（通信与信息系统专业论文）多变背景流下端到端有效带宽测试的研究及相关工具的开发.pdf

摘要: 网络端到端有效带宽的测试是近几年来 一 个研究热点，对网络视频、音频 的应用，网络性能优化，及下一代网格技术中智能代理的发展都有推动作用。 根据端到端有效带宽测试的各种理论、 方法及其工作原理，己经有很多测试软 件工具被开发并应用于实际。 但是由于测试建模的简化或者测试方法的片面及 测试硬件设施的局限， 这些测试软件工具在实际测试中存在测试过程复杂、 测 试精度不够， 应用范围狄小，使用不方便等缺点。 本文在研究比较了各种测试 软件后， 结合不同测试软件的优点， 在原来的测试方法“ 自 载周期流” 的基础 卜 ， 引进了 码距因子和拥塞因子两个参数。 根据码距因子能定性地判断探针数据流 是否大于、 小于或相似于网络端到端有效带宽; 计算拥塞因子能定量地调整结 果的取值范围。 这种新的算法适用于多种网络结构， 又提高了判断的准确度和 测试结果的精度。 本文还讨论了在测试过程中探针数据包的长度、 数量、 速度、 分析方法对测试结果的影响。 最后， 本文根据新的算法实现了端到端有效带宽 的测试软件p a t h a v b 。通过模拟环境及实际环境的检验，本文证明了测试工具 p a t h a v b能应用于不同环境下的被测试网络，并且保证测试结果的快速得出及 良 好的测试精度。 关键字: 端到端有效带宽、单向延迟量、探针数据包、数据包对间隔、背景数据流、 码距因子、拥塞因子 ab s t r a c t : t h e m e a s u r e m e n t o f e n d - t o - e n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h i n t h e n e t w o r k h a s d r a w n i n c r e a s i n g i n t e r e s t o f r e s e a r c h e r s . i n a d d i t i o n t o t h e g r e a t e f f e c t s o n t h e a p p l i c a t i o n o f n e t w o r k a u d i o a n d v i d e o c u m n e t w o r k o p t i m i z a t i o n , i t d r i v e s t h e d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n t a g e n t i n t h e c o m p u t i n g g r i d t e c h n o l o g y o f n e x t g e n e r a t i o n . b a s e d o n a v a r i e t y o f t h e o r i e s , m e t h o d o l o g i e s a n d p r i n c i p l e s o f t h e e n d - t o - e n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h , a l a r g e n u m b e r o f s o f t w a r e p a c k a g e s h a v e b e e n e x p l o r e d a n d a p p l i e d i n t o r e a l s i t u a t i o n s . h o w e v e r , d u e t o o v e r s i m p l i f i e d m o d e l ，t h e i n c o m p l e t e n e s s o f t h e m e a s u r e m e a s u r e m e n t m e t h o d s a n d t h e c o n s t r a i n t s f y c ) 川t h e h a r d w a r e o f t h e t e s t i n g e q u i p m e n t , t h e s e m e a s u r e m e n t t o o l s h a v e t 卜 ) e d i s a d v a n t a g e s s u c h a s c o m p l e x t e s t i n g p r o c e d u r e s , u n s a t i s f y i n g t e s t i n g p r e c i s e n e s s , c o n s t r i c t e d a p p l i c a t i o n r e g i o n s a n d d i f f i c u l t t o a p p l y , e t c . d i f f e r e n t s o f t w a r e t o o l s o f m e a s u r e m e n t a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d , a n d t h e r e a f t e r a n e w m e t h o d o l o g y , r e f e r r e d t o s e l f - l o a d i n g p e r i o d i c s t r e a m ( s l o p s ) ， i s p r e s e n t e d , i n w h i c h t h e a d v a n t a g e s o f t h e e x i s t i n g m e t h o d o l o g y a r e c o m b i n e d t h e a l g o r i t h m a d o p t e d i n t h e m e t h o d o l o g y u t i l i z e s c o d e - s p a n f a c t o r t o i d e n t i f y w h e t h e r t h e p r o b e p a c k e t i s g r e a t e r t h a n , l e s s t h a n , o r e q u a l t o t h e e n d - t o - e n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h , t h e n a d j u s t s t h e v a l u e r a n g e o f t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t a c c o r d i n g t o c r o s s t r a f f i c f a c t o r . t h i s m e t h o d m a y b e u s e d t o o t h e r a p p l i c a t i o n s w i t h m i n i m a l e x t e n s i o n a n d m e a n w h i l e i t e n s u r e s t h e p r e c i s e n e s s o f j u d g m e n t a n d m e a s u r e m e n t r e s u l t . m o r e o v e r , t h e l e n g t h , q u a n t i t y , s p e e d o f t h e p r o b e p a c k e t s i s d i s c u s s e d i n a d d i t i o n t o t h e e f f e c t s o f t h e a n a l y z i n g m e t h o d s o n t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s . m e a s u r e m e n t ( o o l , p a t h a v b i s g e n e r a t e d f r o m t h e p r o p o s e d a l g o r i t h m a n d i t i s p r o v e d b y s i m u l a t i o n a s w e l l a s r e a l a p p l i c a t i o n s t h a t p a t h a v b i s a b l e t o t e s t n e t w o r k s i n d i f f e r e n t s i t u a t i o n s a n d i t g u a r a n t e e s t h e t e s t i n g s p e e d a n d 5 s a t i s f y i n g p r e c i s e n e s s k e y w o r d s : f n d - t o - g n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h , o n e - w a y - d e i a y , p r o b e p a c k e t , i n t e r p a c k e t g r i p , c r o f f - t r a f f i c , c o n g e s t i o n f a c t o r , c o d e - s p a n f a c t o r 6 第一部分:前言 网络测量一直是网络研究的热点。 在计算机网络技术发展、 应用拓展的同时， 掌握计算机网络本身工作状况的动态信息，从而使上层应用程序工作在优化状 态，构成了网络测量的主要目 标。 随着网络智能化和智能网络化的发展， “ 计算无处不在”的网络计算概念越 来越被人们所青睐。 网络的发展也对网络测量带来了新的挑战。 特别是网格的出 现，是继i n t e r n e t 之后的又一次重大技术进步。在核心的网格计算中就要求方便 资 源管理，具备动态、协同资 源共享， 对分布式科学计算环境进行集成【 i 1 。而 且随着网络发展而发展的众多的应用如:i p电话、在线电影、网络视频会议等 网 络多 媒体， 也对网 络基础设施的服务质量 ( q o s ) 提出了 要求。 特别是面向 用 户的时候，网络底层各项性能参数的信息都透明化了，对用户来说是不可见的， 用户最终所关心的高质量服务其实是各项性能指标的有机综合。 而这个整体的性 能指标除了具体的应用程序性能之外， 最重要的性能参数指标就是承载应用程序 的网络上任意端到端的有效带宽。 ， . 网络主要量度: 根据i e t f的网络小组b mwg研究的课题网络提供性能量度 ( i s s u e s o f i n t e r n e t p r o v i d e r p e r f o r m a n c e me t r i c s : i p p m)而发布的众多r f c技术文档资 料， 网 络性能主 要山 3 , 4 , 5 . 8 , 9 , 1 0 中 提到的互 联性、 服务质量、 吞吐率、 带宽、延迟、丢包率等一系列参数构成。相应的， 针对这些参数， 业界 开发了很多测试工具， 如: 测试网络链路互连性的p i n g l i , t r a c e r o u t e 1 2 , p i n g p l o t t e r 1 3 ; 测试网络服务质量的r i p e t t m 1 4 , s u r v e y o r 1 5 , p i p e c h a r 1 6 ; 用于生成网络背景流的 t g 1 7 , n e t s p e c 1 8 , r u d e 1 9 ; * i1 量网络吞吐率的 t t c p 2 0 , n e t p e r lj 2 l , d b s 2 2 等等。 这些工具分别可以 测试一个或多 个网 络 i t 能参数。 下表中列出的是各种网络测试工具， 及其测试量度和应用的技术原理 4 2 工具名测试领域技术原理 p a t h c h a r节点带宽可变数据包 c l i n k节点带宽可变数据包 p c h a r 5 3 节点带宽可变数据包 b p r o b e 端到端带宽探针数据包对 n e t t i m e r 4 7 端到端带宽 探针数据包对 p a t h r a t e端到端带宽 群发探针数据包对 s p r o b e 端到端带宽 探针数据包对 c p r o b e 5 6 端到端有效带宽 探针数据包队列 p a t h l o a d端到端有效带宽 自载周期数据流 i gi端到端有效带宽 自 载周期数据流 p a t h c h i r p 端到端有效带宽 自 载周期数据包 t r e n o 4 6 数据传输能力 模拟t c p 吞吐量 c a p 数据传输能力 标准 t c p 吞吐量 t t c pt c p 吞吐率 t c p连接 i p e r f t c p 吞吐率 并行t c p 连接 n e t p e r f t c p吞吐率 并行 t c p连接 不同测试工具的作用相互之间也有重叠， 但各自的侧重不同， 其中有效带宽 则是一个综合的量度， 它和网络的带宽、 延迟、 服务质量等都有关系。 这个我们 卜 面会详细讨论。 2 . 有效带宽研究的意义: 网络中任意端到端有效带宽的概念正在越来越被人们所重视。 譬如说， 有用 户想从网络上下载某些大数据量的音、视频数据，而i n t e r n e t 网络上又有很多不 同地理位置的计算资源站点可以提供， 这时候哪个站点下载快， 用户就乐意选择。 而下载速度快慢和这条路径的有效带宽大小直接相关; 又譬如在智能化、自 适应 网 络中， 及现在正发展着的网 格计算中， 某些决定需要网 络的智能代理( a g e n t ) 帮用户选择，那么量化了的网络有效带宽对智能代理来说就是一个很好的参数。 在网格计算中智能化的网络代理在选择计算资源时可以根据不同端到端的网络 8 有效带宽来决定到底选择哪个计算资源。又譬如说在一个中、大型企业网络中， 随着公司业务量的增加， 网络的整体性能是不是能满足未来业务增长的需要呢? 那么对网络中关键链路有效带宽的测试可以帮助主管人员判断网络工作潜力及 网络设备是否需要升级。诸如此类的测试在未来的网络应用中会越来越重要。 从最早期的 k e s h a v根据数据包对的时间间隔变化来测量有效带宽 c 7 到 现在各种各样的测试技术、 测试工具， 都希望在尽可能精确、 尽可能快速、 尽可 能不影响网络现状的情况下， 测得网络有效带宽的量值。 然而有许多原因使得这 种测量变得非常困难。 譬如说至今为止还没有一个公认的有效带宽的定义。 而且 有效带宽也会随时间的变化而变化。 当网络中有效带宽变动很剧烈时， 测试有效 带宽的工具是否能满足要求， 相应测试结果是否还具有参考价值等等都是值得商 榷的。 第二部分:端到端有效带宽的定义 本节综合考虑了各种国际推荐标准和权威论文的讨论， 在通用的网络模型基 础上 试图给出一个普遍适用的网络端到端有效带宽的定义， 然后根据相应的定 义给出测试要求。 一、网络模型 i n t e r n e t网络是当今世界上最大也是最复杂的网络。在网络的结构中，星 119 . 、 树型、 三角型等网络拓朴结构混杂在一起。 但是， 对任意两点间的网络拓朴 结构，我们都可以用如下图2 - 1 - 1 所示模型表征:即从发送端开始，任意一个数 据包都会经过网络上若干个节点， 最终到达接收端。当然， 在网络中， 从发送端 到接收端可能存在多条路径或多条随时间变化的路径。 但对任意数据包来说， 它 只能也必然选择一条，从而符合本节所述的网络模型。 at s no 一一 - 下一 1 一r 祝.1 兰 一 一 i 了 c r / c i 图2 - 1 - i 二、 专业术语: 右本文各个部分都会涉及到许多专业术语，有的是直接由 i e t f发布的 r f c 6 阐明的， 有些是本文为了 解释作者观点而设定的， 都在本节中 指出。 对于 国际公认的标准术语或已成事实标准的术语， 还将给出相应的标准英文解释， 以 供对照。 1 .何罄雳径 ( p a 动夕 从发送端到接收端之间的节点及其通路的集合。 a n e t w o r k p a t h i s a s e q u e n c e o f s t o r e - a n d - f o r w a r d l i n k s a n d h o p s t h a t t r a n s f e r p a c k e t s f o r m a s e n d e r s n d t o a r e c e i v e r r c v . fi r m ai n k ; i ) 网络路径上两个节点间的通路。 a l i n k i s a c o n n e c t i o n f o r o n e h o p t o a n o t h e r h o p . 3 ,酋看 带.翁 ( c a p a c i t y . c i ) 在链路上能提供的最大传输能力。一般山设备本身所确定。 t h e m a x i m u m c a p a c i t y a t w h i c h p a c k e t s c a n t r a n s m i t t e d b y a l i n k . 业务游 ( c r o s s t r a f f i c :只 夕 在节点链路上己经存在的背景数据流。包括流入业务流和流出业务流。 若觅 为留率 ( u t i l i a a t i o n: 妇 在链路上业务流与固有带宽的比值。 即:u i = p i / c i 6 , vonow t h e e n d - t o - e n d c a p a c i t y : c ) 在确定两点间路径的各段链路中， 固有带宽的最小值， 即为整条路径的 带宽 即:c = m i n c i( i = 1 . . . h ) 窄若澎带 ( n a r r o w l i n k ) 在端到端路径的各段链路中，固有带宽最小的链路，称之为窄带链路。 t h e l i n k w i t h t h e s m a l l e s t c a p a c i t y a l o n g a p a t h . 8 ,货费猫拼 ( t i g h t l i n k ) 在端到端路径的各段链路中，有效带宽最小的链路，称之为紧带链路。 t h e l i n k w i t h m i n i m u m a v a i l a b l e b a n d w i d t h a l o n g a p a t h .9 ,澎到 责落白 ( p r o b e ) 在测试中， 从发送端发出、 在接收端被接收的数据包， 用于数据的分析 来揭示网络的状况。 t h e p a c k e t s t r a n s m i t t e d f r o m s e n d e r t o r e c e i v e r i n t h e t e s t , w h i c h a r e u s e d t o f i n d t h e s t a t u s o f t h e p a t h . 1 0 ,帮升必著包对 厂 加，o b e p a c k e t p a i r s ) 两个彼此之间有严格时延限制的探针数据包，两者间时延的变化表明了 网络路径有效带宽的信息。 t w o p r o b e p a c k e t s w i t h d e f i n e d t i m e s l o t w h i c h c h a n g e i l l u s t r a t e s t h e e n d 一 t o - e n d a v a i l a b l e b a n d w i d t h i n f o r m a t i o n 1 1 问厢 ( i n t e r p a c k e t g a p ) 探针数据包对之间发送时间的差异 i n t e r p a c k e t g a p s p e c i f i e s t h e p a c k e t t r a n s m i s s i o n s i n c o n t i n u o u s o r l e n g t h o f t i m e b e t w e e n s u c c e s s i v e b u r s t t r a n s m i t m o d e s . 1 2 ,毕府延迟 ( o n e w a y d e l a y : 数据包从发送端传输到接收端所经历的时间。 t h e l e n g t h o f t i m e w i t h w h i c h p a c k e t t r a n s m i t t e d f o r m s e n d e r t o 丫ecea ver. 三、 有效带宽 1 有效带宽 ( a v a i l a b l e b a n d w i d t h: a v a i l - b w ) 链路中未被使用的固有带宽。 a l i n k s u n u s e d c a p a c i t y 2 、尹表 a , ( t o , 1 + r ) = c , ( t o i t , + r ) 一 只 ( t o , t o + r )( 2 - 3 - 1 ) a , ( t o , to + r ) 是 链 路 在 ( t o , to + r ) ( 1 十 丁 ) 时 刻 的 固 有 带 宽 ， 为 一 常 量 ， 链 路 在 (t o, to + r ) 时 刻 的 已 有 业 务 流 。 时 刻 的 有 效 带 宽 ; c , (t o , to + r ) 是 链 路 在 因 此 ， c ; (t o , t o + r ) = c , ; 只 ( to , t o + ,r ) 是 t / , ( t o , t o + r ) 只 ( t o , t o + : ) 设: 二 一万 万一 ， 是 链 路 在 (t o ,to + 。 时 刻 的 带 宽 利 用 率 1 2 因 此:a , ( t o , t o + r ) a ; ( t a , t o + : ) 只 ( t o , t o + : ) 一 u ; ( t o , t . + z ) ) ( 2 - 3 - 2 ) ( 2 - 3 - 3 ) -(l cc 一一-一 表示成积分形式为: ， (t , r ) 一 上 j + (c 一 p , (t) d t 了 ; t c ( 一 u , (t) ) d t ( 2 - 3 - 4 ) a , ( t, a ) 一 生 ( 2 - 3 - 5 ) 图2 - 3 - 1 3 , a淤费 与企屠苦抢功它别 有效带宽 ( a v a i l a b l e b a n d w i d t h ) 是网络链路中未被使用的固有带宽， 如 r 所 述，通常是网络状况的一个量度;而使用带宽 ( a c h i e v a b l e b a n d w id th )是应用程 序在运行过程中使用到的带宽， 它可能由于应用程序本身具有高优先级、 或在公 平竞争中挤占背景业务流而在使用中获得多于有效带宽的实际带宽; 也可能由 于 应用程序本身接收端缓存限制或数据包需要重新排序 2 3 而在使用中获得少于 有效带宽的实际带宽。 因此在相同的有效带宽情况下， 可能有不同的使用带宽值， 在测试中尽量要避免结果受使用带宽的影响 4 ,协x v.关肘着 o截 对有些应用来说， 它所能获得的网络带宽与其本身是何种应用、 采用何种协 议及网络存在何种背景流有关，我们称之为与协议相关的有效带宽 ( p r o t o c o l d e p e n d e n t a v a i l a b l e b a n d w i d t h ) 。 这种应用的 数据流 侵占 网 络有效带宽或 超过 网络有效带宽后， 网络上已有的背景数据流有可能会降低自己的速率以让出部分 带宽， 当然也可能不作任何改变。 相对于这种与协议相关的有效带宽， 进行测试 是很难的，而且得出的结果也是针 一对特定业务的有效带宽。 四、 端到端的有效带宽 i ,戈 从发送端s n d到接收端r c v的路径是由h个节点连接而成， 我们假设链 路的拓朴结构在整个测试过程中是固定不变的， 链路也不存在环结构。 任意两个 节点间的链路 ( l i n k )表示为i ，其间的固有带宽为c i ，己有的业务流为p i ，有 效带宽为a i，则端点s n d到端点r c v的路径在t 时刻的有效带宽为各段链路 的有效带宽中最小值， 记作a ( s n d , r c v , t ) 2 、亥学走述 ， (二，r c v , t) = 二 a ; (t, 7) = 二令 ! (c 一 “ (t)d t (2 -4-1 ) 或 : a ( s n d , r c v ,t ) 一 m in a ; ( t , z )i- 1. h i = 1 十r u , 了 . r c ( 一 u ;(t) d t ( 2 - 4 - 2 ) a ( s n d , r c v , t ) = m i ni= 1. .h ( t ) d t ( 2 - 4 - 3 ) 第三部分:有效带宽测量理论及种类划分 、有效带宽测试理论 针刘仁 述明确定义的有效带宽这样一个量度， 国内外很多研究机构和个人都 提出了各种各样的测试理论及相应的a l1 试算法， 在 4 8 中对这些算法划分为包对 序列 ( t r a i n o f p a c k e t p a i r s : t o p p )， 自 载周期流 ( s e l f - l o a d i n g p e r i o d i c s t ， 二 二s : s l o p s ) ， 包队列ifal 隔 ( p a c k e t t r a i n g a p m o d e l : p g m ) 等三种类型， 这些本文后续将有针对的介绍， 而本文作者根据这些测试工具的根本机理大致分 为流量信息收集法、探针间隔测试法、探针速率测试法三种。 1 ) 流量信息收集法 通过简单网络管理协议 ( s n m 附 或类似的网络间通信协议， 对网络中各节点 的固有带宽及背景流状态信息进行收集， 从而间接推断出网 络路径有效带宽的情 况， 这种思想被称为流量信息收集法。 这种方法属于被动测试类型， 基于所得信 息而作处理方法可能有多种多样， 但其基本的原理是一样的。 2 )探针间隔测试法 从发送端以 速率r发出一对探针数据包 ( a p r o b e p a i r ) 。 发送时， 探针对的 时间间隔为a i n ， 这对探针数据包到达接受端后， 探针对的时间间隔为a o u t 。 如 果在接收端测到的2 o u t = a in ，说探针数据包没有被延迟，相应地，端到端有效 带宽 a r ，这时就需要增加速率，重复上述的测试过程。这种思想称之为探针 间隔测试法。 如果从发送端到接受端之间存在一个有效带宽的链路瓶颈节点i ，那么探针 数据包达到一定速率后， 将导致瓶颈链路发生拥塞( c o n g e s t i o n )在瓶颈节点匕 探针数据包对的第一个数据包发出到第二个数据把包到来之间， 有其它的业务流 数据( c r o s s t r a f f i c ) 出现在节点的发送队列中， 使得探针数据包对的时间f o f 隔增大 增大的时间间隔是瓶颈节点用来转发业务流的 a o u t 一 i n ai n 因此业务流的速率为: * c 因 此 : a ( 如图所示 s n d , r c v , t ) 一 c * ( 1 一 a o u t - a in ) ai n 扭 针 0 9 p- 3 . . . 网络业 务流 f t- i】1 思 典 上 票川 二 巫 到 丑 ， 1月， 1，二 h 月 一 - 一 - - - 食 戈入4 图3 - 1 一 1 对包技术可以方便快捷地测算网络的 有效带宽l s 习， 但是用对包的 方法测试 有效带宽会有缺陷。 一种情况是: 当网络存在多条链路时， 对包中一个数据包从 a链路传输，另一个数据包从 b链路传输。那么即使没有拥塞，两个数据包间 的时间间隔也会改变; 另外一种情况是: 这种技术对时钟的要求比较高， 如果在 出发时， 数据包上盖的时间戮就出现误差， 那么结果就会出错。 还有数据包到达 时序号乱掉等等，这些问题就没法解决，也不能被发现。 3 )探针速率测试法 从发送端以某一速率发出探针数据流， 如果数据流速率比路径上的有效带宽 小的话， 那么在接收端收到的数据流速率将保持不变。 而如果数据流速率比路径 上的有效带宽大的话， 那么数据流在整个路径上传输时就要发生拥塞。 当数据包 在某一个节点上被延迟， 其结果就是在接收端收到的数据流速率将减小。 这样就 可以 通过寻找数据流速率发生变化的拐点， 来判断网络的有效带宽， 这种思想称 之为探针速率测试法。 如图所示， t=li r 国 因 固 囚 k二 4 at s e n d e r at r e cei v e r wh e n r b a i 1 .2 :3 i a 冰刹娜-目 ! . -扣 : 一 d1 d2 03 o a a t r e c e i v e r wh e n r a 图 3 - 1 - 2 二、有效带宽测试方法及其分类 有效带宽测试的方法多种多样。 这些方法根据测试思想的不同可以分为主动 测试和被动测试， 根据测试载体的不同可以分为t c p测试和 u d p 测试， 根据测 试对象的不同可以分为队列探针数据包测试和成对探针数据包测试， 根据分析方 法的不同可以分为计算测试和逼近测试。 1 ) 主动测试与被动测试 有效带宽测试，根据测试思想的不同，可以分为主动测试 ( a c t i v e m e a s u r e m e n t ) 和被动测试( p a s s i v e m e a s u r e m e n t ) 2 5 1 。 主动测试是指在测试过 程中向网络中注入探针数据包， 通过分析这些探针数据包的行为来了解网络有效 带宽信息; 被动测试是对网络进行监测， 并不人为向网络施加负载， 只是收集与 网络状态有关的信息， 来分析网络各项性能指标。 两者的主要区别在于是否人为 地向网络添加数据包。 在有效带宽测试中， 主要还是使用主动测试方法。 本文介 绍的测试工具p a t h a v b也是基于主动测试。 被动测试 主动测试 优点 不对网络造成影响 通过调节各项测试参数，可 性能数据表征客观情况 测试结果相对全面、准确 缺点 只能观察网络当前状况 测试数据动态性不是很好。 对具体设备及其权限有要 求 卜卜-卜卜卜 适用环境 实际使用网络 典 型 工 具 一 1 y s n mp ( mr t g ) 2 6 n e t f l o w 2 7 s p a n d 2 8 以观察网络在不同情况下的 性能，对网络作出全面评价 可重复测试 通常对实际使用的网络造成 影响。 测试数据带有一定局限性 对多变的网络，其结果参考 价值较低 新建网络 实际使用网络 c p r o b e 2 9 p a t h l o a d 3 0 a b w e 3 1 2 ) t c p测试与u d p钡 叮 试 有效带宽测试，根据测试载体的不同， 可以分为t c p 测试和u d p 测试。 顾 名思义， 两者区别在于测试中探针数据包到底是t c p ， 还是u d p 。 利用t c p 数 据包进行测试必须考虑在测试开始建立连接时， t c p 数据流的三次握手协议对测 试精度的影响以及在测试过程中应答数据包来回时间等影响， 我们在后面的第三 部分现有测试工具介绍中将详细阐述。在众多测试工具中，利用u d p数据包是 比 较常见的现象o u d p 测试， 机制比较简单， 测试精度也比t c p 测试高。 但u d p 数据包测试有效带宽通常不针对某些特定应用程序，相对 t c p测试来说，不针 对某些特定业务。工 p e r f 测试工具是t c p 数据包测试，而p a t h c h i p 测试工具是 u d p 数据包测试的。 本文介绍的测试工具p a t h a v b利用的探针数据包是u d p 数 据包。 3 ) 队列探针数据包测试与成对探针数据包测试 有效带宽测试， 根据测试对象的不同， 可以分为队列探针数据包测试和成对 探针数据包测试。 这是指在测试过程中， 使用带时间戳的探针数据包以一个序列 的队列为测试单位，还是以一对背靠背的探针数据包为测试单位。 队列探针数据包测试通常在测试过程中由发送端发出多组带时间戳的 u d p 数据包( 每组可能有2 0 个数据包或更多) ， 在接收端通过研究这组数据包的时延 的差异来分析网络路径的有效带宽; 成对探针数据包测试是指在测试过程中由发 送端发出多个成对的u d p 数据包， ( 每对有两个数据包， 相互间隔时间尽可能小 且精确) ，在接收端通过研究这对数据包的时延的差异来判断网络路径的有效带 宽。 在己 有的测试工具中， t o p p 测试工具是利用队列探针数据包; 而s p r u c e 淑 试工具是利用成对探针数据包的。 本文所介绍的p a t h a v b利用的是队列探针数捷 包。 4 ) 计算测试与逼近测试 有效的带宽测试， 根据分析方法的不同， 可以分为计算测试和逼近测试。 计 算测试是指通过分析测试数据包的时延所携带的 信息， 直接得到有效带宽的量化 值，但不能给出一个良 好的置信区间。 即:有效带宽= f u n c t i o n( 探针数据包) 而逼近测试是指通过不间断地尝试， 得到有效带宽在某个区域内， 而尽可能使这 个区域很窄，能给出误差范围，但需要多次发送探针数据包流。 即:f u n c t i o n ( 探针数据包) a、r a、r - a 三种情况。 根据不同的情况， 缩小测试区间， 直到最后测试区间在一个可以 接受 的范围。 自t r a m t - , . 沁 r八洲! 一 卜 、 、4 1 1 rea m r a t er a1 n0 - 1 1 ,人 4、| 劫仅一三0绍乙了11弓1，比 工j伏一三卜多皿二二工j已 n ,. . . .七 p a e k e t 书 弋 犷长 苏 一 军。 ， 甲有 仕炭州一= c . , ， ti 、， t p . p a , k . ; 图 4 - 5 - 图4 - 5 - 2 uma m r . t c t t - a c e d - b a ，口少，三二，多二 价 尸 了， 喻 鹅 1. 币l 产 两丫 二 胜 , i . . 川夕!( + .”冲 ， p _ i c k c t r 图4 - 5 - 3 应该说这种测试方法是比较实用的，也是比较方便的。但是p a t h l o a d工具 在测试中没有利用探针数据包的单向延迟趋势表现出来的信息， 使得它得出结果 的收敛速度欠慢，最后结果误差太大。而本文描述的 p a t h a v b工具正是吸收了 p a t h l o a d的各方面优点，同时又对它的缺点进行了改进。详细内容，我们将在 第五部分第七节讨论。 下图是p a t h l o a d 测试工具的 测试结果与m r t g 的数据进行比对的图， 可以看 到p a t h l o a d 的测试误差还是很大的， 但是因为m r t g 的数据表示的是一段时间的 平均值 ( 譬如说5 分钟)而 p a t h l o a d 的测试结果表示的是确定时间点的有效带 宽值，因此也不能说p a t h l o a d 测试结果就是错误的 2 9 1 . 止恻噢 气5 t e m b n r 功仁甲 户 0 动 犷 5 图4 - 5 - 4 六 、 t e m b 3 8 是由 亚特兰大大学的t r ic h a .a n g a l i 和c a t e r i n a . s c o g l i o f发的网 络 有效带宽测试工具。 这个工具混合采用了主动测试与被动测试的优点， 整个过程 分为两个阶段。 第一阶段是发送 1 0 个探针数据包， 来大致确定网络路径中的紧带链路节点。 每个探针数据包沿着路径收集节点信息，最后如果 1 0 个数据包收集的信息一致 指出某个特定节点是紧带链路， 那么就进入第止 二 阶段， 如果收集的信息不一致的 话就再发送一组 1 0 个探针数据包。 卜.1 ) 浏认州: _ u _ a n :v :- - - 一 u .n u r . -n . = n p p. v a b ilua r , ,卜 , :n, :p 选掂 o . f : 式 一一 二(o,nw rt h - cm tp 一一二习 q卜 数掩包am试a : 录的 路式 图 4 - 6 - 1 第二阶段是利用我们前面提到的mr t g 图4 - 6 - 2 中相关的功能对紧带链路的节点收 集更详细、更精确的信息。 因此这个工具是结合了主动测试和被动测试的各自功能来测量网络路径的 端到端有效带宽的，比较精确，也比较方便，可以说是一个很好的选择。但是 t e mb这种测试工具主要还是建立在mr t g的基础上，因此必须保证网络上端 到端链路的所有节点都要开放相应 s n mp管理功能及对 mi b数据库操作的权 限， 而这在现实网络中就有点强人所难了。 因此， 这种测试软件不是那么的实用。 y外还有象 p i r / i g i 4 9 2 5 5 4 , p a t h c h i r p 5 0 2 8 , s p r u c e 2 9 , p c h a r , c p r o b e , c l i n k 等等众多的 测试工具， 不一 一例 举了， 但都可以 归为 上 述四 种划 分的某一种类。它们的性能及优缺点也是各有所长。 第五部分:p a t h a v b的算法及实现 一、 网络传输的拓朴结构: 正如一开始提到的， 端到端有效带宽的测试模型可以表述为如下图所示。 在 网络路径上任意节点都有背景数据流存在。如果端到端间存在一定的有效带宽， 那么必然在网络路径中任意节