（计算机应用技术专业论文）面向组播业务的ipv6网络性能测量和预报.pdf

中文摘要 i p v 6 网络性能测量与预报是发现1 p v 6 网络弊端、改进网络拓扑结构和协议， 提高网络服务质量的基本工具，对下一代i p v 6 网络的建设和应用研究具有重要 意义j 在“i p v 6 自由立体电视终端研究 项目中，应用层组播依赖于不同路径 的端到端可用带宽、单向延迟和延迟抖动等参数进行路由选择以传输立体电视节 目。然而，目前在w i n d o w s 系统下尚缺乏集端到端可用带宽、单向延迟和延迟 抖动于一体的i p v 6 网络性能测量和预报工具。因此，本文提出了面向组播业务 的i p v 6 网络性能测量和预报系统。 本文设计并实现了w i n d o w s 平台下多点并发式l p v 6 网络性能测量和预报系 统，其测量和预报的网络性能参数包括端到端可用带宽、单向延迟和延迟抖动。 首先，本文以p a t h l o a d 的基本思想探测报文速率原理为原型，在 w i n d o w s 平台下加以改进并实现，以提高测量的实时性、减少额外负载、确保测 量准确性。然后，利用可用带宽测量过程得到的端到端可用带宽作为单向延迟测 量包的发送速率，并利用测得的单向延迟通过趋势判断校准端到端可用带宽测量 值。再者，在单向延迟的测量过程中，通过一定的采样机制和处理方法获得延迟 抖动均值。最后，采用a r 模型分别对各个网络参数进行快速预报。 通过大量实验和w i n d o w s 网络模拟器w i n n e t 对测量和预报的性能进行检 验，结果表明，本文实现的i p v 6 网络性能测量和预报系统不仅为应用层组播提 供了可靠的参考依据，也可作为独立高效的i p v 6 网络性能测量和预报工具。 关键词：i p v 6 测量和预报可用带宽单向延迟延迟抖动组播 a b s t i 认c t i p v 6n e t w o r kp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n df o r e c a s ta l et h eb a s i ct o o l st of i n d i p v 6n e t w o r ks h o r t c o m i n g s ，i m p r o v en e t w o r kt o p o l o g y , p r o t o c o l sa n dq o s ，a n dh o l d g r e a ti m p o r t a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no f n e x t g e n e r a t i o ni p v 6n e t w o r ka n dr e s e a r c ho n r e l e v a n ta p p l i c a t i o n s i nt h ep r o j e c to f “r e s e a r c ho ni p v 6m u l t i d i m e n s i o n a lt v e n d s y s t e m ”，e n d - t o 。e n da v a i l a b l eb a n d w i d t h ，o n e w a y d e l a y , d e l a yj i t t e r a n do t h e r p a r a m e t e r si nd i f f e r e n tp a t h sa r er e q u i r e df o rr o u t i n gb ya p p l i c a t i o n 1 a y e rm u l t i c a s tt o t r a n s p o r tm u l t i d i m e n s i o n a lt vp r o g r a m s h o w e v e r , c u r r e n t l yt h e r ei sn ow i n d o w s t o o lf o ri p v 6n e t w o r kp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n df o r e c a s t ，i n c l u d i n ge n d t o - e n d a v a i l a b l eb a n d w i d t h ，o n e w a yd e l a ya n dd e l a yj i t t e r s o ，as c h e m eo fp r o b i n ga n d f o r e c a s t i n gi p v 6n e t w o r kp e r f o r m a n c ei sp r o p o s e d t h i sp a p e r d e s i g n e d a n dr e a l i z e d p a r a l l e l i p v 6n e t w o r k p e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n ta n df o r e c a s ta m o n g m u l t i p l en o d e so r lw i n d o w s ，i nw h i c he n d t o e n d a v a i l a b l eb a n d w i d t h ，o n e - w a yd e l a ya n dd e l a yj i t t e rw e r ea nm e a s u r e da n df o r e c a s t e d f i r s t , w ea d o p t e dt h eb a s i ci d e af l o r ap a t h l o a d m p r o b er a t em o d e la n dm a d e i m p r o v e m e n t st oi m p r o v et h et i m e l i n e s s ，r e d u c ee x t r ao v e r h e a da n de n s u r ea c c u r a c y t h e n ，w eu s e de n d - t o e n da v a i l a b l eb a n d w i d t ha st h es e n d i n gr a t eo f o n e w a yd e l a y m e a s u r e m e n t p a c k e t s ，a n d c o r r e c t e da c q u i r e de n d t o e n da v a i l a b l eb a n d w i d t h a c c o r d i n gt ot h et r e n do fo n e w a yd e l a y s m e a n w h i l e ，t h em e a s u r e m e n to fa v e r a g e d e l a yj i t t e rw a sa c c o m p l i s h e db yc e r t a i ns a m p l i n ga l g o r i t h ma n dm a n i p u l a t i o n l a s t l y , w ea d o p t e da rm o d e lt om a k ea q u i c kf o r e c a s ta b o u te a c hp a r a m e t e r a f t e rd o i n gl o t so fe x p e r i m e n t sa n de m u l a t i o n su s i n gw i n n e tt oc h e c kt h e p e r f o r m a n c eo fm e a s u r e m e n ta n df o r e c a s t , i ti ss h o w e dt h a tt h es y s t e mo fi p v 6 n e t w o r kp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n df o r e c a s tn o to n l ys u p p l i e dd e p e n d a b l ed a t af o r a p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s t ，b u ta l s ow a sav a l i dt o o lt om e a s u r ea n df o r e c a s ti p v 6 n e t w o r kp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：1 1 6 ，m e a s u r e m e n ta n df o r e c a s t ，a v a i l a b l eb a n d w i d t h ，o n e w a yd e l a y , d e l a yj i t t e r , m u l t i c a s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞基堂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。 学位论文作者签名： 签字日期： 矿吵年月堙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壹盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨空盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 叫午 导师签名： o 秘f i 签字日期：凇7 年月“日 签字日期：1 年 月“日 第一章绪论 第一章绪论 随着各种网络在全球范围内的迅猛发展，无论是网络规模还是网络业务的种 类与数量都对网络性能提出了更高的要求。而网络性能测量与预报工作有利于网 络建设者和管理者改进网络性能，有利于网络服务提供商提供更加优质的服务， 同时也有利于用户选择更好的服务。网络性能测量与预报使人们更好的了解网 络，改善网络，让网络更好地为人类服务。随着下一代国际互联网络i p v 6 的建 设及其应用开发，面向6 的网络性能测量和预报不但成为建设高质量v 6 网 络的必要手段，而且也是开发各类i p v 6 网络应用的重要参考依据。 应“i p v 6 自由立体电视终端研究”的项目需求，本文提出了“面向组播业 务的n 6 网络性能测量和预报工作，其主要任务在于：基于c e r n e t 2 网络 实验平台进行三个主要网络性能参数的测量和预报( 端到端可用带宽、单向延迟 和延迟抖动) ，为应用层组播在i p v 6 网络上传输立体电视节目提供进行路由选择 和节目分发的重要参考依据，是整个项目不可缺少的前期准备工作。 1 1 网络性能测量 1 1 1 网络性能测量的概念和意义 作为一种最基本的方法和技术，网络性能测量利用软件和硬件工具测试或检 验一系列表现网络性能的指标或参数。其测量的主要性能参数包括网络拓扑结 构、延迟、延迟抖动、带宽、瓶颈位置、丢包率、流量、吞吐量、带宽利用率等。 其中，一部分性能参数是网络所固有的，如网络拓扑、链路容量、传输延迟等， 而另外一部分性能参数则是动态变化的，如可用带宽、延迟抖动、路由的变化等 等，这部分参数相对于网络固有参数在实际网络应用中往往更加重要，但是，同 时也更加难以实现快速准确的测量。 在网络及其应用飞速发展的今天，网络性能测量在社会生活的各个领域发挥 着重要的作用。简单来说，网络性能测量是人们认识网络、改善网络、利用网络 的基本前提之一。只有通过网络性能测量，网络管理者才能发现网络拓扑结构的 弊端，从而不断去完善网络拓扑结构，优化网络配置，加强网络管理：只有通过 网络性能测量，网络分析员和科学工作者才能发现异常的网络用户或恶意的网络 行为；只有通过网络性能测量，服务提供者才能不断改进网络的逻辑结构，向用 第一章绪论 户提供更加优质的服务，提高网络的利用率；只有通过网络性能测量，用户才可 能了解网络的各项服务，从而选择适合自己的服务。总之，网络性能测量已经成 为社会众多领域普遍关心的重要问题之一，如政府部门、商业机构等。 此外，网络性能测量是进行网络性能预报和网络控制的基本前提。对网络性 能进行测量的最终目的在于了解网络、管理网络、控制网络。网络性能测量为网 络模型化的发展，从而为网络行为预报或预测提供最基本的参考数据。只有基于 网络性能测量和预报，我们才能对网络进行有效的管理，实现网络资源的合理配 置与使用。 1 1 2 网络性能测量的研究现状和发展动态 如前所述，网络性能测量因其在网络控制、管理与利用等方面的重要作用， 长期以来，一直成为国内外网络研究的重点之一。 目前，对于网络性能测量，存在着多种分类标准。 首先，根据测量方法主要分为：主动测量和被动测量。所谓主动测量是指通 过向网络中主动发送探测数据从而获得网络性能的各个参数，如每条路径上两个 结点间的r t r 、丢包率、可用带宽等等。现在，国际上大多数网络性能测量方 式都属于主动测量方式：美国的n i m i ( n a t i o n a li n t e m e tm e a s u r e m e n ti n f r a s t r u c t u r e ) 项目利用p i n g 、t r a c e r o u t e 、m t r a c e 等主动测量工具进行网络性能测量l l 】；建立在 全球参与站点上的测量平台上，s u r v e y o r 测量包括单向延迟、损耗、路由等在内 的i n t e m e t 路径性能，其设有5 5 个监测点并在1 8 8 3 条路径上进行单向延迟的测量。 此外，还有许多项目和研究基于主动测量对大范围的网络进行测量1 2 j 。这种主动 测量方式，往往比被动测量方式覆盖范围广，但是容易产生额外网络负载，加重 网络的负担，有可能使得已经繁忙的网络陷于瘫痪，同时也不易进行网络统一配 置和管理。 相对而言，被动测量方式旨在某一个或多个特定的结点监视网络的各种活 动，捕捉有参考价值的网络数据以测量网络性能。目前，已经开展的被动测量项 目，如p m a ( p a s s i v em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s ) 目的在于为高级网络提供协作性 的服务支持；由i b m 和b e r k e r l e yu n i v e r s i t y 合作开发的s p a n d ( s h a r e dp a s s i v e n e t w o r kp e r f o r m a n c ed i s c o v e r y ) 项目通过对捕捉到的u d p t c p 分组进行分析得 到带宽和丢包率等性能参数。虽然这些被动测量方式对网络行为几乎没有影响， 但是这种方式往往需要多个测量点的相互协作，并不适合于进行大范围或大规模 的网络测量，其测量范围受到严重限制。 其次，就测量点的数目而言，网络性能测量又可分为单点测量和多点测量。 起初的网络性能测量多属于单点测量方式，但因为其测量能力有限并且获得的信 第一章绪论 息量少、不全面，分布式多点测量逐渐倍受关注。多点测量的优势在于它能够利 用多个测量点获得数据并进行综合分析，从而获得整个网络的性能，同时还可以 获得单点测量无法得到的交叉网络路由信息等。因此，多点测量与单点测量相比 可获得更加完整、更大范围的网络性能信息，有着更加广阔的发展前景。 目前，在网络性能测量研究工作方面，大多数测量方法采用多点主动测量的 方式，测量的重点在于那些动态变化的网络性能参数如延迟、延迟抖动、端到端 的可用带宽等等，而非固定的网络性能参数。究其原因在于网络存在的意义在于 承载网络业务，尤其是随着多媒体技术的发展，像网络视频会议此类的应用要求 更高实时性和q o s 支持，而此类网络业务同时加剧了网络的动态变化性，往往 要求服务提供商和网络管理者不断地了解网络当前不断变化的性能参数，如端到 端可用带宽和单向延迟等，从而提供符合要求的服务质量以满足用户的需求。为 此，目前网络性能测量的重点在于动态性能参数。 此外，随着网络的不断发展，网络性能测量不仅为现有的i p v 4 网络所需要， 而且对于无线网络、l p v 6 网络及下一代高性能网络( 光纤网络) 都具有非常重 要的研究价值和应用价值。不同的网络具有各自独特的特征，使得网络性能测量 也要相应地采取不同的机制和策略：无线网络由于其有限的资源，不允许网络性 能测量引入过高的网络额外负载。l p v 6 网络随着网络设备对流标签和优先级的 支持，网络性能测量方法将有可能克服i p v 4 网络性能测量方法中存在的弊端， 尤其是对于端到端可用带宽的测量，网络的突发业务对探测包的影响在 、，6 网 络中可能将不再存在，但这要取决于i p v 6 网络硬件对协议的支持程度。下一代 高性能光纤网络仍在开发与探索当中，相应的网络性能测量工作需要新的探索。 1 1 3i p v 6 及其网络性能测量 随着全球网络用户的迅猛增加，现有的i p v 4 地址将有可能无法满足未来网 络用户的需求，下一代网络协议i p v 6 应运而生。从i p v 6 协议的最初提出d j ，人们 不断探索对i p v 6 协议的软件和硬件支持来实现i p v 6 网络的建设和管理。 时至今日，在我国，一系列关于下一代互联网络i p v 6 的通信和技术标准已 经发布，如i p v 6 路由协议测试方法一支持i p v 6 的边界网关协议、i p v 6 路由 协议测试方法一支持i p v 6 的开放最短路径优先协议、i p v 6 网络技术要求一地 址、过渡及服务质量、( i p v 6 网络设备技术要求一支持i p v 6 的边缘路由器、脚6 网络设备测试方法支持i p v 6 的边缘路由器、i p v 6 网络设备技术要求一支持 i p v 6 的核心路由器、i p v 6 网络设备测试方法一支持i p v 6 的核心路由器等。 此外，在某些国家和地区已经建立了一定规模的i p v 6 实验网，如我国的 c e r n e t 2 已与北美、欧洲、亚太等地的国际下一代互联网i p v 6 实现了互联，并 第一章绪论 正在筹备或准备面向i p v 6 的网络研究、实验和应用开发，如大规模路由、组播、 网络测量和管理等多种面向i p v 6 的技术实验，大规模安全体系结构及其关键性 技术的研究，开发基于l p v 6 的视频传输、家庭网络等多种新型应用。 然而，在i p v 6 网络建设、管理和应用开发的过程中，面向i p v 6 的网络性能 测量工作发挥着关键性的支撑作用。i p v 6 网络性能测量对i p v 6 网络的可用性、 链路结点间的响应时间、吞吐量、网络利用率以及网络带宽容量等一系列标识网 络服务质量( q o s ) 的重要参数进行测量以发现网络拓扑结构或硬件设施的弊端， 进而不断改进i p v 6 网络性能，以期为网络用户提供更加优质的网络资源和服务。 若没有对i p v 6 网络性能的测量，网络建设者、管理者和应用开发者就无法获得 网络性能的状态以评价或改善网络基础设施建设和各种网络应用的性能。在这种 意义上说，i p v 6 网络性能测量工作是建设下一代国际互联网络及其应用开发的 必要组成因素。 鉴于i p v 6 网络潜在的应用价值，l p v 6 网络性能测量的研究和具体的实施工 作也随之不断展开。清华大学信息网络工程中心在面向l p v 4 的网络性能测量工 具i p e r f 的基础上，完成了向6 的移植( 胍r f 6 ) 。) e r f i p e r f 6 是端到端 网络性能测量软件，其测量的i p v 6 网络性能参数主要包括带宽、丢包率、抖动、 t c p 窗口尺寸等。但是，聃6 协议与i p v 4 协议有所不同，其相应的网络性能测 量方法的设计和实现也应针对6 协议的特性。 l p v 6 协议数据报头与1 h t 4 数据报头不同，除了口地址长度从3 2 位增加到 1 2 8 位外，最显著的差别在于i p v 6 对q o s 的支持。图1 1 表明了i p v 6 数据报头 的格式。 版本 业务分类( t o 流标签( f l o wl a b e l ) 净荷长度 下一头标 h o p 限制 源地址 目的地址 图1 1i p v 6 数据报头格式 i p v 6 对q o s 的支持体现在其“业务分类( t c ) ”字段上，通过这个字段可 以为不同的i p v 6 网络业务设置不同优先级，而i p v 4 协议只能实现“尽力而为 ( b e s te f r o r t ) ”服务。此外，在i p v 6 协议中，每个业务流通过源地址、目的地 址和流标签三者的组合来唯一标识，其中流标签是1 - f f f f f 的伪随机数。 i p v 6 协议的这些特征在理论上可以避免i p v 4 网络性能测量中的弊端，即流 标签的使用可以区分通过同一路径的不同测量数据包流；优先级的设置有助于排 第一章绪论 除网络背景业务对测量过程的干扰，建立清晰的网络队列模型，而这些问题在很 大程度上影响了现今绝大多数i p v 4 网络性能主动测量方式的准确性。 但是，现有支持i p v 6 协议的硬件和软件还没有很好地实现对网络业务优先 级和流标签的支持，许多问题尚待解决：如流标签如何产生、由谁产生，优先级 如何设置等等。所以，真正实现的i p v 6 网络测量工具仍然无法依赖于i p v 6 的新 特性，目前实现的i p v 6 网络性能测量工具大多在原有i p v 4 实现的基础上进行对 i p v 6 的移植。 1 2 应用层组播及网络性能测量 随着网络流媒体应用和技术的发展，作为流媒体传输技术的一个重要组成部 分，组播技术对于网络流媒体应用的发展具有重要意义。组播又称为多址广播【4 j 。 不同于一对一的点对点传输方式，在组播传输方式中，组播源可以把数据包发送 到具有对应关系的组播组，只有属于该组播组的成员结点可以接收到此数据包， 而其他组的成员结点无法接收到此数据包。其中，组播组的成员或属于同一个物 理网络，或来自不同的物理网络。 组播技术的优势在于节省主干网络的带宽，提高数据传输的效率。对于大量 数据的传输应用来说，尤其是流媒体传输应用，往往消耗大量的带宽，如果采用 点对点的单播( u n i c a s t ) 传输方式，源端需要为每一个请求服务的结点单独传输 一份流媒体数据，因而会消耗大量的带宽，增加网络的负担。相对而言，在以组 播技术实现的流媒体传输应用中，组播源只需要为属于同一个组播组的所有成员 发送一份流媒体数据，只要用户结点请求加入该组播组就可以接收到相应的流媒 体数据。显而易见，组播技术的应用可以大大地节省网络带宽，提高数据传输效 率，尤其对流媒体传输这样要求高带宽和实时性的网络应用来说，具有更加重要 的意义。 在组播技术中，应用层组播成为新的研究热点 5 1 。所谓应用层组播是将组成 员结点组成逻辑覆盖网络( 组播树) ，使用应用层组播路由协议组建并维护该网 络，以为数据传输提供高效可靠的服务。i e t f 将组播技术分为两种模式【6 j ：单源 对多点和多源对多点。其中，多源对多点的组播方式在生成组播树和组管理等方 面存在较大难度，现阶段的组播技术主要为单源对多点的组播方式。 在大规模单源应用层组播技术中，关键在于如何建立和管理组播树以进行报 文复制和数据分发等工作。组播树的建立和管理直接影响到网络性能和组播应用 ( 如流媒体传输) 的服务质量。反之，网络性能参数，如端到端可用带宽、单向 延迟、延迟抖动、丢保率、瓶颈位置等等，会对组播的效率和性能产生很大的影 第一章绪论 响。如果在组播树的建立和管理过程中考虑到不同路径上的网络性能参数，则有 利于改进或优化组播树的逻辑结构，避免组播网络的拥塞，进而提高组播传输应 用的效率，如避开瓶颈位置或选择可用带宽较大的路径传输等都可以有效地提高 组播的效率。因此，网络性能测量为应用层组播提供重要的参考依据。 1 3 网络性能预报 1 3 1 网络性能预报的研究价值 网络性能预报也可称为网络性能预测，它的任务在于根据已经测量得到的各 个网络性能参数，通过建立一定的网络业务模型或利用特定的方法对未来一段时 间内的网络性能参数作出合理的估计。网络性能预报的基础在于网络性能测量所 得到的数据，具体来讲，这些数据是在一系列时间序列的离散数值。网络性能预 报即以时间为准线，分析每条路径上的各个网络性能参数的动态变化趋势，建立 相应的数学模型去拟和时间序列，对网络行为的发展趋势做出预测。 如前所述，网络性能测量为网络管理、控制及提高网络服务质量提供了基本 参考依据。但是，现有的网络性能测量方法大多引入了不必要的网络额外负载， 在一定程度上对网络性能起到了负面的影响。同时，持续的网络性能测量必然耗 费大量的系统资源。此外，对于支持i c m p 协议的网络性能测量软件，许多网络 结点为防止恶意攻击拒绝访问。而网络性能预报不单单作为一种技术，同时作为 一种科学，进一步加深了人们对网络的了解，对网络业务的了解。更加重要的一 点在于，通过科学可靠的网络性能参数的分析和合理的网络业务模型进行网络性 能参数预报，为网络控制与管理提供有效的参考依据。 1 3 2 网络性能预报的研究现状和发展动态 一直以来，网络性能预报是网络行为研究的难点之一，关键的问题在于如何 寻找一种快速准确的网络预报方法。 目前，网络性能预报方法主要包括时间序列分析方法、神经网络预报技术和 基于小波的预报方法，其核心在于时间序列分析方法。在生产和科学研究中，对 某一个或一组变量x ( t ) 进行观察测量，将在一系列时刻t l ，t 2 ，t n ( t 为自变量 且t 1 t 2 组数据包 a n 腑碡苴官象精 一 计算并返回速率r 和其 它参数 i 以速率r 及返回的参数 f l e e t 卜 发送一个f l e e t ”。 一”杪 p 调整速率和其 接收数据包，分析o w l ) 趋势 它参数 1 。，- l “1 e 目k * h b 自l 、三三三二三三二： i j 逸凹结束径俐侣思l n ， j 图2 - 2 可用带宽测量整体设计 由图2 2 可知，本文可用带宽的测量依赖于发送端和接收端的通信和协作， 两者之间的通信( 数据信息和控制信息) 依靠i p v 6 、t c p 和u d p 实现。此外， 本文实现的网络性能测量包括端到端可用带宽测量是多点并发式的，在本章节 中，我们仅介绍一个发送端和一个接收端之间的端到端可用带宽测量实现。其中， 发送端主要负责根据接收端调整后的速率r 和其他参数发送探测数据包，接收 端负责接收探测数据包，对数据包的单向延迟进行趋势分析判断，从而进行速率 调整或判断测量是否应该结束。 其具体的工作流程如下： 首先，确定初始发送速率。在测量的最初，发送端以系统所能达到的最大发 送速率向接收端发送一组标有时间戳的相同大小的探测数据包，接收端收到这组 数据包后，对这些数据包的单向延迟( o w d ) 进行记录分析，通过一定的方法 计算出发送端进行可用带宽测量的初始发送速率r = a d r ( 见公式( 2 3 ) ) 以及其 它参数( 探测数据包之间的间隔t 、数据包的大小等) 并通过发送控制信息告知 发送端。 a d r = ( 。s p ) ( a r r v 1 a s t - a r t y f i r s t ) ( 2 - 3 ) 在公式( 2 3 ) 中，代表接收到的探测数据包个数，昂代表探测数据包的大小， 第二章端到端可用带宽测量 a r r v l l a s t j 表示接收到的最后一个数据包的到达时间，彳m 伽玎代表接收到的第 一个数据包的到达时间。 接着，发送端根据接收端返回的参数信息，以规定的速率r 向接收端发送 一批数据包( 我们称为一个f l e e t ，其结构如图2 3 所示) ，每个f l e e t 由若干个s t r e a m 组成，每个s t r e a m 包含若干个同样大小的带有发送时间戳的数据包。其中，发 送端每发送完一个s t r e a m 后要停留一段时间再发送下一个s t r e a m ，这样做的目的 在于让接收端有足够的时间去接收所有已经发出的探测数据包并进行相应的数 据记录和统计处理。 然后，每当接收端接收完一个完整的f l e e t ，针对每个s t r e a m ，根据探测数据 包的发送时间戳和到达时间戳分析一个s t r e a m 中所有数据包的单向延迟，判断是 否有增加的趋势或是否达到得出可用带宽的条件来结束测量。如果可以结束测 量，则计算出可用带宽的测量范围；否则，根据具体的趋势相应地调整下一个探 、狈d f l e e t 的发送速率和其它相关参数，并通过发送控制信息通知发送端以新的速率 发送下一轮探测数据包( f l e e t ) 。具体来讲，如果第n 个探s g f l e e t 的发送速率碥小 于可用带宽a ，接收端将通知发送端以速率k 1 发送第n + 1 个探测f l e e t ，其中 k l k ，反之，k 1 a 。 情况2 ：当第n 个探澳l j f l e e t 中呈“无增加趋势”的数据包流与总数据包流的比 值超过 则判定该探坝l j f l e e t 为“无增加趋势”，从而得出r n a ，则接收 端将调整下一个f l e e t 的发送速率为当前发送速率的一半，按照这种方式循环往复 直到第n 个f l e e t 的发送速率如 a ，此时设定r m i i l = k ，r 嗽= i o l 。反之，如果r o a ， 则接收端将调整下一个f l e e t 的发送速率为当前发送速率的2 倍，同样按照这种方 式循环往复直到第n 个f l e e t 的发送速率m ，此时设定r m i n = 1 0 1 ，r t 嗽= r n 。 图2 - 4 初始速率调整策略 第二章端到端可用带宽测量 初始速率调整完毕之后，接收端通过分析后续到来的f l e e t 进行进一步速率 调整或结束判断，具体的速率调整流程如图2 5 所示。 图2 5 速率调整流程 从图中我们可以看出，在趋势判断( 如与a 的大小关系) 之后，根据当前的 r m 小r m 缸、g 曲、g 一这几个参数值得出下一个探钡u f l e e t 的发送速率i o l ，并对 r m i i l 、r m 找、g m i i i 、g 一这几个参数值进行更新。 此外，在速率调整之后，接收端还要判断是否发送下一个f l e e t ，即判断是否 可以得出端到端可用带宽从而结束该参数的测量。具体的判断测量结束的条件 是：当r 一一。 b r 时或者当r 泓一g 懈和r m i l i g m i n 都小于指定的值缈时，其 中，b r 为指定的带宽分辨率。最终，测量得到可用带宽的范围为 。，r m 缸】。 2 3 可用带宽测量的性能改进和评价 p a t h l o a d 工具利用p r m 模型在l i n u x 下实现了只能支持i p v 4 协议的端到端 可用带宽测量。如前所述，本文利用p a t h l o a d 可用带宽测量的基本原理，在 w i n d o w s 下实现了支持i p v 6 协议的端到端可用带宽测量。此外，针对p a t h l o a d 存在的一些问题进行了如下改进：减少测量负载、降低测量持续时间、提高测量 精度、多用户并发测量等等。 在p a t h l o a d 原有的实现过程中，为了提高测量的精度，每个f l e e t 包含1 2 个 数据包流( s t r e a m ) ，每个s t r e a m 包含1 0 0 个探测数据包。每个数据包的长度都 第二章端到端可用带宽测量 在几百个字节之上，多至1 3 0 0 个字节。这样的测量数据量对于对带宽消耗不高 的网络来说，引入的额外网络负载不会产生严重的影响，但是对于传输立体电视 节目这样需要高带宽消耗的应用来说，这样的测量数据极有可能造成网络的拥 塞，尤其对瓶颈链路而言。此外，网络业务总是在动态变化着的，如果每个f l e e t 包含过多的s t r e a m ，一方面不可避免地要增加测量的持续时间；另一方面可导致 在传输属于同一f l e e t 的不同s 仃e a m 时，可用带宽由于网络业务的突发性产生大 幅度的变化，会使得测量值在某一范围内长期波动，从而既有可能增加测量的持 续时间，不能保证测量结果的实时性，也会极大地降低测量结果的准确性。 基于上述原因，本文提出了减少每个探测f l e e t 的s t r e a m 数至8 ，同时规定 探测数据包最大字节数为1 0 0 0 ，以此来减少端到端可用带宽测量过程引入的额 外网络负担并减少测量的持续时间。 然而，上述的改变会不会影响探测的精度呢? 针对这一问题，我们利用 w i n d o w s 工具将系统的计时精确到微妙，与此同时排除了w m d o w s 操作，如发 送数据包( s e n d t o ) 和接收数据包( r e e v 丘o m ) 操作，对数据包传输延迟的影响， 以提高接收端趋势分析判断的准确性。此外，本文利用w m d o w s 网络模拟器 w i n n e t 对p a t h l o a d 和本测量工具在相同的网络条件下进行实验比较，结果发现 上述改进对端到端可用带宽的测量精度几乎没有影响，同时大大降低了测量的持 续时间。这一部分将在第六章节作详细阐述。 最后，p a y l o a d 工具只能用于两个用户之间可用带宽测量，本文实现了多用 户之间并发测量端到端可用带宽的功能( 具体实现可见第六章) 。经过1 个月左 右的测试，我们发现该测量具有良好的稳定性。 第三章单向延迟测量 第三章单向延迟测量 单向延迟是评价网络性能的一个重要指标。针对“i p v 6 自由立体电视终端 研究刀，对c e r n e t 2 网络性能的测量工作相对于i p v 4 网络性能测量工作较少， 且立体电视节目的传输要求单向延迟控制在一定范围内。此外，单向延迟的测量 为应用层组播识别不同路径的反应能力从而不断改进组播树结构进行路由选择 和节目分发提供重要的参考依据。为此，本文提出了单向延迟测量工作，在这一 章节中简要介绍了当前单向延迟测量工作的现状和存在问题，然后就如何利用端 到端可用带宽测量结果进行单向延迟测量并进一步校准端到端可用带宽测量结 果给出了详细介绍和性能分析。 3 1 相关知识 3 1 1 单向延迟的概念和测量的必要性 延迟，作为网络性能的基本属性之一，也是评价网络性能的重要参考指标之 一。根据正邗发布的r f c1 2 4 2 文档网络互联设备基准术语( b e n c h m a r k i n g t e r m i n o l o g yf o rn e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o nd e v i c e s ) 和r f c 2 5 4 4 文档网络互联设 备基准方法学( b e n c h r n a r k i n gm e t h o d o l o g yf o rn e t w o r ki n t e r c o n n e c td e v i c e s ) ， 在网络性能测量中，主要有三个必不可少的网络性能参数：吞吐量( t h r o u g h p u t ) 、 延迟( l a t e n c y ) 、丢包率( l o s sr a t e ) 。可见，网络延迟测量的重要性。此外， 延迟测量也是测量延迟抖动以及端到端可用带宽等其他网络性能参数的基本依 据，其在网络性能测量、网络行为分析及网络应用开发等领域具有广泛而重要的 应用价值。 鉴于延迟的重要性，i e t f 的i p 网络性能指标工作组( i p p m ) 对延迟的定义 进行了标准化，将延迟分为往返时延和单向时延【1 7 】【18 1 ，图3 1 形象地表示了两 者的具体含义和区别。 往返延迟即通常所说的r 1 y r ，顾名思义，它指的是某数据包从源端s 出 发经一定路径到达目的结点d 后返回源端所经历的时间。即往返延迟 r 玎= 瓦一t ( 3 - 1 ) 其中疋为数据包返回源端的时间，疋为数据包离开源端的时间。 第三章单向延迟测量 单向延迟( o n e - w a yd e l a y ，简称为o w d ) 则为数据包从源端s 发出经一定 路径到达目的端d 所经历的时间。数学表示如下： o w d = 乃一五( 3 2 ) 其中乃为数据包到达目的端的时间，瓦为数据包离开源端的时间。 往返延迟示意图单向延迟示意图 图3 - 1 延迟示意图 在这两者之中，相对于往返延迟，单向延迟的测量在网络研究与应用领域愈 发重要。对于大多数网络应用来说，数据流和媒体流的单向传输应用往往需要了 解两个结点之间每个传输方向上的单向延迟，而不仅仅限于较宽泛的往返延迟。 就视频点播系统和本文的项目背景i p v 6 自由立体电视终端研究而言，由于 单方向的立体电视节目传输，我们不仅想了解每条可用路径的往返延迟参数，更 想了解所有路径上的单向延迟，以更好地建立应用层组播树，为立体电视节目的 分发选择更好的路由和网络性能。因此，不仅对于网络发展，而且对于本文项目 的实现，单向延迟测量的研究工作是十分必要的。 3 1 2 单向延迟测量的研究现状 关于延迟测量的研究由来已久，经典的p i n g 方法利用i c m p 协议在i p v 4 网 络上可测量端到端往返延迟i u t 。在此基础上，利用相同的原理，p i n 9 6 可对i p v 6 网络端到端往返延迟及网络连通性进行测量。但是，由于网络安全的发展，i c m p 协议被许多互联网络用户禁止，利用这种方法很难测量出大规模网络的往返延迟 和连通性。因此，延迟的测量不得不诉诸于t c p 或u d p 协议，文献 1 9 】提出了 利用t c p 协议测量往返延迟的方法。 目前，单向延迟的测量主要基于两种理论模型。 第一种理论基于传统的往返延迟进行单向延迟的测量计算，即利用公式( 3 3 ) 得出单向延迟o w d 。 第三章单向延迟测量 0 w d = r 刀2 ( 3 - 3 ) 这种方法的优点在于它不存在时钟同步问题。但是，它假设数据包自源端发送到 目的端的路径与数据包自目的端返回到源端的路径是同一条路径，然而在实际网 络中，这种情况未必绝对。此外，这种方法假设数据包自源端到目的端的时间与 从目的端返回到源端的时间相同。实际上，即使数据包传输的往返路径是相同的， 往返的时间也可能不同，尤其是在拓扑结构对称性差、业务较复杂的网络中。因 此，在拓扑结构和业务较为复杂的网络中，基于这种理论进行的单向延迟测量很 难保证测量的准确性。 另一种理论模型即根据端到端单向延迟的定义，通过记录数据包从源端发出 的时间戳瓦和该数据包到达目的端的时间戳，利用公式( 3 2 ) 计算出单向延迟 。 t o w d 。这种方法排除了第一种方法中两个不完全成立的假设条件，保证了理论 上的可行性。但是，它同时又面临着一个很重要的问题，即源端和目的端的时钟 同步问题。换句话说，如果源端和目的端的时钟不同步，那么按照公式( 3 - 2 ) n 得 的单向延迟在任何网络拓扑结构下都无法保证其测量的准确性。 针对时钟同步问题，目前主要有三种解决方式。 1 第一种方式是将测试发送端( 源端) 设备和测试接收端( 目的端) 在同 一地点直连，校准两个测试设备的硬件时钟后放到测试结点处。但是，该方法在 大规模的网络测量中根本无法实现，而且随着时间的推移，测试设备间的时钟误 差也会逐渐增加。 2 第二种方法基于己有的网络时间协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，n t p ) 刚， 通过特定算法用软件实现，一般能获得误差在1 0 m s 范围内的精确时间。此方法 相对于广域网上通常在5 0 0 m s 以上的延迟来说，是可以容忍的，具有一定的可 行性。 3 第三种方式即通过g p s 全球定位系统来保证测试发送端和测试接收端的 时钟同步。在这种方式下，两个测试设备间的时间误差可控制在1 毫秒之内，其 单向延迟的误差主要来源于操作系统收发数据包的调度过程，而这种误差可以通 过其他方法进一步缩小【2 l 】瞄】。虽然该方法是目前最精确的时钟同步方法，但是 其相当成本昂贵，且测量范围受测量结点部署位置的限制。 此外，在文献 2 3 】中提出了一种在单向延迟测量中消除时钟误差效应影响的 方法。但是此方法只是限于理论，无法在真实网络的单向延迟测量中应用。 同其它网络性能测量方法一样，单向延迟测量可采用主动测量方式和被动测 量方式，文献【2 4 】提出了一种结合主动和被动方式的网络延迟测量方法，但是这 种方式只能适用于网络流量和规模较小的网络，在大规模的网络测量中很难应 第三章单向延迟测量 用，而主动测量方式更适合于大规模的网络延迟测量。 3 1 3 基于组播方式的延迟测量 如前所述，组播方式较单播方式更加节省网络带宽。同理，基于单播方式的 网络延迟测量通常要比基于组播方式的延迟测量给网络带来的额外负载高。 m t r a c e 是一种基于组播的测量工具，给网络造成的额外负载比较小，但是它要求 测量网络中所有路由器对其提出的要求做出回应。为此，r c a c e r e s 和p r e s t ifl o 提出了端到端的基于组播的延迟推导方法【2 5 1 。该方法可扩展性好、且不需要网络 内部结点的信息，但其不仅未能解决如何控制源结点发送的测试分组数，而且没 有设计出降低时间复杂度的有效方法。文献【2