CN105245399B - 一种端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法，包括S1、捕获探测数据包队列在每一个链路上的平均传输间隔，从而确认拥塞链路；S2、度量拥塞链路的容量；S3、计算拥塞链路的可用带宽；S4、在拥塞链路中找出待测路径的瓶颈链路，并输出它的位置、容量和可用带宽信息。通过发送一组探测数据包队列，该组数据包队列从源节点传送到目标节点，跟踪该队列在每一段链路上的内部数据包传输间隔，捕获探测数据包队列在每一个链路上的平均传输间隔即PPD值，确认拥塞链路；在一个度量周期内，获知端到端通信路径中瓶颈链路的位置、可用带宽、带宽物理容量上限；且基于主动探测机制，无需在网络路径的沿途各节点中安装软件，适用范围广泛。

Description

一种端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法

技术领域

本发明属于计算机网络领域，应用于网络通信行业，具体涉及一种端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法。

背景技术

度量网络通信路径中的拥塞情况，并获得瓶颈链路的位置、可用带宽、以及带宽上限等信息，是一种非常重要的能力。这种能力，在计算机网络的拥塞控制、流媒体应用、QoS、覆盖型网络，以及流量控制等很多领域都有广泛的应用空间。

现有的算法能够获知瓶颈链路的位置，通信路径的可用带宽，以及通信路径的带宽上限，但却是由不同的度量工具分别获得的。由于不同工具所采用的数学模型，以及探测技术并不兼容，因此当前没有一个技术能够同时度量瓶颈链路的这三个属性。如果运行三款不同的工具，把度量分成三个步骤来做的话，又会生成大量的冗余的探测数据包，且度量时间太长，准确性将下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法。该方法可在一个度量周期内，获知端到端通信路径中瓶颈链路的位置、可用带宽以及带宽物理容量上限；且本发明基于主动探测机制，无需在网络路径的沿途各节点中安装软件，适用范围广泛。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法，该方法包括如下步骤：

S1、捕获探测数据包队列在每一个链路上的平均传输间隔即PPD值，从而确认哪些链路是拥塞链路；

S2、度量拥塞链路的容量；

S3、计算拥塞链路的可用带宽；

S4、在拥塞链路中找出待测路径的瓶颈链路，并输出它的位置、容量和可用带宽信息。

进一步的，所述的步骤S1中，队列在各个链路上的平均传输间隔即PPD值的估计方法如下：

定义探测数据包队列包括2N个数据包(1≤N≤255)，每一个数据包的大小都相同(S字节)。每一个方框都是UDP数据包，方框中的数字是该数据包的存活值(Time-To-Live,TTL)，这个值从两边往中间依次递增。

源节点R0以背靠背(back-to-back[Hu03])的方式，尽可能紧凑地把一组数据包队列往目标节点Rn发送过去。当该队列抵达第一个路由器，也就是R1时，队列的头和尾两个数据包由于TTL值为1，就被R1丢弃了，丢弃的同时R1会发送两个ICMP Error包给R0。该队列中其余的探测数据包，在TTL值都被R1减1之后，就被传送到R2。

后续的中间节点(也即路由器)，包括R2在内，会一直重复R1的操作，直到该队列抵达终点Rn。这样下来，每一个中间节点都会给R0发送一对ICMP Error包，源节点记录下来它接收这两个包的时间间隔，即可估计队列在各个链路上的平均传输间隔。

队列在每一个链路上的传输间隔，与队列在该链路上的探测数据包数量成正比；

定义：PPD代表了每两个相邻数据包的最后一个字节间的距离；

队列在链路Li上的间隔是Δ_i，而PPD在Li上的值是pi，则有：

此外，以p-1来表示当队列被R0发送出去时的PPD值，使用PPD值来探索数据包队列和各链路的关系。

需要进一步说明的是，使用队列探测该路径一次，并收集返回的ICMP报错包以计算所有链路的PPD值；所以，一次探测就得到一个PPD序列：p-1，p0，p1…pn-2；

由于前向的后向的背景数据流会给PPD序列带来很多噪音，所以在使用PPD来定位拥塞队列时，需先采用填充PPD序列中的山峰和低谷的方法来处理PPD序列，具体处理方法如下：

S11、一个山峰指的是在连续的PPD三元组(p1,p2,p3)中，p1<p2>p3成立。低谷指的是满足p1>p2<p3的一个三元组。在这样的三元组中，山峰和低谷都被与它数值最接近的p1或者p3所替代，因为我们认为山峰和低谷是由网络噪音带来的；

S12、通过划分PPD序列，构造临时的分组来找到PPD值被扩大的链路，也即拥塞链路。规则是这样的：每一个PPD值都被分类到一个组中；每个组中至少包含一个PPD；队列中所有的PPD都需要满足|p1-pi|<threshold，这里p1是队列中的第一个PPD，而pi是队列中的任一其他PPD。

每组PPD中第一个PPD对应的下标，就是对应的拥塞链路的下标。再获得拥塞链路的下标也即位置之后，即可转入步骤S2和S3度量每一个拥塞链路的容量和可用带宽。

进一步的，所述步骤S2中度量拥塞链路的容量具体方法如下：

定义：Di表示一个数据包从R0到Ri的传输延迟；Ci表示链路Li的容量；di表示链路Li的物理传输延迟；S表示数据包的大小；Qi表示该数据包在链路Li中被缓冲延迟的时间；

则，

为了度量Di的值，源节点R0生成一个数据包，把数据包的TTL值设为i，然后向目的节点发送；该数据包会被Ri丢弃，同时Ri返回一个ICMP报错包给R0。通过这种方法，R0就获知了从它到Ri的往返时间差，该时间差约等于2Di，然后即可计算出Di。

在所有发往Ri的数据包计算出的Di中，最小的那个Di值，包含的缓冲延迟最小；通过这的方法，Qk可以根据统计从公式(2)中去掉：使用最小的Di值；

在实际的探测中，相邻数据包还需要按一定的间隔I分开来，以避免重叠；

I＝max{pi,-1≤i<n-1} (3)

探测链路Li的两端，也即Ri和Ri+1；使用的都是大小为S的数据包，得了一组Di和Di+1值；于是数据包在链路Li上的传输延迟就等于

根据上面的分析，为了获得Ci，源节点R0需要按照不同的大小，发送多组数据包到目标链路Li的两端Ri和Ri+1，画出每组数据包发射后获得的min(Di+1)-min(Di)除以数据包的大小S，得到的直线的斜率的倒数，就是Ci。

进一步的，所述的步骤S3中计算拥塞链路的可用带宽具体方法如下：

设定：在链路Li上的背景数据流的传输速率为

根据定义因为在度量过程中被认为是固定不变的，可以认为背景数据流被平均分布到每两个相邻探测数据包之间；那么，在一个pi-1间隔内，进入链路Li的背景数据流是同时，仅有一个探测数据包抵达Li，即结果是，链路Li在一个pi-1的间隔里，接收的数据是Xi+S。

在一个pi-1的间隔里，链路Li能够传输的数据量是C_i·p_i-1；

当时，

这意味着所有进来的数据包，都会被Li传送出去且没有缓冲延迟，于是PPD的值保持不变，即pi＝pi-1；

当时，PPD被扩大了，即pi>pi-1且Li被认为是拥塞链路；这意味着Li需要比pi-1更多的时间来传送出在pi-1间隔内进入它的数据包；在这种情况下，Li把pi-1扩大为：

通过公式(6)，以及和推出Ai为

公式(7)中的参数pi-1，pi和Ci，以及S都能在前面的步骤中度量出来，那么Ai就能直接计算。

进一步的，所述的步骤S3中，所述的瓶颈链路即为可用带宽最小的拥塞链路。

本发明采用以上技术方案，发送一组探测数据包队列，这一组数据包队列从源节点传送到目标节点，跟踪该队列在每一段链路上的内部数据包传输间隔，捕获探测数据包队列在每一个链路上的平均传输间隔即PPD值，确认拥塞链路；本发明可在一个度量周期内，获知端到端通信路径中瓶颈链路的位置、可用带宽、带宽物理容量上限；且本发明基于主动探测机制，无需在网络路径的沿途各节点中安装软件，适用范围广泛。

附图说明

图1是本发明端到端网络路径的简化模型；

图2是本发明端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法流程图；

图3是本发明探测数据包队列的结构；

图4是本发明探测数据包队列在相邻两段链路上的PPD示意图；

图5是本发明传输延迟和带宽容量度量过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

可用带宽，指的是在不影响网络路径中背景数据流的情况下，端到端通信所能够获得的最大数据传输率[Jain]。可用带宽是计算机网络的核心概念之一，它在协议设计、网络管理、QoS部署、组播通信和多媒体传输等诸多方面有着重要意义。

例如，TCP协议的一个主要设计目标就是在不堵塞网络的情况下，最大限度地利用可用带宽。在每一个网络中，管理员都需要监测各个链路的负载情况进而合理地配置网络资源，可用带宽正是网络监测和配置的重要参考依据。而且，能否获得预期的可用带宽也是网络运营商(ISP)部署QoS的关键考核指标。与此同时，大量的网络应用也迫切需要具备快速度量可用带宽的能力。组播通信就需要在占用最小网络资源(包括可用带宽)的情况下，协同多个网络节点以维护高效的组播路由树。多媒体应用如点对点视频会议，同样需要快速感知各节点间可用带宽的变化，并据此及时调整数据压缩算法和传输策略。

可用带宽是在网络路径的上下文中定义的。网络路径由一序列存储转发链路组成，它能够把数据包从源终端主机(R0)通过一系列中间节点R1,R2,…,Rn-1传输到目标终端主机(Rn)。链路Li是从Ri到Ri+1的数据传输通道，这里0≤i≤n-1。在t时刻Li的利用率Ui(t)为

当Ui(t)＝0时，Li的传输速率为0，反之Li以固定的速率Ci传输数据包。这里Ci又被称为Li的物理传输速率或带宽容量(capacity)，它是由链路的物理特性决定的，与时间t无关。端到端(R0到Rn)数据传输率的上限CP，由最小的链路带宽容量决定：

决定CP的那段链路被称为狭窄链路(narrow link)[Jain]，同一网络路径中可能存在多条狭窄链路。在某一时段[t,t+τ]内链路Li的利用率为

易知Ui(t,t+τ)∈[0,1]。在时段[t,t+τ]内Li的平均数据传输率为

λ_i＝C_i·U_i(t,t+τ). (11)

一般称λi为Li中背景数据流(cross-traffic)的传输速率。背景数据流即Li正常传输的数据流，这么称呼是为了把它们跟度量系统出于探测目的而发送的探测数据流(probe-traffic)区分开来。

在时段[t,t+τ]内Li的可用带宽Ai指的是Li的平均空闲传输速率，即

本发明所关注的可用带宽，并非单个链路的可用带宽，而是待测网络路径的端到端可用带宽AP，它由路径中最小的链路可用带宽决定：

决定AP的那段链路常被称为紧凑链路(tight link)[Hu]或瓶颈链路(bottlenecklink)[Zhou]。与狭窄链路不同的是，在一个网络路径中瓶颈链路往往只有一条，且其位置还会随着网络负载的不同而变化。

在实际度量过程中，时间τ并不是固定的值，按照惯例它等于度量系统的一个度量周期(即运行一次系统以度量AP所用的时间)[Jain]。所以对于不同的度量系统而言，时间τ通常不同；即使是同一个系统，在软硬件配置或者待测路径的属性变化时τ也会随着变化。

如图1所示，是上述概念的简单示例。其中R0和Rn作为源终端主机和目标终端主机分别位于路径的首尾两端，链路Li的可用带宽Ai等于带宽容量Ci减去背景数据流的传输速率λi。对于一个中间节点而言，背景数据流可以有多个来源(source)和去处(sink)。

在过去的15年里，业界基于主动探测机制研发了大量的软件系统。其中常被讨论和比较的有Abget[Antoniades],BFind[Akella],[Zhou],Cprobe[Carter],Delphi[Ribeiro00],IGI[Hu],Netest[Netest],Pathchirp[Ribeiro03],Pathload[Jain],Pipechar[Netest],SProbe[Saroiu],Spruce[Strauss]和TOPP[Melander]等十三个系统。

按照运行模式的不同，这些系统可以分为单终端系统和双终端系统两类。它们的主要区别是单终端系统仅需在R0上安装软件，而双终端系统要求在R0和Rn上都安装。相比之下，双终端系统的度量结果更准确，这是因为它能够利用R0和Rn的协作简化度量过程，而不像单终端系统那样必须面对反向路径(Rn到R0)的干扰。但是双终端系统的应用范围非常有限，原因是用户往往只能在R0(一般是用户自己的机器)上安装软件，而不具备在远程的Rn上安装软件的权限。与此相反，单终端系统只需要安装在R0上，就能用来度量以R0为源终端主机的绝大多数网络路径的可用带宽。

第一个单终端系统是CProbe[Carter]，它同时也是最早的可用带宽度量系统。CProbe充分利用了ICMP协议的请求－应答机制[Postel]。具体地，CProbe从R0向Rn发送多组用于探测的IP包(IP包中的time-to-l ive域被设置为从1到n之间的值，且destinationport域设置成一个非监听端口)；这些IP包触发了节点的ICMP错误处理流程，所以R1,…,Rn会向R0发送ICMP time-exceeded(TE)和destination-unreachable(DU)包；CProbe接收到ICMP TE和DU包后，将根据接收时间推算探测IP包在每段链路上传输速率的变化情况，进而估算可用带宽。

在CProbe之后，Pipechar[Netest]也采用了基于ICMP协议的方法，而SProbe[Saroiu]则是基于TCP和HTTP协议开发的，它们都有目的地利用了协议的特性以获取远程节点的反馈，并挖掘应答数据包的间隔变化规律进而估算可用带宽。

但文献[Dovrolis]中的工作证明了CProbe和Pipechar所度量的其实并不是可用带宽，而是非对称分散速率(asymptotic dispersion rate)。所以在CProbe和Pipechar之后的单终端系统，都必须证明它们所度量的确实是可用带宽。在后续的系统中，常被讨论的有Abget[Antoniades]，BFind[Akella]和BNeck[Zhou]。

最典型的双终端系统是Pathload[Jain]。Pathload的程序分为pathload_snd和pathload_rcv两部分，其中pathload_snd安装在R0上，而pathload_rcv安装在Rn上。初始状态下，Pathload认为可用带宽属于区间[0,C0]。然后pathload_snd以速率x＝C0/2发送y组探测数据包(默认情况下y＝6)。Rn上的pathload_rcv在接收到每一组数据包后，计算相邻探测数据包的间隔是否呈递增趋势。

如果多组数据包的间隔都呈递增趋势，那么Pathload认为x>AP且AP∈[0,x]，否则x≤AP且AP∈[x,C0]。假设在一次探测完后AP∈[a,b]，那么pathload_snd会以x＝(a+b)/2的速率发送y组数据包再一次探测网络路径并缩小可用带宽的所属区间。当(b-a)<σ(或出现了意外)时，Pathload才停止探测并输出[a,b]，这里σ是事先设定的阀值。需要注意的是Pathload最终输出的是一个带宽区间，而不是单一数值。除了Pathload外，常见的双终端系统还有Delphi[Ribeiro00],IGI[Hu],Netest[Netest],Pathchirp[Ribeiro03],Spruce[Strauss]和TOPP[Melander]。

如图2所示，本发明提供一种端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法，该方法包括如下步骤：

S1、捕获探测数据包队列在每一个链路上的平均传输间隔即PPD值，从而确认哪些链路是拥塞链路；

S2、度量拥塞链路的容量；

S3、计算拥塞链路的可用带宽；

S4、在拥塞链路中找出待测路径的瓶颈链路，并输出它的位置、容量和可用带宽信息。

本实施例的核心思想是：快速定位通信路径中的拥塞链路，并度量其属性。具体的，本技术发送一组探测数据包队列，这一组数据包队列从源节点传送到目标节点，跟踪该队列在每一段链路上的内部数据包传输间隔。根据经验，当这个数据包队列流经一个链路时，如果链路的可用带宽低于包队列的传输速度，那么该队列会被减速，也即内部数据包的平均传输间隔会被加大。根据定义，拥塞的链路正是扩大数据包传输间隔的链路。

本发明的工作，主要集中在度量拥塞链路的属性上。这是因为，瓶颈链路就是路径中的拥塞链路之一，它的可用带宽在所有拥塞链路中是最低的。

为了获得数据包队列在每个链路上的内部平均传输间隔(per-link dispersion,PPD)，需要设计一种全新的数据包队列，如图3所示。

这个队列包括2N个数据包(1≤N≤255)，每一个数据包的大小都相同(S字节)。每一个方框都是UDP数据包，方框中的数字是该数据包的存活值(Time-To-Live,TTL)，这个值从两边往中间依次递增。这种设计，能够允许该队列通过最多包含了N个路由器的路径。尽管队列中数据包的数量决定了该队列将带给网络的负载，但数量越大则表示该队列与背景数据流的交互越深。因此，使用一个相对较长的队列还是有好处的。

源节点R0以背靠背(back-to-back[Hu03])的方式，尽可能紧凑地把一组数据包队列往目标节点Rn发送过去。当该队列抵达第一个路由器，也就是R1时，队列的头和尾两个数据包由于TTL值为1，就被R1丢弃了，丢弃的同时R1会发送两个ICMP Error包给R0。该队列中其余的探测数据包，在TTL值都被R1减1之后，就被传送到R2。

后续的中间节点(也即路由器)，包括R2在内，会一直重复R1的操作，直到该队列抵达终点Rn。这样下来，每一个中间节点都会给R0发送一对ICMP Error包，源节点记录下来它接收这两个包的时间间隔，就可以估计队列在各个链路上的平均传输间隔。

需注意的是：最后一个链路(Ln-1)的ICMP Error包一般不被采用。这是因为，队列中的每一个数据包都把目标端口设成了一个没有被Rn监听的值，所以队列中剩下多少个数据包，节点Rn就可能会返回多少个ICMP port-unreachable的Error包，而不仅仅是两个。当节点短期内产生大量的ICMP包时，这些包之间可能会有额外的延迟，Rn也可能出于安全的考虑而不为所有的错误生成ICMP包。

那么，队列在每一个链路上的传输间隔，与队列在该链路上的探测数据包数量成正比。因为每一个中间的节点都会把头和尾数据包丢弃，所以在计算平均传输间隔时，我们需要考虑探测队列在特定链路上，有多少个数据包。我们引入平均数据包间隔(Per-PacketDispersion,PPD)，来更准确地表达我们希望考虑的因素。PPD代表了每两个相邻数据包的最后一个字节间的距离。队列在链路Li上的间隔是，而PPD在Li上的值是pi，那么有：

此外，以p-1来表示当队列被R0发送出去时的PPD值。既然拥塞的链路会扩大队列的传输间隔，那么它同样会扩大PPD的值。所以，PPD允许我们探索数据包队列和各链路的关系。

如图4所示，本发明提供如下的小试验，用一组队列来反复地探测一有7个链路的通信路径。该路径在我们的监管之下，它连接了中科院软件所和中科院研究生院的两台服务器。在路由器上的日志表明：如果Ai小于该队列在Li上的传输速率的话，那么PPD就被按照一定的比例扩大了，而如果那么该队列的PPD保持不变。这是个非常重要的结论，其效果如图4所示。

需要进一步说明的是，本实施例中使用队列探测该路径一次，并收集返回的ICMP报错包以计算所有链路的PPD值；所以，一次探测就得到一个PPD序列：p-1，p0，p1…pn-2；

理想的情况下，当一个链路没有足够的可用带宽以容纳快速进入的队列时，PPD的值会增加；当该链路有足够的带宽空间以容纳队列时，PPD的值保持不变。因此，PPD永远都不会减少。然而，在实际情况中，由于前向的后向的背景数据流会给PPD序列带来很多噪音，所以在使用PPD来定位拥塞队列时，需先采用填充PPD序列中的山峰和低谷的方法来处理PPD序列，具体处理方法如下：

S11、本实施例中采用的处理方法是填充PPD序列中的山峰和低谷。一个山峰指的是在连续的PPD三元组(p1,p2,p3)中，p1<p2>p3成立。低谷指的是满足p1>p2<p3的一个三元组。在这样的三元组中，山峰和低谷都被与它数值最接近的p1或者p3所替代，因为我们认为山峰和低谷是由网络噪音带来的；

S12、接下来，通过划分PPD序列，构造临时的分组来找到PPD值被扩大的链路，也即拥塞链路。规则是这样的：每一个PPD值都被分类到一个组中；每个组中至少包含一个PPD；队列中所有的PPD都需要满足|p1-pi|<threshold，这里p1是队列中的第一个PPD，而pi是队列中的任一其他PPD。

结果是，每组PPD中第一个PPD对应的下标，就是对应的拥塞链路的下标。再获得拥塞链路的下标也即位置之后，即可转入步骤S2和S3度量每一个拥塞链路的容量和可用带宽。

本实施例中，所述步骤S2中度量拥塞链路的容量具体方法如下：

定义：Di表示一个数据包从R0到Ri的传输延迟；Ci表示链路Li的容量；di表示链路Li的物理传输延迟；S表示数据包的大小；Qi表示该数据包在链路Li中被缓冲延迟的时间；

则，

为了度量Di的值，源节点R0生成一个数据包，把数据包的TTL值设为i，然后向目的节点发送；该数据包会被Ri丢弃，同时Ri返回一个ICMP报错包给R0。通过这种方法，R0就获知了从它到Ri的往返时间差，该时间差约等于2Di，然后即可计算出Di。

计算机网络中有一个现象，即由背景数据流导致的缓冲延迟，只会延长传输延迟，而绝不会缩短。所以，在所有发往Ri的数据包计算出的Di中，最小的那个Di值，包含的缓冲延迟最小；通过这的方法，Qk可以根据统计从公式(2)中去掉：使用最小的Di值；

在实际的探测中，相邻数据包还需要按一定的间隔I分开来，以避免重叠；

I＝max{pi,-1≤i<n-1} (3)

本发明系统探测链路Li的两端，也即Ri和Ri+1；使用的都是大小为S的数据包，得了一组Di和Di+1值；于是数据包在链路Li上的传输延迟(不包含缓冲延迟的)就等于

如图5所示，根据上面的分析，为了获得Ci，源节点R0需要按照不同的大小，发送多组数据包到目标链路Li的两端Ri和Ri+1，画出每组数据包发射后获得的min(Di+1)-min(Di)除以数据包的大小S，得到的直线的斜率的倒数，就是Ci。如图5(b)所示，该图展示了这个计算过程。

本实施例中所述的步骤S3中计算拥塞链路的可用带宽具体方法如下：

在链路Li上(从Ri到Ri+1)的背景数据流的传输速率为

根据定义因为在度量过程中被认为是固定不变的，可以认为背景数据流被平均分布到每两个相邻探测数据包之间；那么，在一个pi-1间隔内，进入链路Li的背景数据流是同时，仅有一个探测数据包抵达Li，即结果是，链路Li在一个pi-1的间隔里，接收的数据是Xi+S。

在一个pi-1的间隔里，链路Li能够传输的数据量是C_i·p_i-1；

当时，

这意味着所有进来的数据包，都会被Li传送出去且没有缓冲延迟，于是PPD的值保持不变，即pi＝pi-1；

当时，PPD被扩大了，即pi>pi-1且Li被认为是拥塞链路；这意味着Li需要比pi-1更多的时间来传送出在pi-1间隔内进入它的数据包；在这种情况下，Li把pi-1扩大为：

通过公式(6)，以及和推出Ai为

公式(7)中的参数pi-1，pi和Ci，以及S都能在前面的步骤中度量出来，那么Ai就能直接计算。需要注意的是An-1不在可计算范围内，这是因为我们无法捕获pn-1。但在实际网络环境中，瓶颈链路是通信路径途中的某一段链路，但一般都不会是最后的一段。

进一步的，所述的步骤S3中，所述的瓶颈链路即为可用带宽最小的拥塞链路。

在所述步骤S4中，可知，可用带宽最小的拥塞链路，就是所要找的瓶颈链路。本实施例至此，即可在一个度量周期内输出瓶颈链路的位置(也即下标)，容量和可用带宽。

上述实施例中，通过发送一组探测数据包队列，这一组数据包队列从源节点传送到目标节点，跟踪该队列在每一段链路上的内部数据包传输间隔，捕获探测数据包队列在每一个链路上的平均传输间隔即PPD值，确认拥塞链路；本发明可在一个度量周期内，获知端到端通信路径中瓶颈链路的位置、可用带宽、带宽物理容量上限；且本发明基于主动探测机制，无需在网络路径的沿途各节点中安装软件，适用范围广泛。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

S1、捕获探测数据包队列在每一个链路上的平均传输间隔即PPD值，从而确认哪些链路是拥塞链路；

S2、度量拥塞链路的容量；

S3、计算拥塞链路的可用带宽；

S4、在拥塞链路中找出待测路径的瓶颈链路，并输出它的位置、容量和可用带宽信息；

其中，所述步骤S2中度量拥塞链路的容量具体方法如下：

定义：D_i表示一个数据包从R0到Ri的传输延迟；Ci表示链路Li的容量；di表示链路Li的物理传输延迟；S表示数据包的大小；Q_i表示该数据包在链路Li中被缓冲延迟的时间；

则，

为了度量D_i的值，源节点R0生成一个数据包，把数据包的TTL值设为i，0≤i≤255,i为正整数；然后向目的节点发送；该数据包会被Ri丢弃，同时Ri返回一个ICMP报错包给R0；通过这种方法，R0就获知了从它到Ri的往返时间差，该时间差约等于2Di，然后即可计算出Di；

在所有发往Ri的数据包计算出的D_i中，最小的那个D_i值，包含的缓冲延迟最小；当D_i取最小的值时，Q_k趋近于零，在这种情况下可以从公式(2)中去掉Q_k；

在实际的探测中，相邻数据包还需要按一定的间隔I分开来，以避免重叠；

I＝max{pi,-1≤i<N}(3)

其中，N为正整数，pi是相邻数据包被节点Ri处理的时间间隔；探测链路Li的两端，也即Ri和Ri+1；使用的都是大小为S的数据包，得了一组D_i和D_i+1值；于是数据包在链路Li上的传输延迟就等于

根据上面的分析，为了获得Ci，源节点R0需要按照不同的大小，发送多组数据包到目标链路Li的两端Ri和Ri+1，画出每组数据包发射后获得的min(Di+1)-min(Di)除以数据包的大小S，得到的直线的斜率的倒数，就是Ci；

其中，所述的步骤S3中计算拥塞链路的可用带宽具体方法如下：

设定：在链路L_i上的背景数据流的传输速率为

根据定义因为在度量过程中被认为是固定不变的，可以认为背景数据流被平均分布到每两个相邻探测数据包之间；那么，在一个p_i-1间隔内，进入链路L_i的背景数据流是同时，仅有一个探测数据包抵达L_i，结果是，链路L_i在一个p_i-1的间隔里，接收的数据是X_i+S；表示探测数据包进入链路Li时的传输速率；

在一个p_i-1的间隔里，链路L_i能够传输的数据量是C_i·p_i-1；

当r_pi-1≤A_i时，

当r_pi-1＞A_i时，

通过公式(6)，以及和推出拥塞链路的可用带宽A_i为

2.根据权利要求1所述的端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法，其特征在于：所述的步骤S1中，队列在各个链路上的平均传输间隔即PPD值的估计方法如下：

定义探测数据包队列包括2N个数据包，1≤N≤255，N为正整数；每一个数据包的大小为S字节，每一个方框都是UDP数据包，方框中的数字是该数据包的存活值，这个值从两边往中间依次递增；

源节点R0以背靠背的方式，尽可能紧凑地把一组数据包队列往目标节点Rn发送过去，当该队列抵达第一个路由器，也就是R1时，队列的头和尾两个数据包由于TTL值为1，就被R1丢弃了，丢弃的同时R1会发送两个ICMP Error包给R0，该队列中其余的探测数据包，在TTL值都被R1减1之后，就被传送到R2；

后续的中间节点，包括R2在内，会一直重复R1的操作，直到该队列抵达终点Rn；这样下来，每一个中间节点都会给R0发送一对ICMP Error包，源节点记录下来它接收这两个包的时间间隔，即可估计队列在各个链路上的平均传输间隔；

队列在每一个链路上的传输间隔，与队列在该链路上的探测数据包数量成正比；

定义：

PPD代表了每两个相邻数据包的最后一个字节间的距离；

队列在链路Li上的间隔是Δ_i，而PPD在Li上的值是pi，则有：

此外，以p-1来表示当队列被R0发送出去时的PPD值，使用PPD值来探索数据包队列和各链路的关系。

3.根据权利要求2所述的端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法，其特征在于：使用队列探测该路径一次，并收集返回的ICMP报错包以计算所有链路的PPD值；所以，一次探测就得到一个PPD序列：p-1，p0，p1…pn-2；

由于前向和后向的背景数据流会给PPD序列带来很多噪音，所以在使用PPD来定位拥塞队列时，需先采用填充PPD序列中的山峰和低谷的方法来处理PPD序列，具体处理方法如下：

S11、一个山峰指的是在连续的PPD三元组(p1,p2,p3)中，p1<p2>p3成立；低谷指的是满足p1>p2<p3的一个三元组，在这样的三元组中，山峰和低谷都被与它数值最接近的p1或者p3所替代，因为我们认为山峰和低谷是由网络噪音带来的；

S12、通过划分PPD序列，构造临时的分组来找到PPD值被扩大的链路，也即拥塞链路；规则是这样的：每一个PPD值都被分类到一个组中；每个组中至少包含一个PPD；队列中所有的PPD都需要满足|p1-pi|<threshold，这里p1是队列中的第一个PPD，而pi是队列中的任一其他PPD；

每组PPD中第一个PPD对应的下标，就是对应的拥塞链路的下标；再获得拥塞链路的下标也即位置之后，即可转入步骤S2和S3度量每一个拥塞链路的容量和可用带宽。

4.根据权利要求1所述的端到端网络通信路径中瓶颈链路的度量方法，其特征在于：所述的步骤S3中，所述的瓶颈链路即为可用带宽最小的拥塞链路。