CN113890841B - 高效的大规模单向延迟测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种高效的大规模单向延迟测量方法和装置，其中，方法包括：利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；使用开源工具对所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；使用特定算法对单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。本发明为大规模单向延迟测量提供了新的选择，并大大提高了大规模单向延迟测量的可部署性，能够推进学术界在网络性能领域的研究，也能够推动网络异常诊断、网络性能优化、网络攻击检测等研究领域的发展。

Description

高效的大规模单向延迟测量方法及装置

技术领域

本发明涉及延迟测量技术领域，特别涉及一种高效的大规模单向延迟测量方法及装置。

背景技术

随着互联网规模越来越大，拓扑结构越来越复杂，以及网络之上的各种应用越来越多样，网络性能指标测量变得越来越重要。其中，单向延迟(One-way Delay,OWD)是最基础的性能指标之一，许多网络应用对单向时延有较高要求，尤其是一些实时性强的网络应用，例如在线金融交易、视频会议、网络游戏、实时交互直播等。单向时延被定义为接收端接收到探测包中的最后一个bit的时刻与发送端发出第一个bit的时刻之差。在具体实现中，通过记录探测包发送时的时间戳T_snd与接收时的时间戳T_rev来获得单向延迟测量结果(T_rev-T_snd)。因为测量单向时延时分别在源端获得发送时间、目的端获得接收时间，因此在测量时要求两端的时钟是同步的。

目前可用的测量OWD的方法可以分为两类。第一类是先保节点时钟精确同步，然后再测量OWD。已经有几种时钟同步方法可以使用。Internet节点通常使用网络时间协议(NTP)[1]服务进行时间调整。然而，仅使用NTP同步时钟来测量OWD的准确性并不令人满意，因为在与NTP服务器同步时钟时可能存在数十毫秒的误差。

IEEE 1588标准是除NTP之外的另一种时间同步协议。它具有微秒级精度，但仅适用于工业局域网。我们还可以使用原子钟或GPS来获得精确的同步时间。这些设备可以将时钟偏移减少到微秒的数量级。然而，它们成本高昂，且需要安装在每个终端主机上。

第二类方法是在没有时钟同步的情况下测量OWD。具体来说，OWD测量是在时钟未精确同步的多个节点之间进行的。利用测量值之间的关系可以构造约束条件，从而形成约束优化问题。这类方法的主要缺点是复杂度普遍较高，难以应用于大规模实时OWD测量之中。

由于现有精确测量OWD的方法经济成本高或计算成本高，在很多情况下，人们使用往返时间的一半(RTT/2)来表示OWD。然而，由于非对称路由、非对称负载或不同的服务质量配置，这可能会导致重大误差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种高效的大规模单向延迟测量方法，其中包含一个新颖的低复杂度的对时钟不同步导致的误差进行补偿的算法。为大规模单向延迟测量提供了新的选择，平衡了经济开销和计算复杂性。

本发明的第二个目的在于提出一种高效的大规模单向延迟测量装置。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种高效的大规模单向延迟测量方法，包括：

步骤S1，利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；

步骤S2,使用开源工具对所述所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；

步骤S3,使用特定算法对所述单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。

另外，根据本发明上述实施例的高效的大规模单向延迟测量方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述使用特定算法对所述单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果，包括：通过开源工具OWPing的测量，获得一个单向延迟测量结果矩阵ΔT_n×n；其中，n为测量节点个数，ΔT_ij表示节点i到节点j的单向延迟测量结果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将所述节点i的本地时钟时间记为clock_i，协调世界时记为UTC,时钟偏移记为τ_i，所述时钟偏移为：

τ_i＝clock_i-UTC (1)

进一步地，在本发明的一个实施例中，将所述节点i到所述节点j之间的真实单向延迟记为OWD_ij，则OWD_ij与ΔT_ij之间的关系为：

OWD_ij＝ΔT_ij+τ_i-τ_j (2)

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S3包括：

步骤S3.1,根据所述单向延迟测量结果中的负值进行时钟校正；

步骤S3.2,将每台主机向其他主机进行时间同步，直至所有主机校正后的时钟收敛到相对一致的状态。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S3.1包括：

每次找出最小的负的单向延迟测量值处理，迭代式处理直至所述最小的负的单向延迟测量值大于设置的阈值α，设定通过一次遍历找到所述最小的负的单向延迟测量值:

ΔT_ij<α<0 (3)

根据方程(2)，有如下关系：

clock_i-clock_j＝-ΔT_ij+OWD_ij (4)

OWD_ij>0，得到方程(5)：

τ_i-τ_j>-ΔT_ij (5)

ClockConverger对两个时钟分别进行大小为|ΔT_ij|/2的校正：

ΔT_ij<0时根据式(3)和式(4)得到关系：

则有：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S3.2包括：利用所述NTP服务器校时时，设定往返方向上的单向延迟对称，则获得主机i相对于所述NTP服务器的时钟偏移offset_i,NTP为：

offset_i,NTP＝(ΔT_NTP,i-ΔT_i,NTP)/2 (9)

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S3.2还包括：

将每个节点看作一个时钟服务器，通过求平均的方式降低测量误差，则计算出的时钟偏移offset′_i为：

在所述步骤S3.2中，每一轮迭代对每个时钟进行校正：clock_i←clock_i-offset′_i，直至所有的时钟偏差绝对值都小于设定的阈值β，迭代停止：

max_0＜i≤n|offset′_i|<β (11)

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S3.2还包括：基于ClockConverger算法的复杂度是O(n^3)，对于所述网络中所有待测节点的单向延迟测量结果进行实时处理，并根据中心极限定理，将所述测量误差降低至原始测量误差的

本发明实施例的高效的大规模单向延迟测量方法，通过利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；使用开源工具对所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；使用特定算法对单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。本发明为大规模单向延迟测量提供了新的选择，并大大提高了大规模单向延迟测量的可部署性，能够推进学术界在网络性能领域的研究，也能够推动网络异常诊断、网络性能优化、网络攻击检测等研究领域的发展。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种高效的大规模单向延迟测量装置，包括：

同步模块，用于利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；

测量模块，用于使用开源工具对所述所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；

消除模块，用于使用特定算法对所述单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。

本发明实施例的高效的大规模单向延迟测量装置，通过同步模块，用于利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；测量模块，用于使用开源工具对所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；消除模块，用于使用特定算法对单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。本发明为大规模单向延迟测量提供了新的选择，并大大提高了大规模单向延迟测量的可部署性，能够推进学术界在网络性能领域的研究，也能够推动网络异常诊断、网络性能优化、网络攻击检测等研究领域的发展。

本发明的有益效果为：

1)本发明是一种新的大规模精确测量单向时延的方案，其中包含一个新颖的低复杂度的对时钟不同步导致的误差进行补偿的算法。本发明为大规模单向延迟测量提供了新的选择；

2)本发明有着较低的计算开销和经济成本，大大提高了大规模单向延迟测量的可部署性；

3)大规模单向延迟测量有助于我们深入了解网络的性能特征，该方案能够推进学术界在网络性能领域的研究；

4)网络性能测量是网络异常诊断、网络性能优化、网络攻击检测的基础，本发明也能够推动网络异常诊断、网络性能优化、网络攻击检测等研究领域的发展。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的不同时钟同步方法的成本示意图；

图2为根据本发明一个实施例的高效的大规模单向延迟测量方法的流程图；

图3为根据本发明一个实施例的高效的大规模单向延迟测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的一种高效的大规模单向延迟测量方法和装置。

在大规模单向延迟的测量中，已有的方案要么存在测量结果不够精确的问题，要么存在经济成本高或者计算成本高的问题。这些问题都制约了大规模单向延迟测量的部署。基于此，我们提出了一种在大规模网络中准确测量OWD的新方案，该方案平衡了经济开销和计算复杂性，如图1所示。

可以知道的是，大规模单向延迟测量意义重大。一些研究工作提出通过测量网络性能可以对网络进行异常诊断并进一步提高网络质量。通过感知每对节点之间的OWD，我们可以确定哪条路径的延迟最低，哪条路径当前拥塞。由于网络路径在两个方向上的性能不对称，OWD可以提供比RTT更丰富的信息。它可以帮助我们发现网络拥塞发生在哪个方向，并分别保证两个方向的QoS。

图2为本发明实施例所提供的一种高效的大规模单向延迟测量方法的流程图。

如图2所示，该测量方法包括：

步骤S1，利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步。

本发明为了以低成本在大规模网络中有效地获得任意两个节点之间的OWD，提出了一种新方案，该方案使用已有的工具OWPing来测量已经与NTP服务器进行过粗粒度时间同步的节点之间的OWD，然后使用提出的一个新的算法ClockConverger来消除由时钟偏移引起的误差。下面对测量方案进行详细介绍。

具体的，本发明利用NTP服务进行粗粒度时间同步。我们在所有待测节点上安装NTP客户端软件，然后选择合适的公开NTP服务器进行初步的时间同步。因为NTP是一个免费且成熟易用的软件服务，所以这一步很容易完成。

可以理解的是，该步骤确定参与大规模单向延迟测量的各节点后，在各节点上安装NTP软件，利用公开的NTP服务对各节点进行初步校时。

步骤S2，使用开源工具对所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果。

使用开源工具OWPing进行节点两两之间的单向延迟测量。具体的，在每个待测端主机节点上下载并安装OWPing，然后利用OWPing进行单向延迟的测量。OWPing的使用方式可以参考其官方文档。对于有n个待测节点的网络集群，我们需要测量n×(n-1)个单向延迟值，即需要测出每个节点与其他各个节点之间的单向延迟。

可以理解的是，该步骤是在各节点上安装开源的OWPing工具，利用OWPing测量任意两个节点之间的单向延迟，获得n×n的单向延迟测量值矩阵ΔT_n×n，ΔT_ij代表节点i到节点j的单向延迟测量结果。

步骤S3，使用特定算法对单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。

可以理解的是，通过OWPing的测量，我们获得一个单向延迟测量结果矩阵ΔT_n×n。n为测量节点个数，ΔT_ij表示节点i到节点j的单向延迟测量结果。我们将节点i的本地时钟时间记为clock_i，协调世界时(Coordinated Universal Time)记为UTC,时钟偏移(offset)记为τ_i：

τ_i＝clock_i-UTC (1)

将节点i到节点j之间的真实单向延迟记为OWD_ij，则OWD_ij与ΔT_ij之间的关系如下：

OWD_ij＝ΔT_ij+τ_i-τ_j (2)

各测量节点已经通过NTP进行了粗粒度的时间同步。ClockConverger能够帮助我们在此基础上进一步提高时间各节点之间的同步精度，即减小τ_i-τ_j项带来的测量误差。我们的算法以ΔT_n×n作为输入，输出则是一个更接近OWD_n×n的单向延迟矩阵。算法分两步进行：

Step1:根据测量结果中的负值进行时钟校正。理想时钟同步状态下是不可能出现负的单向延迟测量值的，出现负值能够说明源端主机或者目的端主机或者两者皆有较大的时钟偏移；

Step2:将每一个主机都看作是一个时间服务器。每台主机都向其他所有主机进行时间同步，直至所有主机时钟收敛到相对一致的状态。

在Step1中每次找出最小的负的单向延迟测量值处理，迭代式处理直至最小的负的单向延迟测量值大于我们设置的阈值α。假设我们通过一次遍历找到最小的单向延迟测量值:

ΔT_ij<α<0 (3)

根据方程(2)，我们有如下关系：

clock_i-clock_j＝-ΔT_ij+OWD_ij (4)

因为OWD_ij>0，所以我们能够得到方程(5)：

τ_i-τ_j>-ΔT_ij (5)

ClockConverger对两个时钟分别进行大小为|ΔT_ij|/2的校正：

ΔT_ij<0时根据式(3)和式(4)可得关系：

因此有：

即经过校正，节点时钟偏移的绝对值的上界变小，各节点时钟有了初步的收敛。

利用单个NTP服务器校时时，假设往返方向上的单向延迟的是对称的，因此获得主机i相对于该NTP服务器的时钟偏移offset_i,NTP：

offset_i,NTP＝(ΔT_NTP,i-ΔT_i,NTP)/2 (9)

Step2将每个节点都看作一个时钟服务器，通过求平均的方式从统计学的意义上降低误差。因此在Step2中计算出的时钟偏移offset_i：

在Step2中每一轮迭代都要对每个时钟进行校正：clock_i←clock_i-offset′_i，直至所有的时钟偏差绝对值都小于设定的阈值β，迭代停止：

max_0＜i≤n|offset′_i|<β (11)

上述算法中α与β是两个手动设置的阈值，设置的松一些则算法迭代的次数少一些。同时为了保证精度又不宜太松。根据我们的经验，在实际使用时可将α设置为-2ms，将β设置为1ms。

完整的ClockConverger算法伪代码如下表1所示：

ClockConverger算法的复杂度是O(n^3)，这意味着对于成千上万个节点的集群，其间节点的单向延迟测量结果可以得到实时处理。另外，根据中心极限定理，ClockConverger可以将误差降低至原始测量误差的

可以理解的是，该步骤利用ClockConverger算法对测量结果ΔT_n×n进行校正，消除由于时钟不同步带来的误差，提高测量精度。

根据本发明实施例的高效的大规模单向延迟测量方法，通过利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；使用开源工具对所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；使用特定算法对单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。本发明为大规模单向延迟测量提供了新的选择，并大大提高了大规模单向延迟测量的可部署性，能够推进学术界在网络性能领域的研究，也能够推动网络异常诊断、网络性能优化、网络攻击检测等研究领域的发展。

图3为根据本发明一个实施例的高效的大规模单向延迟测量装置的结构示意图。

如图3所示，该测量装置10包括：同步模块100、测量模块200和消除模块300。

同步模块100，用于利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；

测量模块200，用于使用开源工具对所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；

消除模块300，用于使用特定算法对单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。

根据本发明实施例提出的高效的大规模单向延迟测量装置，通过同步模块，用于利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；测量模块，用于使用开源工具对所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；消除模块，用于使用特定算法对单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。本发明为大规模单向延迟测量提供了新的选择，并大大提高了大规模单向延迟测量的可部署性，能够推进学术界在网络性能领域的研究，也能够推动网络异常诊断、网络性能优化、网络攻击检测等研究领域的发展。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种高效的大规模单向延迟测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1,利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；

步骤S2,使用开源工具对所述所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；

步骤S3,使用特定算法对所述单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果；

所述使用特定算法对所述单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果，包括：

通过开源工具OWPing的测量，获得一个单向延迟测量结果矩阵ΔT_n×n；其中，n为测量节点个数，ΔT_ij表示节点i到节点j的单向延迟测量结果；

将所述节点i的本地时钟时间记为clock_i，协调世界时记为UTC,时钟偏移记为τ_i，所述时钟偏移为：

τ_i＝clock_i-UTC (1)；

将所述节点i到所述节点j之间的真实单向延迟记为OWD_ij，则OWD_ij与ΔT_ij之间的关系为：

OWD_ij＝ΔT_ij+τ_i-τ_j (2)；

所述步骤S3包括：

步骤S3.1,根据所述单向延迟测量结果中的负值进行时钟校正；

步骤S3.2,将每台主机向其他主机进行时间同步，直至所有主机校正后的时钟收敛到相对一致的状态；

所述步骤S3.1包括：

每次找出最小的负的单向延迟测量值处理，迭代式处理直至所述最小的负的单向延迟测量值大于设置的阈值α，设定通过一次遍历找到所述最小的负的单向延迟测量值:

ΔT_ij<α<0 (3)

根据方程(2)，有如下关系：

clock_i-clock_j＝-ΔT_ij+OWD_ij (4)

OWD_ij>0，得到方程(5)：

τ_i-τ_j>-ΔT_ij (5)

ClockConverger对两个时钟分别进行大小为|ΔT_ij|/2的校正：

ΔT_ij<0时根据式(3)和式(4)得到关系：

则有：

所述步骤S3.2包括：

利用所述NTP服务器校时时，设定往返方向上的单向延迟对称，则获得主机i相对于所述NTP服务器的时钟偏移offset_i,NTP为：

offset_i,NTP＝(ΔT_NTP,i-ΔT_i,NTP)/2 (9)；

所述步骤S3.2还包括：

将每个节点看作一个时钟服务器，通过求平均的方式降低测量误差，则计算出的时钟偏移offset′_i为：

在所述步骤S3.2中，每一轮迭代对每个时钟进行校正：clock_i←clock_i-offset′_i，直至所有的时钟偏差绝对值都小于设定的阈值β，迭代停止：

max_0＜i≤n|offset′_i|<β (11)。

2.根据权利要求1所述的高效的大规模单向延迟测量方法，其特征在于，所述步骤S3.2还包括：基于ClockConverger算法的复杂度是O(n^3)，对于所述网络中所有待测节点的单向延迟测量结果进行实时处理，并根据中心极限定理，将所述测量误差降低至原始测量误差的

3.一种高效的大规模单向延迟测量装置，其应用于如权利要求1所述的高效的大规模单向延迟测量方法，其特征在于，包括：

同步模块，用于利用NTP服务器对网络中所有待测节点进行粗粒度时间同步；

测量模块，用于使用开源工具对所述所有待测节点两两之间进行单向延迟测量，得到单向延迟测量结果；

消除模块，用于使用特定算法对所述单向延迟测量结果进行时钟同步误差消除，获得精准测量结果。

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