CN113194007B - 一种网络可用带宽测量方法、系统、设备及可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网络可用带宽测量方法、系统、设备及可读存储介质，通过在源主机和目的主机之间构建包括基本队列和附加队列的探测包队列结构，采用双队列协同测量方法，在源主机上抓取并记录由附加队列诱发的ICMP超时响应包信息，根据源主机抓取的响应包信息，计算并记录每一跳相邻探测包对到达路由的时间差以及相邻路由由于排队导致的探测包对到达时间差变化，同时结合由源主机向目的主机传递此前计算的附加队列响应包时间数据，得到的每一跳路由造成的相邻探测包时间差变化，对可用带宽的估计值进行调整即可得到网络可用带宽，本发明通过评估探测队列在网络各路由排队对带宽估计模型的影响，进而更精确的估计网络路径的可用带宽。

Description

一种网络可用带宽测量方法、系统、设备及可读存储介质
技术领域
本发明属于网络安全与带宽测量领域，特别涉及一种网络可用带宽测量方法、系统、设备及可读存储介质。
背景技术
近年来，随着视频点播、流媒体、网络游戏、P2P等业务的迅猛发展，网络业务量、网络流量的快速增长使得网络结构变得更加复杂，网络规模也愈加庞大，同时，新兴业务对服务质量提出了更高的要求。网络可用带宽是网络协议设计、网络管理、QOS部署等方面的重要参数，是减少网络拥塞、保障网络可靠性的重要指标。目前，端到端路径可用带宽的测量方法主要是基于Packet pair和Packet train的基本思想，测量方式主要可分为包间隔模型技术(Probe Gap Model，PGM)和包速率模型技术(Probe Rate Model，PRM)。
PRM算法的基本原理是：通过不断改变探测包的发送速率，寻找发送速率和到达速率匹配的转折点，将相应探测包的平均到达速率作为路径可用带宽的估算值，其会对网络路径造成较大负担。PGM算法是在包对模型的基础上发展的，其原理是通过两个探测包到达目的端的时间间隔变化来估测出可用带宽，其需要发送的网络流量较小，但更易受到网络背景流量等噪音的影响，同时探测包在非瓶颈链路上额外的排队等待增加了探测包对的间隔，会使最终结果严重低估端到端路径的可用带宽。简单的packet train队列结构易受网络背景流量干扰且无法得知队列受干扰的程度，从而无法判断测量带宽的准确性。国内外目前已有的带宽测量算法在时间复杂度、稳定性、占用带宽资源、测量时间、测量精度等方面尚无一个较优的方法，由此可见如何在利用少量探测流量更准确地估计网络可用带宽是个具有极高应用价值的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种网络可用带宽测量方法、系统、设备及可读存储介质，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种网络可用带宽测量方法，包括以下步骤：
S1，在源主机和目的主机之间构建包括基本队列和附加队列的探测包队列；
S2，将步骤S1中构造的探测包队列以初始发送速率发出；
S3，在源主机上抓取并记录由附加队列诱发的ICMP超时响应包信息，根据源主机抓取的响应包信息，计算并记录每一跳相邻探测包对到达路由的时间差以及相邻路由由于排队导致的探测包对到达时间差变化；
S4，在目的主机上抓取基本队列并计算可用带宽估计值；
S5，由源主机向目的主机传递此前计算的附加队列响应包时间数据，结合步骤S3中得到的每一跳路由造成的相邻探测包时间差变化，对步骤S4中计算出的可用带宽的估计值进行调整即可得到网络可用带宽。
进一步的，基本队列包括多个大小相同、生存时间相同的探测包，所有探测包采用同种协议、发送端口、目的端口、源IP以及目的IP。
进一步的，附加队列包括多个生存时间从H递减到1的探测包对；其中H表示目的主机与源主机之间的路由跳数，探测包对为一对生存时间相同的探测包。
进一步的，基本队列所有探测包到达目的主机后，计算基本队列中的相邻探测包间的时间间隔，根据packet pair的基本原理，利用探测包的大小以及相邻探测包间的时间间隔，估算出初始的从源主机到目的主机间网络路径的可用带宽。
进一步的，在步骤S2中，源主机按顺序快速将构造好的探测队列APT+BPT发出，附加队列在前，基本队列在后，连续发送。
进一步的，在步骤S4中，计算基本队列中的探测包到达目的主机时的时间间隔，记为ATG＝[T1，T2，...，Tn-1]，其中Ti表示探测包pi与pi+1到达目的主机的时间间隔，ATG的中位数记为T。
进一步的，利用得到的基本队列到达目的IP的时间间隔ATG减去瓶颈链路下游排队带来的延时，得到的调整后时间间隔记为MTG＝[m1，m2，...，mn-1]，其中
Figure BDA0003034026490000031
对MTG序列取中位数得到m，则/>
Figure BDA0003034026490000032
可得到从源主机到目的主机网络路径的可用带宽B，/>
Figure BDA0003034026490000033
D表示单个探测包的大小。
一种网络可用带宽测量系统，包括源主机、目的主机和探测包队列模块；
源主机用于将探测包队列以初始发送速率发出至目的主机，探测包队列模块用于抓取并记录由附加队列诱发的ICMP超时响应包信息，根据源主机抓取的响应包信息，计算并记录每一跳相邻探测包对到达路由的时间差以及相邻路由由于排队导致的探测包对到达时间差变化；同时在目的主机上抓取基本队列并计算可用带宽，由源主机向目的主机传递此前计算的附加队列响应包时间数据，结合每一跳路由造成的相邻探测包时间差变化，对可用带宽估计值进行调整即可得到网络可用带宽。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述网络可用带宽测量方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述网络可用带宽测量方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种网络可用带宽测量方法，通过在源主机和目的主机之间构建包括基本队列和附加队列的探测包队列结构，采用双队列协同测量方法，在源主机上抓取并记录由附加队列诱发的ICMP超时响应包信息，根据源主机抓取的响应包信息，计算并记录每一跳相邻探测包对到达路由的时间差以及相邻路由由于排队导致的探测包对到达时间差变化，同时结合由源主机向目的主机传递此前计算的附加队列响应包时间数据，得到的每一跳路由造成的相邻探测包时间差变化，对可用带宽的估计值进行调整即可得到网络可用带宽，本发明通过评估探测队列在网络各路由排队对带宽估计模型的影响，进而更精确的估计网络路径的可用带宽。
进一步的，通过引入附加队列、利用路由器响应机制，极大程度的削弱了瓶颈链路下游探测队列排队对可用带宽估计的影响，有很强的泛用性与启发性。
本发明一种网络可用带宽测量系统，基于PGM算法，利用双队列协同探测，实现对网络路径可用带宽的更准确估计，提高测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例中探测包队列系统结构示意图。
图2为本发明实施例中5节点网络路径结构示意图。
图3为本发明实施例中探测包队列结构示意图。
图4为本发明实施例中附加队列相应变化结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种网络可用带宽测量方法，包括以下步骤：
S1，在源主机和目的之间构建探测包队列，探测包队列包括基本队列和附加队列；
如图1所示，基本队列包括多个大小相同、生存时间(TTL)相同的探测包，同时为避免路由器负载均衡策略对同一探测包队列不同探测包路径的干扰，所有探测包采用同种协议、发送端口、目的端口、源IP以及目的IP。为保证基本队列中所有探测包都能到达目的主机，所有探测包的生存时间设为最大值255。
附加队列包括多个生存时间从H递减到1的探测包对；其中H表示目的主机与源主机之间的路由跳数，可根据需要改变。探测包对是指一对生存时间相同的探测包，会诱使同一跳路由产生并返回一对ICMP超时响应包，响应包对的时间差可以看作对应探测包对到达该路由的时间差。
S2，从部署探测程序的源主机向目的主机发送探测队列：将步骤S1中构造的探测包队列以较大的初始发送速率发送，同时运行监听抓取由附加队列诱发路由器产生的响应包；
S3，在源主机上抓取并记录由附加队列诱发的ICMP超时响应包信息，根据源主机抓取的响应包信息，计算并记录每一跳相邻探测包对到达路由的时间差以及相邻路由由于排队导致的探测包对到达时间差变化；持续监听并抓取由附加队列中的探测包诱发的ICMP超时响应包信息，由于附加队列中探测包TTL从H递减到1，故附加队列每经过一跳路由都会有一对探测包生存时间变为0并诱使该路由产生并返回一对ICMP超时响应包对，这对响应包的时间差等于对应探测包到达路由的时间差。
S4，在目的主机上抓取基本队列并计算可用带宽：基本队列所有探测包到达目的主机后，计算基本队列中的相邻探测包间的时间间隔，根据packet pair的基本原理，利用探测包的大小以及相邻探测包间的时间间隔，估算出初始的从源主机到目的主机间网络路径的可用带宽。
S5，由源主机向目的主机传递此前计算的附加队列响应包时间数据，结合步骤S3中得到的每一跳路由造成的相邻探测包时间差变化，对步骤S4中计算出的可用带宽的估计值进行调整即可得到网络可用带宽。
在步骤S1中，设从源主机到目的主机经过的路由跳数为H，则构造如图1所示探测队列，整个探测队列由基本对列和附加队列组成，其中基本队列(Base Packet Train，BPT)由一组大小均为D、数量为n、采用相同协议、目的端口均为dport、发送端口均为sport的探测包组成，其生存时间均设为最大值255，记为BPT＝[p1，p2，...，pn]；附加队列(AdditionalPacket Train，APT)中的探测包除生存时间外，与基本队列中的探测包一致，其生存时间按距离基本队列由近及远从H递减到1，共由H组。每组由z(z＞1)个探测包组成，记为APT＝[a11，a1z，...，aij，...，aHz-1，aHz]，其中i表示组号，j表示组内编号。
在步骤S2中，源主机按顺序快速将构造好的探测队列APT+BPT发出，附加队列在前，基本队列在后，连续发送。
在步骤S3中，每一跳路由的会返回一组响应包，记为R＝[r11，r12，...，rij，...，rHz]，其中i表示组号，即路由器的跳数，j表示组内编号，与APT中的探测包一一对应。计算每一组响应包的间隔大小，记为τ＝[τ11，τ12，τij...τHz-1]，τij表示响应包rij与rij+1达到源主机的时间间隔ti。取每一组τij(j∈(1，z-1))的中位数得到ti。根据t1...tH，可以计算出探测队列经过每一跳路由时，相邻数据包时间间隔的变化值δ＝[δ1，δ2，...，δH-1]，
Figure BDA0003034026490000071
根据得到的δ序列，观察δ1到δH-1的值，取其中的最大值δP，则第P跳到P+1跳路由间最有可能为瓶颈链路，记录此跳。
在步骤S4中，计算基本队列中的探测包到达目的主机时的时间间隔(ArrivalTime Gap)，记为ATG＝[T1，T2，...，Tn-1]，其中Ti表示探测包pi与pi+1到达目的主机的时间间隔，ATG的中位数记为T。
在步骤S5中，利用步骤S4中得到的基本队列到达目的IP的时间间隔ATG减去步骤3中得到的瓶颈链路下游排队带来的延时，得到的调整后时间间隔(ModifiedTime Gap)记为MTG＝[m1，m2，...，mn-1]，其中
Figure BDA0003034026490000072
对MTG序列取中位数得到m，则/>
Figure BDA0003034026490000073
根据packet pair原理可知，/>
Figure BDA0003034026490000074
其中B表示从源主机到目的主机网络路径的可用带宽，D表示单个探测包的大小。
本发明一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器采用中央处理单元(CPU)，或者采用其他通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于网络可用带宽测量方法的操作。
实施例：一种网络可用带宽测量系统，能够用于实现上述实施例中的网络可用带宽测量方法，包括源主机、目的主机和探测包队列模块；
源主机用于将探测包队列以初始发送速率发出至目的主机，探测包队列模块用于抓取并记录由附加队列诱发的ICMP超时响应包信息，根据源主机抓取的响应包信息，计算并记录每一跳相邻探测包对到达路由的时间差以及相邻路由由于排队导致的探测包对到达时间差变化；同时在目的主机上抓取基本队列并计算可用带宽，由源主机向目的主机传递此前计算的附加队列响应包时间数据，结合每一跳路由造成的相邻探测包时间差变化，对可用带宽估计值进行调整即可得到网络可用带宽。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体采用计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。计算机可读存储介质包括终端设备中的内置存储介质，提供存储空间，存储了终端的操作系统，也可包括终端设备所支持的扩展存储介质。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(Non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关网络可用带宽测量方法的相应步骤。
以图2中的5节点网络路径为例，源主机与目的主机之间共三个路由器，其中源主机与第1跳路由间的可用带宽为100Mbps，第1、2跳路由间的可用带宽为10Mbps，第2、3跳路由间的可用带宽为50Mbps，第3跳路由与目的主机间的可用带宽为30Mbps，第1、2跳路由间为瓶颈链路。
步骤1：构造图3所示探测队列，其中基本队列由20个大小1500字节、源端口33533、目的端口53、生存时间为255的探测包[p1，p2，...，p20]组成；附加队列由8个大小1500字节、源端口33533、目的端口53、生存时间时间依次为[1，1，2，2，3，3，4，4]的探测包[a11，a12，a21，a22，a31，a32，a41，a42]组成。
步骤2：从源主机向目的主机以1000Mbps的速率发送附加队列与基本队列，源主机与第一跳路由间的带宽限制使得队列达到第一跳路由的速度仅为100Mbps。
步骤3：探测队列在经过第1跳路由前，探测包间的间隔极小可视为0，在探测队列经过第1跳路由后，探测包的间隔由于从大带宽进入小带宽，其探测包的间隔变大，同时，附加队列中初始生存时间为1的探测包对a11，a12生存时间变为0，第一跳路由返回一对响应包r11，r12。其两者返回源主机时间分别为1.3ms，1.4ms。由于每组只有两个响应包，故t1＝τ11＝0.1ms，此t1可以视作所有相邻数据包经过第一跳后的时间间隔。同理在附加队列经过第2、3、4跳依次可t2＝τ21＝2.1ms，t3＝τ31＝2.5ms，t4＝τ41＝3.3ms。由此推出相邻数据包时间间隔变化δ1＝1ms，δ2＝0.2ms，δ3＝0.4ms，δ1为最大值，推断第1跳路由与第2跳路由间为瓶颈链路，图4展示了附加队列在整个过程中的变化。
步骤4：基本队列到达目的主机的时间间隔为ATG＝[T1，T2，...，T19]，其中位数T为＝1.8ms
步骤5：利用步骤4中得到的基本队列时间间隔与步骤3中得到的瓶颈链路跳数及其下游路由的排队延时变化，可得：
Figure BDA0003034026490000101
由packet pair原理计算出瓶颈链路带宽的大小
Figure BDA0003034026490000102
若未经调整，则算出的可用带宽为6.7Mbps,在10Mbps的基础上偏差了33％左右。
本发明是基于PGM算法，利用双队列协同探测，实现对网络路径可用带宽的更准确估计。与其他的端到端可用带宽测量技术相比，本发明通过引入附加队列、利用路由器响应机制，极大程度的削弱了瓶颈链路下游探测队列排队对可用带宽估计的影响，有很强的泛用性与启发性。

Claims (10)

1.一种网络可用带宽测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在源主机和目的主机之间构建包括基本队列和附加队列的探测包队列；
S2，将步骤S1中构造的探测包队列以初始发送速率发出；
S3，在源主机上抓取并记录由附加队列诱发的ICMP超时响应包信息，根据源主机抓取的响应包信息，计算并记录每一跳相邻探测包对到达路由的时间差以及相邻路由由于排队导致的探测包对到达时间差变化；
S4，在目的主机上抓取基本队列并计算可用带宽估计值；
S5，由源主机向目的主机传递此前计算的附加队列响应包时间数据，结合步骤S3中得到的每一跳路由造成的相邻探测包时间差变化，对步骤S4中计算出的可用带宽的估计值进行调整即可得到网络可用带宽。
2.根据权利要求1所述的一种网络可用带宽测量方法，其特征在于，基本队列包括多个大小相同、生存时间相同的探测包，所有探测包采用同种协议、发送端口、目的端口、源IP以及目的IP。
3.根据权利要求2所述的一种网络可用带宽测量方法，其特征在于，附加队列包括多个生存时间从H递减到1的探测包对；其中H表示目的主机与源主机之间的路由跳数，探测包对为一对生存时间相同的探测包。
4.根据权利要求1所述的一种网络可用带宽测量方法，其特征在于，基本队列所有探测包到达目的主机后，计算基本队列中的相邻探测包间的时间间隔，根据packet pair的基本原理，利用探测包的大小以及相邻探测包间的时间间隔，估算出初始的从源主机到目的主机间网络路径的可用带宽。
5.根据权利要求1所述的一种网络可用带宽测量方法，其特征在于，在步骤S2中，源主机按顺序快速将构造好的探测队列APT+BPT发出，附加队列在前，基本队列在后，连续发送。
6.根据权利要求1所述的一种网络可用带宽测量方法，其特征在于，在步骤S4中，计算基本队列中的探测包到达目的主机时的时间间隔，记为ATG＝[T1,T2,…,Tn-1]，其中Ti表示探测包pi与pi+1到达目的主机的时间间隔，ATG的中位数记为T。
7.根据权利要求6所述的一种网络可用带宽测量方法，其特征在于，利用得到的基本队列到达目的IP的时间间隔ATG减去瓶颈链路下游排队带来的延时，得到的调整后时间间隔记为MTG＝[m1,m2,…,mn-1]，其中
Figure FDA0003862101780000021
对MTG序列取中位数得到m，则
Figure FDA0003862101780000022
可得到从源主机到目的主机网络路径的可用带宽B，/>
Figure FDA0003862101780000023
D表示单个探测包的大小。
8.一种网络可用带宽测量系统，其特征在于，包括源主机、目的主机和探测包队列模块；
源主机用于将探测包队列以初始发送速率发出至目的主机，探测包队列模块用于抓取并记录由附加队列诱发的ICMP超时响应包信息，根据探测包队列模块抓取的响应包信息，计算并记录每一跳相邻探测包对到达路由的时间差以及相邻路由由于排队导致的探测包对到达时间差变化；同时在目的主机上抓取基本队列并计算可用带宽，由源主机向目的主机传递此前计算的附加队列响应包时间数据，结合每一跳路由造成的相邻探测包时间差变化，对可用带宽估计值进行调整即可得到网络可用带宽。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
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