数、高斯混合模型、e m 算 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 法、m f m m 算法等，应用到网络时延推测中进行分析研究，对其进行对比，找出其 中的不足。网络仿真使用n s 2 仿真软件，针对几种算法进行了编程仿真，利用测 量的端一端的时延，推测网络的各节点间链路的时延，给出仿真结果，对比推测值和 真实值，得出结论。 在本论文在结构上共分六章。在第一章绪论里对网络的服务质量进行了简单的 分析，并详细回答了我们为什么需要高性能的网络，以及如今网络存在的一些问题 进行了综述，最后介绍了本论文的组织结构。第二章是端到端网络性能测量的概述， 在这一章里主要介绍了端到端网络测量测量的需求，i p 网络测量的指标体系、测量 方法和研究现状。第三章介绍了几神当前应用比较广泛的网络时延推测算法，并对 其进行了研究、分析和比较。阐述了自己的学习心得和观点。第四章是算法的网络 仿真，进行了网络模拟，根据仿真数据对算法的性能进行了验证，并提出了修正的 过程。在以上基础上，第五章着重讲述了n e t l n f e r 软件的系统设计与实现，此软件主 要是测量端到端网络的时延和丢包率以及网络拓扑，并搭建了试验网进行了实际测 量。第六章对此课题进行了总结，提出了一些问题，并对所做工作进行了总结，不 足之处和有待解决的问题一一做了讲述。 北京邮电大学硕士学位论文第二章端到端网络性能测量的概述 第二章端到端网络性能测量的概述 以t c p i p 为主要协议的i n t e r n e t 已经渗透到社会生活的各个角落，从电子邮件、 网上聊天、文件传送、w e b 浏览、视频点播( v o d ) 到电子商务，人们充分享受了 i n t e r n e t 技术带来的快捷与便利。各行各业，包括工业、农业、建筑、制造、航天等， 都从信息产业中获得了巨大推动力。近年来，随着微电子技术、无线网络技术、软 件技术的发展，三网合一提上日程( 通信网络、计算机网络与有线电视网络逐渐融 合) ，使得i p 技术获得了并将得到更为普遍的应用。i n t e r n e t 的飞速发展迫切需要提 高它的性能，人们需要良好的服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 。充分的安全保证， 网络服务提供商( i n t e r n e ts e r v i c e sp r o v i d e r ，i s p ) t 旦需要加强对n t e m e t 的管理。新一 代i p 网络技术的研究与发展需要了解网络的运行规律以及验证新的协议、算法、策 略机制的性能，这就使得系统研究i p 网络性能测量这一课题成为必然而迫切的要求。 2 1 端到端网络性能测量基础 网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件包或硬件工具来测试表征网络 性能的指标，获取网络拓扑结构；节点属性、业务量特征等一系列活动的总和。网 络测量可以借鉴物理学中测量物理量的方法。网络测量包含以下三个要素： 1 ) 测量对象：被测量的节点或链路，测量节点、链路或网络的具体特征，如链路 的时延、吞吐率、丢包率，路由器的路由效率、时延、丢包率，w e b 服务器的应答 延迟、吞吐率、系统容量、最大稳定链接数等等； 2 ) 测量环境：包括测量点的选取、测量时间的确定、测量设备、通信网络类型等 等： 3 ) 测量方法：针对某一具体的网络行为指标，应选取合适的测量方法，测量方法 至少应满足：首先，稳健性被测网络的动态变化，不会使测量方法失效；其次， 可重复性一一同样的网络条件，多次测量结果应一致；再次，准确性一- n 量结果 应能反映网络的真实情况，应有一定的可信度。 2 1 1 端到端网络性能测量的概念 网络测量总的目标是将i n t e r n e t 网络拓扑、性能等映射成随时间空间变化的函 北京邮电大学硕士学位论文第二章端到端网络性能测量的概述 数。但是，i n t e r n e t 分布化、不协作( u n c o o p e r a t i v e ) 、异质( h e t e ：g c n e o n 对1 的特点以及 流量特征的复杂性，使得i l l t e m e t 测量研究是极具挑战性的工作。 根据测量技术获得网络节点支持的多少以及测量点的位置，测量可分为基于路 由器的测量( r o u t e r - b a s e dm e a s u r e m e n t ，简称r b m ) 、端到端测量( e n d t o e n d m e a s u r e m e n t ，简称e 2 e m ) 和路由器协作测量( r o u t e r a i d e dm e a s u r e m e n t ，简称 r a m ) 。r b m 主要由路由器中的管理软件来完成内部网络的测量。i s p 通常采用r b m 来监测其内部网络的拓扑、流量、时延、丢包率等。由于各i s p 之间的非协作性，这 些数据对外保密；另外，将大量路由器统计的性能数据传递给中心网管系统，本身 就需消耗大量带宽，增加网络负荷；这些原因使得在许多场合下不适合采用基于路由 器的测量。r a m 在边缘主机上执行测量，但需要路由器的配合，这方面近来提出了一 些新协议。由于i n t e r n e t 不同i s p 之间不协作的特点，依赖于路由器配合的测量方法 的能力将受限，因此，路由器协作的测量需要获得标准化组织和工业界的支持。端 到端网络性能测量是通过边缘主机的协作来获取网络性能统计，并尽可能地减小对 网络运行的影响，即只有边缘主机参与其中，不需路由器提供配合与支持，在尽可能 减小对网络造成负荷的前提下，获取和网络性能相关的统计数据达到网络推测的目 的。因此使得对于链路性能监测，在许多场合下更倾向于采用端到端网络性能测量 方案。端到端网络性能测量主要包括性能拓扑推测、时延、丢包率测量、带宽测量 等。 网络测量需要复杂的技术。特别是端到端测量，在没有路由器参与，两端设备 时钟又不同步的情况下，利用信号处理技术瓤数学分析方法，可以推测网络拓扑， 端到端的单向传输时延、链路时延，链路带宽、路径上的瓶颈带宽及可用带宽，甚 至还可以推测网络中路由器的调度策略和缓冲器容量。端到端测量具有特别重要的 意义，它可以测出网络的整体性能指标，而且不需要对路由器进行改造，也不需要 网络运营商公开内部资料( 如网络拓扑、设备配置、传输容量等) 。 21 2 时延的基本概念 概括的说，时延被分为四个主要部分： 处理时延( p r o c e s s i n gd e l a y ，l ) ：指分组到达一个节点的输入端与该分- n n 达该节点的输出端之间的时延。它受每个节点的计算能力和可用的硬件的影响，不 受流量的影响。t 。总体上看是一个随机变化的，每一个探测包在路由器中处理的速 度不完全相同，因此，我们分l 为一个确定部分和一个随机部分， t p = t 缸+ t 。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章端到端网络性能测量的概述 传输时延( t r a n s m i s s i o nd e l a y ，：) ：指发送节点在传输链路上开始发送分组的第 一个比特至发完该分组的最后一个比特所需的时间。z ：主要由连接速度或客量决 定，对于每一个探测包，传输时延被认为是相同的。 传播时延- ( p r o p a g a t i o nd e l a y ，2 ：。) ：指发送节点在传输链路上发送第一个比特时 刻至该比特到达接收节点的时间。t 。由电磁波通过通信链路的物理信道的传输时 问所决定。 排队时延_ ( q u e u i n gd e l a y ，i ：) ：指分组在路由器的缓冲区中，传输前的等待时 间，1 。由路由器中的交换结构决定。若节点的传输队列在节点的输出端，则排队时 延是指分组进入传输队列到该分组实际进入传输的时延。若节点的输入端有一个等 待队列，则排队时延是指分组进入等待队列到分组进入节点进行处理的时延。 令最小要求的数据包的大小为m 。比特( 仅是头字节加上尾字节的大小) ，总的数 据包的大小为m 比特。在第i 个节点，r ；为传输速率，则分别用乙z ，f t 。，l ， 表示处理时延大小，传输时延大小，从节点i 到节点j 的传播时延大小，m 比特大小的 数据包的排队时延大小。r 为总的传输速率( 各个链路传输速率总和1 ，l 为传播时延 和处理时延的总和，2 ：为排队时延的总和，则对于一个k 跳的链路： kk - 1 三2 善t w + 善。一 k 肌酗 。 m 1r 一2i = i j 一1 式( 2 - 1 ) 式( 2 - 2 ) 式( 2 3 ) 式( 2 4 ) m 比特大小的数据包的端到端时延： 如z a y ( m ) = + m o + ( + 半) 蛔) 式( 2 5 ) 中第一项犯+ m i o ) 是端到端时延的固定部分，它依赖于最初设计的网络 性能( 如数据包的传输速率) 和最短的数据包长m 。 北京邮电大学硕士学位论文第二孽端到端网络性能测量的概述 第-项(t+竺二!墅)是端到端时延的随机部分，它依赖于网络的拥塞程度(女i链路。 n 利用率1 和数据包大小m 。 网络传输时延的精度由发送方、接收方的系统而定。通常，考虑到正常使用时 操作系统对进程调度的时间粒度、收到数据报文的提交、中间结果的计算等时间因 素，网络的传输时延精度设置为l m s 。而且，在p c 系统上，不能测量网络的传输时 延小于l o m s 的情况。 网络传输时延的结果一般用三元组来表征，即最大传输时延、最小传输时延、 平均传输时延。通常情况下对同一对象测试4 5 次即可得出结果，当然也可以根据实 际的需要设定测量次数和钡i 量结果的表示形式。 2 1 3 时延的分类 网络的传输时延主要可阻分为两大类，即往返时延( r o u n d t r i pt i m e ，r 1 r n 和单 向时廷f 即端到端时延e n d t o e n dd e l a y ) n 种，基本单位为秒。网络的单程传输时延， 是指从发送方( 源端) 的物理设备开始发送数据至接收方( 目的端) 的物理设备全部接 收到该测量报文所需要的时间。单向时延的测量需要有专门的时间同步设备，血1 1 g p s 等。因此，通常意义上的网络传输时延测量 旨的是测量报文往返的时延测量，即测 量报文从发送方开始发送时计时，接收方在接收到该报文后立即返回给发送方，发 送方接收到该测量报文后停止计时，此时发送方所得的时间间隔即为往返时延。 测量单向时延和双向时延的好处： 1 ) 如果两机器之间的端到端时延超过某个阂值后，它们之上的一些应用程序不 能很好的工作，或者根本不能工作。 2 ) 交互形式的实时应用很难或不可能在时延的恶性波动的环境下工作。 3 1 时延越大，传输协议越难保持占用高的带宽。 4 、从时延的最小值可直接得知构成时延的固定部分连接的传输时延和机器的 发送时延。 5 1 当时延指标值最小时，表明测量包经过的连接负载极小。 6 1 最小值之上的时延表示连接上出现拥塞。 单向时延较双向时延的优势： 1 1 来回路径的不对称性，从源到目的路径与从目的到源的路径不一样，经历不 同路径上的序列的不同路由器，双向时延实际上反映了两条不同连接的性能。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章端到端网络性能测量的概述 2 1 即使来回路径对称，经历相同的路由器序列，但路由器队列的不对称使得两 个方向的性能差距可能很大。 3 ) 一些种类的应用依赖于单方向的时延性能。 4 ) 在一些提供q o s 保障的网络，一条连接的性能往往在两个方向上有很大的 不同，要验证时必须单方向测量。 双向时延的优势： 1 1 易于部署。测双向时延时不需像测量单向时延要在目的端安装专门的测量软 件。己经有许多基于i c m pe c h o 和t c p 回应的测量工具。 2 、易于解释。在某些时候只要双向时延，如果把一条连接的相反方向单向时延 和两端的处理时延相加得到双向时延，会带来较大的不准确性。 3 1 时钟带来的测量误差只要考虑源端时钟的频率一致性，不需考虑源和目的端 的同步。 端到端时延是评估i n t e r n e t 的网络性能的重要参数之一。通过对端到端时延的测 量，能够分析当前i n t e m e t 的基本特性，可根据i n t e r n e t 的q o s 要求进行网络规划设计， 如推测网络的拓扑结构和网络的流量模型等，为网络技术的改进提供可靠的理论依 据。 2 1 4 影响网络传输时延的因素 网络传输时延总是随着网络的运行状况而不断的变化，但是仔细分析可知，网 络的传输时延主要与如下两类因素密切相关： 因素一、网络本身的性能，即完全独立于网络业务流测量方法、仅与网络本身 的硬件特性相关的部分，主要包括三个方面的因素： 1 1 网络的物理介质。不同的物理介质，例如光网、以太网和无线网络( w i r e l e s s n e t w o r k ) = ，随着底层物理信号实现、转换的不同，而导致网络本身带宽各不相同， 因此对于具有一定长度的数据报文而言，其传输速度也各不相同。并且，在某些介 质中，还需要对数字信号进行调制和解调，以实现数字信号与模拟信号甚至是光信 号的相互转变，因此相对而言额， 的时间开销较大。 2 、当前传输所需的路由、转发、过滤次数。路由器的路由、转发实现需要时间， 而在路由上等待转发也同样需要时间。因此经过的路由器个数越多，转发的次数越 多，带来的时延也就越大。同时，路由器负荷越重，等待队列越长，时延也就越大。 同样，在经过防火墙时，防火墙会对报文进行扫描、过滤，不同效率的防火墙、不 北京邮电大学硕士学位论文第二章端到端网络性能测量的概述 同的过滤次数( 经过防火墙的个数) 等，都会对报文的传输时延产生影响。 3 ) 网络的数据链路层协议的不同实现方式。数据链路层对数据报文的传输存在 多种实现方式。在完全相同的上层协议和底层的物理链路上，不同传输机制的实现 对传输时延会产生不同的影响。例如，发送方采取何种机制以避免拥塞。早期的链 路层协议，只有当发送( 接收1 缓冲区满时，才开始进行“丢尾”操作，即直接将溢 出的数据丢失。这样的处理，使网络在抗报文的迸发( b u r s t ) 情况时性能极差，使传 输时延呈现较大的波动。而相比之下，现在新的数据链路层协议，采用r e df r a n d o m e a r l yd e t e c t i o n ) 机制，在缓存区没有达到满时，即有选择地( 例如，可以根据报文的 q o s 请求级别) 进行报文丢弃，这样使得网络抗b u r s t 的性能大为增强，同时，也使得 传输时延比较稳定。再例如，报文丢失后的恢复重传机制。特别是在某些特殊的网 络中( 例如无线网络中) ，上层的数据报文在实际的物理链路层传输时，都将被分成 若干小片f r a m e ) 。因此，当出现小片丢失时，链路层可以采取不同的a r q ( a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ) 机制，如停等( 即一直等待超时) ，全部重传，选择重传等等，这些不 同的机制对上层报文的传输都带来了必然