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网络性能测量方法 摘要 随着宽带网络技术以及实时多媒体应用技术( 如流媒体、视频会 议等) 的发展，i p 宽带业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实， 这对网络性能提出了更高的要求。多媒体数据( 如视频数据) 业务不仅 占用带宽大，而且具有实时性。由于传统的“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 网络缺乏服务质量( q o s ) 机制的保障，在当前i n t e r n e t 网上支持实 时媒体应用日益成为网络研究的一个重点，为了能在尽力而为的网络 上支持多媒体应用，需要深入的了解网络特征，从而有效的对网络进 行预测、控制和使用。 为此，本文制订了网络性能指标体系及其相应的测量方法，并将 该指标体系中的相关内容应用到流媒体控制机制( m a c o m ) 仿真系 统中。m a c o m 以保证音、视频应用的服务质量为目的，以可用带宽 的测量算法、接纳控制机制与质量控制机制为措施，形成为媒体通信 业务提供保证传输质量的监测控制机制平台。在m a c o m 中引入了 一类特殊端机，该类端机被部署在核心网周围，采用持续性的主动探 测和被动监测的方式，对网络性能指标分层进行测量，具体包括系统 层指标、传输层指标和应用层指标，由此m a c o m 可以更为准确和 全面地了解网络能力及其负载的特点。基于对网络特征的深入了解， m a c o m 不仅可以优化各个媒体终端所实施的应用层控制措施，而且 能够使其相互协调以达到更为良好的总体效果，进而完成对音、视频 应用服务质量的有效维护。 同时在深入研究现有网络可用带宽测量方法的基础上，提出一种 面向负载的可用带宽测量算法l o m a ( l o a do r i e n t e dm e a s u r e m e n t a l g o r i t h m ) 。算法的核心思想是将网络状态分为轻负载与重负载，分 别采用相应的算法测量可用带宽，并能够根据网络负载的变化自动切 换测量算法。轻负载时，采用改进的p a t h l o a d 算法，与原算法相比， 降低了测试数据流的平均速率，并缩短了每次测量需要的时间；重负 载时，停止发送主动测试流，利用媒体数据传输结构特点，采用类似 p a c k e t p a i r 算法，将媒体流作为测试流测量网络可用带宽。 最后，用仿真试验实现了m a c o m 系统平台，测量网络性能指标， 通过依次增加网络通信负载流量，对测量结果进行对比和原因分析。 需要指出的是，可用带宽l o m a 算法无论在网络处于轻负载还是重负 载状态下均能得到准确的测量结果，且具有减小t n 试数据流对网络 服务质量的负面影响的特点，适用于音视频系统，具有较强的实用性。 关键字：网络性能指标体系可用带宽主动测量性能监测 n e t w o r kp e r f o r m a n c em 匪a s u r e m 匣n t a b s i r a c i 晰t 1 1t h ea d v a n c e si nt h eb r o a d b a n d n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , r e a l - t i m e a u d i o v i s u a l c o m m u n i c a t i o n s ( t e r m e d a sm e d i ac o m m u n i c a t i o n sf o r s i m p l i c i t y ) a r ep o s s i b l e e v e ni nt h ec u r r e n tb e s t - e f f o r ti pn e t w o r k s h o w e v e r , t h e i rr e q u i r e m e n t so ne n d - t o e n dt h r o u g h p u t ，d e l a y , d e l a y v a r i a t i o n s ，p a c k e t s l o s sr a t ea n de t c c a n n o tb ef u l f l l l e di nac o n s t a n t m a n n e r , t h e r e f o r et h eq u a l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n si sn o ts t a b l ea n d c o u l db e e a s i l yi m p a i r e d i no r d e rt o s u p p o r tr e a l - t i m ea u d i o - v i s u a lc o m m u n i c a t i o n s ，c l e a r l y c h a r a c t e r i z i n g n e t w o r k p e r f o r m a n c e i s v e r y e s s e n t i a l a n dt h e p e r f o r m a n c em e t r i c sa r ea b l et od i r e c t l yr e f l e c tt h eq o s o ft h en e t w o r k i t i s p o s s i b l e t o p r e d i c t ，c o n t r o l a n d a s s i g n t h en e t w o r kr e s o u r c e b y m e a s u r i n g ，a n a l y z i n g a n d m o d e l i n g c o m m u n i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , r e s e a r c h i n go nn e t w o r kp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c st o o b t a i n q u a l i t a t i v e o rq u a l i t a t i v e p e r f o i t l l a n c e m e t r i c so ft h en e t w o r k t h e s ep a r a m e t e r sa r eu s e di nt h en 【a c o ms y s t e m ，w h i c hi sw i t ht h e i n t r o d u c t i o no fa s p e c i a lt y p eo fh o s t s ( t e r m e d a sm a ) ，m e d i ad e v i c e sa n d r e l a t e da l cm e c h a n i s m sa r em a n a g e di nas y s t e m a t i cf a s h i o n m ai sa p e r s i s t e n tc o m p o n e n t t h eb a s i ct a s k so fm a i n c l u d em e a s u r e m e n t sa n d q o se v a l u a t i o n s ，b a s e d o nw h i c ha d m i s s i o nc o n t r o l sa n d h a r m o n y c o n t r o l sa r ec o n d u c t e d d u et oi t s p e r s i s t e n c y , m ac a np r o v i d em o r e a c c u r a t ei n f o r m a t i o nr e g a r d i n gn e t w o r kf e a t u r e sf o rt h ei n i t i a l i z a t i o na n d e l a b o r a t i o no ft h ea l cm e c h a n i s m sb e i n gm a n a g e d m o r ei m p o r t a n t l y , b yu s i n gt h eh a r m o n yc o n t r o l ，m ac a r ls y n c h r o n i z es u c hm e c h a n i s m st o m a t c ht h er e s u l t e dm u l t i p l e x e dm e d i at r a f f i c st ot h ea v a i l a b l en e t w o r k r e s o u r c e sm o r e c l o s e l y a d d i t i o n a l l y , a sf o rt h em a c o ms y s t e m t om a k e i tm o r e p r a c t i c a li nu s e ，t h ea c t i v em e a s u r e m e n t sa r ea p p r o a c h e du n i q u e l y , a n dt h ec o n t r o lt r a f f i c sa r e e f f e c t i v e l ym a i n t a i n e da tar e l a t i v e l y1 0 w l e v e l o w i n g t ot h e s ef e a t u r e s ，b e i n gan e t w o r ko f m m s ，t h em a c o ms y s t e m c a nb eu s e dt o p r o v i d e s o f t g u a r a n t e e s o nt h e q u a l i t y o ft h em e d i a c o m m u n i c a t i o n si n 山ec u r r e n tb e s t e f r o r ti pn e t w o r k s w i t ht h ed e m a n df o rh i g h e rq u a l i t yo fs e r v i c e t h e r ei san e e df o r a c c u r a t ea n d p r o m p t m e a s u r e m e n t so ft h en e t w o r k p e r f o r m a n c e s ， e s p e c i a l l yt h eb a n d w i d t he s t i m a t i o nm e t r i c s i nt h i sp a l e i e r - a na v a i l a b l e b a n d w i d t hm e a s u r e m e n t a l g o r i t h m t e r m e da sl o a do r i e n t e d m e a s u r e m e n ta l g o r i t h m ( l o m a ) i sp r o p o s e d t h eh y b r i da l g o r i t h m f r o m i m p r o v e d p a t h l o a da n da u d i o v i s u a ls t r e a m s p r o b i n g c a n a u t o m a t i c a l l y s w i t c ht o p r o p e rm e a s u r e m e n tm e c h a n i s m so nn e t w o r k l o a dc h a n g i n g ，f r r t h e rm o r e ，i tr e d u c e st h ei m p a c to f p r o b i n gs t r e a m s t o n e t w o r kq o s p e r f o r m a n c er e s u l ts h o w st h a tt h e a l g o r i t h mo b v i o u s l y d e c r e a s e st h eb u r s ta n da v e r a g er a t eo ft h ep r o b i n gs t r e a m s ，a n di t i s a l w a y sa b l et og e ta c c u r a t er e s u l t sw h e t h e rt h en e t w o r ki sh e a v y l o a d e d o rn o t a d d i t i o n a l l y , l o m ah a sam o r er e a s o n 曲i em a n n e rb ye m p l o y i n g t h ea u d i o 。v i s u a ls t r e a m sa st e s tt r a 匝c sw h e ni ti s e l i g i b l e a n d t h i s f e a t u r em a k e st h em e c h a n i s mm o r ep r a c t i c a li nu s e k e yw o r d s ：n e t w o r k p e r f o r m a n c e ，a v a i l a b l eb a n d w i d t h ，m e d i af l o w , a c t i v em e a s u r e m e n t ，p e r f o r m a n c e m o n i t o r i n g 独创性( 或创新性) 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。 申请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：左邀日期：巡三墨塑! 望 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： 导师签名： 日期： 型三垒三盈丝望 日期：芝! 垒! 垒! ：1 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章、引言 1 1 课题研究的目的与意义 随着宽带网络技术以及实时多媒体应用技术( 如流媒体、视频会议等) 的发 展，i p 业务多样化和快速增长已成为一个不争的事实，这对网络提供的“服务 质量”( q o s ) 提出了更高的要求。传统的“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 网络缺乏有效 的o o s 机制，不能保证分组的正确性、有效性及可靠性等因素，因此建立高效、 稳定、可靠、互操作性强、可预测、可控的网络成为网络研究的重点，而网络测 量是获得网络性能指标的有效手段，在测量和测试的基础上建立网络行为模型， 并用仿真模拟的方法搭建理论到实际应用的桥梁是理解网络性能的有效途径。网 络测量与网络性能分析是高性能协议设计、网络规划与建设、网络拥塞控制管理 与操作的基础，同时也是开发宽带网络应用( 如音视频网络应用) 的基础。 网络性能测量技术的研究成果可用于互联网运营商、电信运营商、拥有分组 专用网络的企业、测试服务提供商、测试工具开发商以及政府主管部门等，对于 分析、确定现有分组网络存在的潜在问题，评价和比较网络改造方案，优化网络 性能等方面都有很大帮助。 1 对消费者而言，其可以根据不同运营商的分组网的服务质量状况和分组 网上开展的新业务，进行比较，做出更合理的选择，同时，还可以判断运营商是 否违反了服务承诺。 2 对运营商而言，能实时监测网络状况，合理规划和优化网络，引导提供 网络增值业务，实现灵活的资费标准及有力支撑业务平台。 3 对电信产品制造商而言，在产品设计、开发、出厂测试的环节应该突出 产品在实际应用环境中的表现能力测试，调整产品研发思路，注重针对不同网络 应用环境的极限测试，从而保证产品质量。 4 对政府监管部门来说，通过对不同电信运营商网络的测试和评估，可以 公布运营商的分组网络服务质量状况，是能促进运营商公平竞争和改善服务质 量，解决服务质量纠纷的有力手段。 因此，研究网络性能测量技术具有重要的现实意义，通过对相关技术的产 业化，能够产生良好的经济效益和积极的社会效益。 第1 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 本文研究一种流媒体分布式控制机制m a c o m ( am e a s u r e m e n t ，b a s e da c t i v e c o n t r o l a n d m a n a g e m e n ts y s t e m ) 系统的网络性能测量，并将测量结果应用于有 效和切实的保障音、视频传输服务质量的应用中。m a c o m 以保证音、视频应 用的服务质量为研究目的以可用带宽的测量算法、接纳控制机制与质量控制机 制为研究内容最终形成为多媒体业务应用提供保证传输质量的监测控制机制。 在m a c o m 系统中引入了一种特殊的端机，这种端机被部署在核心网周围， 可对网络的动态性能进行持续性的主动探测，由此m a c o m 可以更为准确和全 面地了解网络能力及其负载的特点。基于对网络特征的深入了解，m a c o m 不 仅可以优化各个媒体终端所实施的应用层控制措旌，而且能够使其相互协调以达 到更为良好的总体效果，进而完成对多媒体应用服务质量的有效维护。 1 2 相关领域发展趋势 目前，对于网络性能测量技术的研究越来越受重视，但是就整体研究水平 来讲，还处于初级阶段。表现在测试理论的研究还有待深入，原来关注的重点是 单个网络设备的性能测量，现在的研究重点已经向整个网络的性能测量方面转 变。原有的用来衡量单个网络设备的性能参数不能直接用来衡量网络的性能，对 于能够反应分组网络性能的参数的研究，在正t f 和1 1 u 中都在进行。在参数确 定以后，相应的测量方法、指标确定、综合评价都是要研究的内容：另外，从整 体角度来建立网络服务质量评价体系也是未来的研究重点。 从长远来看，网络性能测量还应该与对网络性能的控制与调整相结合，在 这方面，以后的目标是： 1 提供主动的控制功能，不仅仅在于对网络性能状况的获得，还能够设计 实现业界标准的流控算法进行灵活的流量控制，改进网络服务质量。 2 满足重点监控需要，提供丰富的特征参数监控，可以进行灵活的复合设 定，全面满足运营商的需要，也可以通过定制来实现特定要求。 3 降低互联互通成本，获得重点出口中继链路的利用率，用户和协议分布， 源和目的网段问的流量分布和趋势，提供运营和互联成本分析。 4 实现区分服务，保证服务质量，性能监控获得的数据，可进行高低优先 级客户的网络资源占用率分析、服务质量的测量。通过资费政策的调节、 业务等级的区分，在中继线路上实施流量控制，优先保证高优先客户的 服务质量。 5 网络安全和抵御d o s 攻击，通过连接会话数的跟踪，源目的地址对的 分析t c p 流的分析，能够及时发现网络中的异常流量和异常连接，监 第2 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 测和定位网络潜在的安全问题和攻击行为，保障网络安全。 6 建立完善的监控系统，支持同时从多个网关获取流量数据，实现分布式 流量监控系统，便于在未来建立完善的网络性能监控网，保护前期投资。 对外提供标准接口，与其他运营支撑系统共享数据。 1 3 论文结构安排 第二章对网络性能指标和现有网络可用带宽的测量方法进行综述：第三章介 绍试验平台流媒体控制机制m a c o m ，说明系统中的功能组件、性能指标体系 及测量方法；第四章介绍m a c o m 的仿真实现，包括信令流程、存储结构和测 量流程：第五章分析试验结果，对比试验方法，验证网络性能指标和可用带宽算 法的有效性：第六章总结全文，展望下步研究内容。 2 1 网络性能指标综述 第二章、综述 网络性能指标反映网络某物理或逻辑组件的特征【”。例如网络中数据链路 层上的帧吞吐量、网络层数据分组的传输延时等。 i p 网络系统中的所有指标的集合称为指标体系，指标体系可从以下三方面进 行描述： 2 1 1 按指标内窑划分 网络性能指标是描述网络性能的有效参数，根据定义内容不同，基本指标主 要包括：吞吐量( t h r o u g h p u t ) 、时延( d e l a y ) 、丢包率( l o s sr a t e ) 、时延抖动 ( d e l a yv a r i a t i o n ) 、带宽( b a n d w i d t h ) 等。 吞吐量：测量交换设备的数据包转发能力，通常指在不丢包的情况下每秒转 发数据包的数量。 时延：数据包的发送时刻t 1 与数据包接收时刻他的时间间隔t 2 t 1 。时延 第3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 的测量往往经过多次测试采样后取平均值。 时延抖动：数据流中，数据包之间时延的变化。在测试数据包大小相等的前 提下，若第i - 1 个数据包的延时为乱1 ，第i 个数据包的延时为d i ，则延时抖动定 义为d j d i _ i 的绝对值。 丢包率：某一段时间内网络传输及处理中丢失或出错数据包个数占传输包总 数的比例。 带宽：单位时间内物理通路理论上所能传送的最大比特数。 另外，网络性能描述中还包括可用带宽这一重要的指标，顾名思义，该指标 是用于描述当前网络环境中剩余的带宽量。具体定义如下： 假设传输通路p 由n 条链路构成，每条链路l i ( i ：l ，2 ，n ) 的最大传输能 力为c i b p s 。对于传输通路p ，其最大传输能力定义为： c 。d 一。一“= m i n ( c 】，c 2 ，巴) ( 2 - - 1 ) 假设背景流量在短时间t 内恒定不变，“表示链路l i 在t 时间段内的利用 率，链路的可用带宽为a i = e l ( 1 u i ) 。在时间t 内，通路p 上的可用带宽定义如 卜： a n d 一。= m i n ( 4 ，4 ，4 ) ( 2 - - 2 ) 按内容划分性能指标是基础的性能指标体系，它反映了网络性能测量的基本 内容。 2 1 2 按协议屡划分 网络协议层次是网络逻辑体系结构，t c p i p 协议模型申将网络分成物理层、 数据链路层、网络层( i p 层) 、传输层( t c p ，i 肪p 层) 和应用层。故此，性能指 标按照协议层次划分为： 物理层协议指标反映交换传输设备物理特性，例如线路的物理带宽、交换 节点的位吞吐量； 数据链路层协议指标反映以帧为基础的数据链路层特性，例如交换机的数 据吞吐量，链路的帧传输延时等。 网络层协议指标反映以p 包为基础的网络层特性，例如网络通路上的丢包 率、i p 包传输延时、相邻路由器节点间的传输带宽、路由器转发率等。 传输层协议指标反映端到端的连接特性。例如t c p 连接之上的t c p 包丢 包、u d p 包传输延时等。 应用层协议指标反映为用户提供应用服务的特性。例如t e l n e t 应用的响应 时间、视频应用的数据延时及延时抖动等。 第4 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 1 3 按测量范畴划分 对i p 网络进行测量常按照一定的范畴进行。测量范畴按从d , n 大的规模描 述为： 网络节点是指网络互连设备，包括各协议层的网络连接设备。例如网络层 的路由器、传输层应用层的主机设备等； 网络链路是指连接相邻的同层网络节点的物理或逻辑链路。同层网络节点 可以为物理层、数据链路层、网络层或传输层、应用层的网络连接设备； 网络通路是指同层的一组网络节点构成的传输通路，可用网络节点序列来 表示。网络通路一般是指网络低三层。例如，若用n 表示路由器节点，则( n t ， n 2 ，n n ) 表示一条网络层通路： 网络是指同层网络节点构成的一个网络整体。位于网络边界，作为网络接 入或网络应用边界的网络节点称为网络边缘节点。网络对外体现为一个“黑箱”， 只能看到网络边界节点。网络主要针对数据链路层、网络层和应用层。例如，网 络层网络是指按某一拓扑互连的一组路由器所组成的一个自主的网络域；应用层 网络则是指承载某种网络应用( 如视频会议) 的一组应用节点。 根据以上定义给出的测量范畴可将性能指标划分为： 网络节点指标包括网络节点上相应的协议层次上的性能指标： 网络链路指标包括网络链路上所对应的协议层次上的性能指标： 网络路径指标包括一条网络通路上所对应的协议层次上的性能指标。例如， 网络层的通路指标可以包括可达性、i p 包丢包率、i p 包传输延时等： 网络性能指标包括网络边缘节点对之间的性能指标和网络整体所体现的性 能指标。两个端点之间的性能指标是网络的基本性能指标，通过对这些基本指标 进行综合分析计算可得出网络整体的性能指标。例如，网络层网络的性能指标包 括网络吞吐量、网络丢包率等。 2 2 网络可用带宽测量方法综述 2 2 1 通过模拟t c p 连接获得b t c 这种方法属于端到端的测量方法，从层次上看属于传输层。其基本思想是建 立一个t c p 会话连接，通过该会话连接获得一些参数，再利用这些参数求出通路 的可利用带宽。该连接必须和已有的背景流量1 0 0 地占有链路的全部带宽，同时 在测量时还要求采用类似于t c p 连接的拥塞控制算法，而且为了能够达至j j t c p 拥塞 第5 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 控制过程中的均衡速率( 均衡速率指的是拥塞避免过程中的速率) 。2 1 ，t c p 的会话 时间必须达n 1 0 秒以上( 稳定过程的建立需要一定的时间) ，这样测量获得的参数 才能真实地反映出可用带宽的大小。但在实际应用中，因为基于这种方法的测量 是与t c p 层的协议密切相关的，并且应用了t c p 拥塞控制算法，所以测量结果反映 出的只能是t c p 吞吐量而非可用带宽。 基于这种思想的测量工具包括t r e n o 和c a p ，t r e n o ，实际上就是t c p 的一个用 于测量的简单的实现版本，它的提出是为了解决不同t c p 版本间的实现差异而产 生的测量中的兼容性问题。它可以同时给出两种测量结果：平均速率，也即整个 数据传输过程中的平均速率：均衡速率，是t r e n o 在拥塞避免过程中的速率，或者 说是种理想速率，因为它不包括r t o 超时和慢启动过程。c a p 与t r e n o 类似，只 不过是在实现上存在一些差异，它的个特点是要求在收发两端相互配合，这无 疑又增加了实际使用起来的难度。由于这些工具上述的一些特点，它们必然要消 耗掉大量的带宽，如果使用不当，还可能造成网络过载，从而影响到用户业务的 正常进行，因此它们获得了“带宽杀手”的称号。虽然一些实际测量验证了这些 工具的准确度比较高，但这两种测量工具对于带宽的巨大损耗致使它们难以得到 真正的应用，这也正是此种工具的最大缺点所在。 2 2 2 基于变长包序列模型的带宽测量方法 这种模型最初d 3 s t e v eb e l l o v i n 和v a nj a c o b s o n 提出测量逐跳链路的一些参 数二“。其测量结果为链路物理带宽。基于这种模型的工具也可测量通路瓶颈带宽， 假设条件如下： l 、数据包处理延迟和包大小成线性关系： 2 、背景流量只会增加包排队延迟： 3 、对于特定大小的多个包的观察值中，近似认为往返延迟r t t 值最小的包在 链路中没有经历排队延迟； 4 、包转发时间可以忽略不计。 该方法的测量原理如下，源端首先向目的端发送- n 相同大小的n 个测试包， 测试包的之间具有相同的间隔。其次，改变测试包的大小，重复此过程k 次，每 次采用不同大小的测量包。目的端接收到数据包的同时发送相应的a c k 确认包， 这些确认包返回源端，源端计算收到的同样大小的n 个包的r t t 值，选择其中的最 小值，每组测量均是如此，再通过计算k 组包大小的差值与对应的r t t 差值即可得 到带宽。由于计算时取得都是差值，由假设条件l ，可消除背景流量对测量结果 的影响。 由于这种方法在计算时采用的是包大小的差值及最小r t t 的差值，因而测量 第6 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 得到的结果不会受到背景流量的影响，也决定了基于此种原理的测量工具只能用 于测量链路物理带宽而非可用带宽。另外该方法具有如下局限性： 1 、测量所需时间较长，消耗的带宽也较大。如对于一个平均r t t 为l o m s ，1 0 跳的以太网，工具p a t h c h a r 测量一次需要1 4 4 秒，并需发送i o m l e 特的测量数据。 2 、基于v p s 的测量工具大多使用i c m pr e q u e s t 包或u d p 包执行测量，要求从 各个节点得到及时的反馈信息。但网络中很多路由器和主机可能会赋予这两种类 型的包较低的处理级别甚至直接丢弃，这必然会导致测量结果的不准确。 3 网络二层及以下的设备如交换机、网桥、中继器等存储一转发节点，由 于其一般没有i p 地址，它们对于采用递减i pt t l 值进行测量的工具是不可见的 “隐藏”节点，但实际上包经过它们时会占用一定的处理时间，这也会导致测量 结果的偏差。 4 此模型中采用的是双向延迟r t t 而非单向延迟o w d ，双向链路一般是不对称 的，但是在此模型中将双向链路视为对称链路处理这也会导致测量结果的偏差。 5 此方法存在测量上限，通路最大们u 和端系统能够提供的时间粒度决定了 其能够测量的带宽上限，受软硬件技术所限，基于这种测量原理的工具不能够用 于高速网络的测量。 使用该方法的主要工具有p a t h c h a r 4 ，c 1 i n k 5 ，p c h a r 6 ( 后面两种是 在前一种的基础上改进而来的) ，n e t i m e r 7 等。 2 2 3 基于测试包分布模型的方法 这一模型又包括包对和包列两种子模型。由于两种子模型的假设条件和要求 不同，它们可以测量的参数也不相同，包对用于测量通路瓶颈带宽，包列用于测 量通路可用带宽。 包对模型： 包对模型的测量原理基于以下结论，即如果两个包在瓶颈链路处是背靠背传 输，那么这两个包在后向链路上的时间间隔都是恒定的，如图2 一l 所示。这个时 间间隔是由包大小和瓶颈链路处的带宽所决定的。通过这个时间间隔和包的大 小，我们可以求出通路的带宽。 第7 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 1 包对算法示意图 包对模型的假设条件是： 1 包对每组的两个包必须在瓶颈链路排队，而在其后的链路不排队。 2 两个包从源端发出时的时间隔应足够小，以使两个包在瓶颈链路处紧紧相 邻，也即背靠背( b a c k - t o b a c k ) 。 3 瓶颈路由器的排队机制应为f i f o ( 先进先出) 。 4 传输延迟和包大小成线性关系，路由器是存储转发的。 5 试验测量出的结果是单峰分布的，其峰值对应于链路的c a p a c i t y ，或者说 是瓶颈带宽。 6 正反向通路的瓶颈带宽相等。 包对算法的重点问题是怎样对数据进行分析处理以使结果能够反映出网络 的真实状况，难点在于怎样滤除由其它包引起的“噪声”。除此之外，还有一些 不同的各有利弊的数据分析处理方法，体现在不同的工具中。 包对模型存在的问题： 1 排队失败：测量包或许没有在瓶颈链路处排队。 2 背景流量：会影响到包对中两包之间的间隔。 3 包丢失：部分包可能会直接丢失，另一些包会在路由器溢出之后产生丢失， 从而得到错误的结果。 4 后向链路的拥塞：若两包在瓶颈链路之后的链路上再次排队，会引起两包 问的时间间隔上的变化，从而使结果偏离真实值。 5 多通道( m u l t i c h a n n e l ) 的测量精确度问题，比如一条有多个倍道组成的 通路，由于一次测量中的包对只能经由一条信道传输，因而其测量结果只是单信 道的瓶颈带宽而非通路瓶颈带宽。 6 时间精确度问题，主要是指系统时钟粒度对于测量造成的影响。例如一个 毫秒计数器无法用于花费时间低于i m s 的事件的精确计时。 主要工具：b c p r o b e m ，p a t h r a t e ”1 ，t o p p 9 1 等，在实际应用中，网络环境一 般较复杂，包括多个存储转发节点，由于问题l 、4 、5 的存在，包对较难应用于 实际网络环境的测量中。同样，包对模型在用于可用带宽测量时由于问题2 、4 的影响情况会更加复杂。 第8 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 包列模型： 包列模型的测量原理需要已知通路瓶颈带宽，在此基础上，源端向目的端发 送- - y j n 量包，要求测全包的速率足够高以使其与背景流量在一定时间内1 0 0 的使用通路瓶颈带宽。源端记录下测量包列中第一个与最后一个返回的确认包的 到达时间，采用一定的处理方法后可以得出瓶颈链路处的背景流量，再问接求出 可利用带宽的值。基于这个原理，r o b e r tlc a r t e r 和m a r ke c r o v e l l a 提出了 测量通路可利用带宽的工具c p r o b e 。1 。 显然，在通路的t i g h tl i n k 和n a r r o wl i n k 不一致的时候，c p r o b e 测量的结 果远远高于通路的可用带宽。 c p r o b e 的一个假设条件是包列测量包之间的间隔应反比于可利用带宽的值， 但是试验结果证明了包列测量包之间的间隔与可利用带宽的值并不是简单的反 比关系，而是会受到很多干扰因素的影响。利用包列做实际测量得到的结果趋近 于a d r ( a s y m p t o t i cd i s p e r s i o nr a t e ) ，这个值只是低于链路瓶颈带宽的个值， 与可用带宽并没有必然的联系。 为解决这些问题，研究人员提出了各种各样的修芷方法， 例如m a n i s hj a i n 和c o n s t a n t i n o sd o v r o l i s 在原有基于包对和包列模型的测量工具的基础上加以 改进，解决了这些工具固有的一些问题，其实现是工具p a t h r a t e ”1 ，在使用 p a t h r a t e 时需要收发两端相互配合，原理为：1 ) 用多组变长包对进行测量，得到 带宽的分布图一般而言其是多峰分布的。2 ) 再用包列进行第二轮测量，得到带 宽的单峰分布图，其单峰峰值为渐进分散率。3 ) 比较两个分布图，取两图中高于 渐进分散率的峰值中密度最大的那个峰值。另一个常用的工具模型为 p a c k e t t r a i n 。 p a c k e t t r a i n q 所采用的测试数据流由个大小为上的数据包组成，相邻数据 包的发送间隔为零。若令乃为第一个数据包的到达时间，n 为第个数据包的 到达时间，那么接收端将按照式( 2 3 ) 计算测试数据流的到达速率n 并将其 作为厶。一。的一个采样。 v ：( n - 1 ，) l ( 2 - - 3 ) 瓦一互 在获得足够多的采样后，通过直方图分析即可获得所需的测量结果。在图2 2 中给出的典型的直方图中，一“位于s c d r 区域( s u b c a p a c i t y d i s p e r s i o n r a n g e ) 内，c m ( c a p a c i t y m o d e ) 对应于通路的最大传输能力，而p n c m s ( p o s t - n a r r o wc a p a c i t ym o d e s ) 则与瓶颈链路之后的各条链路的传输能力相对应。 另外，需要着重指出的是，采样的分布规律会受到网络的负载程度、n 的大小以 及测试数据包大小等因素的影响，具体表现为： 第9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 网络负载越重，s c d r 越明显，而c m 和p n c m s 则有所下降： 随着的增大，c m 与p n c m s 逐渐消失，而s c d r 区域则逐渐汇聚 并收敛于某一速率，称该速率为a d r ( a s y m p t o t i cd i s p e r s i o nr a t e ) ： 虽然a d r 通常大于厶d 一。，但在某些应用场合可作为以。一。的 近似值； 测试数据包越小，c m 和p n c m s 越显著，而s c d r 则越小。 图2 2 可用带宽分布图 p a c k e t p a i r 1 2 i 为p a c k e t t r a i n 的特殊情况，r 口n = 2 。此时，因测试序列较短，所 以在直方图分析结果中，c m 与p n c m s 较为突出，而s c d r 区域较为发散。 2 2 4 基于s l o p s 的测量工具一p a t h l o a d 基于s l o p s 的测量工具p a t h l o a d “”在2 0 0 1 年提出，此工具用于测量通路的可 用带宽。所i 胃s l o p s ，即是发送一系列等长等速率的数据包。p a t h l o a d 采用u d p 包作为测量包，并要保持一个t c p 控制通道以传递一些控制信息。它的原理是：源 端先以一定的速率r 发送一列k 个测量包，在目的端根据接收到的测量包观察整条 通路的单向延迟状况，并绘出一条延迟曲线，若r 大于链路可利用带宽b w ，测量包 就会造成链路的短时拥塞，则目的端的延迟曲线会反映出明显上升的趋势。目的 端将此信息反馈至源端，源端即可根据一定的策略调整发包的速率r ，重复此测量 过程，直至通路中没有发生拥塞时，目的端的延迟曲线会比较平稳，没有明显的 波动趋势。此时既可认为r 近似等于通路可利用带宽，那么也就可以推断出可用 带宽b w 值。具体测量过程如下： 设相邻数据包的间隔为4 ，故测试速率r 为耽3 。根据在接收端4 所表现 出来的变化规律，p a t h l o a d 对斤进行不断地调节使其逼近a 。一。一“并获得最终的 测量结果。若令尼表示第f 个测试速率水平，则p a t h l o a d 的测量过程( 如图2 3 所示) 如下： 第1 0 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 3p a t h l o a d 参数示意图 1 ) 若间隔呈明显递增趋势，则说明冠大于一，。，此时令魅= 置，并令 足。= ( 群盘+ 础) 2 ； 2 ) 若间隔保持不变，则说明置小于一。，此时令碟j = rt 并令 置+ 。= ( 8 盐+ 碟：) 2 ； 3 ) 若间隔无明确的变化趋势，则说明足接近可用带宽处于所谓的灰色区域内 ( g r e y r e g i o n ) ，此时进行如下处理： a ) 如果g 一。0 ) 量，令罐= 足，并令置+ 。= ( 麟+ 皑) 2 。 在完成测试速率的调节后，若条件磷二一础 国、碟量一g 盐 z 和 g 盘一r 盐 z ( 。与x 由测量结果的精度要求所决定) 中任意一个成立，则得 到最终的测量结果，并输出以。一。的范围磁盘和砖盆。不难看出，测试速率的 初值越高，该算法的收敛时间也就越大。 就任一个置而言，为了准确判断包间隔所呈现的变化趋势，p a t h l o a d 算法通 常需要发送2 0 条测试数据流，而每条测试流由1 0 0 个大小为1 5 0 0 字节的测试数 据包构成 1 】。显然，忍越大，测试流的突发性就越高。另外，为了确保砖上能够 缩小至可用带宽的上界，该算法令毪= c 0 一。一。，并将测试速率的初值定为 犍。在实际的网络环境中c 0 一。往往远大于4 。一。州，而这就意味着，在其 测量初期p a t h l o a d 算法的测试数据流会具有较大的突发性；此外，算法的收敛 时间一般较长。 其特点在于将包延迟特性与可利用带宽紧密地结合起来，过调整速率r 来推 断得到可用带宽。在工具p a t h l o a d 中作者还采用了一定的策略来保证测量不会消 耗过多的可利用带宽，并且实时性比较好，能够快速的得到测量结果。但是由于 它在测里时要求收发两端必须相互配合，会增加大规模测量的难度，也使其无法 适用于某些实际应用。 第1 1 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章、m a c o m 系统描述 3 1 m a c o m 系统模型典型结构 图3 1 ，m a c o m 同i p 网络问的关系及其构成 i p 网络可分为核心网与接入网，假设接入网能够满足媒体流通信要求的服务 质量，目q 核心网的资源紧张是造成端到端的媒体流通信质量不理想的主要原因。 如图3 1 所示，m a c o m 被部署在i p 核心网边缘，包括三层功能实体： h a s h s e r v e r 、m a 和m t ，分别属于系统层、传输层知终端层。h a s h s e r v e r 为 m a 和m t 的正常工作提供了一系列的支撑功能；m a 是m a c o m 的核心部件， 位于核心网与接入网之间，主要完成对核心网性能和流量的监测，进而实现接纳 控制并协调各个m t 的