CN108400907A - 一种不确定网络环境下的链路丢包率推理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不确定网络环境下的链路丢包率推理方法，包括以下步骤：（101）、获取目标网络的拓扑；（102）、发送端到端探测并接收探测结果，该探测结果就是探测得到的路径丢包率；（103）、根据路径丢包率确定路径状态，从而确定链路状态；（104）、采用对数正态分布拟合可得到1状态和2状态链路的丢包率范围；（105）、输出所有的链路丢包率范围。本发明改进了现有技术的相关算法和流程，提出了一个在真实网络环境下面对不确定因素的丢包推理方法，大大地提高了测量链路丢包率的正确率。

Description

一种不确定网络环境下的链路丢包率推理方法

技术领域

本发明涉及网络数据处理方法，具体是一种不确定网络环境下的链路丢包率 推理方法。

背景技术

近几年，以物联网和下一代互联网为代表的新兴网络技术的飞速发展对现有 IP核心网的运行产生了巨大的压力。然而，随着新技术的迅猛发展，IP网网络 环境变得愈发的不确定，其网络规模也在不断的扩大，新的网络特性对传统IP网 性能的管理技术提出了严峻的挑战。现有的检测网络内部特性比如链路丢包率和 数据报延迟的方法主要使用网络层析的方法。网络层析技术提出在网络中用端到 端路径探测的方法去确定链路状态，是一种传统的用单播端到端探测技术推断网 络内部实验数据的丢包率推断技术。网络层析方法的基本思想是利用单播或者多 播探测包从源端点到目的端点，记录成功到达目的端点的包的数量，然后根据端 到端丢包率推测链路丢包率。它是一个比直接管理每个网络元素更高效的方法。 所有的网络层析方法大致上能划分成三种类型：

第一种类型是提出一种典型的线性约束系统。模拟层析的对象是估计每个网 络链路的表现，它详细说明了在路径和链路之间关联的方程模式，当额外的压缩 假设和最优化对象被考虑，探测的方法就会被提高。Ghita研究在一个大的范围 内不同的链路能够相互提高模拟层析方法这种状况，尽管模拟层析在实践方面还 有很多的不足和错误。模拟层析主要的缺点是它假设端到端路径检测结果完全正 确。此外，复杂的计算不适用于大规模的网络计算中。

第二种类型是被Duffied提出的布尔层析。布尔层析是一种估计每个好的不 好的链路丢包率的方法。A.D在多个源端点和目的端点改进了比尔层析，Kom 提出一种模拟技术用积极的方法和边缘路由器在网络中找到“无声故障”。 Nguyen在多次实验中用一种布尔的方法去推断链路状态的可能性，然后用这些 结果去识别不好的链路。然而，布尔方法不能区别链路的丢包率范围。

第三种是范围层析，这种方法结合了模拟层析和布尔层析的优点。他们仍然 区别好的和不好的链路，但会推断每一条不好的链路的丢包率范围。它是第一种 考虑网络状况会随着时间改变的方法。范围层析方法的结果是有希望的。然而， 它仍然假定一个确定的网络环境也就是端到端路由矩阵和测量结果是可信的。

网络环境通常是不确定的环境，不确定的链路丢包状态，端到端路由不断在 发生改变。大多数相似的研究中并没有标注这个问题，而是把一个稳定的网络环 境当做方法的前提条件。所以，目前被用于研究丢包率的运算在不确定网络的研 究上体现出了劣势。

发明内容

本发明的目的是提供一种不确定网络环境下的链路丢包率推理方法，以解决 现有技术丢包率推测方法没有考虑到网络环境的不确定性的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种不确定网络环境下的链路丢包率推理方法，其特征在于：包括以下步骤：

(101)、获取目标网络的拓扑：上层的故障管理系统通过接口采集设备网管 中设备间互联的链路信息，重新组建需进行故障定位的目标网络拓扑；

(102)、发送端到端探测并接收探测结果，该探测结果就是探测得到的路径 丢包率；

(103)、根据路径丢包率确定路径状态，从而确定链路状态，具体过程如下：

(301)、每次选取网络中没有被确定状态的最长的路径，即先从通过链路最 多的路径开始推理；

(302)、通过推理每个链路的丢包率的范围代替推测每个链路的确切丢包 率，其中定义丢包率在0～0.02为0状态，0状态表示链路或路径不丢包，0状态的 链路不会对网络环境有较大的影响；丢包率在0.02～0.15为1状态，1状态表示链 路或路径轻微丢包；丢包率大于0.15为2状态，2状态表示链路或路径严重丢包； 轻微丢包和严重丢包的链路会影响网络的通信，确定状态后还需进一步给出其确 定的丢包率，而确定的丢包率可根据步骤(102)端到端的探测得到；

(303)、链路丢包率和路径丢包率有这样一个关系，若一条路径通过至少一 条丢包的链路，这条路径也会表现出丢包，也就是说若一条路径为1状态或者2 状态，那么这条路径上的链路至少有一条是1状态或者2状态，但是不能确定哪 几条是丢包的链路；同样，如果一条路径上的所有链路都是不丢包的链路，那么 这条路径表现出不丢包，即不丢包的路径上的链路都是不丢包的链路；近似将通 过某条路径的链路标记为与该路径相同的状态；

在确定链路的状态的时候需要一个参数作为限制参数，当通过某条链路0 状态/1状态/2状态路径的个数/通过该链路所有的路径数>＝参数时，才能确定这 条链路的状态，因为网络中存在大量的0状态的链路，而且0状态的链路不需要 确定具体的丢包率，因此先确定0状态的链路，确定出0状态的链路之后，删除 路径中0状态链路和随后出现的冗余路径来简化网络环境；

(304)、当网络中所有的路径都得到了标记，再用同样的参数来确定1状态 和2状态的链路；

(104)、采用对数正态分布拟合可得到1状态和2状态链路的丢包率范围：

将步骤(103)得到的每一个1状态以及2状态的链路，分别找出相应的通 过该链路的所有路径的丢包率，对每一个链路得到的路径丢包率进行对数正态分 布拟合，确定该链路的丢包率范围。

(105)、输出所有的链路丢包率范围。

本发明提出了一个新型的网络层析方法。这个方法能够在不确定网络环境条 件下利用端到端的丢包率探测确定网络链路的丢包率。虽然，这些年提出了很多 链路丢包率推测的方法，但是几乎所有的推测方法都没考虑到网络环境的不确定 性。例如，端到端的路径测量结果和每条链路的丢包率都是随着时间变化的数值。 为了解决这个问题，本发明提出了一个适用于不确定网络环境的推测链路丢包率 的方法。本发明拟从端到端探测路径的选择以及感知不可信的路径丢包率两方面 对基于主动探测的不确定环境下不可信测量值的感知机制展开研究，本发明的方 法能够很好的解决不确定的网络环境下的链路丢包率的推测问题，节省了探测成 本，提高了测量结果的正确率。

本发明提供了一种基于不确定环境下IP网丢包率推理机制研究定位方法， 改进了现有技术的相关算法和流程，主要有益效果在于：

1)提出一个在真实网络环境下面对不确定因素的丢包推理方法。

2)大大地提高了测量链路丢包率的正确率。

3)增强了丢包率推理的抗网络噪声能力。

4)该发明没有测量所有的路径丢包率，避免了不必要的探测，节省了探测 开支。

附图说明

图1为本发明方法流程框图。

图2为本发明步骤(103)中确定链路状态的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，一种不确定网络环境下的链路丢包率推理方法，包括以下步骤：

(101)、获取目标网络的拓扑：上层的故障管理系统通过接口采集设备网管 中设备间互联的链路信息，重新组建需进行故障定位的目标网络拓扑；

(102)、发送端到端探测并接收探测结果，该探测结果就是探测得到的路径 丢包率；

(103)、如图2所示，根据路径丢包率确定路径状态，从而确定链路状态， 具体过程如下：

(301)、每次选取网络中没有被确定状态的最长的路径，即先从通过链路最 多的路径开始推理；选择最长路径可以减少循环的次数，减少端到端测量次数， 减少额外开支，使算法更加简便。

(302)、由于网络环境的不稳定性，网络环境会随着时间发生变化，不同时 间测量的路径丢包率会不同，链路的丢包率也不会是一个确定的值，并且推理也 存在一定误差。所以，在实际的网络环境中推测每个链路的确切的丢包率是不现 实的。为了解决这个问题，本发明通过推理每个链路的丢包率的范围代替推测每 个链路的确切丢包率。

为了缩小丢包率范围，本发明先将丢包率粗略的分成三个状态：现实情况下 绝大多数网络中的严重丢包链路都是非常少的，通过实验发现丢包率在0.02以下 基本不会影响通信。所以定义丢包率在0～0.02为0状态，0状态表示链路或路径不 丢包，0状态的链路不会对网络环境有较大的影响；丢包率在0.02～0.15为1状态， 1状态表示链路或路径轻微丢包；丢包率大于0.15为2状态，2状态表示链路或路 径严重丢包；轻微丢包和严重丢包的链路会影响网络的通信，确定状态后还需进 一步给出其确定的丢包率，而确定的丢包率可根据步骤(102)端到端的探测得 到；

(303)、链路丢包率和路径丢包率有这样一个关系，若一条路径通过至少一 条丢包的链路，这条路径也会表现出丢包，也就是说若一条路径为1状态或者2 状态，那么这条路径上的链路至少有一条是1状态或者2状态，但是不能确定哪 几条是丢包的链路；同样，如果一条路径上的所有链路都是不丢包的链路，那么 这条路径表现出不丢包，即不丢包的路径上的链路都是不丢包的链路；近似将通 过某条路径的链路标记为与该路径相同的状态；

现实的网络状况下，由于不同的路由协议的存在，路径通过的链路可能不是 原先认为的那几条链路。所以，在确定链路的状态的时候需要一个参数作为限制 参数，当通过某条链路0状态/1状态/2状态路径的个数/通过该链路所有的路径 数>＝参数时，才能确定这条链路的状态，因为网络中存在大量的0状态的链路， 而且0状态的链路不需要确定具体的丢包率，因此先确定0状态的链路，确定出 0状态的链路之后，删除路径中0状态链路和随后出现的冗余路径来简化网络环 境；

(304)、当网络中所有的路径都得到了标记，再用同样的参数来确定1状态 和2状态的链路；

(104)、通过链路和路径的关系，虽然测得的路径的丢包率存在误差，但是 在丢包链路很少的网络环境下除去不丢包的链路，路径丢包率可以近似等于链路 丢包率。对于不确定性本发明采用对数正态分布拟合可得到1状态和2状态链路 的丢包率范围：

将步骤(103)得到的每一个1状态以及2状态的链路，分别找出相应的通 过该链路的所有路径的丢包率，对每一个链路得到的路径丢包率进行对数正态分 布拟合，确定该链路的丢包率范围。

(105)、输出所有的链路丢包率范围。

步骤(103)、(104)、(105)算法的伪代码如表1所示：

表1伪代码表

说明:

输入:路由矩阵R,参数。

输出:所有链路丢包率范围。

规定丢包率分为三个状态，0～0.02为0状态，0.02～0.15为1状态，大于 0.15为2状态。

只要路由矩阵R不为空就一直做while循环(第1-8行)。在每次循环中， 挑选当前路由矩阵R中最长的一条路径，并获得这条路径的丢包率(第2行)， 根据路径丢包率的值确定该条路径的状态，标记该路径经过的所有链路的状态， 即链路状态与路径状态保持一致(第3行)，然后进行计算判断，如果通过某条 链路0状态路径的个数/通过这条链路所有的路径数>＝参数，我们就认为该条链 路为0状态(第4-5行)，即认为该链路不丢包，不丢包链路对路径丢包率不产 生影响，所以需要把所有能确定的不丢包链路从路由矩阵R中移除，再删掉冗余 路径，得到更新后的路由矩阵R(第6行)，只要R不为空，即还有路径，就一 直做while循环。循环结束后，能找出所有确定的0状态链路。并且在循环结束 之后，用同样的计算判断方法找出确定的1状态链路(第9-10行)，由于规定路 径和链路都只有三种状态，所以没有确定的链路，即不是0状态和1状态的链路， 则认为是2状态链路(第12行)。对于每一个1状态以及2状态的链路，分别找 出相应的通过该链路的所有路径的丢包率，将每一个链路得到的路径丢包率进行 对数正态分布拟合，得到链路的丢包率范围(第14行)(0状态链路丢包率范围 即为0～0)。最后输出所有确定的链路丢包率范围(第15行)。

众所周知，想要在不确定的网络环境中测量链路真实丢包率是很难实现的， 因为网络环境在不断发生变化。针对这种改变，本发明分别对一条丢包不严重的 和严重丢包的链路在不同的网络拓扑环境下做了一些实验，实验结果表明，丢包 不严重的链路，它的丢包率变化比较平缓，所以链路丢包率在一定门限值以下的 链路就认为是好的链路(即上面提及的0状态链路)，也就是不丢包链路。反之， 丢包严重的链路在不同网络拓扑环境下的丢包率变化较明显，所以对于严重丢包 的链路(即上面提及的1状态和2状态链路)，本发明并不是直接给一个丢包率 的确定值，而是给它一个丢包率的范围，这样更为合理，也更符合实际情况。

本发明认为路径丢包率和链路丢包率之间存在一些可能的关系。对于一条严 重丢包的链路而言，所有经过该链路的路径的丢包率都是相对集中的，且集中在 该条链路丢包率附近。而对于丢包不严重的链路来说这种现象是不明显的。针对 以上实验结果，本发明对严重丢包的链路(即上面提及的1状态和2状态链路) 采用对数正态分布拟合的方法得到它们的丢包率范围。

Claims (1)

1.一种不确定网络环境下的链路丢包率推理方法，其特征在于：包括以下步骤：

（101）、获取目标网络的拓扑：上层的故障管理系统通过接口采集设备网管中设备间互联的链路信息，重新组建需进行故障定位的目标网络拓扑；

（102）、发送端到端探测并接收探测结果，该探测结果就是探测得到的路径丢包率；

（103）、根据路径丢包率确定路径状态，从而确定链路状态，具体过程如下：

（301）、每次选取网络中没有被确定状态的最长的路径，即先从通过链路最多的路径开始推理；

（302）、通过推理每个链路的丢包率的范围代替推测每个链路的确切丢包率，其中定义丢包率在0~0.02为0状态，0状态表示链路或路径不丢包，0状态的链路不会对网络环境有较大的影响；丢包率在0.02~0.15为1状态，1状态表示链路或路径轻微丢包；丢包率大于0.15为2状态，2状态表示链路或路径严重丢包；轻微丢包和严重丢包的链路会影响网络的通信，确定状态后还需进一步给出其确定的丢包率，而确定的丢包率可根据步骤（102）端到端的探测得到；

（303）、链路丢包率和路径丢包率有这样一个关系，若一条路径通过至少一条丢包的链路，这条路径也会表现出丢包，也就是说若一条路径为1状态或者2状态，那么这条路径上的链路至少有一条是1状态或者2状态，但是不能确定哪几条是丢包的链路；同样，如果一条路径上的所有链路都是不丢包的链路，那么这条路径表现出不丢包，即不丢包的路径上的链路都是不丢包的链路；近似将通过某条路径的链路标记为与该路径相同的状态；

在确定链路的状态的时候需要一个参数作为限制参数，当通过某条链路0状态/1状态/2状态路径的个数/通过该链路所有的路径数>=参数时，才能确定这条链路的状态，因为网络中存在大量的0状态的链路，而且0状态的链路不需要确定具体的丢包率，因此先确定0状态的链路，确定出0状态的链路之后，删除路径中0状态链路和随后出现的冗余路径来简化网络环境；

（304）、当网络中所有的路径都得到了标记，再用同样的参数来确定1状态和2状态的链路；

（104）、采用对数正态分布拟合可得到1状态和2状态链路的丢包率范围：

将步骤（103）得到的每一个1状态以及2状态的链路，分别找出相应的通过该链路的所有路径的丢包率，对每一个链路得到的路径丢包率进行对数正态分布拟合，确定该链路的丢包率范围；

（105）、输出所有的链路丢包率范围。