CN101572634A - 一种利用互相关函数被动测量tcp连接往返时延的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用互相关函数被动测量传输控制协议TCP连接往返时延的方法，是在TCP连接的路径上选择或设置测量节点和测量装置；测量装置先采集设定时间内通过该节点的TCP连接的双向分组并保存；再将设定时间均匀分割为多个小区间时长，分别统计在每个小区间时长内两个方向的分组数量，并将所有小区间时长内在同一方向通过该节点的分组个数组成一个统计数列，TCP连接的双向分组就在同一时间段内组成两个统计数列；然后计算两个统计数列在不同时间偏移下的互相关函数值，根据最大函数值对应的时间偏移确定每个ACK分组与其数据分组之间的对应关系，最终计算该TCP连接在设定时间内的往返时延。该方法解决了现有技术在测量时要向网络注入额外流量和效率低的缺陷。

Description

一种利用互相关函数被动测量TCP连接往返时延的方法

技术领域

本发明涉及一种实时监测网络传输性能的技术方案，确切地说，涉及一种利用互相关函数在TCP连接路径的节点被动测量数据包往返时延的方法，属于互联网的网络性能测量技术领域。

背景技术

传输控制协议TCP是在互联网中占有统治地位的传输层协议，研究TCP协议的特性对该协议的设计和改进以及网络的性能优化都有重要意义。其中，TCP连接的往返时延是决定TCP连接行为特征的重要参数之一，也是网络测量领域一个重要的研究对象。

测量往返时延RTT(Round Trip Time)的方法在互联网中有重要的应用。首先，RTT能够帮助骨干网路由器更好地设计缓存大小。现在，网络建设过程中一个被广泛接受的原则是：路由器的缓存大小应该等于时延和带宽的乘积。其中的时延是指经过该路由器的TCP连接的往返时延。另外，往返时延测量还可用于获得TCP连接的窗口大小和重传超时时间，以及路径的可用带宽，而这些参数都是用于分析并发现那些限制TCP发送速率和引起网络拥塞的重要因素。最后，TCP往返时延测量还与近年来兴起的网络断层分析有关。网络断层分析通过测量不同端到端路径的性能参数，并且结合不同路径之间位置的关系，分析并得到网络内部链路的特性。

目前，TCP往返时延测量技术的比较成熟方案是采用主动测量方法。为了能够获得往返时延，研究人员需要在所需测量的TCP连接的两端分别放置测量设备，并由发送端向接收端发送测量分组，通过测量分组的发送时刻与其对应的ACK分组的接收时刻的时间差计算往返时延。这样不但给网络带来了额外开销，而且一组测量设备只能用于一条路径的测量，效率太低。因此，如何对TCP连接往返时延的测量技术进行改造，就成为业内技术人员关注和急需解决的热点问题。另一种测量

目前，被动测量TCP往返时延的方法包括以下几种：

文献《Passive Estimation of TCP Round-Trip Times》(刊于the 2002SIGCOMM conference.New York：ACM，2002)中介绍了两种方法。第一个方法利用了TCP连接建立阶段三次握手的过程，通过第一次握手与第三次握手之间的时间差估计RTT。第二种方法利用TCP慢启动过程中背靠背分组通过测量点的时刻来计算RTT。虽然这两种方法都能够比较准确地测量出RTT，但是都只针对TCP连接的某一阶段。事实上，正常情况下的TCP连接大部分时间是处于拥塞避免阶段，然而该文献并没有提供针对这一阶段的计算方法。

文献《Inferring TCP Connection Characteristics Through PassiveMeasurements》(刊于23rd Annual Joint Conference of the IEEE Computer andCommunications Societies.Hong Kong：IEEE INFOCOM，2004)中介绍的方法是利用一个TCP连接的状态机跟踪TCP连接的窗口大小，进而通过该窗口大小确定ACK分组与其触发的数据分组之间的对应关系，最终得到TCP连接的RTT。这种方法的实现和计算过程都较为复杂，并且状态机的入口不容易确定，必须从连接建立开始就跟踪其状态，因此在实际应用中存在较大困难。

文献《New Methods for Passive Estimation of TCP Round-Trip Times.Passiveand Active Network Measurement.Berlin》(Springer，2005)中同样说明了两种方法。第一种方法利用TCP分组中的时间戳建立ACK分组及其触发的数据分组之间的对应关系。但是，相当一部分的TCP的实现不支持时间戳选项，并且时间戳的时间粒度也会影响算法的准确性。第二种方法通过数据分组突发(burst)的周期性计算RTT。但是当网络发生拥塞时，RTT波动较大，分组突发的周期性特征被破坏，RTT测量变得困难，算法的准确性降低。

文献《On the Characteristics and Origins of Internet Flow Rates》(刊于the2002SIGCOMM conference.New York：ACM，2002)中介绍的方法如下：首先把3毫秒到3秒这一时间段按指数间隔划分，产生若干RTT的候选值，然后分别按照这些候选值将分组划分成集合(flight)。其中，最符合TCP行为特征的划分方法所对应的RTT候选值被认为是真实值。这种方法准确性较差，并且计算量较大，不能用于实时的RTT测量。

因此，至今尚未找到一种比较理想的被动测量TCP连接往返时延的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用互相关函数被动测量TCP连接往返时延的方法，该方法是在TCP连接路径上的节点被动观测经过该测量点的TCP连接的双向分组，并且利用互相关函数考察ACK分组序列与数据分组序列在不同时间偏移下的相似程度，找出ACK分组与其触发的数据分组之间的对应关系，从而得到该TCP连接的往返时延。该方法能够很好地解决现有技术在测量过程中需要向网络注入额外流量的缺陷。

为了达到上述目的，本发明提供了一种利用互相关函数被动测量TCP连接往返时延的方法，其特征在于：在TCP连接的路径上(既包括路径中间也包括接收端)选择或设置测量节点，并在该节点部署测量装置；测量装置先采集设定时间内通过该测量节点的TCP连接的双向分组并保存相关信息；然后将该设定时间均匀分割为多个小区间时长，并分别统计在每个小区间时长内两个方向的分组数量，再将所有小区间时长内在同一方向通过该测量节点的分组个数组成一个统计数列，TCP连接的双向分组就在同一时间段内组成两个统计数列；然后计算该两个统计数列在不同时间偏移下的互相关函数值，根据最大函数值对应的时间偏移确定每个ACK分组与其数据分组之间的对应关系，从而最终计算TCP连接在该设定时间内的往返时延。

所述方法包括下述操作步骤：

(1)在TCP连接的路径上选择或设置测量节点，并部署测量装置；

(2)测量装置分别测量和记录通过该测量节点的数据分组和ACK分组的个数，形成两个统计数列；利用互相关函数对两个统计数列进行处理，得到该TCP连接在该设定时间内的往返时延结果。

所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)在待检测TCP连接分组路径上，选择或部署一个能观察到待测TCP连接的、包括数据分组及其响应ACK分组的双向分组的网络设备或终端设备作为测量节点；

(12)在该测量节点设备中安装设有测量软件功能模块以及用于临时保存待测TCP连接的双向分组相关信息的缓存区的测量装置。

所述测量节点设备中的网络设备是包括网络路由器和交换机的能够进行转发或监测IP分组的设备，终端设备是采用TCP进行连接的接收主机。

所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)在设定的测量时间段内，测量装置接收到待测TCP连接的双向分组，将其分组头中的包括地址、序号或确认序号、以及该分组的到达时间信息分别保存到数据缓存区和ACK缓存区；

(22)在数据缓存区中找出其序号与ACK缓存区中每个分组的确认序号相同的数据分组，再计算两者通过该测量点的时间差，再统计所有满足上述序号对应关系的各个双向分组的时间差的算术平均值；

(23)将所述设定的测量时间段均匀划分为多个小区间时长，分别统计在每个小区间时长内，数据缓存区和ACK缓存区中各自到达的分组个数，得到相应的两个统计数列；

(24)计算该两个统计数列在不同时间偏移下的互相关函数值，用于反映ACK分组序列与其对应的、经过不同时间到达的数据分组序列的相似程度，再选取数值最大的互相关函数所对应的时间偏移值；

(25)将各个双向分组的时间差的算术平均值与两个统计数列在不同时间偏移下最大互相关函数值对应的时间偏移值相加之和，作为该测量时间段内待测TCP连接的往返时延。

所述步骤(21)中的双向分组的分组头包括IP分组头和TCP分组头。

所述互相关函数在信号处理中用于表示两个波形信号在任意时间偏移下的相似程度，其函数表达式是： $(f\·g)\left[n\right]=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}f*\left[m\right]g[n+m],$ 式中，(f·g)[n]表示两个函数f和g在时间偏移为n时为互相关函数，f*表示复共轭；函数f[x]和g[x]分别对应测量节点检测到的数据分组和ACK分组的两个统计数列，自变量x为小区间时长的序号，函数值为该小区间时长内到达的分组个数；当f和g均为实函数时，上述函数表达式为： $(f\·g)\left[n\right]=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left[m\right]g[n+m];$ 再假设小区间时长的个数为T，用于互相关函数求和的循环变量m的取值范围为[1，T-n]；

藉由上述公式，分别计算n为小区间时长的不同整数倍时的多个函数f和g的互相关函数值，再选取其中数值最大的互相关函数所对应的时间偏移值n，用于计算TCP连接往返时延。

本发明方法的优点是：该方法较好地克服了当前测量TCP连接的RTT时普遍采用的主动测量方法的缺陷，即主动测量方法需要向网络注入额外的流量，从而影响网络正常运行，而本发明方法不需要向网络注入额外流量。并且，现有技术中，每组测量设备只能用于某个单一路径的测量，效率太低。利用本发明测量方法，只需要在网络内部设备或网络终端上部署测量设备，就能够观察经过或到达测量节点的所有TCP连接的双向分组，再通过互相关函数判断属于不同TCP连接的ACK分组序列与数据分组序列在不同时间偏移下的相似程度，找出ACK分组与其触发的数据分组之间的对应关系，从而最终得到测量点所观察到的所有TCP连接的往返时延RTT。而且，操作步骤非常简单，容易掌握，便于推广应用；因此，本发明具有很好的普及应用的前景。

附图说明

图1是本发明中使用的IP分组头示意图。

图2是本发明中使用的TCP分组头示意图。

图3是本发明中使用的数据缓存区示意图。

图4是本发明中使用的ACK缓存区示意图。

图5是本发明中待测量的TCP连接RTT的示意图。

图6是本发明中测量TCP连接RTT的操作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，先介绍IP分组头的结构组成，包括有：源IP地址、目的IP地址以及其它多个字段，用于封装IP数据并生成IP分组，便于网络传输。

参见图2，介绍TCP分组头的结构组成，包括有：源端口号、目的端口号、序号、确认序号以及其它多个字段组成，用于封装TCP数据并生成TCP分组，便于进一步的IP封装。本发明方法在测量时，只需要将其分组头中的序号或确认序号、该分组的到达时间信息、以及图1所示该TCP分组对应的IP分组头中的源目IP地址分别保存到数据缓存区和ACK缓存区信息存入缓存，用以区别数据分组和ACK分组。

参见图3，数据缓存中的每一项均为数据分组的到达时刻、地址信息，以及该分组的序号。在测量过程中，数据缓存区中保存的上述分组信息用来产生计算互相关函数所需的数据分组统计数列。

参见图4，ACK缓存中的每一项均为ACK分组的到达时刻、地址信息，以及该分组的序号。在测量过程中，ACK缓存区中保存的上述分组信息用来产生计算互相关函数所需的ACK分组统计数列。

参见图5，测量节点位于网络内部或接收端，并且可以同时观察到待测TCP连接的双向分组。在本发明测量方法中，TCP连接的RTT由T1和T2两部分组成，其中，T1为数据分组到达测量节点与其触发的ACK分组到达测量节点的时间差，T2为ACK分组到达测量节点与该ACK分组再次触发的数据分组到达测量节点的时间差。在计算T1时，所需的数据分组与ACK分组的对应关系可以根据数据分组的序号与ACK分组的确认序号进行判断，而在计算T2时，所需的ACK分组与数据分组的对应关系需要通过双向分组对应的统计数列之间的互相关函数进行判断。作为一种特殊情况，当测量装置位于TCP连接的接收端时，T1减小为0，T2即为该测量时间段内待测TCP连接的往返时延。

本发明是一种利用互相关函数被动测量TCP连接往返时延的方法，它是在TCP连接的路径上选择或设置测量节点，并在该节点部署测量装置；测量装置先采集设定时间内通过该测量节点的TCP连接的双向分组并保存相关信息；然后将该设定时间均匀分割为多个小区间时长，并分别统计在每个小区间时长内两个方向的分组数量，再将所有小区间时长内在同一方向通过该测量节点的分组个数组成一个统计数列，TCP连接的双向分组就在同一时间段内组成两个统计数列；然后计算该两个统计数列在不同时间偏移下的互相关函数值，根据最大函数值对应的时间偏移确定每个ACK分组与其数据分组之间的对应关系，从而最终计算该TCP连接在该设定时间内的往返时延。

参见图6，介绍该方法的具体操作步骤：

步骤1、在TCP连接的路径上选择或设置测量节点，并部署测量装置。

该步骤的两个具体操作内容是：

(11)在待检测TCP连接分组路径上，选择或设置一个能观察到待测TCP连接的、包括数据分组及其响应ACK分组的双向分组的网络设备(例如网络路由器和交换机)或终端设备(例如采用TCP进行连接的接收主机)作为测量节点。

(12)在该测量节点设备中安装设有测量软件功能模块以及用于临时保存待测TCP连接的双向分组的缓存区的测量装置。

步骤2、测量装置分别测量和记录通过该测量节点的数据分组和ACK分组的个数，形成两个统计数列；利用互相关函数对两个统计数列进行处理，得到该TCP连接在该设定时间内的往返时延结果。该步骤包括下列具体操作内容：

(21)在设定的测量时间段内，测量装置接收到待测TCP连接的双向分组，将其分组头(包括IP分组头和TCP分组头)中的包括地址、序号或确认序号、以及该分组的到达时间信息分别保存到数据缓存区和ACK缓存区。

(22)在数据缓存区中找出其序号与ACK缓存区中每个分组的确认序号相同的数据分组，再计算两者通过该测量点的时间差，再统计所有满足上述序号对应关系的各个双向分组的时间差的算术平均值T1。

(23)将所述设定的测量时间段均匀划分为多个小区间时长，分别统计在每个小区间时长内，数据缓存区和ACK缓存区中各自到达的分组个数，得到相应的两个统计数列。

(24)计算该两个统计数列在不同时间偏移下的互相关函数值，用于反映ACK分组序列与其对应的、经过不同时间到达的数据分组序列的相似程度，再选取数值最大的互相关函数所对应的时间偏移值T2。

在信号处理中，互相关函数用于表示两个波形信号在任意时间偏移下的相似程度，其函数表达式是： $(f\·g)\left[n\right]=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}f*\left[m\right]g[n+m],$ 式中，(f·g)[n]表示两个函数f和g在时间偏移为n时为互相关函数，f*表示复共轭；函数f[x]和g[x]分别对应测量节点检测到的数据分组和ACK分组的两个统计数列，自变量x为小区间时长的序号，函数值为该小区间时长内到达的分组个数；当f和g均为实函数时，上述函数表达式为： $(f\·g)\left[n\right]=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left[m\right]g[n+m];$ 再假设小区间时长的个数为T，用于互相关函数求和的循环变量1m的取值范围为[1，T-n]；

藉由上述公式，分别计算n为小区间时长的不同整数倍时的多个函数f和g的互相关函数值，再选取其中数值最大的互相关函数所对应的时间偏移值n，用于计算TCP连接往返时延。

(25)将各个双向分组的时间差的算术平均值T1与两个统计数列在不同时间偏移下最大互相关函数值对应的时间偏移值T2相加之和，作为该测量时间段内待测TCP连接的往返时延，即往返时延RTT＝T1+T2。当测量装置位于TCP连接的接收端时，T1＝0，RTT＝T2。

本发明已经进行了实施试验，试验的结果是成功的，实现了发明目的。

Claims (7)

1、一种利用互相关函数被动测量传输控制协议TCP连接往返时延的方法，其特征在于：在TCP连接的路径上选择或设置测量节点，并在该节点部署测量装置；测量装置先采集设定时间内通过该测量节点的TCP连接的双向分组并保存；然后将该设定时间均匀分割为多个小区间时长，并分别统计在每个小区间时长内两个方向的分组数量，再将所有小区间时长内在同一方向通过该测量节点的分组个数组成一个统计数列，TCP连接的双向分组就在同一时间段内组成两个统计数列；然后计算该两个统计数列在不同时间偏移下的互相关函数值，根据最大函数值对应的时间偏移确定每个ACK分组与其数据分组之间的对应关系，从而最终计算该TCP连接在该设定时间内的往返时延。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括下述操作步骤：

(1)在TCP连接的路径上选择或设置测量节点，并部署测量装置；

(2)测量装置分别测量和记录通过该测量节点的数据分组和ACK分组的个数，形成两个统计数列；利用互相关函数对两个统计数列进行处理，得到该TCP连接在该设定时间内的往返时延结果。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)在待检测TCP连接分组路径上，选择或设置一个能观察到待测TCP连接的、包括数据分组及其响应ACK分组的双向分组的网络设备或终端设备作为测量节点；

(12)在该测量节点设备中安装设有测量软件功能模块以及用于临时保存待测TCP连接的双向分组的缓存区的测量装置。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述测量节点设备中的网络设备是包括网络路由器和交换机的能够进行转发或监测IP分组的设备，终端设备是采用TCP进行连接的接收主机。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)在设定的测量时间段内，测量装置接收到待测TCP连接的双向分组，将其分组头中的包括地址、序号或确认序号、以及该分组的到达时间信息分别保存到数据缓存区和ACK缓存区；

(22)在数据缓存区中找出其序号与ACK缓存区中每个分组的确认序号相同的数据分组，再计算两者通过该测量点的时间差，再统计所有满足上述序号对应关系的各个双向分组的时间差的算术平均值；

(23)将所述设定的测量时间段均匀划分为多个小区间时长，分别统计在每个小区间时长内，数据缓存区和ACK缓存区中各自到达的分组个数，得到相应的两个统计数列；

(24)计算该两个统计数列在不同时间偏移下的互相关函数值，用于反映ACK分组序列与其对应的、经过不同时间到达的数据分组序列的相似程度，再选取数值最大的互相关函数所对应的时间偏移值；

(25)将各个双向分组的时间差的算术平均值与两个统计数列在不同时间偏移下最大互相关函数值对应的时间偏移值相加之和，作为该测量时间段内待测TCP连接的往返时延。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(21)中的双向分组的分组头包括IP分组头和TCP分组头。

7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述互相关函数在信号处理中用于表示两个波形信号在任意时间偏移下的相似程度，其函数表达式是： $(f\·g)\left[n\right]=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}f*\left[m\right]g[n+m],$ 式中，(f·g)[n]表示两个函数f和g在时间偏移为n时为互相关函数，f^*表示复共轭；函数f[x]和g[x]分别对应测量节点检测到的数据分组和ACK分组的两个统计数列，自变量x为小区间时长的序号，函数值为该小区间时长内到达的分组个数；当f和g均为实函数时，上述函数表达式为： $(f\·g)\left[n\right]=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left[m\right]g[n+m];$ 再假设小区间时长的个数为T，用于互相关函数求和的循环变量m的取值范围为[1，T-n]；

藉由上述公式，分别计算n为小区间时长的不同整数倍时的多个函数f和g的互相关函数值，再选取其中数值最大的互相关函数所对应的时间偏移值n，用于计算TCP连接往返时延。

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