CN102868576A - 宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法,包括:A、选取服务器端与客户端的任意中间节点为测量点;B、对测量点接收到的服务器端发给客户端的TCP报文进行分析,统计TCP报文首部信息,根据TCP报文携带的序列号和有效载荷长度信息,预测出测量点下一个即将接收到的TCP报文序号;C、待下一TCP报文到来时,将到来的TCP报文序号与预测出的TCP报文序号相比较,判断出是否丢包以及丢包发生的链路是服务器方还是客户端接入链路,再最终得出用户的下行丢包率指标。该方法能在局端任意中间节点采集用户与互联网之间的通信流量,通过对流量的分析计算用户接入链路的下行丢包率指标,为宽带网的运营、质量保障、故障诊断提供支撑手段。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信中的丢包率测量方法技术领域,确切地说涉及一种基于任意中间点流量分析的宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法。
背景技术
电信等ISP运营商面向广大用户提供了互联网接入服务,接入方式包括ADSL、光纤到校区(FTTB)、光纤到户(FTTH)等,由于接入带宽较高(普遍2-30MbPs),这些接入网络一般称为宽带网,意味着用户能够享受较好的网络服务质量。然而近年来,宽带网用户对上网质量体验不佳,性能与故障投诉增多。由于测试和验证手段的匮乏,大量用户产生了“假宽带”的怀疑,而ISP运营商在面对用户质量投诉时,往往无法获取关于用户接入链路的性能指标,导致运维人员难以确定性能劣化程度,区分事故责任,难以识别和诊断性能故障。
现有技术中,将宽带网用户的“接入链路”定义为:从用户家庭上网设备到ISP局端设备之间的线缆、配线架、分光器、跳线、转接设备等一系列串联的设备和物理线路。“接入链路”是上述设备和线路的统称,将其看作用户家庭上网设备和ISP局端设备之间的一条通路。
接入链路的性能指标可分为上行和下行指标,前者表示用户端到局端的上行链路质量,后者表示局端到到用户端的下行链路质量。在网络质量指标中,丢包率指标(IPLR)是一个非常重要的指标,代表单位数量的数据包在传输过程中丢失的比率。即使在一条高带宽的链路中,如果丢包率指标较高,则用户也不可能获得满意的网速,感受到高质量的网络服务。对于宽带网用户而言,由于大多数用户均以下载业务为主(如浏览网页、下载文件、观看电影等),因此接入链路的下行丢包率指标对用户而言意义重大。
然而,对于ISP而言,要获得大量用户的下行丢包率非常困难。特别是在用户量巨大的情况下。
目前存在几种方法对用户接入链路的下行丢包率进行测量。从技术手段上可以划分为两类:
第1类为主动探测法。该方法需要在局端和用户端进行配合,在局端和用户端分别部署测量软件。由局端发送数据,用户端进行接收,然后在用户端统计接收到的数据包数量,进而计算下行丢包率为IPLR=接收数据包总数/发送数据包总数。
如公开号为CN102217236A,公开日为2011年10月12日的中国专利文献公开了一种检测链路丢包率的方法和设备。该方法包括:接收对端设备通过链路发送的LMM报文,LMM报文中携带对端设备从上一次到本次向本端设备发送LMM报文的时间间隔内发送给本端设备的报文个数;根据本次与上一次接收到LMM报文的时间间隔、在时间间隔内接收到的对端设备发送的报文个数、以及LMM报文中携带的对端设备发送给本端设备的报文个数,计算链路在时间间隔内的丢包率。设备包括:接收模块和计算模块。
第2类是基于设备的统计法。该方法利用用户端的接入设备管理接口,远程访问用户端的接入设备(如调制解调器、ONU、机顶盒等)的网络管理接口(通常是SNMP接口),获取设备端口统计数据,如误码率、错误率、丢失率等指标,来估计用户的下行丢包率。
上述两种方法均需要用户侧设备或软件的配合,测量部署难度大。而且每次只能获取一个用户的测量数据,难以并发测量多个用户的下行丢包率。更为重要的是,基于设备的统计结果往往是不准确的,不能真正反映下行链路质量。
发明内容
为解决上述现有技术所存在的问题,本发明提出了一种基于流量分析的宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法,该方法能够在用户上网过程中,在局端任意中间节点采集用户与互联网之间的通信流量,通过对流量的分析,来计算用户接入链路的下行丢包率指标,为宽带网的运营、质量保障、故障诊断提供支撑手段。
本方法是通过采用下述技术方案实现的:
一种宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法,其特征在于包括如下步骤:
A、选取服务器端与客户端的任意中间节点为测量点;
B、对测量点接收到的所述服务器端发给所述客户端的TCP报文进行分析,统计TCP报文首部信息,根据TCP报文携带的序列号和有效载荷长度信息,预测出测量点下一个即将接收到的TCP报文序号;
C、待TCP报文所属TCP会话的下一TCP报文到来时,将到来的TCP报文序号与预测出的TCP报文序号相比较,判断出是否丢包以及丢包发生的链路是服务器方还是客户端接入链路,再最终得出用户的下行丢包率指标。
所述步骤B和C的具体步骤如下:
1)在测量点捕获网络流量,对其中的TCP数据包进行分析, 将TCP数据包划分为不同网络流;
2)对每个网络流内收到的TCP数据包进行跟踪分析,判断是否丢包;
3)计算用户接入链路的下行丢包率plr。
所述步骤1)具体是:具有相同源地址、目的地址、源端口号和目的端口号的流量为同一网络流,对每一个接收到的TCP数据包分别提取报文首部的源IP地址、目的IP地址、源端口号和目的端口号,将TCP数据包以网络流为单位进行分类统计。
所述步骤2)具体是:判断网络流Ni的丢包情况的具体步骤为:
<1>对每个接收到的TCP数据包进行分析,比较TCP数据包所携带的<源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号>四元组与哪个网络流相一致,该TCP数据包便属于相应网络流;其中,对于网络流Ni来说,COUNTi为网络流Ni中所有发给用户的单向TCP数据包的总数(初始状态为0);若当前TCP数据包属于网络流Ni,则COUNTi的值加1,然后转向步骤<2>;
<2>记录当前接收到TCP数据包的首部序列号P和该TCP数据包的有效载荷长度LEN,令 MAXi为网络流Ni中当前最大的TCP序列号,如果P>MAXi,则MAXi = P;(MAXi用于记录当前收到的最大的P)根据TCP序列号预测方法,将当前TCP数据包的最大TCP序列号MAXi加上其有效载荷长度LEN,得到下一个TCP数据包的预测序号Q,即Q= MAXi +LEN,此时若Q ≤ 65535,跳转到第<3步>,否则预测序号Q出现溢出,此时Q = Q – 65535,MAXi重置为0,并设溢出信号FLAG = 1(初始值为0),跳转到第<4>步;
<3>继续检查网络流Ni中发给用户的TCP数据包,检查TCP数据包头部的序列号Ps和负载长度LENs,将序列号Ps与预测值Q进行比较:
a、若Ps > Q:那么服务器方出现了丢包,此时更改服务器丢包计数COUNTER_SERVER(初始状态为0)的值,COUNTER_SERVER = COUNTER_SERVER + (Ps - Q)/ LENs,同时将COUNTi的值加1,并按步骤<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;
b、若Ps < Q:如果(Ps+ 65536 -Q) ≤ (Q - Ps),说明当前序号溢出,服务器端丢包,此时将COUNTER_SERVER = COUNTER_SERVER + (Ps + 65536 -Q)/LEN,同时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;反之当前序号未溢出,则说明测量点已经收到过该序号或大于的TCP数据包,但在客户端对该TCP数据包进行了请求重传;导致该重传原因可能是服务器端的丢包,也可能是客户端接入链路的丢包,无论何种原因,此时都更新重传计数器COUNTER_RETRANS(初始值为0)的值,COUNTER_ RETRANS += 1;同时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;
c、若Ps = Q:则序号TCP数据包并未发生丢包,此时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;
处理完毕后,重复步骤<1>;
<4>继续检查网络流Ni中发给用户的TCP包,检查TCP数据包头部的序列号Ps和其负载长度LENs;将序列号Ps与预测值Q进行比较:
d、若Ps > Q:判断(65536 – Ps + Q)与(Ps – Q)的大小,如果(65536 – Ps + Q) < (Ps – Q)则按<3>中b的(Ps + 65536 -Q) > (Q - Ps)的情况进行处理,反之按<3>中的a进行处理;
e、若Ps < Q:按<3>中b的(Ps + 65536 -Q) > (Q - Ps)的情况进行处理;
f、若Ps = Q:按<3>中的c进行处理;
处理完毕后,重复步骤<1>。
所述步骤3)具体是指:如果是服务器端丢包,则COUNTER_ RETRANS的值会一直等于COUNTER_SERVER,因为每丢一个包都会重传一个包。如果COUNTER_ RETRANS的值大于COUNTER_SERVER,说明有些重传包是客户端丢包引起的。这时网络流Ni的相应用户接入链路的下行丢包率plr可由以下公式计算:
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果如下:
一、采用本发明所述的“A、选取服务器端与客户端的任意中间节点为测量点;B、对测量点接收到的所述服务器端发给所述客户端的TCP报文进行分析,统计TCP报文首部信息,根据TCP报文携带的序列号和有效载荷长度信息,预测出测量点下一个即将接收到的TCP报文序号;C、待TCP报文所属TCP会话的下一TCP报文到来时,将到来的TCP报文序号与预测出的TCP报文序号相比较,判断出是否丢包以及丢包发生的链路是服务器方还是客户端接入链路,再最终得出用户的下行丢包率指标”这三个步骤形成的技术方案,在用户上网过程中,能够在局端任意中间节点采集用户与互联网之间的通信流量,通过对流量的分析,来计算用户接入链路的下行丢包率指标,为宽带网的运营、质量保障、故障诊断提供支撑手段。
不需要用户侧设备或软件的配合,测量部署难度低,而且能一次性获取多个用户的测量数据,尤其适用于并发测量多个用户的下行丢包率。更为重要的是,采用上述方案所得到的测量结果相对更加准确,从而能真正反映下行链路质量。
二、采用本发明所述的“对测量点接收到的所述服务器端发给所述客户端的TCP报文进行分析,统计TCP报文首部信息,根据TCP报文携带的序列号和有效载荷长度信息,预测出测量点下一个即将接收到的TCP报文序号”这种方法,能够实时发现TCP网络流中出现的丢包事件、重传事件,而传统的丢包率测量方法只能发现丢包事件,无法发现重传事件。
三、采用本发明所述的“待TCP报文所属TCP会话的下一TCP报文到来时,将到来的TCP报文序号与预测出的TCP报文序号相比较,判断出是否丢包以及丢包发生的链路是服务器方还是客户端接入链路,再最终得出用户的下行丢包率指标”这种方法,能够单独发现一个网络流在流经测量点之前的丢包事件,而传统的端到端测试(如ping工具测试)只能发现从服务器到客户端之间的往返路径的丢包事件,无法将丢包事件定位到网络路径中的某一段。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,其中作为本发明的最佳实施方式如下:
一、本技术的提出:
宽带网用户的上网过程产生的通信流量大多采用TCP协议,TCP协议通信双方存在明确的状态和时序关系。因此,对用户的上网流量进行分析,可以获得关于用户接入链路的若干指标,其中包括下行丢包率。
在服务器端和客户端的任意中间节点为选定的测量点,服务器端为ISP局端设备,客户端为用户家庭上网设备,任意中间节点和客户端之间的部分即为测量的目标客户端接入链路。本发明通过对测量点接收到的服务器端发给客户端的TCP报文进行分析,统计其报文首部信息,根据报文携带的序列号和有效载荷长度信息,预测出下一个即将接收到的报文序号。待该报文所属TCP会话的下一报文到来时,再将新的报文序号与预测序号相比较,判断出是否丢包以及丢包发生的链路是服务器方还是客户端接入链路。从而最终得出用户的下行丢包率指标。
由于TCP传输中,报文序号具有可预测性(下一个到达的TCP包的序列号大小是当前收到最大报文序号和其有效负载长度之和),故可以利用到达报文的序号大小与当前预测值之间的大小关系来判断链路的丢包情况。丢包情况可以分为两种,一种为通信线路等硬件故障引起的丢包,如如光纤连接问题、跳线没有对准设备接口、射频信号的干扰和信号的衰减等,;另一种即非硬件故障引起的丢包,它是设备主动发起的丢包,由于对客户端来说,超时精度的设置一般以秒为单位,若一个数据包在并没有因为硬件故障发生丢包,经过了超时时间仍未到达接收端,说明数据包在网络中发生了拥塞,且因为网络设备如路由器的接收缓存不够,路由器主动丢弃该数据包。本专利中,根据当前接收报文的序列号P与预测值之间Q存在的大于、小于、等于三种关系,对丢包情况进行讨论。
先讨论预测序列号Q未溢出(预测序列号均小于65535),当前序号P可能溢出时,这三者之间的关系:
A、如果序列号P大于预测序列号Q,则说明序列号为Q的TCP数据包未收到,出现了丢包情况。由于此次丢包出现在测量点之前,所以服务器方出现了丢包,并且该丢包事件未发生在用户接入链路。
B、如果序列号小于预测序列号,有两种情况:一种是当前序列号溢出,溢出部分从0开始重新计数,这种情况说明预测序号的数据包丢失,丢包链路为服务器方;另一种为当前序列号未溢出,则说明测量点已经收到过该序号或大于该序号的数据包,但在客户端对该数据包进行了请求重传。重传的原因有以下几点:1.若测量点收到过该序号的数据包,说明数据包在从测量点向客户端传输的过程中发生了一次因丢包导致的重传;2. 若测量点收到过大于该序号的数据包,说明数据包在从服务器端向测量点传输的过程中发生了一次因丢包导致的重传。
C、如果序列号等于预测序列号,则说明该序号数据包并未发生丢包。
以上讨论了序列号未溢出的情况下,丢包状况与报文序列号、预测序列号之间的关系,接下来分析预测序列号大于65535时,这三者之间的关系。由于序列号发生溢出时,发送端将溢出部分重新从0开始计数,故对预测序列号来说,若发生溢出,则将溢出后的预测值对65536取余数,得到新的预测序号。分析如下:
D、如果当前序列号大于预测序列号,此时分为两种情况:一种是在序号溢出之前的数据包丢失,这种情况与预测序号未溢出时B的第二种状况相一致;另一种是序号溢出之后的数据包丢失,这与未溢出时的情况A一致。可根据当前序号大小、当前负载大小(字节)和预测序号大小来判断此时的丢包属于以上两种情况的哪一种。若(65536 – Ps + Q)小于(Ps – Q)则说明是第一种情况,反之为第二种情况。
E、如果序号小于预测序号,这种情况与预测序号未溢出时的情况B一致。
F、如果当前序号等于预测序号,这与未溢出时情况C一致。
二、本技术的最佳方案:
本发明通过对用户与互联网之间传输的TCP数据包进行分析,得出用户的下行丢包率指标,具体步骤如下:
1)在用户到互联网的中间节点捕获网络流量,对其中的TCP数据包进行分析, 将其划分为不同网络流。
这里,具有相同源地址、目的地址、源端口号和目的端口号的流量称为同一网络流。对每一个接收到的TCP数据包分别提取报文首部的源IP地址、目的IP地址、源端口号和目的端口号,将其以网络流为单位进行分类统计。
2)对每个网络流内收到的TCP数据包进行跟踪分析,判断是否丢包。
由于对每个数据流丢包情况的分析方法均一致,故在此只对其中一个数据流的丢包进行判断,其余各数据流以此类推。判断网络流Ni的丢包情况的具体步骤为:
<1>对每个接收到的TCP数据包进行分析,比较TCP数据包所携带的<源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号>四元组与哪个网络流相一致,该数据包便属于相应网络流。这里定义对于网络流Ni来说,COUNTi为Ni中所有发给用户的单向TCP包的总数(初始状态为0)。若当前TCP包属于网络流Ni,则COUNTi的值加1,转向步骤<2>。
<2>记录当前接收到TCP数据包的首部序列号P和该数据包的有效载荷长度LEN。令 MAXi为Ni中当前最大的TCP序列号,如果P>MAXi,则MAXi = P。根据TCP序列号预测方法,将当前数据包的最大TCP序列号MAXi加上其有效载荷长度LEN,得你到下一个数据包的预测序号Q,即Q= MAXi +LEN,此时若Q ≤ 65535,跳转到第<3步>,否则预测序号Q出现溢出,此时Q = Q – 65535,MAXi重置为0,并设溢出信号FLAG = 1(初始值为0),跳转到第<4>步。
<3>继续检查该流中发给用户的TCP包,检查其TCP头部的序列号Ps,和其负载长度LENs。将序列号Ps与预测值Q进行比较:
a、若Ps > Q:那么服务器方出现了丢包,此时更改服务器丢包计数器COUNTER_SERVER(初始状态为0)的值,COUNTER_SERVER = COUNTER_SERVER + (Ps - Q)/ LENs,同时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q。
b、若Ps < Q:如果(Ps + 65536 -Q) ≤ (Q - Ps),说明当前序号溢出,服务器端丢包,此时将COUNTER_SERVER = COUNTER_SERVER + (Ps + 65536 -Q)/LEN,同时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;反之当前序号未溢出,则说明测量点已经收到过该序号或大于的数据包,但在客户端对该数据包进行了请求重传。导致该重传原因可能是服务器端的丢包,也可能是客户端接入链路的丢包,无论何种原因,都更新重传计数器COUNTER_RETRANS(初始值为0)的值,COUNTER_ RETRANS += 1。同时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q。
c、若Ps = Q:则序号数据包并未发生丢包,此时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q。
处理完毕后,重复步骤<1>。
<4>继续检查该流中发给用户的TCP包,检查其TCP头部的序列号Ps,和其负载长度LENs。将序列号Ps与预测值Q进行比较:
d、若Ps > Q:判断(65536 – Ps + Q)与(Ps – Q)的大小,如果(65536 – Ps + Q) < (Ps – Q)则按<3>中B的(Ps + 65536 -Q) > (Q - Ps)的情况进行处理,反之按<3>中的A进行处理
e、若Ps < Q:按<3>中B的(Ps + 65536 -Q) > (Q - Ps)的情况进行处理。
f、若Ps = Q:按<3>中的C进行处理。
处理完毕后,重复步骤<1>。
3)计算用户接入链路的下行丢包率plr
显然,如果是服务器端丢包,则COUNTER_ RETRANS的值会一直等于COUNTER_SERVER,因为每丢一个包都会重传一个包。如果COUNTER_ RETRANS的值大于COUNTER_SERVER,说明有些重传包是客户端丢包引起的。这时网络流Ni的相应用户接入链路的下行丢包率plr可由以下公式计算:
在网络任意中间节点,都可以测量用户下行的丢包率。现有不少被动模式的测量方法,只能测用户上行丢包率,而不能测下行。本方案特色明显。
Claims (5)
1.一种宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法,其特征在于包括如下步骤:
A、选取服务器端与客户端的任意中间节点为测量点;
B、对测量点接收到的所述服务器端发给所述客户端的TCP报文进行分析,统计TCP报文首部信息,根据TCP报文携带的序列号和有效载荷长度信息,预测出测量点下一个即将接收到的TCP报文序号;
C、待TCP报文所属TCP会话的下一TCP报文到来时,将到来的TCP报文序号与预测出的TCP报文序号相比较,判断出是否丢包以及丢包发生的链路是服务器方还是客户端接入链路,再最终得出用户的下行丢包率指标。
2.根据权利要求1所述的一种宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法,其特征在于:所述步骤B和C的具体步骤如下:
1)在测量点捕获网络流量,对其中的TCP数据包进行分析, 将TCP数据包划分为不同网络流;
2)对每个网络流内收到的TCP数据包进行跟踪分析,判断是否丢包;
3)计算用户接入链路的下行丢包率plr。
3.根据权利要求2所述的一种宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法,其特征在于:所述步骤1)具体是:具有相同源地址、目的地址、源端口号和目的端口号的流量为同一网络流,对每一个接收到的TCP数据包分别提取报文首部的源IP地址、目的IP地址、源端口号和目的端口号,将TCP数据包以网络流为单位进行分类统计。
4.根据权利要求2所述的一种宽带网用户接入链路下行丢包率测量方法,其特征在于:所述步骤2)具体是:判断网络流Ni的丢包情况的具体步骤为:
<1>对每个接收到的TCP数据包进行分析,比较TCP数据包所携带的<源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号>四元组与哪个网络流相一致,该TCP数据包便属于相应网络流;其中,对于网络流Ni来说,COUNTi为网络流Ni中所有发给用户的单向TCP数据包的总数;若当前TCP数据包属于网络流Ni,则COUNTi的值加1,然后转向步骤<2>;
<2>记录当前接收到TCP数据包的首部序列号P和该TCP数据包的有效载荷长度LEN,令 MAXi为网络流Ni中当前最大的TCP序列号,如果P>MAXi,则MAXi = P;将当前TCP数据包的最大TCP序列号MAXi加上其有效载荷长度LEN,得到下一个TCP数据包的预测序号Q,即Q= MAXi +LEN,此时若Q ≤ 65535,跳转到第<3步>,否则预测序号Q出现溢出,此时Q = Q – 65535,MAXi重置为0,并设溢出信号FLAG = 1(初始值为0),跳转到第<4>步;
<3>继续检查网络流Ni中发给用户的TCP数据包,检查TCP数据包头部的序列号Ps和负载长度LENs,将序列号Ps与预测值Q进行比较:
a、若Ps > Q:那么服务器方出现了丢包,此时更改服务器丢包计数COUNTER_SERVER的值,COUNTER_SERVER = COUNTER_SERVER + (Ps - Q)/ LENs,同时将COUNTi的值加1,并按步骤<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;
b、若Ps < Q:如果(Ps+ 65536 -Q) ≤ (Q - Ps),说明当前序号溢出,服务器端丢包,此时将COUNTER_SERVER = COUNTER_SERVER + (Ps + 65536 -Q)/LEN,同时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;反之当前序号未溢出,则说明测量点已经收到过该序号或大于的TCP数据包,但在客户端对该TCP数据包进行了请求重传,此时更新重传计数器COUNTER_RETRANS的值,COUNTER_ RETRANS += 1;同时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;
c、若Ps = Q:则序号TCP数据包并未发生丢包,此时将COUNTi的值加1,并按<2>的方法更新MAXi和预测序号Q;
处理完毕后,重复步骤<1>;
<4>继续检查网络流Ni中发给用户的TCP包,检查TCP数据包头部的序列号Ps和其负载长度LENs;将序列号Ps与预测值Q进行比较:
d、若Ps > Q:判断(65536 – Ps + Q)与(Ps – Q)的大小,如果(65536 – Ps + Q) < (Ps – Q)则按<3>中b的(Ps + 65536 -Q) > (Q - Ps)的情况进行处理,反之按<3>中的a进行处理;
e、若Ps < Q:按<3>中b的(Ps + 65536 -Q) > (Q - Ps)的情况进行处理;
f、若Ps = Q:按<3>中的c进行处理;
处理完毕后,重复步骤<1>。
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