CN107426048A

CN107426048A - 一种单端可用带宽测量方法、装置以及发送端

Info

Publication number: CN107426048A
Application number: CN201710333693.XA
Authority: CN
Inventors: 张俊生
Original assignee: Tencent Technology Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Tencent Technology Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: CN107426048B

Abstract

本发明提出一种单端可用带宽测量方法、装置以及发送端。该单端可用带宽测量方法包括：设定发送端参数；发送基于TCP协议的探测包列至目的节点；接收从所述目的节点返回的TCP应答包，计算各所述探测包的往返时延；以及寻找往返时延下降至恒定值时的第一降速率包，若所述第一降速率包存在，则将发送所述第一降速率包时所述探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值。其基于TCP协议以及自负载降速率包列进行可用带宽的测量。本发明具有测量精度高、测量速度快、入侵度低、健壮性好等特点。

Description

一种单端可用带宽测量方法、装置以及发送端

技术领域

本发明属于网络性能测试领域，具体涉及一种基于TCP协议及自负载降速率包列的单端可用带宽测量方法及装置。

背景技术

可用带宽是指存在背景流(网络路径上已经存在的流量)的情况下，在不影响背景流传输速率的前提下，网络路径还能为其它流提供的最大数据传输速率。端到端路径的可用带宽是动态描述网络路径传输能力的重要参数，它能有效评估一条网络路径的实际承载能力和性能优劣，对于监测网络性能、诊断网络运行状况、优化网络性能具有重要意义。

按照运行方式的不同，可用带宽测量系统可用分为单终端系统和双终端系统。单终端系统只需在网络中的一个节点上安装测量工具就可测量至其他节点的路径上的可用带宽。双终端系统除需要在发送端安装测量工具外，还需要在目的节点安装测量工具。

现有的单端可用带宽测量方法是由发送端周期性的向目的节点发送基于ICMP协议的探测包，目的节点接收到探测包后产生ICMP应答包，发送端根据接收到的信息流单向时延变化判断发送速率与真实可用带宽的关系，直至发送速率和真实可用带宽的误差在可接受范围内，并将此时的发送速率作为可用带宽测量值。

发明内容

本申请发明人在不断地实践和摸索过程中发现，现有的单端可用带宽测量方法存在测量精度差、入侵性强、测量速度慢和适用范围窄等缺点。更进一步，本申请发明人发现：(1)测量精度差是由于ICMP处理时间通常从几十微秒到几百毫秒不等，且该ICMP处理时间对于可用带宽的测量是不可忽略的，动态变化的ICMP处理时间影响测量精度，且可能遇到ICMP限速的问题；(2)入侵性强和测量速度慢是由于需要连续重复的发送探测包，接收应答包；(3)适用范围窄是由于并非所有的网络节点都开启ICMP协议，若目的节点关闭了ICMP协议，就不能进行测量。

为解决现有技术存在的技术问题，以及基于上述本申请发明人的发现，本申请提出了一种单端可用带宽测量方法，包括：设定发送端参数；根据所述发送端参数发送基于TCP协议的探测包列至目的节点；其中，所述探测包列包括作为探测包的多个负载包和多个降速率包，所述多个负载包先被发送，所述多个降速率包后被发送；接收从所述目的节点返回的TCP应答包，计算各所述探测包的往返时延；以及寻找所述往返时延下降至恒定值时的第一降速率包，若所述第一降速率包存在，则将发送所述第一降速率包时所述探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值。

本发明的另一方面提供了一种单端可用带宽测量装置，包括：参数设定模块，用于设定参数；探测包列发送模块，根据所述参数发送基于TCP协议的探测包列至目的节点；其中，所述探测包列包括作为探测包的多个负载包和多个降速率包，所述多个负载包先被发送，所述多个降速率包后被发送；应答接收模块，用于接收从所述目的节点返回的TCP应答包，计算所述探测包列中的各探测包的往返时延；以及可用带宽确定模块，用于寻找所述往返时延下降至恒定值时的第一降速率包，若所述第一降速率包存在，则将发送所述第一降速率包时所述探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值。

本发明的另一方面提供了一发送端，包含上述的装置。

本发明能够达到的有益效果：

(1)本发明的技术方案是基于TCP协议，由于连接在网络上的大量终端节点中开启TCP协议以及使用TCP协议进行通信的场景非常多，因此本发明的技术方案具有广泛的应用场景。此外，由于本发明的技术方案是基于TCP协议，不存在ICMP处理时间对测量精度的影响，因此，具有更高的测量精度，稳定性、健壮性。

(2)本发明采用自负载降速率包作为探测包列，不需要长时间的连续重复的发送探测包，且可以发送一次探测包列就测得可用带宽值，测量速度快，入侵度低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1是本发明一实施例的基于TCP协议的单端可用带宽测量系统的拓扑图。

图2是本发明的探测包列的结构示意图。

图3是本发明一实施例的基于TCP协议的单端可用带宽测量方法的示意图。

图4是本发明一实施例的探测包的序号与往返时延示的关系意图。

图5是本发明一实施例的步骤140的具体步骤示意图。

图6是本发明另一实施例的基于TCP协议的单端可用带宽测量方法的示意图。

图7是本发明一实施例的基于TCP协议的单端可用带宽测量装置的结构示意图。

图8是本发明一实施例的装置。

图9是本发明一实施例的计算机可读介质。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

图1是本发明一实施例的基于TCP协议的单端可用带宽测量系统的拓扑图。请参考图1，基于TCP协议的单端可用带宽测量系统1具有依次连接的发送端10、n个中间节点N₁～N_n以及目的节点20，还具有连接于中间节点N₁的m个背景流发送端和连接于中间节点N_n的m个背景流接收端。发送端10用于发送基于TCP协议的探测包列，接收目的节点20返回的应答包，并基于探测包列中的每个探测包的往返时延确定可用带宽测量值。目的节点20用于在接收到探测包列中的探测包后，发送应答包至发送端10，应答包例如可以是ACK(Acknowledgement，确认字符)包。背景流发送端和背景流接收端是发送端10在进行可用带宽测量时网络链路中存在的背景流所对应的发送端和接收端。虽然在图1所示的基于TCP协议的单端可用带宽测量系统中m个背景流发送端均是连接于中间节点N₁，但应可以理解地，这m个背景流发送端中的一个或多个可以连接于n个中间节点N₁～N_n中的任一个，本发明对此并不加以限制。同样的，m个背景流接收端也不限于图1所示出的方式，均是连接于中间节点N_n，而是其中的一个或多个可以连接于n个中间节点N₁～N_n中的任一个。

本发明的发送端10发送的探测包列是自负载降速率包列。图2示出了自负载降速率包列的一形式，首先，发送端10以背靠背的方式连续向目的节点20发送d个负载包，以对网络路径进行充分拥塞，例如使路由器缓冲队列非空；而后，发送端10发送使所述探测包列的平均发送速率逐渐下降的降速率包。由于背靠背地发送两个负载包即会造成第二个负载包在紧链路的缓冲区队列中排队(也即造成紧链路拥塞)，因此，负载包的个数d大于1即可。在实际测量过程中，为使拥塞明显，可将d设置为较大的数值。需要注意的是，本发明所述的背靠背的形式是指相邻的两个负载包是紧挨着的，两者之间没有空隙。可以理解地，只要负载包能够使网络路径充分拥塞，d个负载包也可以不采用如图2所示出的背靠背的形式发送，即两个负载包之间可以具有空隙。

优选的，负载包和降速率包(统称为探测包)的大小可以相同，记为S。

优选的，探测包均为能够使目的节点20产生TCP应答包的数据包，例如建立TCP连接的请求包。另外，本申请发明人发现，如果发送一个已经被ACK的数据包，则会触发目的节点立即返回一个ACK。基于此发现，探测包还可以采用已经被ACK的数据包。

记α为探测包列的平均发送速率的递减因子，即发送第i个降速率包时探测包列的平均发送速率R_i与发送第i+1个降速率包时探测包列的平均发送速率R_i+1的比值。优选的，递减因子α为固定值，此时，多个降速率包使探测包列的平均发送速率以指数递减。

图3是本发明一实施例的基于TCP协议的单端可用带宽测量方法的示意图。请参考图3，基于TCP协议的单端可用带宽测量方法100包括：

步骤110：发送端设定参数。

具体而言，发送端可以设定负载包的个数d、多个降速率包的初始下降速率R、探测包的大小S和递减因子α等中的一个或多个。其中的初始下降速率R为发送第一个降速率包时探测包列的平均发送速率。优选的，初始下降速率R大于待测可用带宽值。

步骤120：发送端根据所设定的参数发送基于TCP协议的探测包列至目的节点。

其中的探测包列为如图2所示出的自负载降速率包列。优选的，发送端仅发送一次探测包列。

步骤130：发送端接收从目的节点返回的TCP应答包，计算探测包列中的个探测包的往返时延。

应可以理解，步骤130不一定是在步骤120完全执行完毕后才开始执行。也就是说，步骤130可以在步骤120发送探测包列中的一个或几个探测包后就开始执行。

步骤140：发送端寻找往返时延下降至恒定值时的第一降速率包，将发送第一降速率包时探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值avbw。

在图4所示出的探测包的序号与往返时延示的关系意图中，从第47个探测包开始往返时延下降至恒定值。也就是说，第47个探测包即为第一降速率包。本领域技术人员应当理解，本发明所述的往返时延下降至恒定值中的“恒定值”并非完全指一个固定的值，而是包含在一个固定值具有正负波动范围的情形，其中的波动范围例如可以是1％、3％、5％、10％等。

在一非限制性的实施例中，可用带宽测量值avbw可以由下式计算：

其中，S为探测包的大小，d为负载包的个数，k为第一降速率包在多个降速率包中的序号，t为从开始发送第一个负载包到发送第k个降速率包所需要的时间，R为发送第一个降速率包时探测包列的平均发送速率，α为探测包列的平均发送速率的递减因子。

图5示出了步骤140的更具体的一实施例。请参考图5，步骤140可以包括：

步骤141：判断往返时延下降至恒定值时的第一降速率包是否存在？若存在，则执行步骤142；若不存在，则执行步骤143。

步骤142：将发送第一降速率包时探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值avbw。

步骤143：断定待测可用带宽值超出测量范围，即待测可用带宽值小于或等于发送最后一个降速率包时探测包列的平均发送速率。

图6是本发明另一实施例的基于TCP协议的单端可用带宽测量方法的示意图。请参考图6，基于TCP协议的单端可用带宽测量方法200包括步骤210至步骤270，其中的步骤210至步骤240均分别与图3示出的基于TCP协议的单端可用带宽测量方法100中的步骤110至步骤140大致相同，因此在本部分主要对不同之处进行描述。

基于TCP协议的单端可用带宽测量方法200与方法100的主要差别在于，方法200能够根据特定条件重复执行步骤步骤210至步骤240，以对可用带宽进行多次测量。基于此不同，基于TCP协议的单端可用带宽测量方法200相应的还包括如下步骤：

步骤250：发送端判断测量是否完毕？若完毕，则结束测量，步骤270；反之，则执行步骤260。

步骤260：发送端根据上次的可用带宽测量值对参数进行调整，并返回步骤步骤210。

相应地，在步骤210中发送端还可以对测量重复次数进行设定。

优选的，在步骤240断定待测可用带宽值超出测量范围时，步骤260将初始下降速率R调整为小于或等于发送最后一个降速率包时探测包列的平均发送速率的值。

优选的，在相邻的两次测量中，设置足够长度的等待时间，以降低入侵性。

图7是本发明一实施例的基于TCP协议的单端可用带宽测量装置的结构示意图。基于TCP协议的单端可用带宽测量装置300包括参数设定模块310、探测包列发送模块320、应答接收模块330以及可用带宽确定模块340。

参数设定模块310用于设定参数。具体而言，可以设定负载包的个数d、多个降速率包的初始下降速率R、探测包的大小S、递减因子α和测量重复次数等中的一个或多个。优选的，初始下降速率R大于待测可用带宽值。

探测包列发送模块320用于根据参数设定模块310所设定的参数发送基于TCP协议的探测包列至目的节点。其中的探测包列为如图2所示出的自负载降速率包列。优选的，探测包列发送模块320仅发送一次探测包列。

应答接收模块330用于接收从目的节点返回的TCP应答包，计算探测包列中的个探测包的往返时延。应可以理解，探测包列发送模块320和应答接收模块330可以同时分别执行发送探测包和接收应答包。也就是说，应答接收模块330可以在探测包列发送模块320发送探测包列中的一个或几个探测包后就开始接收应答包。

可用带宽确定模块340用于寻找往返时延下降至恒定值时的第一降速率包，将发送第一降速率包时探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值avbw。

在一更具体的实施例中，可用带宽确定模块340可以还用于判断往返时延下降至恒定值时的第一降速率包是否存在；若存在，则将发送第一降速率包时探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值avbw；若不存在，则断定待测可用带宽值超出测量范围，即待测可用带宽值小于或等于发送最后一个降速率包时探测包列的平均发送速率。

优选的，基于TCP协议的单端可用带宽测量装置300可以执行多次测量。优选的，基于TCP协议的单端可用带宽测量装置300在相邻的两次测量中，设置足够长度的等待时间，以降低入侵性。

在一可选的实施例中，基于TCP协议的单端可用带宽测量装置300还可以包括测量是否完毕判定模块350和参数调整模块360。

测量是否完毕判定模块350用于判定测量是否完毕，并根据判定结果确定基于TCP协议的单端可用带宽测量装置300进行下一次测量。

参数调整模块360，用于在进行下一次测量前，根据上次的可用带宽测量值对参数进行调整。而后，参数设定模块310可以根据调整后的参数对参数进行设定。有选的，可用带宽确定模块340断定待测可用带宽值超出测量范围时，参数调整模块360将初始下降速率R调整为小于或等于发送最后一个降速率包时探测包列的平均发送速率的值。

图8是本发明一实施例的设备。请参考图8，设备400包括存储器410和处理器420。存储器410上存储有计算机代码，当该计算机代码被配置为当在处理器420上运行时促使设备400至少执行如上所述的译码处理方法。

图9是本发明一实施例的计算机可读介质。计算机可读介质500上存储有计算机代码，当该计算机代码被配置为当在处理器上运行时执行如上所述的译码处理方法。

在利用上述介绍的方法或装置准确测得网络路径可用带宽的后，发送端可以通过控制链路中应用流量的大小不超过网络路径可用带宽值，避免造成拥塞。利用实际测量得到的网络链路可用带宽作为链路的“权重”指标，实时准确的链路可用带宽测量还可为路由选择提供及时、准确的链路带宽信息，为选择最优路由提供依据。流媒体应用可通过测量获得当前网络的带宽信息用于优化编解码器，以获得更好的业务质量。占用较大带宽的应用可采用通过从镜像服务器中选择最快的一个来提高应用的性能。服务器选择的依据有许多，到服务器的路径的可用带宽是服务器选择的重要依据。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种单端可用带宽测量方法，包括：

设定发送端参数；

根据所述发送端参数发送基于TCP协议的探测包列至目的节点；其中，所述探测包列包括作为探测包的多个负载包和多个降速率包，所述多个负载包先被发送，所述多个降速率包后被发送；

接收从所述目的节点返回的TCP应答包，计算所述探测包的往返时延；以及，

寻找所述往返时延下降至恒定值时的第一降速率包，若所述第一降速率包存在，则将发送所述第一降速率包时所述探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述第一降速率包不存在，则断定待测可用带宽值超出测量范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据上次的可用带宽测量值对所述参数进行调整，并返回设定发送端参数步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个负载包以背靠背的形式被发送。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个降速率包的初始下降速率R大于待测可用带宽值；其中所述初始下降速率R为发送第一个所述降速率包时所述探测包列的所述平均发送速率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个降速率包使所述探测包列的所述平均发送速率以指数递减。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可用带宽测量值avbw由下式计算：

<mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>b</mi> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>d</mi> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>S</mi> </mrow> <mi>t</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>R</mi> <msup> <mi>&alpha;</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>...</mo> </mrow>

其中，S为所述探测包的大小，d为所述负载包的个数，k为所述第一降速率包在所述多个降速率包中的序号，t为从开始发送第一个所述负载包到发送第k个所述降速率包所需要的时间，R为发送第一个所述降速率包时所述探测包列的平均发送速率，α为所述探测包列的所述平均发送速率的递减因子。

8.一种单端可用带宽测量装置，包括：

参数设定模块，用于设定参数；

探测包列发送模块，根据所述参数发送基于TCP协议的探测包列至目的节点；其中，所述探测包列包括作为探测包的多个负载包和多个降速率包，所述多个负载包先被发送，所述多个降速率包后被发送；

应答接收模块，用于接收从所述目的节点返回的TCP应答包，计算所述探测包列中的各探测包的往返时延；以及

可用带宽确定模块，用于寻找所述往返时延下降至恒定值时的第一降速率包，若所述第一降速率包存在，则将发送所述第一降速率包时所述探测包列的平均发送速率作为可用带宽测量值。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述可用带宽确定模块还用于在所述第一降速率包不存在时，断定待测可用带宽值超出测量范围。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述参数设定模块还能够根据上次的可用带宽测量值对所述参数进行调整。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多个负载包以背靠背的形式被发送。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多个降速率包的初始下降速率R大于待测可用带宽值；其中所述初始下降速率R为发送第一个所述降速率包时所述探测包列的所述平均发送速率。

13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多个降速率包使所述探测包列的平均发送速率以指数递减。

14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述可用带宽测量值由下式计算：

其中，avbw为可用带宽测量值，S为所述探测包的大小，d为所述负载包的个数，k为所述第一降速率包在所述多个降速率包中的序号，t为从开始发送第一个所述负载包到发送第k个所述降速率包所需要的时间，R为发送第一个所述降速率包时所述探测包列的平均发送速率，α为所述探测包列的所述平均发送速率的递减因子。

15.一种发送端，包含权利要求8-14之一所述的装置。