CN100364283C - 计算机网络本地服务质量状态的实时测量方法 - Google Patents

Abstract

计算机网络本地服务质量状态的实时测量方法属于计算机网络测量技术领域，其特征在于：在网络中各路由器上部署一个实时测量模块，该模块能够生成测量分组，设有服务质量状态参数的计算公式和用于过滤测量结果中暂态波动的数据处理方法；模块运行时，通过周期性定时器和测量分组的收发计算出时钟差、分组传输延迟、有向链路可用带宽和分组丢失率，计算结果加入样本空间并进行数据处理；该模块能精确测量最新且稳定的服务质量状态参数，测量分组对链路的负担也小，具有较好的可扩展性。

Description

计算机网络本地服务质量状态的实时测量方法

技术领域

计算机网络本地服务质量状态的实时测量方法属于计算机网络测量技术领域。

背景技术

服务质量路由是着眼于在互联网中提供服务质量保证的一种解决方案，它在选择路由时将可用带宽、传输延迟和丢失率等服务质量参数需求考虑在内。服务质量路由研究中通常认为每一台服务质量路由器维护其本地服务质量状态，并通过服务质量路由协议将该状态传播给其它服务质量路由器。由于受到用户行为、链路负载和路由器状态的影响，网络的服务质量状态随着时间不停地变化，很难简单地估算这些参数。因此，有必要进行实时的网络测量以获得准确的服务质量状态参数。

目前Internet中包含网络的大规模项目，如IEPM和Surveyor，其覆盖地域很广，测量结果对被测网络的反馈是非常缓慢的，不能用于实时地指导服务质量路由。CESNETtechnical report中的《Low-cost precise QoS measurement tool》采用主动测量的方式测量端到端的QoS性能，通过使用GPS技术，分组传输延迟的测量结果可以精确到几个微妙。CAIDA中的《Integrating Active Methods and Flow Meters-an implementation using NeTraMet》将每个测量点通过额外的传输介质连接到一台NTP服务器以进行时钟的同步。然而如果将上两种方法部署到域内的每一台路由器，其花费可能过大，而我们的方案不需要引入第三方设备。另外，尽管我们的分组丢失率测量和上述NTP方案中的流量表(traffic meter)是相似的，但NTP方案着眼于独立运行的监测系统，而我们的方案着眼于嵌入的测量系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算机网络本地服务质量状态(即每条链路上的可用带宽、分组传输延迟和分组丢失率)的实时测量方法。

本发明所提出的方法的特征在于：它依次含有以下步骤：

步骤1.在网络内的每台路由器上部署一个实时测量模块，该模块中至少定义了如下参数：

b_u：上个带宽测量周期内的平均在用带宽；

C：被测本地接口对应链路的容量设定值；

s₁：时钟差测量请求分组离开本地路由器网卡的时刻；

s₂：时钟差测量请求分组到达邻居路由器网卡的时刻；

s₃：时钟差测量应答分组离开邻居路由器网卡的时刻；

s₄：时钟差测量应答分组到达本地路由器网卡的时刻；

t₁：延迟测量分组离开本地路由器的发送测量点的时刻；

t₂：延迟测量分组到达邻居路由器的接收测量点的时刻；

p₁：在邻居路由器的上个丢失率测量周期内，从邻居路由器的发送测量点向本地路由器发送的用户数据分组的数量；

p₂：在从邻居路由器先后接收到两个相邻的丢失率测量分组之间的时间里，本地路由器的接收测量点接收到的来自该邻居路由器的用户数据分组的数量；

序列号  用于检测丢失率测量分组自身是否丢失；

实时测量模块至少能够生成如下分组：

时钟差测量请求分组：至少包含参数s₁和分组校验和；

时钟差测量应答分组：至少包含参数s₁、s₂、s₃和分组校验和；

延迟测量分组：至少包含参数t₁和分组校验和；

丢失率测量分组：至少包含序列号、参数p₁和分组校验和；

实时测量模块中至少设有如下计算公式：

时钟差：c＝((s₁+s₄)-(s₂+s₃))/2；

分组传输延迟：d＝t₂-t₁-c；

有向链路可用带宽：b_a＝C-b_u；

分组丢失率：l＝(1-p₂/p₁)×100％；

实时测量模块中包含用于过滤测量结果中暂态波动的数据处理方法：

中值法用于分组传输延迟的数据处理，其方法是：对样本空间按数值大小进行排序，取中间值或两个中间值的平均作为统计结果；

指数移动平均法用于有向链路可用带宽和分组丢失率的数据处理，其计算公式为：

y_N＝a^N-1x₁+a^N-2(1-a)x₂+a^N-3(1-a)x₃+…+a(1-a)x_N-1+(1-a)x_N；

其中，y_N为第N个已过滤了暂态波动的测量结果，x_i为第i个未过滤过暂态波动的测量结果，a为降低旧样本在测量结果中权重的度量，0＜a＜1；

步骤2.每个实时测量模块依次按以下步骤进行计算机网络本地服务质量状态的实时测量：

步骤2.1.读入被测本地接口号及该接口对应链路的容量、邻居路由器的IP地址；

步骤2.2.设定时钟差测量周期、带宽测量周期、延迟测量周期、丢失率测量周期，并启动对应的测量定时器；

步骤2.3.等待分组到达或定时器超时；

步骤2.4.若为分组到达，则依次执行如下步骤：

步骤2.4.1.累计分组长度和分组数量；

步骤2.4.2.若分组为时钟差测量应答分组，按测得的上述s₁、s₂、s₃、s₄计算时钟差c，转到步骤2.6；

步骤2.4.3.若分组为延迟测量分组，按测得的上述t₁、t₂计算分组传输延迟d，在已知时钟差c的基础上，按测得的上述t₁、t₂计算分组传输延迟d，转到步骤2.6；

步骤2.4.4.若分组为丢失率测量分组，按测得的上述p₁、p₂计算分组丢失率l，转到步骤2.6；

步骤2.4.5.若分组为时钟差测量请求分组，向邻居路由器发送时钟差测量应答分组，转到步骤2.3；

步骤2.4.6.若分组为其它分组，交给本地路由器处理，转到步骤2.3；

步骤2.5.若为定时器超时，则依次执行如下步骤：

步骤2.5.1.若定时器为带宽测量定时器，按上述C、b_u计算有向链路可用带宽b_a，转到步骤2.6；

步骤2.5.2.若定时器为时钟差测量定时器，向邻居路由器发送时钟差测量请求分组，转到步骤2.3；

步骤2.5.3.若定时器为延迟测量定时器，向邻居路由器发送延迟测量分组，转到步骤2.3；

步骤2.5.4.若定时器为丢失率测量定时器，向邻居路由器发送丢失率测量分组，转到步骤2.3；

步骤2.6.若是分组传输延迟的相关数据，则采用中值法处理，若是有向链路可用带宽和分组丢失率的数据，则采用指数移动平均法进行处理；然后转到步骤2.3。

实验证明：

(1)本地测量能够精确测量服务质量状态参数(带宽Kbps数量级，延迟0.1毫秒数量级，丢失率0.001％数量级)，利用现有链路的时钟差测量即使在网络拥塞状态下也能正常工作；

(2)测量结果反映了最新(最近15秒)的网络状态；

(3)数据处理能够过滤网络中的大部分暂态波动，获得相对稳定的测量结果；

(4)测量分组对链路的负担很小(仅占用2Kbps的带宽)，对大规模网络具有很好的可扩展性。

附图说明

图1.本地服务质量状态的实时测量方法流程图；

图2.有权图模型，链路状态＝(带宽，延迟，丢失率)；

图3.测量时钟差；

图4.测量分组传输延迟；

图5.测量分组和用户数据分组；

图6.测量分组丢失率；

图7.分层随机采样；

图8.相对脉冲相位差；

图9.实验拓扑；

图10.分组传输延迟测量结果(样本采集)；

图11.分组传输延迟测量结果(数据处理)；

图12.有向链路可用带宽测量结果(样本采集)；

图13.有向链路可用带宽测量结果(数据处理)；

图14.分组丢失率测量结果(样本采集)；

图15.分组丢失率测量结果(数据处理)；

图16.时钟差测量结果。

具体实施方式

被测网络抽象为一个有权有向图，路由器的状态归入其各相邻链路的状态。为了避免重复测量，每一台路由器只测量邻居至本地方向的链路。如图2中，节点A测量有向链路B→A和C→A的状态参数。服务质量路由器中的实时测量应满足以下几点要求：

要求一，精确。在现有的技术条件下，本地测量的精度应该满足：带宽Kbps数量级，延迟0.1毫秒数量级，丢失率0.001％数量级。

要求二，实时。服务质量路由器根据已知的网络状态测量结果选择能够满足用户服务质量需求的路径。如果网络的状态参数过于陈旧，选择的路径很可能已不再满足需求，从而导致服务质量的下降。因此，测量的结果应该反映最新的网络状态。

要求三，稳定。原始的测量结果通常具有很强的波动性，这对路由选择是不利的。需要经过进一步的处理以过滤掉暂态的波动，获得相对的稳定性，反映网络的变化趋势。

要求四，低负载和可扩展。测量模块持续运行于网络中的每一台路由器，它们不应对路由器和链路产生过大的负担，对大规模网络也应具有较好的扩展性。

有向链路的可用带宽是指一条链路剩余的传输能力。用累加器统计一个带宽测量周期内路由器接收到的所有分组的总长度，然后计算出平均在用带宽，记作b_u。若已知链路容量为C，可用带宽b_a可以如下计算：

b_a＝C-b_u

与往返延迟不同，分组传输延迟的测量需要发送方和接收方各提供一个时间戳。由于不同的路由器使用不同的时钟，必须引入某种机制以消除它们的相对时钟偏差(以下简称时钟差)。在本方案中，时钟差的测量是在相邻路由器之间的现有链路上进行的。设某一时刻路由器C1和C2显示的时间分别是t_c1和t_c2，路由器C1相对于C2的时钟差为：

c＝t_c1-t_c2

时钟差c的测量方法如下：路由器C1在s₁时刻向C2发送一个测量请求，路由器C2在s₂时刻接收到请求分组，并在s₃时刻向路由器C1发送应答分组。应答分组中包含时间s₂和s₃。路由器C1在s₄时刻接收到应答分组，并根据这四个时间戳计算时钟差(见图3)。时间戳的定义如下：

时间戳	事件	参考时钟
			s<sub>1</sub>	请求分组离开C1的网卡	C1
s<sub>2</sub>	请求分组到达C2的网卡	C2
			s<sub>3</sub>	应答分组离开C2的网卡	C2
s<sub>4</sub>	应答分组到达C1的网卡	C1

假设分组从C1传输到C2和从C2传输到C1在传输介质上所消耗的时间相等，定义为介质传输延迟Δs。时钟差c可以如下计算：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1+\mathrm{\Δt}-c=s_2\\ s_3+\mathrm{\Δt}+c=s_4\end{array}\right.\⇒c=\frac{(s_1+s_4)-(s_2+s_3)}{2}$

需要强调，时间戳s₁、s₂、s₃和s₄是分组离开和到达网卡的时刻。这些参数并不容易测量，这是产生误差的一个重要原因。在实现时，应该尽可能使测量点靠近传输介质。显然，时钟差测量协议基于数据链路层。

在已知时钟差的基础上，链路的分组传输延迟可以用如下方法测量：路由器C2向C1发送一个测量分组，分组中记录了分组离开发送点的时刻t₁。测量分组经过C2的发送缓冲队列、传输介质和C1的接收缓冲队列，最后到达C1的接收测量点(见图4)。时间戳的定义如下：

时间戳	事件	参考时钟
			t<sub>1</sub>	测量分组离开发送测量点	C1
t<sub>2</sub>	测量分组到达接收测量点	C2

若时钟C1相对于时钟C2的偏差为c，则路由器C2到C1的分组传输延迟的计算公式为：

d＝t₂-t₁-c

由于延迟测量分组在用户数据通路上传输，延迟测量协议应在网络层上实现。

分组丢失率的测量方法如下：

路由器C2：设定丢失率测量周期为T。每个周期结束时，C2向C1发送一个测量分组，该分组中记录了这个周期内从C2的发送测量点向C1发送的用户数据分组的数量，记为p₁(见图5)。

路由器C1：当接收到来自路由器C2的测量分组时，C1统计接收测量点自接收到上个测量分组后成功接收到的来自C2的用户数据分组数量p₂。由于从发送测量点到接收测量点的分组可能被C2的发送队列、传输介质或C1的接收队列丢弃，p₂和p₁可能不相等(见图6)。

从C2到C1的分组丢失率l的计算公式是：

l＝(1-p₂/p₁)×100％

如果测量分组本身被丢弃，C1将无法计算当前周期和下一个周期的丢失率，因此应设法让路由器不要丢弃测量分组。测量分组本身也应包含一个序列号来检测测量分组的丢失。此外，如果路由器支持IP分组的分片或重组，测量时也必须将其考虑在内。

在被动测量中，测量点被插入到分组处理模块以采集所有被处理的分组的数据样本。带宽测量中的长度累加和丢失率测量中的统计分组数量都属于这一类。

在主动测量中，采样对象为注入到网络中的测量分组，这里存在主动采样在何时发起的问题，即在何时发送时钟差测量请求分组、延迟测量分组和丢失率测量分组。通常有三种采样方法：周期采样(在每个时槽的起点进行采样)、分层随机采样(在每个时槽内的一个随机时刻进行采样)和泊松采样(采样时刻以速率λ呈指数分布)。第一种方法最简单，但可能无法完整地测量出网络中的周期性行为，测量本身也可能使网络产生周期性振荡。后两种方法避免了这种周期效应，但采样时间的随机性使得频域分析更加复杂。另外，通过第三种方法获得的随机时间间隔是没有上界的。综上，主动测量采用分层随机采样。图7描述了分层随机采样中的测量时间。

有向链路可用带宽和分组丢失率的精度主要取决于测量点的部署，这与路由器的内部结构有关。分组传输延迟的精度则不仅取决于测量点的部署，还受到两个因素的影响：时钟相对脉冲相位差(时钟偏差的一阶倒数，见图8)和时钟刷新频率。在实验中，两台PC机的时钟相对脉冲相位差不超过10秒/日，大约0.1毫秒/秒。时钟刷新频率是1.0毫秒。因此，如果将时钟差的测量周期设为1秒，则由上述公式计算出的时钟差的最大误差为(单位毫秒)：

$\mathrm{\Δc}=\frac{(1.0+1.0)+(1.0+1.0)}{2}+0.1=2.1$

由由上述公式计算出的分组传输延迟的最大误差为(单位毫秒)：

Δd＝1.0(刷新频率)×4+0.1(脉冲相位差)＝4.1

如果能将时钟刷新频率提高到10⁴Hz，那么分组传输延迟的误差将减小到(单位毫秒)：

Δd＝0.1(刷新频率)×4+0.1(脉冲相位差)＝0.5

由此可见，分组传输延迟的测量要求时钟具有低相对脉冲相位差和高刷新频率。

为了过滤测量结果中的暂态波动(要求三)，减小随机误差，需要对采集到的样本进行数据处理。由于样本在时间上分布比较稀疏(为满足要求四)，用算术平均进行数据处理是不合适的。下面讨论几种其它的方法。

对同一个参数进行多次测量，所得到的一组数据构成了样本空间。当新的样本加入时，最旧的样本将被丢弃，从而使样本空间的大小保持N不变。每一个样本由测量时间t_i和数值x_i组成，故样本空间可表示为：

$\left[\begin{array}{cccc}{t}_1& t_2& ...& t_N\\ x_1& x_2& ...& x_N\end{array}\right](t_1<t_2<...<t_N)$

指数移动平均赋予新样本以更大的权重。当新的一个样本x_new到达时，统计结果y_new在前一次结果y_old的基础上进行更新(递推公式)：

y_new＝a·y_old+(1-a)·x_new(0＜a＜1)

因子a反映了旧样本在统计结果中的权重，a的值越大，旧样本对统计结果的影响就越强。对该公式进行(N-1)次迭代，得到一般公式：

y_N＝a^N-1·x₁+a^N-2(1-a)·x₂+a^N-3(1-a)·x₃

+…+a(1-a)·x_N-1+(1-a)·x_N

一般公式在统计结果中完全舍弃了过于陈旧的样本(N个以前的样本)。尽管递推公式以因子a降低旧样本在结果中的权重，旧样本的影响仍然会保持很长的时间。因此，在实时处理中使用一般公式。

中值对样本空间按数值大小进行排序，取中间值(或两个中间值的平均)作为统计结果。这种方法适用于偶然波动较大的样本，如分组传输延迟。

我们将本地服务质量状态测量应用到服务质量路由器原型系统中。在实验中，主机S向网络注入一个带宽随时间线形增加的数据流，0秒时带宽为0，1000秒时带宽为100Mbps(即链路的容量)。数据流被路由器A和B转发，最终到达主机T(图9)。服务质量状态的测量结果是通过对最近15秒钟的样本进行计算得到的(要求二)，该数值等于测量周期乘以样本空间的大小。测量方法见下表，测量结果见图10~16。另外，我们在两台主机和四台路由器上也进行了实验，并得到相似的结果。

	样本采集		数据处理
						周期(秒)	结果	方法	样本空间大小	结果
	分组传输延迟	1	图10	中值	15						图11
有向链路可用带宽						3	图12	指数移动平均	5	图13
	分组丢失率	3	图14	指数移动平均	5						图15
时钟差						1	图16	(无)	1	(无)

比较图10和图11、图12和图13、图14和图15，数据处理过滤掉了大部分的暂态波动。在图16中，利用现有链路的时钟差测量即使在网络拥塞状态下也能正常工作。增大样本空间(即减小测量周期)可以进一步平滑结果，提高稳定性，但这样一来网络的负担将会加重。因此，需要在要求三和要求四之间寻求折中。当对PS/AS/BE流分别进行测量时，总共消耗2Kbps的带宽。由于该数值与网络中的路由器数量无关，我们的测量方案对于大规模网络具有很好的可扩展性。

通过在每一台路由器上部署实时测量模块，我们可以分布式地测量网络中每条链路的服务质量状态，包括有向链路可用带宽、分组传输延迟和分组丢失率，并且不需要任何其它设备。实时测量的四种要求在我们的方案中都得到了满足：①如果测量点合理部署，可用带宽和丢失率的精度可以保证，而传输延迟的精度还取决于时钟的性能；②统计结果反映了最近15秒的网络状况；③指数移动平均和中值被用于数据处理以过滤暂态波动；④测量分组在每条链路上仅占用2Kbps的带宽，且和网络中的路由器数量无关。

由此可见，本发明达到了预期目的。

Claims (1)

1.计算机网络本地服务质量状态的实时测量方法，其特征在于，它依次含有以下步骤：

步骤1.在网络内的每台路由器上部署一个实时测量模块，该模块中至少定义了如下参数：

b_u：上个带宽测量周期内的平均在用带宽；

C：被测本地接口对应链路的容量设定值；

s₁：时钟差测量请求分组离开本地路由器网卡的时刻；

s₂：时钟差测量请求分组到达邻居路由器网卡的时刻；

s₃：时钟差测量应答分组离开邻居路由器网卡的时刻；

s₄：时钟差测量应答分组到达本地路由器网卡的时刻；

t₁：延迟测量分组离开本地路由器的发送测量点的时刻；

t₂：延迟测量分组到达邻居路由器的接收测量点的时刻；

p₁：在邻居路由器的上个丢失率测量周期内，从邻居路由器的发送测量点向本地路由器发送的用户数据分组的数量；

p₂：在从邻居路由器先后接收到两个相邻的丢失率测量分组之间的时间里，本地路由器的接收测量点接收到的来自该邻居路由器的用户数据分组的数量；

序列号：用于检测丢失率测量分组自身是否丢失；

实时测量模块至少能够生成如下分组：

时钟差测量请求分组：至少包含参数s₁和分组校验和；

时钟差测量应答分组：至少包含参数s₁、s₂、s₃和分组校验和；

延迟测量分组：至少包含参数t₁和分组校验和；

丢失率测量分组：至少包含序列号、参数p₁和分组校验和；

实时测量模块中至少设有如下计算公式：

时钟差：c＝((s₁+s₄)-(s₂+s₃))/2；

分组传输延迟：d＝t₂-t₁-c；

有向链路可用带宽：b_a＝C-b_u；

分组丢失率：l＝(1-p₂/p₁)×100％；

实时测量模块中包含用于过滤测量结果中暂态波动的数据处理方法：

中值法用于分组传输延迟的数据处理，其方法是：对样本空间按数值大小进行排序，取中间值或两个中间值的平均作为统计结果；

指数移动平均法用于有向链路可用带宽和分组丢失率的数据处理，其计算公式为：

y_N＝a^N-1x₁+a^N-2(1-a)x₂+a^N-3(1-a)x₃+…+a(1-a)x_N-1+(1-a)x_N；

其中，y_N为第N个已过滤了暂态波动的测量结果，x_i为第i个未过滤过暂态波动的测量结果，a为降低旧样本在测量结果中权重的度量，0＜a＜1；

步骤2.每个实时测量模块依次按以下步骤进行计算机网络本地服务质量状态的实时测量：

步骤2.1.读入被测本地接口号及该接口对应链路的容量、邻居路由器的IP地址；

步骤2.2.设定时钟差测量周期、带宽测量周期、延迟测量周期、丢失率测量周期，并启动对应的测量定时器；

步骤2.3.等待分组到达或定时器超时；

步骤2.4.若为分组到达，则依次执行如下步骤：

步骤2.4.1.累计分组长度和分组数量；

步骤2.4.2.若分组为时钟差测量应答分组，按测得的上述s₁、s₂、s₃、s₄计算时钟差c，转到步骤2.6；

步骤2.4.3.若分组为延迟测量分组，按测得的上述t₁、t₂计算分组传输延迟d，在已知时钟差c的基础上，按测得的上述t₁、t₂计算分组传输延迟d，转到步骤2.6；

步骤2.4.4.若分组为丢失率测量分组，按测得的上述p₁、p₂计算分组丢失率l，转到步骤2.6；

步骤2.4.5.若分组为时钟差测量请求分组，向邻居路由器发送时钟差测量应答分组，转到步骤2.3；

步骤2.4.6.若分组为其它分组，交给本地路由器处理，转到步骤2.3；

步骤2.5.若为定时器超时，则依次执行如下步骤：

步骤2.5.1.若定时器为带宽测量定时器，按上述c、b_u计算有向链路可用带宽b_a，转到步骤2.6；

步骤2.5.2.若定时器为时钟差测量定时器，向邻居路由器发送时钟差测量请求分组，转到步骤2.3；

步骤2.5.3.若定时器为延迟测量定时器，向邻居路由器发送延迟测量分组，转到步骤2.3；

步骤2.5.4.若定时器为丢失率测量定时器，向邻居路由器发送丢失率测量分组，转到步骤2.3；

步骤2.6.若是分组传输延迟相关的数据，则采用中值法处理，若是有向链路可用带宽和分组丢失率的数据，则采用指数移动平均法进行处理；然后转到步骤2.3。

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