CN101119240A - 一种基于pgm的有效带宽测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于PGM的有效带宽测量方法，包括以下步骤：(1)发送方构造探测报文队列，队列中各报文的发送时间间隔不是均匀的；(2)发送方发送探测报文队列，接收方接收探测报文队列，并记录测量数据；(3)接收方根据探测报文队列的发送和接收参数计算出紧链路的带宽和有效带宽并对结果进行优化；(4)接收方将测量结果反馈给发送方，发送方根据路径紧链路的带宽调整探测队列的发送速率，以降低测量开销。本发明与现有的有效带宽测量算法相比，不需要假设路径上窄链路和紧链路是同一链路，也不需要预先知道紧链路的带宽，能够在测量有效带宽的同时测量出紧链路的带宽，消耗网络带宽资源低，具有很好的应用前景。

Description

一种基于PGM的有效带宽测量方法

技术领域

本发明涉及一种有效带宽的测量方法，属于计算机网络的性能测试技术领域。

背景技术

随着Internet的飞速发展，网络的规模和复杂性不断增加，新型的网络应用不断涌现，例如VoIP、视频点播、网络会议等，而这些新型的网络应用的一个共同的特征就是对网络提出服务质量QoS要求。端到端路径的有效带宽是该路径上各链路的剩余带宽的最小值，也是相互通信的主机实际能够使用的最大带宽，它直接影响网络业务的质量、网络对即将开展业务的支撑能力以及网络的扩容规划和设计，是网络QoS的重要评价指标，获得了广泛的应用。现有的端到端路径有效带宽测量算法主要是基于两个模型：探测报文速率模型PRM和探测报文间隔模型PGM。

(1)基于PRM的测量算法

PRM模是建立在探测流量自导拥塞的思想上的。一般来讲，如果在网络端到端路径上，源端以小于有效带宽的速率稳定地发送探测报文，那么接收方收到的探测报文的平均端到端时延应该可以维持在一个常值(即固定的端到端传输时延)上，使得接收方收到探测报文的速率应该和发送方发送速率总体上相匹配；如果增大发送速率，使得发送速率大于路径的有效带宽，那么在接收方就能明显地感受到由于网络排队时延而导致的端到端时延增大，且探测报文接收速率不再与发送速率相匹配。因而，整个探测过程中引起端到端传输时延增大的转折点的探测报文发送速率就应当对应于端到端路径的有效带宽。PRM模型基本思想如图1所示，其中横轴表示探测报文发送速率，纵轴表示探测报文传输时延，当探测报文发送速率小于路径有效带宽时，传输时延相对固定；当探测报文发送速率大于路径有效带宽时，网络出现排队现象，传输时延增大，则导致时延增大的发送速率转折点A处对应的速率即代表了路径的有效带宽。基于PRM的测量算法有：TOPP、Pathload、PTR、pathChirp等。

PRM模型的主要缺点就是开销大，首先，它是基于自拥塞原理的，需要利用探测报文制造网络拥塞才能测量出有效带宽；另一方面为了提高测量的精度，会在短时间内重复发送探测报文队列，这更会增加网络的负担。像TOPP、Pathload等测量工具，一次测量需要发送几兆字节的探测报文，这样大的开销限制了基于PRM的测量工具的应用。

(2)基于PGM的测量算法

PGM需要预先知道路径上有效带宽所在链路(紧链路)的带宽，这也是目前PGM的最大的一个缺点。PGM不直接测量有效带宽，而是先估计出紧链路上的背景流量，紧链路的带宽与背景流量的差就是端到端路径的有效带宽。PGM的测量原理可以用图2来表示，设路由器的转发能力为C，测量数据包大小为P，探测报文的发送时间间隔为Δin，发送速率为P/Δin，受背景流量的影响，第二个探测报文到达时路由器队列不为空(这要求P/Δin＞C-V)，这样探测报文的接收间隔Δout应该大于Δin，并且Δout可以用含有背景流量V的函数表示出来：

$\mathrm{\Δout}=\frac{V*\mathrm{\Δin}+P}{C}---\left(1\right)$

则有效带宽A：

$A=C-V=C-\frac{C*\mathrm{\Δout}-P}{\mathrm{\Δin}}---\left(2\right)$

Spruce和IGI是使用PGM的最典型的工具。Spruce假设路径上只有一个瓶颈链路(窄链路)并且带宽已知，路径的有效带宽就是由这个窄链路决定的。然后发送方发送探测报文对，发送速率等于窄链路的带宽，接收方接收探测报文，并根据探测报文的大小和发送、接收间隔利用公式(2)计算路径的有效带宽。IGI同样假设窄链路和紧链路是同一链路并且带宽已知。IGI提出了IGI公式，IGI公式是公式(2)的变形。IGI从源端到目的端发送一系列发送间隔逐渐增大的探测报文队列，并检测探测报文的发送间隔和接收间隔之差，当它们为0时，记录该组探测报文的发送和接收参数，并带入IGI公式计算出有效带宽。

基于包间隔模型的开销要小于包速率模型，因为基于包间隔模型的测量工具只需要发送一个探测报文对就能够测量出路径的有效带宽，而基于包速率模型的测量工具必须得发送一系列的探测报文对或探测报文队列。然而由于现在没有测量紧链路带宽的算法或工具，所以目前基于包间隔模型的测量算法或工具都假设窄链路和紧链路是同一链路，并且需要预先使用测量窄链路带宽的工具或通过其它方法获得这个链路的带宽，这是它们最大的缺点，因为在某些情况下窄链路和紧链路不是同一链路的时候，这些测量算法或工具就不能够被使用；其次，在窄链路和紧链路是同一链路的情况下，窄链路的带宽依然需要预先采用其它的测量工具或方法获得，这增加的测量的复杂性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于PGM的有效带宽测量方法，它不需要假设路径上窄链路和紧链路是同一链路，也不需要预先知道紧链路的带宽，能够在测量有效带宽的同时测量出紧链路的带宽，消耗网络带宽资源低，具有很好的应用前景。

本发明的技术解决方案：一种基于PGM的有效带宽测量方法，其特点在于：

(1)发送方构造探测报文队列；

(2)发送方发送探测报文队列，接收方接收探测报文队列，并记录测量数据；

(3)接收方根据探测报文队列的发送和接收参数计算出紧链路的带宽和有效带宽并对结果进行优化；

(4)接收方将测量结果反馈给发送方，发送方根据路径紧链路的带宽调整探测队列的发送速率，以降低测量开销。

所述步骤(1)中的探测报文队列中各报文的发送时间间隔不是均匀的，但所有的发送间隔都应该足够小，以保证探测报文最小的发送速率大于路径的有效带宽。

所述步骤(3)的计算紧链路的带宽和有效带宽的方法为：接收方首先将探测报文队列的发送和接收参数代入PGM公式，建立一个方程组，解该方程组可以获得路径的有效带宽和紧链路的带宽，过程如下：

设探测报文队列中报文的发送时间间隔为Δin1、Δin2、...、ΔinN，Δin1≠Δin2≠...≠ΔinN，若对应的接收时间间隔为Δout1、Δout2、..、ΔoutN，探测报文的大小为P，紧链路的带宽为C，则根据PGM的原理有：

$\left\{\begin{array}{c}A=C-\frac{C*\mathrm{\Δout}1-P}{\mathrm{\Δin}1}\\ A=C-\frac{C*\mathrm{\Δout}2-P}{\mathrm{\Δin}2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ A=C-\frac{C*\mathrm{\ΔoutN}-P}{\mathrm{\ΔinN}}\end{array}\right.$

将C和A作为未知数解上面的矛盾方程组即可得到紧链路的带宽C和有效带宽A。

所述步骤(3)中对计算得到的路径的有效带宽和紧链路的带宽的值进行优化，优化方法如下：根据现在通用的网络接口的类型找出紧链路的带宽所有的可能值，并按从小到大的顺序排列，设为C₁、C₂...C_N，若由计算得出的紧链路的带宽C与C_i的误差在规定的范围之内，则认为紧链路的真实带宽为C_i，并将其代入PGM公式，重新解出有效带宽A，如果解出的A＞C_i，则取C＝C_i+-1，重新计算A；若A＜O，则取C＝C_i-1，重新计算A。

所述步骤(4)能够根据测量结果自适应的调整测量队列的发送速率，使得探测报文的最大发送速率大于路径的有效带宽，小于紧链路的带宽。

所述步骤(2)中为获得准确的结果，发送方在一次测量中重复发送多组探测报文队列。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明不需要预先知道测量路径紧链路的带宽。本发明通过使用报文发送间隔不是均匀的探测报文队列，将探测报文队列的发送和接收参数代入PGM公式，组成一个方程组，通过这个方程组解出路径紧链路的带宽和有效带宽，不仅巧妙地解决了现有的基于PGM的有效带宽测量算法必须预先知道路径紧链路带宽的缺点，还能够测量出路径紧链路的带宽，具有更好的应用性。

(2)本发明不需要像现有的基于PGM的有效带宽测量算法一样假设路径紧链路与窄链路是同一链路。由于本发明可以测出路径紧链路的带宽，因此就不需要假设路径紧链路与窄链路是同一链路，这样在路径紧链路与窄链路不是同一链路的场合，本发明依然可以使用。所以，和现有的基于PGM的有效带宽测量算法相比，本发明的应用范围更广。

(3)本发明消耗网络资源低，对所测网络的冲击性较低。由PRM和PGM的原理可知，用来计算测量结果的数据主要是探测报文的发送和接收间隔，数据越多计算出来测量结果越准确。本发明使用的长度为N(N≥3)的探测报文队列，一组探测报文队列就可以获得N-1组探测报文的发送和接收间隔；而现有的基于PGM的有效带宽测量算法大都使用探测报文对，这些算法要想获得N-1组探测报文的发送和接收间隔的数据，必须要发送2N-2个探测报文，因此和现有基于PGM的测量算法相比，本发明消耗较低的网络资源。而基于PGM的有效带宽测量算法消耗的网络资源通常低于基于PRM的有效带宽测量算法，所以与现有的有效带宽测量算法相比，本发明网络资源低，对所测网络的冲击性较低。

附图说明

图1为现有技术中的PRM测量原理图；

图2为现有技术中的PGM测量原理图；

图3为本发明方法流程图；

图4为本发明实施例仿真环境拓扑图；

图5为本发明实施例使用的探测报文队列示意图；

图6为本发明实施例在CBR背景流量下仿真结果；

图7为本发明实施例在Poisson背景流量下仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的一具体实施例来阐明本发明的测量方法。

本发明提出的端到端路径有效带宽测量算法由发送方和接收方协作完成，图3给出本发明提出的方法的四个主要步骤：

A发送方构造探测报文队列，队列中探测报文的发送时间间隔不是均匀的；

B发送方发送探测报文队列，接收方接收探测报文队列，并记录测量数据；

C接收方根据探测报文队列的发送和接收参数计算出紧链路的带宽和有效带宽并对结果优化；

D接收方将测量结果反馈给发送方，发送方根据路径紧链路的带宽调整探测队列的参数，以降低测量开销。

下面对上述4个步骤分别加以详述。

(1)发送方构造探测报文队列，首先需要确定探测报文的大小，已有测量算法的测试结果表明，使用大的探测报文对提高测量结果的精度有好处，因此在本发明提出的有效带宽测量算法中，探测报文的大小P应该大于1000字节。其次需要确定探测报文队列中各报文的发送速率，报文的发送速率主要通过报文的发送时间间隔来控制。本发明使用的探测报文队列中各报文的发送时间间隔不是均匀的，长度为3的探测报文队列的报文发送间隔有两种：Δin1和Δin2，这里不妨设Δin1＜Δin2，对应的探测报文发送速率R₁和R₂分别为P/Δin1和P/Δin2，R₁＞R₂。第一次测量时，由于不知道路径的任何先验知识，应该采用尽量大的发送速率，但是不能超过测量主机的网络链接速度，而后可以根据测量所得的紧链路的带宽来调整发送速率，但是要保证探测报文队列中最小的报文发送速率大于路径的有效带宽。探测报文还携带有该报文的发送时间信息(以发送方的时间为基准)。发送方构造好探测报文队列后，按照规定的发送速率将队列中各报文发送给接收方。为了获得准确的结果，发送方在一次测量中重复发送多组探测报文队列。

(2)接收方接收探测报文队并记录报文大小P及其发送和接收的时间。接收完整个探测报文队列后，发送方对记录的数据进行处理。首先，根据探测报文的发送和接收时间得到各探测报文之间的发送时间间隔和接收时间间隔，长度为3的探测报文队列发送时间间隔有两个，设为Δin1和Δin2，其对应的接收时间间隔设为Δout1和Δout2，根据PGM计算有效带宽的公式

(2)可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}A=C-\frac{C*\mathrm{\Δout}1-P}{\mathrm{\Δin}1}\\ A=C-\frac{C*\mathrm{\Δout}2-P}{\mathrm{\Δin}2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

通过上面的方程组可以求出紧链路的带宽C和有效带宽A：

$\left\{\begin{array}{c}C=\frac{P(\mathrm{\Δin}2-\mathrm{\Δin}1)}{\mathrm{\Δout}1\mathrm{\Δin}2-\mathrm{\Δout}2\mathrm{\Δin}1}\\ A=\frac{P(\mathrm{\Δin}2-\mathrm{\Δin}1)-P(\mathrm{\Δout}2-\mathrm{\Δout}1)}{\mathrm{\Δout}1\mathrm{\Δin}2-\mathrm{\Δout}2\mathrm{\Δin}1}\end{array}\right.---\left(6\right)$

(3)然后接收方对计算得到的路径的有效带宽和紧链路的带宽的值进行优化，具体方法如下：首先需要找出紧链路带宽所有的可能值，可以认为紧链路的带宽的是由紧链路所使用的网络接口决定的，而目前通用的网络接口的类型只有有限的几种，如以太网接口的数据速率为10M/100M/1000Mbps，异步传输模式(ATM)接口的数据速率为2M/25M/155M/622Mbps等，所以可以找出紧链路带宽所有的可能值，并按从小到大的顺序排列，设为C₁、C₂...C_N；然后将由计算得出的紧链路的带宽C与C_i进行比较，若C与C_i的误差在一定范围之内，则认为紧链路的真是带宽为C_i，并将代入PGM公式，重新解出有效带宽A。如果解出的A＞C_i，则说明紧链路的带宽比C_i大，此时取C＝C_i+1，重新计算A；若A＜0，则说明紧链路的带宽比C_i小，此时取C＝C_i-1，重新计算A。完成优化后，接收方将测量结果(包括紧链路的带宽和有效带宽)反馈给发送方。

(4)发送方收到接收方反馈的测量结果，知道了紧链路的带宽C之后，调整探测报文的发送速率R₁和R₂：R₁＝min(C，B_if)，其中B_if是发送方网络接口的连接速度，R₂略低于R₁。具体的调整规则可以在具体实施的时候确定。

本发明在NS2下进行了仿真验证，仿真环境的链路长度为9跳，拓扑如图4所示，Snd是发送方，Rcv是接收方，S_i和R_i是第i组背景流量的发送和接收者。链路4的带宽为10Mbps，其背景从2Mbps开始以1Mbps的幅度递增至8Mbps；其余链路的带宽都是100Mbps，背景流量的大小都是30Mbps，因此链路4是紧链路。

图5为本实施例使用的探测报文队列示意图，探测报文队列由三个报文组成，报文大小为1500字节，第二个报文和第一个报文的发送时间间隔为Δin1，第三个报文和第二个报文的发送时间间隔为Δin2，其中Δin2＝1.1＊Δin1。Δin1的初始值设为1200微秒，对应的报文发送速率为10Mbps，而后Δin1按下式调整：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δin}1=\frac{P}{\min (C,B_{\mathrm{if}})}\\ \mathrm{\Δin}2=1.1*\mathrm{\Δin}1\end{array}\right.$

C是测量所得的路径紧链路的带宽，B_if是发送方的网络连接速度，在本实施例中B_if＝100Mbps。为获得较为准确的测量结果，Snd在一次测量中重复发送50组探测报文队列。

Rcv接收探测报文队列后，利用公式(6)计算出路径的有效带宽和A紧链路的带宽C，然后对这两个结果进行优化。首先需要找出紧链路带宽所有的可能值，本实施例认为紧链路带宽所有的可能值有以下几个：2Mbps(ATM)、10Mbps(以太网)、25Mbps(ATM)、100Mbps(快速以太网)，并采用以下算法对C进行优化，优化的值记为C’：

$C^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}2\mathrm{Mbps},\mathrm{if}0<C\&le;5\mathrm{Mbps}\\ 10\mathrm{Mbps},\mathrm{if}5<C\&le;15\mathrm{Mbps}\\ 25\mathrm{Mbps},\mathrm{if}15<C\&le;35\mathrm{Mbps}\\ 100\mathrm{Mbps},\mathrm{if}50<C\&le;150\mathrm{Mbps}\end{array}\right.$

本实施例的仿真验证实验分为两组，第一组的背景流量为恒定比特流(Constant Bit Rate，CBR)，第二组的背景流量为Poisson流。除了背景流量的性质不同之外，两组仿真实验的步骤完全相同。S₁、S₂、S₃、S₅、S₆和S₇发送的背景流量大小为30Mbps，S₄发送的背景流量大小从2Mbps以1Mbps的幅度增加至8Mbps，这样测量路径的有效带宽就相应的从8Mbps以1Mbps的幅度递减至2Mbps。在所有的实验中，本实施例都能够正确测量出紧链路的带宽10Mbps，有效带宽的测量结果见图6和图7，图6显示了在CBR背景流量下有效带宽的测量结果；图7则显示了在Poisson背景流量下有效带宽的测量结果。从仿真验证实验结果可以看出本发明能够正确的测量出紧链路的带宽和有效带宽。

Claims (5)

1.一种基于PGM的有效带宽测量方法，其特征在于步骤如下：

(1)发送方构造探测报文队列；

(2)发送方发送探测报文队列，接收方接收探测报文队列；

(3)接收方根据探测报文队列的发送和接收参数计算出紧链路的带宽和有效带宽并对结果进行优化；

(4)接收方将测量结果反馈给发送方，发送方根据路径紧链路的带宽调整探测队列的发送速率，以降低测量开销。

2.根据权利要求书1所述的基于PGM的有效带宽测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中的探测报文队列中各报文的发送时间间隔不是均匀的。

3.根据权利要求书1所述的基于PGM的有效带宽测量方法，其特征在于：所述步骤(3)的计算紧链路的带宽和有效带宽的方法为：接收方首先将探测报文队列的发送和接收参数代入PGM公式，建立一个方程组，解该方程组可以获得路径的有效带宽和紧链路的带宽，过程如下：

设探测报文队列中报文的发送时间间隔为Δin1、Δin2、...、ΔinN，Δin1≠Δin2≠...≠ΔinN，若对应的接收时间间隔为Δout1、Δout2、...、ΔoutN，探测报文的大小为P，紧链路的带宽为C，则根据PGM的原理有：

将C和A作为未知数解上面的方程组即可得到紧链路的带宽C和有效带宽A。

4.根据权利要求书1或3所述的基于PGM的有效带宽测量方法，其特征在于：所述步骤(1)构造的探测报文队列为三个，计算紧链路的带宽和有效带宽的方法为：设第一个报文和第二个报文的发送时间间隔为Δin1，则第二个报文和第三个报文的发送间隔为Δin2，Δin2≠Δin1，若这三个报文的接收时间间隔为Δout1和Δout2，探测报文的大小为P，紧链路的带宽为C，则根据PGM的原理有：

$\left\{\begin{array}{c}A=C-\frac{C*\mathrm{\&Delta;out}1-P}{\mathrm{\&Delta;in}1}\\ A=C-\frac{C*\mathrm{\&Delta;out}2-P}{\mathrm{\&Delta;in}2}\end{array}\right.$

通过上面的方程组可以求出紧链路的带宽C和有效带宽A：

$\left\{\begin{array}{c}C=\frac{P(\mathrm{\&Delta;in}2-\mathrm{\&Delta;in}1)}{\mathrm{\&Delta;out}1\mathrm{\&Delta;in}2-\mathrm{\&Delta;out}2\mathrm{\&Delta;in}1}\\ A=\frac{P(\mathrm{\&Delta;in}2-\mathrm{\&Delta;in}1)-P(\mathrm{\&Delta;out}2-\mathrm{\&Delta;out}1)}{\mathrm{\&Delta;out}1\mathrm{\&Delta;in}2-\mathrm{\&Delta;out}2\mathrm{\&Delta;in}1}\end{array}\right..$

5.根据权利要求书1或3所述的基于PGM的有效带宽测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中对计算得到的路径的有效带宽和紧链路的带宽的值进行优化，优化方法如下：根据现在通用的网络接口的类型找出紧链路的带宽所有的可能值，并按从小到大的顺序排列，设为C₁、C₂...C_N，若由计算得出的紧链路的带宽C与C_i的误差在规定的范围之内，则认为紧链路的真实带宽为C_i，并将其代入PGM公式，重新解出有效带宽A，如果解出的A＞C_i，则取C＝C_i+-1，重新计算A；若A＜0，则取C＝C_i-1，重新计算A。

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