（计算机应用技术专业论文）网络延迟和抖动研究及在多媒体传输中的应用.pdf

摘要 摘要 随着互联网规模的增长和计算机技术的提高，用户对网络的需求也产生了相 应的变化。宽带的普及和网络传输水平的提高使得高宽带多媒体应用成为可能。 多媒体技术的发展与宽带的普及有着紧密的联系，随着众多宽带接入方式的涌 现，多媒体技术的应用也越来越广泛，如流媒体、网络电话、视频会议、视频点 播等等。网络测试成为目前对网络进行管理的一个有效手段，也是人们研究的热 点。网络延迟和抖动是网络性能的重要参考指标，许多网络应用都对延迟和抖动 提出较高的要求。尤其是实时多媒体数据的传输，对网络性能的要求较高。网络 延迟和抖动的大小受各种因素的影响，只有深入地分析这些影响因素及其关联 性，才能力求不断改善网络传输的质量，提高网络应用技术的服务质量。 本文结合影响延迟和抖动的各种因素，如背景流量、网络负载、数据包长、 跳数等，寻找端到端延迟及抖动与这些影响因素的相关性，针对多媒体应用技术 的要求，提供有效的统计分析结果。本文利用实验重点研究了在不同背景流下和 不同路径长度下，对于不同大小的测试数据包，使用不同的发送速率时，延迟和 抖动这两项重要的网络性能参数的分布情况，比较各因素的影响大小，寻找端到 端延迟及抖动与这些影响因素的相关性。从实验可以看到，网络延迟分布曲线的 分布由数据包长，背景流和发送速率共同决定。跳数对延迟和抖动的影响非常小。 抖动的变化趋势是在链路满负荷前，随着发送速率的变大而变小。在链路满负荷 后立即变大，而后又随发送速率的变大而变小。结论对数据传输策略的选取具有 非常重要的意义，为拥塞控制的控制参数的选取和控制算法的研究提供可靠的依 据。 实时多媒体数据大多基于u d p 协议传输，而u d p 协议本身无法进行拥塞控 制。如何防止网络出现拥塞以致崩溃是非常重要的研究课题。实时多媒体传输对 服务质量要求较高，这也使得对q o s 的研究成为热潮。考虑到多媒体数据对延 迟和抖动的要求较高，本文设计了基于延迟和抖动的拥塞控制方法。该方法具有 t c p 协议友好性，同时满足实时多媒体数据传输低延迟，低抖动的要求。选取延 迟和抖动作为拥塞控制参数是基于实验结果得出的结论，基于真实数据，使得该 拥塞控制算法科学而且有效。 关键词网络测试；延迟；抖动；拥塞控制 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h e 伊o w m go ft h ei n t e r n e ts c a l ea n dt h ei m p r o v e m e n to fc o m p m e r t e c h n o l o g y , t h eu s e r s d e m a n dt ot h en e t w o r ka p p l i c a t i o nh a st h ec o r r e s p o n d i n g c h a n g e h i 曲w i d e b a n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sb e c o m ep o s s i b l eb e c a u s eo ft h e i m p r o v e m e n to ft h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y 1 1 1 ep o p u l a r i z a t i o no ft h e 、析d e b a n dc o n c e r n sw i t hm u l t i m e d i at e c h n o l o g i e s d e v e l o p m e n t a l o n g 、 ，i t l lt h ee m e 略e n c e o fn u m e r o u sa c c e s sm e t h o d st ot h ei n t e r n e t ，m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o ni sa l s og e t t i n g m o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d ，s u c ha ss t r e a m i n gm e d i a , t e l e p h o n eo v e ri f , v i d e o c o n f e r e n c e ，v i d e oo nd e m a n da n ds oo n e n d - t o e n dn e t w o r km e a s u r e m e n ti sau s e f u l m e t h o dt om a n a g et h en e t w o r ka n dh a sb e c o m eah o tf o c u s t h en e t w o r kd e l a ya n d j i t t e r a r et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r st om e a s u r et h en e t w o r kp e r f o r m a n c e m a n y n e t w o r ka p p l i c a t i o n sh a v et h eh i g hr e q u e s tt od e l a ya n dj i t t e r , e s p e c i a l l yt h e t r a n s m i s s i o no fr e a l t i m em u l t i m e d i ad a t aw h i c hh a sh i g hr e q u e s tt ot h en e t w o r k p e r f o r m a n c e n e t w o r kd e l a ya n dj i t t e ra r ei n f l u e n c e db ym u c hk i n do ff a c t o r s a n a l y s i so ft h e s ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h e s er e l a t i o n st h o r o u g h l yc a nm a k eg r e a t e f f o r tt ot h ep r o g r e s s i v ei m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n , a n di t w i l le n h a n c et h eq u a l i t yo fs e r v i c eo fn e t w o r kt e c h n o l o g y t 1 1 i sa r t i c l ea i m sa tu n i f y i n gt h e s ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h en e t w o r kd e l a ya n d j i t t e r , s u c ha sn e t w o r kt r a f f i cb a c k g r o u n d ，t h en e t w o r kl o a d ，t h es i z eo fd a t ap a c k a g e ， n u m b e ro fh o p ，f o ra n a l y z i n gt h er e l e v a n c eb e t w e e ne n d - t o e n dd e l a ya n dt h ej i t t e r 谢t ht h e s ef a c t o r s i nv i e wo fm u l t i m e d i at e c h n o l o g y sr e q u e s t ，t h ee x p e r i m e n t p r o v i d e st h ee f f e c t i v es t a t i s t i c a la n a l y s i sr e s u l t t h i sa r t i c l eu s e st h ee x p e r i m e n tt o s t u d yt h ed i s t r i b u t i o no fn e t w o r kd e l a ya n dj i t t e r - t h et w oi m p o r t a n tn e t w o r k p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，w h i c hi nd i f f e r e n tb a c k g r o u n d ，w i t hd i f f e r e n tl e n g t ho fl i n k , r e g a r d i n gd i f f e r e n td a t ap a c k a g es i z ew i t hd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o ns p e e d c o m p a r i n g i n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r s ，w es o u g h tf o rt h er e l e v a n c eb e t w e e ne n d - t o e n dd e l a y , j i t t e ra n dt h e s ei n f l u e n c i n gf a c t o r s f r o mt h ee x p e r i m e n t ，w ec a ns e et h a tt h en e t w o r k d e l a ya n dj i t t e rd i s t r i b u t i o ni sl o n gw i t ht h ed a t ap a c k e ts i z e ，t h eb a c k g r o u n dl o a da n d t h et r a n s m i s s i o ns p e e dt o g e t h e r h o p sd o n ts e r v em u c hi nt h ei n f l u e n c e b e f o r et h e f u l ll o a do ft r a n s m i s s i o nl i n k , j i t t e rc h a n g et e n d e n c yi sa l o n g 诚n lt h et r a n s m i s s i o n s p e e d a f t e rf u l ll o a do fl i n k , j i t t e ri n c r e a s e si m m e d i a t e l y , t h e nc h a n g e sa l o n gw i t ht h e t r a n s m i s s i o ns p e e da g a i n t h ec o n c l u s i o nh a st h ev e r yv i t a ls i g n i f i c a n c et ot h ed a t a t r a n s m i s s i o ns t r a t e g y i tp r o v i d e st h er e l i a b l eb a s i sf o rt h es e l e c t i o no fc o n g e s t i o n h i 北京t 业大学t 学硕f ：学位论文 c o n t r o lp a r a m e t e ra n dc o n t r 0 1a l g o r i t h mr e s e a r c h r e a l - t i m em u l t i m e d i ad a t am o s t l yb a s e do nu d p p r o t o c o lt r a n s m i s s i o n ，w h i c hi s u n a b l et oc a r r yo nt h ec o n g e s t i o nc o n t r o lb yi t s e l s oh o wt op r e v e n tt h en e t w o r k c o n g e s t i o n i st h e v e r yi m p o r t a n t r e s e a r c hs u b j e c t t h er e a l - t i m em u l t i m e d i a t r a n s m i s s i o nh a sh i 曲l yr e q u e s tt ot h es t a n d a r do fs e r v i c e t h i sm a k et h eq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) r e s e a r c hb e c o m ea nu p s u r g e w h i l et h em u l t i m e d i ad a t ah a v eh i g h l y r e q u e s tf o rn e t w o r kd e l a ya n dj i t t e r , w ed e s i g n e dc o n g e s t i o nc o n t r o lm e t h o db a s e do n t h ed e l a ya n dt h ej i t t e r t h i sm e t h o di sf r i e n d l yt ot h et c p p r o t o c o l ，s i m u l t a n e o u s l y s a t i s f i e st h el o wd e l a y , l o wj i t t e rr e q u e s to fr e a l - t i m em u l t i m e d i ad a t at r a n s m i s s i o n t h es e l e c t i o no fd e l a ya n dj i t t e ra sc o n g e s t i o nc o n t r o lp a r a m e t e r si st h ec o n c l u s i o n w h i c hi so b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，a n di tb a s e so nt h er e a ld a t a t h i sm a k e s t h ec o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h ms c i e n t i f i ca n de r i e c t i v e k e y w o r d sn e t w o r km e a s u r e m e n t ；n e t w o r kd e l a y ；j i t t e r ；c o n g e s t i o nc o n t r o l i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方外，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工业大学或其它教育机构 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。 关于论文使用授权的说明 潮彦如 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：龇 导师签名：垒至1 垒芝 日期：导师签名： 3 堕1 竺2 日期： k 蚤5 、寻o 第1 章绪论 第1 章绪论 互联网规模发展越来越大，随着互联网规模的增长和技术的提高，用户对网 络的需求也产生了相应的变化。网络所能提供的服务已经与网络发展初期产生了 很大的不同。宽带的普及和网络传输水平的提高使得高宽带多媒体应用成为可 能。网络视频会议、i p t v ，网络音频广播、多媒体远程教育等新应用成为网络 互联应用新的热点。这些网络应用对网络提出了更高的要求，如何解决网络的急 剧消耗和网络拥挤问题成为关键。 1 1 研究背景 2 0 0 6 年7 月c n n i c 中国互联网统计报告显示中国网民数已达1 2 3 0 0 万人， 网络规模越来越大。报告显示，进入2 0 0 6 年，专线上网和拨号上网用户继续负 增长，而宽带上网成为主流【l 】。宽带的普及和网络传输水平的提高使得高宽带多 媒体应用成为可能。2 0 0 6 年被称为中国视频互联网元年，这一年，视频互联网 产业得到了高速发展。随着社会化网络的趋势，网络视频和音频应用持续升温。 据2 0 0 6 年统计数字，随着互联网的发展，在中国分别有大约9 0 0 万人和6 0 0 万 人在享受网络电话和网上预订带来的好处，在线影视音乐收看及下载( 在线电视、 在线广播) 的规模已经超过了4 0 0 0 万【2 j 。因为当前业务网络即i p 网络秉承尽力 而为的传输理念，也许有一天其资源的有限性将无法承受上层业务的需求。 作为网络研究的一个重要领域，网络测试的研究得到了很多研究人员的关 注，而且对网络测试的关注度已经越来越高。人们发现，不能把目光只集中在信 息网络量的增长以及新技术的产生上，忽略质的提高及技术的优化。网络的发展 最终要转向提高网络运行质量，提高经济效益的轨道上来，这就迫切需要网络测 试技术的提高和普及。一方面，对网络现状的测试可以使人们看到网络发展所面 临的问题，在政策制定，技术发展方面进行必要的思考。另一方面，网络测试为 网络上的应用技术提供支持，使其能更好的发挥应有的作用。网络测试技术是伴 随着通信工业的发展成长起来的，对网络应用服务质量期望的提高推动了网络测 试的发展。只有网络测试技术的日趋完善才能保证网络的有效运行。现在，网络 测试的研究涉及网络负载、拓扑、路由技术、性能、安全、地理虚拟现实等领域。 同时为了支持网络测试技术的不断发展，全球的研究者在测试标准化、软件支持、 存储技术、统计学以及法律法规的支持等方面做出了巨大的努力。 目前，国外对于网络测试的研究已经得到很大的发展。九十年代中期，p a x s o n 提出了网络测试的概念，利用测试对端到端网络性质的研究，提出了一个网络测 北京t 业人学t 学硕 ：学位论文 试框架，并且利用得到的测试数据，对端到端的路由进行分析【3 】。其后，一些专 门进行网络测试的组织和机构纷纷出现，有一些在网络测试方面取得了丰硕的成 果，为后来的研究者提供很大的帮助。比较有影响力的组织如s u r v e y o r 4 1 ，n a t i o n a l i n t e m e tm e 龇e m e mi n f r a s t r u c t u r e t 5 1 。r e s e a u si p e u r o p e e n s t 0 1 c o o p e r a t i v e a s s o c i a t i o nf o ri n t e m e td a t aa n a l y s i s ( c a i d a ) 丌s p r i n t i p m o n 驯等。尤其是 c a i d a ，在网络测试方面做了很多工作。在过去的几年中，对网络负载特性、 多播测试、网络性能、测试基础及可视化方面做了深入研究。开始于1 9 9 8 年的 大范围拓扑研究项目基于s k i t t e r 这一专门工具，专注于收集全球范围的i p 链 路数据包及双向延迟数据，用于互联网性能和大范围连通特性的研究【9 】。这些数 据也可以用于网络拓扑和互联网特性建模的研究。这些研究工作对网络测试研究 者具有很大的指导意义。本文在以前的研究工作基础上，进行了有针对性的实验， 专注于研究网络延迟和抖动的分布规律。 网络测试在国内还处于发展初步阶段，不论是商业机构还是各种学术组织， 专门从事网络测试的不是很多，但大多数i s p 都会通过购买外国的测试设备对网 络进行管理。相对而言，国外的信息网络较国内发展程度高，不仅网络提供商， 很多网络应用商都有自己的测试部门，还有一些专门的网站提供很多网络测试方 面的专业知识、信息和工具。 网络测试包括很多参数，包括带宽、延迟、连通性、丢包率等，测试方法上 有主动测试和被动测试的方法，相关的研究在很大范围内得到开展。对这些性能 参数的测试结果可以用于对上层应用的支持，改善网络应用的状况。目前，国内 一些高校的研究者在研究延迟和延迟抖动方面已经取得了相当有意义的成果。文 献 1 0 】采用基于实时传输协议( r t p ) 和实时传输控制协议( r t c p ) 的反馈拥塞控制 算法，提出一种简单的拥塞控制机制，使u d p 数据流能与t c p 数据流和平共处。 文献 1 1 】在延迟受限的条件下，通过控制码流的传输，使得带宽变化所带来的视 频质量波动显著下降，从而有效地提高了视频的总体质量。文献【1 2 】提出了一种 利用移动代理进行延迟测试的方法。 随着对网络测试研究的不断深入，还专门形成了一门学科，即网络测试方法 学，对网络测试研究者提供很大的帮助。 1 2 研究现状 网络测试主要是测试常见的网络性能参数：数据包丢失、延迟、抖动、网络 带宽等。本文主要对延迟和抖动这两项重要的网络性能参数进行研究和分析。 数据包穿越一个或多个网段所经历的时间称为延迟。网络的传输是一个复杂 的过程，中间往往要经过多个路由器和不同的链路，每个数据包历经的延迟不一 第l 章绪论 i i ip 暑詈皇皇皇鲁詈詈量詈_ 鼍皇置皇曼皇詈鼍鼍曼量曼量曼詈! 詈量鼍詈詈鼍鼍詈暑昌詈暑鲁詈量鼍量曼皇詈鼍皇皇皇詈皇詈宣詈量置量詈鼍詈皇鼍量皇皇量詈鼍暑! 皇 样。数据包离开发送端时，按照规则的间隔均匀的排列，在通过网络之后，这一 均匀的间隔因不同的延时大小而遭到破坏，从而产生抖动。延迟是网络状态的一 个重要的参数，它随着网络的传输模式的不同和拥塞状况的变化而变化。端到端 的延迟测试可以让测试者了解当前网络潜在的特性，现在有很多网络测试应用是 通过延迟测试来完成的，如文献 1 3 】中使用单向延迟测试端到端的有效带宽，文 献 1 4 】利用单向延迟测试来发现网络拓扑。进一步地，利用延迟测试所得结果就 可以对延迟敏感的应用进行改进，考虑延迟因素保证服务质量( q o s ) 。利用基于 延迟测试所得网络状态信息，如网络拓扑、传输协议特性等更是可以反映到基于 测试的系统应用中来指导上层应用，有利于网络性能的提耐1 5 j 。 举对网络传输实时性要求较高的连续媒体传输作为例子：视频和音频是双向 的，视频和音频的传输支持用户的交互，因此对于延迟有严格的要求，端到端的 延迟要求小于一定的阈值。在视频点播等单向传输的多媒体应用中，延迟抖动和 时滞都是必须的约束条件。当存在单个媒体传输中的媒体内抖动时，相继数据包 之间的间隔延迟约束要相对宽松，视频点播应用的端到端延迟可以是秒级。但是， 不管是双向和单向的媒体传送不均匀，会造成画面或声音颤抖；存在两个媒体的 媒体间抖动时，对应数据包到达时间变化，可能是造成同步的丢失。存在单个媒 体的媒体内时滞，表示一个媒体传输中，数据包整体超前或滞后，结果造成画面 过快或过慢，声音的音调变高或变低；存在媒体间时滞时，两个媒体中对应数据 包的整体偏差，或超前或滞后，由此引起媒体间的同步完全丧失【l 酬。 现在的很多网络应用对延迟抖动提出要求，特别是实时系统和多媒体应用， 要求延迟抖动限制在一定范围内。对于v o l p ，视频会议，语音和视频数据而言， 对延迟，抖动，和数据包丢失有很严格的要求。对于延迟，我们可以通过大规模 的测试，来发现延迟的一些内在的特征。在现实中，由于延迟的复杂性和不可控 性，并不可能通过所谓的管理和技术上的提高，硬性地来使延迟达到某种应用的 要求。只能通过发现延迟的特征，来使某些应用在具有这些特征的延迟下，可以 正常的使用。对于网络抖动，由于其在多媒体传输中带来的种种不好的影响，使 得现在的研究者都在努力探索和研究减小网络抖动的方法，已经获得了一些有效 的研究结梨- 丌，主要是基于缓冲的办法来减少抖动。 对于延迟分布规律的研究，影响网络延迟和抖动的因素很多，以往的研究者 也对此进行了大量实验。a i g u of e i 等采集了从u c l a 到3 0 0 0 多台主机的双向延 迟和跳数等数据，并研究了网络延迟在跳数影响下的分布特征，指出双向延迟与 跳数的关系依赖于目标主机所在的地理位置，这两项参数之间无严密相关性i l s 】。 毕经平等对于延迟分布和丢包率的相关性进行了研究，指出丢包率较小时，延迟 分布具有单峰性，随着丢包率的增加，延迟分布呈现越来越分散的特点【1 9 1 。张伟 等研究不同负载和不同背景流量模式对于数据包延迟分布的影响，考虑网络背景 北京t 业人学t 学硕f ：学位论文 流量模式，包括持续流量或者是多突发流量，和网络负载对网络延迟的影响，通 过研究发现，网络背景流量模式影响延迟具体分布函数，网络负载影响延迟的大 小【2 0 1 。以往的研究大都单独对延迟和抖动的个别影响因素进行分析。 1 3 研究内容与目标 以往的研究者对于网络延迟和抖动分布的研究局限于对个别影响因素的探 讨，如包长，网络背景流量，网络负载，跳数等，背景流量模式。本文力求综合 以上因素，在实验的基础上对延迟和抖动的分布规律进行研究。 本课题主要对延迟和延迟抖动这两项重要的网络性能参数进行研究和分析， 结合影响延迟大小和网络抖动的各种因素，寻找端到端延迟及延迟抖动与这些影 响因素的相关性，针对多媒体应用技术的要求，提供有效的统计分析结果。为此， 本文专门利用实验室充足的实验条件结合这些影响因素，专门设计延迟和抖动测 试实验，收集了大量的实验数据，并对这些实验数据进行了统计和分析。实验结 果也表明，利用延迟和抖动情况可以区分网络的不同状态。这一结论对于拥塞控 制参数的选取提供了强大的数据理论支持。 随着网络用户的急剧增加，网络变得越来越拥挤。通讯数据量的增加使网络 变得越来越拥塞。i n t e m e t 成功的一个关键因素就是t c p 协议的避免拥塞机制。 当前t c p 协议在i n t e r n e t 中仍然是占主导地位的传输协议，但它不是适用于任何 地方，有越来越多的应用由于某种原因没有选择使用t c p 协议。因此仅靠t c p 一种拥塞控制来管理网络是明显不够的。许多网络新应用，如多媒体数据的传输 依靠传输层中采用u d p 协议，甚至有些数据传输完全没有采用任何拥塞控制的 方法。这样的事实推动新的研究的产生和发展，必须寻找新的拥塞控制方法和策 略。解决这一问题的方法一是采用资源预留协议( r s v p ) 的方法，但是r s v p 费 用高使其应用受到很大的限制；另一种通用的方法是在应用层进行拥塞控制， 本文正是基于这一思想，对拥塞控制方法进行研究。 网络拥塞控制一般采用的方法是，发送方接收反馈信息并从反馈信息中推断 网络状况，确定控制参数，依据一定的算法来调整发送速率。从中可以看出，正 确的控制算法和好的控制参数的选取是正确而及时地进行网络拥塞控制的关键。 本文通过在实验中获得的延迟和抖动的函数分布规律，利用延迟和抖动作为 拥塞控制的控制参数，对以往的拥塞控制方法进行了评估和改进，并利用实验对 我们的方法进行验证，与以往的拥塞控制方法进行了对比。事实证明改进后的拥 塞控制方法更为科学和有效。在控制参数中加入延迟和抖动参数进行控制，使得 多媒体数据的传输具有低延迟、低抖动的特点，更加符合多媒体数据传输的需要。 第1 章绪论 1 4 本文结构 本文主要组织如下： 第一章，绪论，介绍网络测试的概念以及网络延迟和抖动的研究状况。概要 介绍了本文研究的主要内容及文章的组织结构。 第二章，网络延迟和抖动综述，对网络延迟和抖动这两项重要的网络性能参 数进行具体的分析和介绍。 第三章，延迟和抖动测试与分析，介绍实验流程和设计，介绍通过实验室实 验所得到的数据并对其进行分析。分析实验结果，观察延迟和抖动分布曲线的分 布及其决定因素，寻找端到端延迟及抖动与这些影响因素的相关性。 第四章，多媒体传输方案的研究与改进，根据实验结果，利用延迟和抖动情 况区分网络的状态。设计拥塞控制策略，利用仿真实验验证其方法有效性。 在文章最后的结论中，对全文内容进行总结并对未来的研究进行展望。 第2 章网络延迟和抖动综述 第2 章网络延迟和抖动综述 延迟和抖动是网络性能的重要参数，对上层应用都有非常重要的影响。延迟 是不可避免的，因为数据在链路中的传输必须经过一定的时间。延迟的分类中介 绍延迟的几部分组成，对于一个特定的网络路径，认为传输延迟，传播延迟，处 理延迟是固定延迟，排队延迟是可变延迟。排队延迟是由网络动态来决定的，网 络中的拥塞状况不同，排队延迟有很大的变化。抖动是由数据包到达延迟的不同 造成的，避免抖动主要基于缓冲技术。对于延迟和抖动的网络测试工作可以基于 网络测试的一些基本方法，还可以参考测试方法学的研究。 2 1 网络延迟 数据包穿越一个或多个网段所经历的时间称为延迟。从用户的角度讲，延迟 即用户发出请求到接收到远端应用系统的响应的时间。基于t c p i p 协议网络传 输包括以下处理过程：路由器处理、用户数据单元( a d u ) 在网络上传输以及服务 器处理过程，相应地将产生路由延迟和a d u 在网络上的传输延迟【2 l j 。路由延迟 包括域名请求延迟、t c p 连接建立和释放延迟以及i p 寻径延迟。a d u 在网络上 的传输延迟包括打包延迟、传输延迟、传播延迟、处理延迟和排队延迟。从测试 的角度讲，延迟分为单向延迟和双向延迟。对这些延迟分类，下面的章节将会作 具体介绍。 2 1 1 延迟的分类 在数据传输过程中，一般认为延迟分为如下几部分：传输延迟，传播延迟， 处理延迟和排队延迟_ r 2 2 1 。见图2 1 所示： 打包髓魍翻哒捌悯遐翻颤娓储髓 图2 - 1 延迟分类图示 f i g u r e 2 - 1d e l a yi l l u s t r a t i o n 北京t 业大学t 学硕f ：学位论文 打包延迟 各层的协议数据单元( p d u ) 都具有不同的有效负载长度，而应用层产生的相 应大小的信息流需要一定的持续时间。协议层等待应用层产生满足p d u 有效负 载长度的字节流量，然后才能打包成协议数据单元( p d u ) ，这段等待时间就是打 包延迟。打包延迟是实时数据流应用独有的延迟，实时流应用是指对基于时间的 信息，如视频、音频和动画等进行实时传送的应用。实时信息流是有时间性的， 按时间顺序有规律地产生，要等待信息流到一定的数量以满足p d u 有效负载才 打包成一个p d u 。打包延迟用s p k 来估算，其中s p 为p d u 有效负载长度，k 为应用的编码速度。 传输延迟 传输延迟是将所有分组的比特全部传送到线路上所需要的时间，即p d u 的 第一个比特从端点传送到线路上直到最后一个比特离开端点的这段时间。传输延 迟与p d u 大小及线路上的传送速率有关。一个存储转发机制的网络中，数据包 将会产生多次的传输延迟，每次将p d u 转发到下一跳都将产生一次传输延迟。 传输延迟和传播延迟的定义往往难以理解，传输延迟和传播延迟是完全不同 的两个概念。传输延迟是路由器将分组传出所需要的时间；它是该分组长度和该 链路传输速率的函数，而与两个路由器之间的距离无关；传播延迟是一个比特从 一台路由器向另一台路由器传播所需要的时间；它是两个路由器之间距离的函 数，与该链路的物理特性有关。 传播延迟 一个数据包中的每一个比特被推向链路后，该比特向下一跳路由器进行传 播。从该链路的起点到到达下一跳路由器传输所需要的时间是传播时延。传播时 延迟取决于比特穿过介质的速率，即该链路的传播速率，往往是等待或略小于光 速的。传播时延等于两个路由器之间的距离除以传播速率。即，设d 是两个路由 器之间的距离，s 是该链路的传播速率，传播时延是d s 。链路上的传播时延迟可 以用p d u 的第一个比特穿过链路所用的时间来定义。在局域网中，传播延迟往 往不是延迟重要的组成部分，因为它往往很小。但是广域网中的传播延迟可以达 到毫秒级。 排队延迟 排队延迟在分组交换网产生的延迟中占主要部分，每一次分组交换将使数据 第2 章网络延迟和抖动综述 加入到缓冲队列中，每一个p d u 的目的输出端可能存在着许多分组排队，这就 是排队延迟。在先进先出队列中，新到达的分组的排队延迟等于所有已在该端口 上排队的分组传输延迟的总合。所以说，特定分组的排队延迟取决于先期到达的 正在排队等待向链路传输的分组的数量，另外也取决于输出端口的传送速度。排 队延迟受网络负载的影响很大，是分组交换网中延迟变化的主要因素。排队延迟 可以是毫秒级甚至是微秒级。 处理延迟 处理延迟是分组交换过程中发送端和目的端对数据进行处理所需时间的总 和，如检查分组首部和决定将该分组导向哪里所需要的时间等，都是属于处理延 迟。处理延迟还包括一些其它因素，如检查比特级别差错所需要的时间等。 综上所述，不考虑实时数据流所具有的打包延迟，节点总的延迟为处理延迟， 排队时延，传输时延和传播时延的总合，如公式( 2 1 ) 所示： d n o d a l = ：d p r o c + d q u 眦+ d n 锄_ 卜d p r o p ( 2 - 1 ) 其中d p 眦，d q 。伽，d 仃椰和d p r o p 分别表示处理延迟，排队时延，传输时延和传 播时延，“o d a l 表示节点总的延迟。 这些延迟成分起的作用可能变化很大。例如，传播延迟对于连接两台位于同 一个以太网内的路由器的链路而言是微不足道的；然而，对于有同步卫星链路互 联的两台路由器来说传播延迟会达到几百毫秒，成为节点延迟中的主要部分。同 样，传输延迟的影响可以是微不足道的，也可以是很大的。对于1 0 m b i t s 和更高 的传输速率的信道，它的影响通常是微不足道的。然而，对于大的因特网分组通 过低速拨号调制解调器链路，可能是数百毫秒。最大吞吐量是有一台路由器能够 转发分组的最大速率，处理延迟经常是微不足道的，然而它对一台路由器的最大 吞吐量可以产生重要的影响。 上面讲的是节点延迟，即单个路由器的延迟。那么从发送端到目的端的端到 端延迟中，如果源端和目的端之间有n 1 个路由器，假设网络并未发生拥塞，排 队延迟并不显著，每个路由器和主机的处理延迟是d p 嗽，每个路由器和主机的输 出速率是rb i t s ，每条链路的传播时延是d p r o p ，节点延迟累加起来，得到端到端 延迟如公式( 2 2 ) 所示： d c l l d 啪d = n ( “一站娜+ d p r o p ) ( 2 2 ) 2 1 2 延迟的测试方法 从测试的角度来说，一般把延迟分为两类：单向延迟和双向延迟。单向延迟 也就是通常所说的延迟。由于在传输的过程中数据包的往返可能经历不同的路 北京t 业大学t 学硕f j 学位论文 径，而且，多媒体数据也只是对单向的路径感兴趣。所以，现实中，网络的单向 延迟对于应用更有意义。但是在具体的测试过程中，双向延迟更容易测试。单向 延迟由于要求源和目的主机的协作，而且要求两个主机之间的时钟同步，导致延 迟的测试在现实生活中有一定的难度。其实，如果数据包没有经历a d s l 之类明 显的上行和下行速率不同的路径，那么，双向延迟只不过是单向延迟的一种特殊 情形：双向延迟是源和目的地址是同一个地址的单向延迟。下面对单向延迟和双 向延迟进行一下分析。 单向延迟 单向延迟就是指数据包从源主机出发，到达目的主机所经历的时间。 如图2 2 所示，数据包从发送端主机出发，经历一条包括若干条路由器的链 路后，到达接收端主机经历的时间就是单向延迟。 单向延迟测试要求源主机和目的主机的时钟进行同步，这是进行单向延迟测 试需要解决最重要的问题。源主机和目的主机时钟同步的一致程度严重影响着单 向延迟的测量。有时，源主机和目的主机会采取同世界标准时间u t c 进行同步 的方法来保持源主机和目的主机的时间一致。那么时钟和u t c 的一致程度，则 影响延迟的测量。另外，源主机和目的主机所采用的时间粒度不同，两台主机时 钟同步的校准也会受到影响。最后，主机的时钟会随着时间而相对u t c 或其它 标准时间发生偏移，如果源主机和目的主机发生时种偏移的程度不同，那么两台 主机的时钟一致性将会越来越差。所以单向延迟测试需要同步的两台主机会设定 一定的时间间隔，每隔一段时间进行一次时钟同步。 总之，单向延迟测试的时钟同步较为复杂，也很难达到百分百的精确，只能 力求把误差减小到最低。 发送端接收端 图2 - 2 单向延迟图示 f i g u r e 2 - 2o n ew a yd e l a yi l l u s t r a t i o n 双向延迟 测试数据包从发送端主机出发，到达目的端主机，然后再从目的端返回到发 第2 章网络延迟和抖动综述 送端所经历的时间，就是双向延迟。如图2 3 所示： 一般可以认为单向延迟是双向延迟的一种特殊的情形。原因如下：单向延迟 测试中数据包所经历的网络路径中，源主机和目的主机是不同的主机。双向延迟 测试数据包所经历的网络路径中，源主机和目的主机是相同的主机。所以，双向 延迟不过是源和目的地址为同一个地址的双向延迟。 发送端接收端 图2 3 双向延迟图不 f i g u r e 2 3r o u n dt r i pd e l a yi l l u s t r a t i o n 双向延迟与单向延迟测试相比而言，具有容易配置和实施的特点。通常在测 试双向延迟的时候，不用安装专门的测试软件。现在已有很多简单易行的方法来 测试双向延迟。在t c p i p 网络的i c m p 请求应答消息就是一个非常简单的应用。 p i n g 命令的应用非常广泛，它一般作为一个网络诊断的工具，我们直接可以利用 主机系统自带的p i n g 命令来测试双向延迟。在命令行中可以直接得到源主机到 目的主机的双向延迟数据。 但是不可避免地，双向延迟也存在不足之处。如，双向延迟有可能不是简单 的双倍于两主机间的单向延迟，因为测试数据发从源主机出发后到达目的主机， 而后却经过不同的路径返回源主机。上行和下行的路径不同使延迟测量不具备说 服力，因为上行和下行也许经过了不同跳数的路由器，不同的路由器所引起的排 队延迟也是不同的。即使测试包经过的是同一路由器，但它肯定在上行和下行的 时候进入不同的排队过程。更重要的是，有时具体的网络应用只在乎单方向传输 性能的优劣，这更使双向延迟的测试结果显得无足轻重。 2 1 3 降低网络延迟 降低网络延迟的方法可以依靠优化网络拓扑结构，数据传输依靠于网络的通 路。拓扑，即这些通路的构成形式，如果各条通路的结构不合理，将会造成传输 路径变长，经过的路由器或其它设备变多，大大增加了传输延迟。另一方面，在 网络中传输的数据也会随着路径的变长而增加，使得网络变得更加拥塞和忙碌。 北京t 业人学t 学硕l j 学位论文 频繁的拥塞使网络传输性能下降，以致网络崩溃。 增加有效网络带宽。随着网络新应用中多媒体传输变得越来越方泛，各种数 据充斥于网络中，使网络变得拥挤不堪。虽然现在人们也开始依靠各种网络管理 软件等工具使宽带的控制变得更加得心应手，但效果却并不尽如人意。当然，也 可以采用增加带宽的方法，这种方法要求以金钱的付出作为代价。而且这只是对 急需带宽的应用提供更大的容量，却无法保证所要提高的关键任务的性能的提 升。所以，更好地进行网络带宽的管理，特别是网络上流量和数据的管理成为重 点要研究的问题。 提高主干网络速度。主干网络的带宽和传输速度严重影响着各个子网之间的 通信效率。所以现在的主干网络往往采用光纤进行通信。目的是提高主干网的性 能，这样就可以大大提高传输效率。 另外还应对服务器进行优化，提高计算能力。服务器在网络环境下为客户机 提供共享资源，服务器速度过低，执行操作系统和协议的时间会远远大于在传输 线路上花费的时间。此外，系统内存、硬盘速度、总线速度、服务器与网络的接 口速度也影响着服务器的整体性能。系统设计中网络协议软件的不合理配置也会 降低网络的传输性能。因此，如果网络延迟的瓶颈是服务器，由于其计算能力低 于网络传输能力，即使增加网络传输带宽，延迟也不会减少。因此合理地提高服 务器性能，对各项软件和协议进行j 下确合理地配置是非常必要的。 2 2 网络抖动 2 2 1网络抖动 抖动，也叫做延时的变化，是由于各种延时的变化导致网络中的数据分组到 达速率的变化【2 3 1 。网络的传输是一个复杂的过程，中间要经过路由器和不同的链 路，每个数据包历经的延迟不一样。数据包离开发送端时，按照规则的间隔均匀 排列，在通过网络之后，这一均匀的间隔因数据包经历不同的延迟大小而遭到破 坏，从而产生抖动。把这些抖动时间差积累的平均值，称为时滞。有些多媒体应 用，如视频点播的端到端延迟约束较小，但是它同时受到抖动和时滞因素的约束。 多媒体数据传送不均匀，会造成画面或声音颤抖；存在两个媒体的媒体间抖动时， 对应数据包到达时问变化，造成同步的丢失。 在多媒体数据传送过程中，所有发送的数据包到达的时间会发生差异。在 r t p 协议中，当一个数据包发送时，发送端在r t p 报文头上增加一个时间戳； 当在另一端被接收时，接收端同样增加另一个时间戳；计算这两个时间戳就可以 得到这个数据包的延迟时间。如果在传输过程中存在不同的数据包延迟时间，则 第2 章网络延迟和抖动综述 存在抖动。在视频应用程序中，抖动表现为图像闪动，在电话呼叫中，表现出的 效果与丢失数据包产生的效果