CN104486163A - 一种单端可用带宽测量方法和采用该方法的终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单端网络可用带宽的测量方法和采用该方法的终端，所述方法包括：根据给定需要测量可用带宽的两端，由发送端周期性的向接收端发送探测流，迫使接收端不断地向发送端回传信息流。发送端根据收到的信息流单向时延的变化判断发送速率与真实可用带宽的关系；根据判断结果逐步调整发送速率，直到发送速率和真实可用带宽的误差在可接受的范围内，进而得到最终可用带宽的测量值。实施本发明，可在网络上任意两节点之间进行单端的可用带宽测量。

Description

一种单端可用带宽测量方法和采用该方法的终端

技术领域

发明涉及计算机网络参数测量领域，特别涉及一种计算机网络单端可用带宽测量方法和采用该方法的终端。

背景技术

带宽是评价网络服务质量的重要度量参数，是网络中最重要的资源之一。网络带宽的测量对网络运营商(路由选择、拥塞控制、故障定位等)、网络协议和应用开发者(优化协议、增强性能等)和用户(体验质量)都有重要的意义。

可用带宽测量方法的衡量标准主要包括：

测量准确度；

探测过程所产生的网络负担大小；

测量所需时间。

而现有的可用带宽测量方法，如Pathload，PTR/IGI，Abget等，都在以上1点或多点上存在不足，亟待提高与改进。

发明内容

本发明目的在于在保障可用带宽测量精度的基础上进一步提高其测量精度并缩短测量所需时间，减小测量对网络产生的负担，从而达到改进当前可用带宽测量的目的。

第一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种单端带宽测量方法，其包括下列步骤：

发送端周期性向接收端发送探测流，其中需要测量从发送端到接收端方向上的可用带宽；

接收来自接收端的数据集，并且判断数据集单向时延的变化趋势，其中所述数据集是接收端因应探测流而发送的；

以判断单向时延的变化趋势为依据，调整发送速率，继续向接收端周期性发送探测流，直到发送速率满足设定的第一阈值；

发送端根据当前发送速率变化的范围确定带宽。

优选地，所述接收端是基于TCP协议的终端，迫使所述接收端响应于探测流而回复数据包。

优选地，所述调整发送端的发送速率包括采用二分法调整发送速率。优选地，所述探测流发送速率大于可用带宽时，单向时延有增大的变化趋势；所述探测流小于等于可用带宽时，单向时延倾向保持不变。

优选地，所述发送速率满足设定的第一阈值包括发送速率最大值与最小值的差值小于设定的第二阈值。

优选地，根据发送速率变化的范围确定带宽包括选取所述发送速率满足的最大值和最小值的中间值作为测量所得的可用带宽。

第二方面本发明提供一种网络终端。该网络终端包括：发送装置，周期性向接收端发送探测流，其中需要测量从发送端到接收端方向上的可用带宽；单向时延变化趋势确定装置，根据数据集确定单向时延的变化趋势，其中所述数据集是接收端因应探测流而发送的；调整装置，以判断单向时延的变化趋势为依据，调整发送端的发送速率，以使发送装置继续向接收端周期性发送探测流，直到发送速率满足设定的第一阈值；带宽确定装置，根据发送速率的变化范围确定带宽。

本发明的有益效果如下：

通过发送端向接收端发送的周期性探测流，接收端是基于TCP协议的终端，TCP协议迫使接收端不断返回数据包，所得的估测可用带宽值，达到快速收敛，缩短网络测量所用时间。

通过更准确的单向时延变化趋势判断以及二分法的发送速率调节方法很好的达到到发送速率快速收敛，缩短网络测量所用时间，减小测量过程对网络负载的影响的目的。

通过自适应逼近方法，发送速率不断逼近真实的网络可用带宽，同时设定允许误差值进一步缩短测量时间，提高测量效率。

附图说明

图1为计算机网络单端可用带宽测量的场景示意图；

图2为包的发送接收示意图；

图3为本发明实施例的可用带宽测量方法的步骤图；

图4为本发明另一实施例的可用带宽测量方法的流程图；

图5为本发明另一实施例的可用带宽测量方法中具体的二分速率调节算法流程图；

图6为本发明实施例的网络终端的装置图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为计算机网络单端可用带宽测量的场景之一的示意图。如图1所示：为完成端到端的文件传输(如将文件从客户端1传送至客户端2)，中间需经过运营商所部署的若干个中转服务器(服务器1，服务器2，服务器3，……，服务器N)。为获得最大文件上传速度，服务器1可以选取与之可用带宽最大的例如三个中转服务器作为文件上传的终点。为达到这一目的，客户端1需要测出其与这N个中转服务器间由客户端1→服务器k(k＝1,2,3,…,N)的可用带宽大小。

以发送端(的客户端)1测量其与接收端服务器i(1≤i≤N)间的可用带宽为例，说明使用本方法的测量过程。本发明实施例数据探测模型主要在传输层进行操作。

第1步，客户端1作为发送端(下称发送端)周期性的向服务器i(作为接收端，下称接收端)发送第一组探测流。

第2步，接收端根据接收到的探测流时间逐个向发送端发送数据包。可以利用TCP协议迫使接收端回复数据包。图2示意了包的发送接收的过程。

发送端对收到的接收端回应数据包的信息进行处理，读取每个数据包到达发送端的时间，逐个相减计算包间时间间隔隔，进而通过不断迭代计算当前数据包的单向延迟OWD。

第3步，发送端利用接收到的数据包的单位时延的变化趋势，重新调整发送速率。

第4步，重复第2步和第3步，直到发送速率满足设定的阈值，比如单位时延变化趋势出现拐点，并且发送速率和真实可用带宽的误差在允许范围内。

使用本方法遍历的对服务器1——服务器N进行测量，通过选取拥有最大可用带宽测量值的服务器进行传送即可获得最大文件上传速度。

图3为本发明实施例的可用带宽测量方法的步骤图。如图3所示，该单端带宽测量方法包括下列步骤：

在步骤301中，根据所要测量方向的可用带宽所涉及的发送端和接收端，发送端周期性的向接收端发送探测流；

在步骤302中，发送端根据从接收端所得数据集的单向时延的变化趋势，判定当前发送速率与真实可用带宽的关系；其中所述数据集是接收端因应探测流而发送的。

需要说明的是，进行单端可用带宽的测量，可以采用基于TCP协议的终端作为接收端，这样接收端会在周期性的收到探测包的同时向发送端回复MSS个字节。同时可以在算法中设置合理的发送端到接收端最大传输速率进而减小算法的运行时间。

在步骤303中，以判断单向时延的变化趋势的判定结果为依据，调节发送端的发送速率，发送端继续周期性的向接收端发送探测流。发送速率调整法可以采用二分法。

在步骤304中，不断重复前面的步骤102和103，即可判断单向时延变化趋势，调整发送速率，直到发送速率满足设定的阈值。例如，发送速率的最大值与最小值的差值小于设定的第二阈值。

在步骤305中，根据发送速率变化的范围确定带宽。例如取发送速率最大值与最小值的中间值作为测量所得的可用带宽的结果。

图4为本发明另一实施例的可用带宽测量方法的流程图；

如图4所示，在步骤401配置端口；

在步骤402，读取命令行参数和配置文件；

在步骤403，初始化远端接口；

在步骤404，采用二分法的方法来调整发送端的发送速率；

具体地，在发送端周期性向接收端发送探测流，接收端收到发送端传来的探测流时，不断返回数据包。数据包中应该有时延数据，发送端利用二分法根据时延数据来调整发送端的发送速率。

所谓二分法，是指对于区间[a，b]上连续不断且f(a).f(b)<0的函数y＝f(x)，通过不断地把函数y＝f(x)的零点所在的区间一分为二，使区间的两个端点逐步逼近零点，进而得到零点近似值的方法。

c为[a，b]上的中间点，f(c)为该点的函数值，

若f(c)＝0则c点为函数的零点；

若f(a).f(c)<0,则令b＝c；

若f(c).f(b)<0,则令a＝c；

在本例中，若判断结果为单向时延增长，表明第n个探测流的发送速率R(n)大于可用带宽A，则用R(n)替换前一步中的发送速率范围的最大值；若单向时延不增，表明发送速率R(n)小于等于可用带宽A，则用R(n)替换前一步中的发送速率范围的最小值。

利用二分法，自适逼近，找到使单向时延不增的发送速率。

在步骤405，判断发送速率是否达到临界值；

具体地，若达到了预设的临界值，则调整完毕，输出带宽值，若未达到预设的临界值，则返回重新调整发送速率，直到发送速率达到预设的临界值为止。

接下来详细介绍利用二分法调节发送速率：

图5为可用带宽测量方法中具体的二分速率调节算法流程图；

如图5所示：在步骤501，启动调整发送速率采用二分法；

在步骤502，接收端基于TCP协议握手；

在步骤503，发送端收到请求；

在步骤504，收到请求后发送端以T为周期向基于TCP协议的接收端发送Fake-Acks探测流。

具体地，设S(i)为发送端发送第i个探测包的时间；S(i)＝S(i-1)+T，

r(i)为目的端接收第i个探测包的时间，r(i)＝s(i)+d(i)+Ο，

d(i)为探测包i的单向延时，Ο为两端主机的时钟上的偏差。

t(i)＝r(i)-r(i-1)＝T+d(i)-d(i-1)是两个探测包的接收时间之差。

在步骤505，计算OWD和PCT的值；

具体地，根据上述三个式子：

S(i)＝S(i-1)+T，r(i)＝s(i)+d(i)+Ο

t(i)＝r(i)-r(i-1)＝T+d(i)-d(i-1)

由上面三个关系式可以地推到单向延时d(i)：

d(i)＝r(i)-s(i)-Ο＝t(i)+r(i-1)-s(i-1)-T-Ο＝d(i-1)+t(i)-T

由上式可以知道d(i)和d(i-1)之间的关系。在最初的测量时d(1)＝0，可以递推出单向延时延。

通过结合以以上两个指标对OWD的变化趋势进行判断：

S_PCT中的函数为真值函数，当括号里等式为真时，函数结果为1，相应的，当括号里等式为假时，函数返回值为0。因此S_PCT参数在此处表示的是在一次测量过程中得到的所有单向时延中后一个时延大于前一个时延的个数占总的时延个数的比例。

而S_PDT表示的则是所有得到的时延结果中最后一个时延与第一个时延的差值和所有相邻时延的变化值的比值。

通过两者共同计算来确定单向延迟OWD是否为增长趋势。

在步骤506，判断是否超过PCT上升阈值或PDT上升阈值流个数且大于一半的流数；

具体地，当两个参数同时使用时，S_PCT>0.66且S_PDT>0.45，或者S_PCT>0.54且S_PDT>0.55时判定时延变化趋势为增加。当S_PCT<0.54且S_PDT<0.55，或者S_PCT<0.66且S_PDT<0.45时，判定时延变化趋势无明显增长。其余情况都无法判定时延的变化趋势。

在步骤507，发送速率向下调整；

具体地，若判断结果为单向时延为增长，表明第n个探测流的发送速率R(n)大于可用带宽A，则第n+1个流的发送速率R(n+1)应取小于R(n)的值；

在步骤508，发送速率向上调整；

具体地，若单向时延为不增，表明发送速率R(n)不大于可用带宽A，则R(n+1)应取大于R(n)的值。

在步骤509，找到发送速率的上界值与下界值小于临界值；

具体地，本方法通过改变发送探测包的周期T来调节发送速率R。

对于给出的可用带宽可能值范围(R_min,R_max)，若R(n)＜A，则取：R(n+1)＝(R(n)+R_max)/2，R_min＝R(n)；

反之，若R(n)≥A，则取：

R(n+1)＝(R(n)+R_min)/2，R_max＝R(n)。

具体地，在[a,b]上利用二分法不断地把函数y＝f(x)的零点所在的区间一分为二，使区间的两个端点逐步逼近零点，进而得到零点近似值的方法，其中c为[a,b]上一点。

若f(a).f(c)<0,则令b＝c；

若f(c).f(b)<0,则令a＝c；

设f(n)＝R(n)-R(A),

若R(n)＜A，f(n)<0，R(n)应继续调大，则取：

R(n+1)＝(R(n)+R_max)/2，R_min＝R(n)；此时在带宽可能值范围(R_min,R_max)中，Rmin值将向比Rmin值大的方向移动，从而使(R_min,R_max)的范围缩小；

若R(n)≥A，f(n)>0，R(n)应继续调小，则取：

R(n+1)＝(R(n)+R_min)/2，R_max＝R(n)；此时在带宽可能值范围(R_min,R_max)中，Rmac值将向比Rmax值小的方向移动，从而使(R_min,R_max)的范围缩小；

通过上述方法使(R_min,R_max)不断缩小变化范围；

其中f(n)＝R(n)-R(A)只是一种设法，还可以用其他等式代替。

具体地，在找到单向延迟OWD变化拐点的前后两次发送速率分别为R(Y-1)与R(Y)，通过判定|R(Y)-R(Y-1)|小于设定的允许误差后结束程序，由此可以确定A的值落在(R(Y-1),R(Y))或(R(Y),R(Y-1))中，取中值作为测量的可用带宽的结果。

上述步骤中所述的上界值和下界值可以为发送速率的最大值和最小值。

在步骤510，测量结束。

图6为本发明实施例的网络终端的装置图，如图6所示，包括：

发送装置601，用于向接收端周期性的发送探测流；

单向时延的变化趋势装置602，该装置用于对接收装置收到的信息进行处理，包括发送接收包的时间信息，单向延迟OWD变化趋势的计算结果信息等；

调整装置603，该装置根据单向延时的变化趋势装置所得单向延时的变化趋势，采用二分法发送速率调整方法来调节发送装置的发送速率；

带宽确定装置604，该装置用于根据发送速率的变化范围确定带宽。

上述四个装置利用二分法调节发送端的发送速率，从而使发送速率和真实可用带宽的误差在允许范围内，以此来估算出真实可用带宽。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单端可用带宽测量方法，其特征在于，其步骤包括：

发送端周期性向接收端发送探测流，其中需要测量从发送端到接收端方向上的可用带宽；

发送端接收来自接收端的数据集，并且判断数据集单向时延的变化趋势，其中所述数据集是接收端因应探测流而发送的；

以判断单向时延的变化趋势为依据，调整发送速率，继续向接收端周期性发送探测流，直到发送速率满足设定的第一阈值；

发送端根据当前发送速率变化的范围确定带宽。

2.根据权利要求1所述的一种单端可用带宽测量方法，其特征在于，所述接收端是基于TCP协议的终端，迫使所述接收端响应于探测流而回复数据包。

3.根据权利要求1所述的一种单端可用带宽测量方法，其特征在于，所述调整发送端的发送速率包括采用二分法调整发送速率。

4.根据权利要求1所述的一种单端可用带宽测量方法，其特征在于，所述探测流发送速率大于可用带宽时，单向时延有增大的变化趋势；所述探测流R小于等于可用带宽时，单向时延倾向保持不变。

5.根据权利要求1所述的一种单端可用带宽测量方法，其特征在于，所述发送速率满足设定的第一阈值包括发送速率最大值与最小值的差值小于设定的第二阈值。

6.根据权利要求1所述的一种单端可用带宽测量方法，其特征在于，根据发送速率变化的范围确定带宽包括选取所述发送速率满足的最大值和最小值的中间值作为测量所得的可用带宽。

7.根据权利要求1所述的一种单端可用带宽测量方法，其特征在于所述判断数据集单向时延的变化趋势包括采用S_PCT和S_PDT来确定单向延迟是否为增长趋势，其中参数S_PCT表示的是在一次测量过程中得到的所有单向时延中后一个时延大于前一个时延的个数占总的时延个数的比例，参数S_PDT表示的是所有得到的时延结果中最后一个时延与第一个时延的差值和所有相邻时延的变化值的比值。

8.一种网络终端，包括：

发送装置，周期性向接收端发送探测流，其中需要测量从发送端到接收端方向上的可用带宽；

单向时延变化趋势确定装置，根据数据集确定单向时延的变化趋势，其中所述数据集是接收端因应探测流而发送的；

调整装置，以判断单向时延的变化趋势为依据，调整发送端的发送速率，以使发送装置继续向接收端周期性发送探测流，直到发送速率满足设定的第一阈值；

带宽确定装置，根据发送速率的变化范围确定带宽。