CN112615764A - 一种基于主被动相结合的空地宽带链路网络带宽测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于主被动相结合的空地宽带链路网络带宽测量方法，属于网络测量领域。该方法包括：S1：源节点构造特殊的标记报文对序列SOPP，添加系统时间戳注入链路进入测量状态；S2：目标节点基于自拥塞原则确定转换点报文对序列及其转换带宽；S3：根据链路拥塞干扰程度区分不同类型的转换点并赋予其权重，然后计算得到路径的可用带宽。本发明在减少测量开销的同时能够尽力提升测量过程的有效性。

Description

一种基于主被动相结合的空地宽带链路网络带宽测量方法

技术领域

本发明属于网络测量领域，涉及一种基于主被动相结合的空地宽带链路网络带宽测量方法。

背景技术

在空地宽带卫星网络中，由于卫星系统远距离、高频率的工作条件对天气环境因素敏感以及卫星信道具有其固有特性，卫星链路模拟器主要考虑传输时延和无线误码率两大基本特征。在卫星信道上采用TCP协议进行高速数据传输时，会受到BDP(时延带宽积)的“瓶颈”制约。针对长时延链路上吞吐量比较受限制，为了适应这一特点，应允许“大窗口”存在，可以改善长时延带来的影响。同时对于高误码率在数据的收端，将通过TCP协议“校验和”来决定数据是否受到干扰。因此对于网络测量而言，时延和误码率的测量可以用PING工具完成，因为PING测量包小，对链路影响不大，并且存在于数据包的间隙，可以较好的反应数据包的相关信息。但是对于带宽测量的测量方法争议较多。

常用的带宽测量方法分两类：第一类是考察通过路径后探测报文的延迟或报文之间的间隔等特征的变化得到背景流量与探测流的关系，进而获得可用带宽；第二类是基于自拥塞的原则，即发送速度低于可用带宽时，探测报文仅受到有限的干扰单向延迟保持稳定；而当发送速率大于可用带宽时，路径将被拥塞且探测报文将受到显著的干扰而呈现延迟不断增大，因此探测报文所受干扰显著变化的发送速率就是可用带宽的一个估计量。

专利“用于IP网络的大规模性能测量系统的测量方法”(公布号：CN102891779B)中公开了该系统由呈服务器与客户端架构的位于核心网的服务器与位于被测网络的多个网络探针组成，服务器用于生成测量任务再与网络探针交互，下发测量任务和获取测量结果。网络探针用于接收和执行服务器的测量任务，主要执行主动网络测量，并上报测量结果。但是并没有说明主被动测量之间如何相互触发。专利“IP网络性能测量、服务质量控制方法、装置和系统”(公布号：CN101854268B)中公开了该系统中将IP分组数据进行分类形成IP数据流并添加分类标识，根据测量内容，被测数据流和测量方式的组合信息发送到IP网络性能测量对端，启动根据所述测量方式对被测数据流的测量内容的IP网络性能测量。该方法可以灵活性的依据测量内容、被测数据流和测量方法的组合信息发送给IP网络性能测量对端，实现端到端的测量。但忽略了传统的主动测量的缺陷是通过测量包获得的网络性能并不等同于实际网络性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于主被动相结合的空地宽带链路网络带宽测量方法，在减少测量开销的同时尽力提升测量过程的有效性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于主被动相结合的空地宽带链路网络带宽测量方法，具体包括以下步骤：

S1：源节点构造特殊的标记报文对序列SOPP(Sign of Packet pairs)，添加系统时间戳注入链路进入测量状态；

S2：目标节点根据自拥塞原则确定转换点报文对序列及其转换带宽；

S3：根据链路拥塞干扰程度区分不同类型的转换点并赋予其权重，然后计算得到路径的可用带宽。

进一步，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：构造一种特殊报文对序列SOPP，按发送序号标记，使得报文对内间隔不断的减小以使报文对的发送速率从测量下界不断的增大到测量上界，同时保持足够的大报文对间隔使得不同报文之间不存在干扰；

S12：在报文对序列发送前添加当前时间戳信息。

进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：定义阈值ξ＝(MMD-AMD)/s，其中MMD和AMD表示所有报文对第一个报文的单向最大延迟值和延迟的均值，s为实验实践值，通过仿真实验确定；

S22：定义判定规则：若报文对与其相邻的前一个报文对比较，其第二个报文所受干扰显著增大，称之为报文对转换点，因此第k个报文为转换点，仅当满足以下条件之一：

(1)IMD_k-IMD_k-1≥ξandMD_2,k-1＜ξ；

(2)MD_2,k-MD_2,k-1≥ξandMD_2,k-1＜ξ；

其中，MD_m,k(Message Delay)为第k个报文对的第m个报文的单向延迟；

S23：确定转换点后，通过探测报文大小S_pack和报文对内间隔差值计算转换带宽：

其中，IMD_k(Intra-Message Delay)为目标节点捕获报文基于已标记的时间戳和捕获系统时间计算得到报文对内间隔差值。

进一步，所述步骤S3具体包括：发送端的测量进程可以得到全部的探测信息，利用这些信息就可以发现所有成为转换点的报文以及当时的发送速率；进一步分析可区分不同类型的转换点并赋予不同的权重，以体现背景流量的对可用带宽的影响。若设W₁,W₂,W₃,...,W_n和Φ₁,Φ₂,Φ₃,...,Φ_n分别为不同转换点的转化带宽的权重，其路径的可用带宽为：

本发明的有益效果在于：在尚无任何RFC给出带宽测量方面的标准描述甚至关于可用带宽的定义也存在争议时的背景下，本发明描述的SOPP方法在结合报文对与自拥塞的原则基础上，得到了精度和开销比较好的折衷。同时通过区分不同类型的转换点并根据其产生原因赋予不同权重，使得SOPP的测量结果包含背景流量的突发性。通过分析不同原因导致的转换点可根据其周围报文所受干扰程度加以区分进而得到权重，通过不同类型的转换点以及权重得到最终可用带宽。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明空地宽带链路网络带宽测量方法的流程图；

图2为构造报文的输入与输出分布情况。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，本发明设计的基于主被动相结合的空地宽带链路网络带宽测量方法，通过结合报文对与自拥塞原则，使得本方法在最低开销的情况下得到一个测量结果的代价仅为一组发送速率不断增大的报文对序列。核心方法是通过采用特殊的报文对序列与时间戳信息经由UDP进行传输，接收端测量得到全部探测信息，利用这些信息定位转换点获得转换带宽并进一步分析区分不同类型转换点并赋予不同的权重得到可用带宽。该方法具体包括以下步骤：

S1：源节点构造特殊的标记报文对序列SOPP，添加系统时间戳注入链路进入测量状态；具体包括以下步骤：

S11：构造一种特殊报文对序列SOPP，按发送序号标记，使得报文对内间隔不断的减小以使报文对的发送速率从测量下界不断的增大到测量上界，同时保持足够的大报文对间隔使得不同报文之间不存在干扰；

S12：在报文对序列发送前添加当前时间戳信息。

S2：目标节点根据自拥塞原则确定转换点报文对序列及其转换带宽；具体包括以下步骤：

S21：定义阈值ξ＝(MMD-AMD)/s，其中MMD和AMD表示所有报文对第一个报文的单向最大延迟值和延迟的均值，s为实验实践值，通过仿真实验确定；

S22：定义判定规则：若报文对与其相邻的前一个报文对比较，其第二个报文所受干扰显著增大，称之为报文对转换点，因此第k个报文为转换点，仅当满足以下条件之一：

(1)IMD_k-IMD_k-1≥ξandMD_2,k-1＜ξ；

(2)MD_2,k-MD_2,k-1≥ξandMD_2,k-1＜ξ；

其中，MD_m,k为第k个报文对的第m个报文的单向延迟(如图2中所示Gap1,Gap2)，其计算公式为Time_arrive-Time_send；

S23：确定转换点后，通过探测报文大小S_pack和报文对内间隔差值计算转换带宽：

其中，IMD_k为目标节点捕获报文基于已标记的时间戳和捕获系统时间计算得到报文对内间隔差值(如图2中所示Gap3-Gap4)。

S3：根据链路拥塞干扰程度区分不同类型的转换点并赋予其权重，然后计算得到路径的可用带宽；具体包括：发送端的测量进程可以得到全部的探测信息，利用这些信息就可以发现所有成为转换点的报文以及当时的发送速率；进一步分析可区分不同类型的转换点并赋予不同的权重，以体现背景流量的对可用带宽的影响。若设W₁,W₂,W₃,...,W_n和Φ₁,Φ₂,Φ₃,...,Φ_n分别为不同转换点的转化带宽的权重，其路径的可用带宽为：

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于主被动相结合的空地宽带链路网络带宽测量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：源节点构造特殊的标记报文对序列SOPP，添加系统时间戳注入链路进入测量状态；

S2：目标节点根据自拥塞原则确定转换点报文对序列及其转换带宽；

S3：根据链路拥塞干扰程度区分不同类型的转换点并赋予其权重，然后计算得到路径的可用带宽。

2.根据权利要求1所述的空地宽带链路网络带宽测量方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：构造一种特殊报文对序列SOPP，按发送序号标记，使得报文对内间隔不断的减小以使报文对的发送速率从测量下界不断的增大到测量上界，同时保持足够的大报文对间隔使得不同报文之间不存在干扰；

S12：在报文对序列发送前添加当前时间戳信息。

3.根据权利要求2所述的空地宽带链路网络带宽测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：定义阈值ξ＝(MMD-AMD)/s其中MMD和AMD表示所有报文对中第一个报文的单向最大延迟值和延迟的均值，s为实验实践值，通过仿真实验确定；

S22：定义判定规则：若报文对与其相邻的前一个报文对比较，其第二个报文所受干扰显著增大，称之为报文对转换点，因此第k个报文为转换点，仅当满足以下条件之一：

(1)IMD_k-IMD_k-1≥ξandMD_2,k-1＜ξ；

(2)MD_2,k-MD_2,k-1≥ξandMD_2,k-1＜ξ；

其中，MD_m,k为第k个报文对的第m个报文的单向延迟；

S23：确定转换点后，通过探测报文大小S_pack和报文对内间隔差值计算转换带宽：

其中，IMD_k为目标节点捕获报文基于已标记的时间戳和捕获系统时间计算得到报文对内间隔差值。

4.根据权利要求3所述的空地宽带链路网络带宽测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：若设W₁,W₂,W₃,...,W_n和Φ₁,Φ₂,Φ₃,...,Φ_n分别为不同转换点的转化带宽的权重，其路径的可用带宽为：

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