CN104113446A

CN104113446A - 一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法

Info

Publication number: CN104113446A
Application number: CN201410315979.1A
Authority: CN
Inventors: 陈兵; 周逸秋; 钱红燕
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2014-10-22

Abstract

本发明公开了一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，该方法通过构造带有负载包、定位包和测量包的探测包列，结合TTL值的设置和QueryPerformanceFrequency（）的应用，获得测量包在瓶颈链路前后微秒级的时间分布，并周期性地跟踪瓶颈链路位置的变化。在测量过程中过滤探测包在非同一路径上的时间分布，同时加入丢包率等误差因子，提高测量精度。本发明可应用于多跳网络环境下的端到端的可用带宽的测量，与现有的可用带宽测量方法相比，本发明采用新颖的探测包列实现单端可用带宽测量，在分析了突发背景流的基础上有效地解决了在测量可用带宽过程中精度不高，负载过大和测量时间较长的问题。

Description

一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法

技术领域

本发明公开了一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，具体涉及一种用于解决可用带宽测量过程中精确度不高、对网络影响较大、测量时间较长的单端可用带宽测量方法，属于网络测量技术领域。

背景技术

近年来，随着光纤传输和高速以太网交换机的广泛应用，网络主干带宽和接入带宽成倍增加，但是网络性能没有随之成倍提升，高时延、低利用率仍然存在，因此通过网络测量来实时检测网络性能尤为重要。而网络可用带宽是网络最基本和最重要的性能指标之一，它不仅反应了端到端网络路径的实际传输能力，还对拥塞控制、路由选择及服务质量(QoS)等具有重要意义，受到越来越多的关注。

端到端路径的可用带宽是指存在背景流量的前提下，一段时间间隔内端到端的路径能提供的最大服务速率。根据探测方式的不同，把可用带宽测量模型分为探测速率模型(PRM，probe rate model)和探测间隔模型(PGM，probe gap model)。PRM基于自诱导拥塞思想,如果发送端探测流的发送速率小于路径可用带宽，那么探测流到达接收端的速率将与源端的发送速率相匹配。反之，探测流会造成网络拥塞，所以，通过寻找发送速率和接收速率开始相等的转折点来测量可用带宽。PGM是利用探测包在发送端和接收端的探测分组之间的时间间隔来估测可用带宽。

这两种模型都假设端到端网络路径上的背景流是包长无限小且流量保持稳定的液体流，但由于网络不断增长分布化、不协作异质的特点，使得实际网络环境下背景流具有突发性，这种基于瓶颈分隔原理的液体流模型中的假设条件在实际测量时难以满足，不能准确地反映实际网络，因此有必要提高在多跳网络环境下测量可用带宽精确度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量机制，用于解决多跳网络中由于突发背景流的影响可用带宽测量精度不高的问题。通过本发明，可以有效提高可用带宽的测量精度，降低网络负载，提高测量效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量机制，主要包括探测包列的构造和可用带宽测量方法的改进。

探测包列的构造：探测包列如图2所示，主要由负载包、测量包、定位包组成，每一个探测包列有2个探测单元，每个探测单元包括2个负载包，2个测量包和H个定位包。

负载包用于获得测量包在瓶颈链路前后的时间间隔。相关设置如下：负载包为大小1500B的ICMP包，位于第一个和第二个探测单元中负载包的TTL值分别设为瓶颈链路前一跳和瓶颈链路后一跳，使得负载包在瓶颈链路前后被丢弃，从而获得测量包在瓶颈链路前后的时间间隔。

定位包用于跟踪瓶颈链路的位置变化。相关设置如下：定位包为大小40B的ICMP包，个数由端到端路径跳数决定，定位包的TTL值依次向内递增排列，使得每经过一个路由器就被丢弃，当探测包列到达目的节点时，源节点获得一个时间序列，时间序列中的转折点即为瓶颈链路的位置。

测量包用于确定丢包率。相关设置如下：测量包为大小40B，TTL值默认的ICMP包。在传输的过程中，如果在传输过程中某节点缓冲区已满或者出现网络拥塞等情况，会发生丢包，此时目的节点不会向源节点发送应答报文，因此我们可以通过源节点收到的应答报文的个数来计算丢包率。

可用带宽测量方法的主要步骤如下：

步骤一、确定端到端路径的跳数H：利用traceroute工具获得所测路径中H的个数，确定探测包列中所需的定位包的个数。

步骤二、初始化瓶颈链路的位置O及容量C：利用Pathneck工具得到瓶颈链路的位置O及容量C。

步骤三、设置探测包列中负载包和定位包的TTL值：在构造探测包列结构时将第一个和第二个探测单元中负载包的TTL值分别设为瓶颈链路前一跳(O-1)和瓶颈链路后一跳(O)，定位包的TTL值依次向内递排列。

步骤四、源节点以速率R_u向目的节点发送探测包列，获得测量包在瓶颈链路前后的时间间隔并对其过滤；

当负载包到达瓶颈链路前后时被丢弃，中间节点向源节点返回ICMP超时报文，源节点每收到一个ICMP超时报文记录当前的CPU频率，通过QueryPerformanceFrequency()函数获得两个包在瓶颈链路前后的微秒级的时间间隔，分别记为测量包在瓶颈链路前后的时间间隔g_i-1、g_i。本方法假设在一个探测周期内，探测包列经过的端到端的路径不发生变化，因此本方法过滤数据包失序的时间间隔，即过滤非正数的时间间隔。

步骤五：利用定位包得到时间序列，跟踪瓶颈位置的变化情况：当探测包列每经过一个中间节点，一个定位包被丢弃，中间节点向源节点返回ICMP超时报文，源节点每收到一个ICMP超时报文记录当前的CPU频率，通过QueryPerformanceFrequency()函数将两个包的时间间隔转换为微秒级的时间，当探测包列抵达目的节点时得到一个时间序列RTT(rtt_A1，rtt_B1.....rtt_Am，rtt_Bm)，满足条件Max(rtt_Bi-rtt_Ai)-(rtt_B(i-1)-rtt_A(i-1))i∈[1,m]，m∈[1,n]，其中rtt_Am、rtt_Bm分别为第m个探测包列中第一个、第二个探测单元中测量包在所测路径上的往返时延，i处为瓶颈链路的位置，与步骤二中得到的O相比，如果变化，则转向步骤二，重新测得O和C。否则进行步骤六。

步骤六：确定测量包的丢包率，估算可用带宽：当探测包列到达目的节点后，如果存在缓冲区已满或者网络拥塞等情况，测量包会向源节点返回ICMP应答报文，源节点通过IP报文中标识统计实际收到应答报文的个数，与测量包的个数相比得到丢包率。

结合步骤四，用公式：

ABW = (C - \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}} C) e^{\frac{M}{N}} = C (1 - \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}}) e^{\frac{M}{N}}

计算得出可用带宽；

其中，M是一个探测周期内，端到端路径上丢包的个数；N是一个探测周期内，端到端路径上探测样本的个数，即测量包的总数，g_i-1、g_i分别为探测包列中测量包在瓶颈链路前后的时间间隔，g_b为探测包列在瓶颈链路上的传输时延，g_p为处理时延，M为一个探测周期内丢包数，N为一个探测周期内测量包的个数，C为瓶颈链路容量。

步骤七：更新探测包列的时间间隔，准备下一次测量；当R_u≤0.02A时，加快测量速度，缩短时间间隔；反之则保持初始输入速率。

本发明的有益之处在于：本发明有效地解决了多跳突发背景流环境下可用带宽测量精确度不高，对网络影响较大，效率低下的问题。

附图说明

图1是本发明中探测机制的流程图；

图2是本发明探测包列结构示意图：其中，L、M、P分别表示探测包列的负载包、测量包、定位包，g_m表示测量包的初始间隔，g_u表示探测单元间的初始间隔；

图3是本发明分析在突发背景流环境下测量包输出时间分布图：其中，g_i和g_i-1分别表示测量包在瓶颈链路前、后的时间间隔；

图4是本发明实施的拓扑图：其中，P_s、P_d分别表示发送节点和接收节点，n_2s....n_6s分别表示背景流的发送端，n_2d....n_6d分别表示背景流的接收端，R₁...R₆为端到端路径上的中间节点；

图5是本发明在突发背景流环境下与其他算法的精确度对比图；

图6是本发明在瓶颈链路发生变化时与其他算法的精确度对比图；

图7是本发明其他算法的测量时间对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图4的拓扑结构图所示，被测路径由7条链路组成，各链路的带宽以及瓶颈链路位置的设置间表如表1、表2所示：

表1：本发明在实施过程中各链路突发背景流的设置

表2：本发明在实施过程中瓶颈链路发生改变各链路背景流的设置

图5、图6、图7分别是本发明在突发背景流环境下与其他算法的精确度对比图、是本发明在瓶颈链路发生变化时与其他算法的精确度对比图、本发明其他算法的测量时间对比图。如图所示，本发明在突发背景流和瓶颈链路发生变化的情况下，精确度有所提高，测量时间降低。

本发明针对多跳突发背景流的网络环境进行可用带宽网络测量，流程图如图1所示，实施例的具体实施步骤如下：

步骤一：确定端到端路径(P_s-P_d)的跳数H为7，同时探测包列中定位包的个数为7。

步骤二：在0-200S，200-400S，400-600S内分别产生不同的背景流量，设置瓶颈链路的位置为4，瓶颈容量分别为5，10，15。

步骤三：第一个和第二个探测单元中负载包的TTL值分别设为3、4，定位包的TTL值为{1，2，3，4，5，6，7}。

步骤四：探测单元的输入速率其中，探测包列中的负载包L、测量包M、定位包P的大小S_L、S_M、S_P分别是1500B、40B、40B，探测单元在发送端的初始间隔g_u为0.09C。发送节点P_s以速率R_u向目的节点发送探测包列，当探测包列到达Link3、Link4时P_s返回ICMP超时报文，源节点记录当前的CPU频率，通过函数QueryPerformanceFrequency()得到两个包在瓶颈链路前后的微秒级时间间隔转换为微秒级的时间g_i-1、g_i。如果时间间隔为负数，则丢弃该时间间隔。

步骤五：当探测包列抵达接收节点p_d时,由于定位包每经过一个中间节点都会丢弃，从而得到一个时间序列RTT(rtt_A1，rtt_B1.....rtt_Am，rtt_Bm)，满足条件Max(rtt_Bi-rtt_Ai)-(rtt_B(i-1)-rtt_A(i-1))i∈[1,m]，i处被认为是瓶颈链路的位置，按照如图所示中产生背景流量，瓶颈链路的位置没有改变，进行步骤六；而按照如图所示中产生背景流量，瓶颈链路的位置发生改变，转向步骤二。

步骤六：当探测包列到达pd时，测量包会向源节点返回Reply报文，源节点通过统计Reply报文的个数来计算丢包率。如果丢包率为0，则用公式(1)计算可用带宽：

A = C (1 - \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}}) - - - (1)

否则用公式(2)

ABW = (C - \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}} C) e^{\frac{M}{N}} = C (1 - \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}}) e^{\frac{M}{N}} - - - (2)

其中，g_p为处理时延，由节点的性能决定，本发明中设置为10μs,M为0-600s内丢包的个数，N为发送的测量包的个数。g_i,g_i-1分别是测量包在瓶颈链路前后的时间间隔。

步骤七：当R_u≤0.02A加快测量速度，反之则保持初始输入速率。

本发明实施的拓扑图如图4所示：其中，P_s、P_d分别表示发送节点和接收节点，n_2s....n_6s分别表示背景流的发送端，n_2d....n_6d分别表示背景流的接收端，R₁...R₆为端到端路径上的中间节点。

本发明利用带有负载包、定位包和测量包的探测包列，结合TTL值的设置和QueryPerformanceFrequency()函数的应用，获得测量包在瓶颈链路前后微秒级的时间分布，并周期性地跟踪瓶颈链路位置的变化。在测量过程中过滤探测包在非同一路径上的时间分布，同时加入丢包率等误差因子，提高了测量精度和探测效率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定端到端路径的跳数H，进而确定探测包列中定位包的个数；

步骤二：初始化瓶颈链路的位置O及容量C；

步骤三：设置探测包列中负载包和定位包的TTL值；

步骤四：源节点以速率R_u向目的节点发送探测包列，获得探测包列中测量包在瓶颈链路前、后的时间间隔并对其进行过滤；

步骤五：利用探测包列中的定位包得到时间序列，跟踪判断瓶颈链路位置是否变化，具体步骤如下：

当探测包列每经过一个中间节点时，一个定位包被丢弃，中间节点向源节点返回ICMP超时报文，源节点每收到一个ICMP超时报文记录当前的CPU频率，通过QueryPerformanceFrequency()函数将两个包的时间间隔转换为微秒级的时间，当探测包列抵达目的节点时得到一个时间序列RTT(rtt_A1，rtt_B1.....rtt_Am，rtt_Bm)，所述时间序列满足条件：

Max(rtt_Bi-rtt_Ai)-(rtt_B(i-1)-rtt_A(i-1))，i∈[1,m]；

其中，i处为瓶颈链路的位置，将其与步骤二中得到的位置O相比较，当位置发生变化时，转向步骤二，重新测得O和C；

当位置未发生变化时，进入步骤六；

步骤六：分别计算探测过程中的丢包率和可用带宽；

步骤七：更新探测包列的时间间隔，准备下一次测量。

2.如权利要求1所述的一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，其特征在于，所述探测包列包括：第一和第二两个探测单元，每个探测单元包括2个负载包，2个测量包和H个定位包，H的取值为自然数，定位包的个数由端到端路径跳数决定；探测单元在源端发送前存在时间间隔g_u，测量包在源端发送前存在时间间隔g_m；所述第一和第二两个探测单元中负载包的TTL值分别设为瓶颈链路前一跳和瓶颈链路后一跳的跳数值，所述定位包的TTL值依次由外向内递增排列；

其中，负载包用于获得测量包在瓶颈链路前后的时间间隔；定位包用于跟踪瓶颈链路的位置变化；测量包用于确定丢包率。

3.如权利要求2所述的一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤一中，利用traceroute工具获得所测路径中的跳数H。

4.如权利要求3所述的一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤二中，利用Pathneck工具测得瓶颈链路的位置O及容量C。

5.如权利要求4所述的一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤四中，探测包列的输入速率为：

R_{u} = \frac{{2 S}_{L} + {2 S}_{M} + {HS}_{P}}{g_{u}};

其中，S_L、S_M、S_P分别为负载包、测量包和定位包的大小；

所述步骤四的具体步骤包括：

(401)：当探测包列到达瓶颈链路时，负载包被丢弃，中间节点向源节点发送ICMP超时报文，源节点每收到一个ICMP超时报文就记录当前的CPU频率，通过QueryPerformanceFrequency()函数将两个探测包列在瓶颈链路前后的时间间隔转换为微秒级的时间，分别记录为g_i-1、g_i，此时，ICMP超时报文与测量包的间隔一致；

(402)：在探测过程中，当网络拥塞造成探测包列所经过的端到端的路径发生改变，进而导致数据包失序时，返回的g_i-1和g_i为负数，过滤此时的非正的时间间隔g_i-1和g_i。

6.如权利要求5所述的一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，其特征在于，所述步骤六具体计算方法如下：

(1)设定背景流的速率为B，探测包列在瓶颈链路上的传输时延为g_b，处理时延为g_p，g_c为背景流在瓶颈链路上的传输时延，在第一测量包M₁、第二测量包M₂到达目的节点时，有B*g_i-1的背景流进入目的节点；

(2)当探测单元的输入速率小于可用带宽时，g_m时间内进入目的节点的背景流在第二测量包M₂到达节点前已传输完毕，此时g_i＝g_m；

提高探测速率后，在g_m时间内，当进入节点背景流的传输时延超过第二测量包M₂到达瓶颈前段链路的节点时刻时，扩展g_i-1与g_i：g_c＝g_i-g_b-g_p；

当进入节点背景流的传输时延超过第一测量包M₁到达瓶颈前段链路的节点时刻时，缩小g_i-1与g_i：g_c＝g_i-g_b-g_p；

综合上述(1)、(2)两种情况，有B*g_i-1＝g_c*C，则：

B = \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}};

结合可用带宽的基本公式A＝C-B，得出：

A = C - \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}} C

其中，A为可用带宽，C为瓶颈带宽既容量；

当传输过程中会出现节点缓冲区已满或者出现网络拥塞情况时，在上述公式的基础上增加丢包率，

得出可用带宽：

A = (C - \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}} C) e^{\frac{M}{N}} = C (1 - \frac{g_{i} - g_{b} - g_{p}}{g_{i - 1}}) e^{\frac{M}{N}}, \frac{M}{N} &Element; [0,1];

其中，M是一个探测周期内，端到端路径上丢包的个数；N是一个探测周期内，端到端路径上探测样本的个数，即测量包的总数。

7.如权利要求6所述的一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤七中根据步骤六计算得出的可用带宽，调整发送速率，当R_u≤0.02A时，加快测量速度；反之则保持初始输入速率。

8.如权利要求2所述的一种突发背景流环境下单端可用带宽的测量方法，其特征在于：所述负载包为大小1500B的ICMP包；所述定位包为大小40B的ICMP包；所述测量包为大小40B、TTL值默认的ICMP包。