CN1275440C - 一种端到端的网络瓶颈带宽测量方法 - Google Patents

Abstract

一种端到端的网络瓶颈带宽测量方法，包括下述步骤：A、初步估算三个测量参数：受测网络路径的环回时延RTT，带宽测量精度范围BIN和一个比真实值偏小的瓶颈带宽左界值；B、发送端发送多组不同包长的测量数据包对，接收端收到测量数据包对后，记录存储测量数据，并发送确认应答；C、接收端分别按不同包长和不同序号把测量数据分组，两两交织进行矩形呈现处理，获得多幅测量样值矩形分布图，然后根据所有分布图中峰的位置分布情况，利用挑峰和滤峰操作找出相对固定的成峰位置，得出瓶颈带宽测量结果值。与现有的瓶颈带宽测量工具相比，该方法更加准确、快速、具有良好的健壮性；且消耗网络带宽资源低，对受测网络路径的影响小，具有很好的应用前景。

Description

一种端到端的网络瓶颈带宽测量方法

技术领域

本发明涉及一种端到端的网络瓶颈带宽测量方法，确切地说，涉及一种准确、快速、具有良好健壮性、消耗带宽资源少、对网络影响小的端到端的网络瓶颈带宽测量方法，属于互联网的带宽测量技术领域。

背景技术

网络运营商需要了解互联网的带宽情况来指导网络运行维护和扩容规划工作；同时，互联网的许多应用也需要了解网络带宽特性来优化其应用的性能。因此，网络带宽测量技术对于网络运营商和网络应用有着重要的意义，它在网络运营、设备研制和下一代网络新生业务中有着广泛应用。

带宽测量可分为瓶颈带宽测量，可用带宽测量和链路带宽测量。网络中的一条路径通常是由几段不同带宽的物理链路连接而成的，因此，一条网络路径的瓶颈带宽是指该路径上带宽最窄的那段链路的物理带宽。本发明主要针对网络路径的瓶颈带宽。

端到端测量是指一种不需要网络中路由器协作的测量方式，一般通过受测网络路径两端的两台主机来完成测量任务，其中一台主机发送测量数据包，称为发送端；另一台接收测量数据包并处理数据给出结果，称为接收端。

端到端瓶颈带宽测量有着非常重要的应用，比如网络多服务器的选择、在对等网络中支持服务质量QoS路由的建立、虚拟专用网VPN用户对所租用网络带宽的自主监测、网络运营维护和瓶颈故障检测、基于速率的拥塞控制、基于策略的接纳控制以及无线网络中移动切换性能优化等等。

现有的端到端瓶颈带宽测量方法主要是基于数据包对Packet Pair技术。数据包对是指发送两个等长的背靠背的测量数据包，所谓“背靠背”是指这两个数据包在发送端是没有间隔地紧挨发送的，如果忽略路径上其他背景流量的影响，那么这两个数据包将在瓶颈链路(即路径上带宽最窄的那段链路)处形成最大的到达间隔时间，此后该两个数据包将保持这样的间隔，直到该组数据包对先后到达接收端。根据该组数据包长和到达时间的间隔就可以计算得到瓶颈带宽值。

尽管原理很简单，但是端到端瓶颈带宽的测量有着相当的技术难度。上述原理是在假定网络没有背景流量下获得的，但是事实上，网络中总是存在背景流量，即其他正常业务的数据包。这些背景流量数据包会在网络中阻挡在测量数据包的前面，或者插入到测量数据包的中间，使得测量数据包到达接受端的时间间隔变大或者变小。因此，如何合理安排测量数据包的发送，如何合理处理测量数据，以消除误差影响，使得测量结果具有较高的准确度和良好的健壮性，是端到端瓶颈带宽测量需要解决的技术难题。

此外，端到端瓶颈带宽测量技术的大部分应用都希望测量时间越短越好，测量代价越小越好。所谓测量代价就是指完成一次测量所需要发送的测量数据包量，发送的数据包越多，对受测网络路径的影响和带宽消耗也就越大，表明测量代价越高。目前，为了试图消除背景流量的误差影响，国内外提出的一些测量方法完成一次测量都需要发送相当数量的测量数据包，也需要相当长的一段测量时间。因此，如何减少测量时间和测量代价也是端到端瓶颈带宽测量中的关键问题。

目前，利用数据包对技术测量端到端的瓶颈带宽的典型方法主要有三种：

最早是文献《在广域网中利用路径动态特性来实现多服务器选择》(“ServerSelection Using Dynamic Path Characterization in Wide-area Networks”，InProceedings of IEEE INFOCOM97，vol.3)提出的一种瓶颈带宽测量工具Bprobe，简单地利用数据包对技术的上述原理进行几次测量，然后计算其均值，由于没有考虑背景流量带来的误差影响，因此BProbe的测量准确度和健壮性比较差。

第二种方法是文献《带宽测量》(“Measuring bandwidth”，In Proceedings ofIEEE INFOCOM99，New York，USA)提出的基于单峰分布的瓶颈带宽测量工具Nettimer。该类方法注意到了网络背景流量带来的噪声影响，并开始通过考察由多次测量形成的测量样值分布图来获取瓶颈带宽测量值。该方法假定测量样点总是集中分布在瓶颈带宽值的周围，通过一种统计滤波技术来发现分布图中样点最为密集的位置，即最高峰所处的位置，并将其作为测量结果。Nettimer的测量效果比BProbe好了很多，但是后来的研究发现，分布图中最为密集的位置并非就是正确的瓶颈带宽，因此Nettimer的准确度也很难满足要求。

第三种方法是文献《数据包对散布技术测量什么？》(“What Do PacketDispersion Techniques Measure？”，In Proceedings of IEEE INFOCOM2001，vol.2)提出瓶颈带宽测量工具Pathrate。Pathrate发现测量结果常常呈现多峰分布。它通过发送足够长的数据包串(即多个等长的背靠背的测量数据包)来获取一个比目标瓶颈带宽值偏小的左界值，然后再发送足够多组的数据包对来形成一幅带宽分布图，从分布图中挑出所有大于左界值的峰的位置，最后从这些峰中取出数值最小的峰作为目标瓶颈带宽估值。

Pathrate是目前一种比较好的瓶颈带宽测量工具，当网络负荷比较轻的时候，这种方法有较高的准确性。但是当网络负荷稍重的时候，该方法会产生较大误差，而实际网络是不可能总是处于轻负荷的，因此Pathrate的健壮性需要提高；另外为了获取较好的左界值，Pathrate完成一次测量需要发送大量的数据包串，这样不但给受测链路带来大量的负荷和带宽消耗，而且也需要较长的测量时间，这些都不是一个优秀的测量工具应有的特性，所以端到端瓶颈带宽测量技术仍然需要有重大的创新和突破。

发明内容

本发明目的是提供一种端到端的网络瓶颈带宽测量方法，与现有的各类瓶颈带宽测量工具相比，该方法更加准确、快速、具有良好的健壮性。同时，它比现有测量工具需要发送的测量数据包少，测量流的速率低，因此该方法消耗网络带宽资源低，对受测网络路径的影响小，即该方法是低测量代价的端到端的网络瓶颈带宽测量方法。

本发明的目的是这样实现的：一种端到端的网络瓶颈带宽测量方法，其特征在于：初步估算下述测量参数：受测路径的环回时延，带宽测量精度范围和一个比真实值偏小的瓶颈带宽左界值；发送端发送多组不同包长的测量数据包对，接收端记录下收到的测量数据包对信息，发送确认应答，并将测量数据进行分组交织处理，形成多幅测量样值矩形分布图，再根据这些多幅分布图中的峰的位置分布情况，利用挑峰和滤峰操作找出相对固定的成峰位置，该位置就是受测网络路径的瓶颈带宽结果数值。

该方法包括下述步骤：

A、初步估算测量参数：受测路径的环回时延RTT，带宽测量精度范围BIN和一个比真实值偏小的瓶颈带宽左界值；

B、传输测量数据包对：发送端发送多组不同包长的测量数据包对，接收端接收到测量数据包后，记录存储测量数据，并发送确认应答；

C、处理测量数据：先按不同包长把测量数据分组，两两交织并进行矩形呈现处理，即取任意两组测量数据合并为一个测量数据子集，针对每一个测量数据子集形成一个测量样值矩形分布图，这样就可获得一批基于不同包长数据子集的矩形分布图；再用同样方法按不同序号把测量数据分组，两两交织，得到另一批基于不同序号数据子集的矩形分布图；最后根据所有分布图中峰的位置分布情况，利用挑峰和滤峰操作得出瓶颈带宽测量结果值。

所述初步估算测量参数的具体操作步骤至少包括有：

A1、初估环回时延RTT：发送端向接收端发送一个测量数据包，等待接收端的确认ACK包，其发送测量数据包的时刻与接收到确认ACK时刻的时间差，就作为该数据包在受测网络路径上的环回时延的一个测量样值；多次重复进行上述测量，再对该多个测量样值计算其平均值，作为环回时延RTT的初估值；

A2、初估瓶颈带宽左界值：发送端向接收端发送一组由N个包长均为L的背靠背测量数据包对组成的数据包串，接收端根据第一个数据包到达时刻和最后一个数据包到达时刻的时间间隔T计算瓶颈带宽值B＝(N×L)/T；多次进行上述测量和计算，并将多个测量样值按大小排序，去掉其中最大和最小的若干个数值，再对剩余的多个测量样值求平均值，作为带宽左界初估值；

A3、初估带宽测量精度范围BIN：先计算偏差参数，即步骤A2中剩余的多个测量样值中最大值和最小值的差；再设定步骤A2中得到的瓶颈带宽左界初估值的3％-10％作为限制参数；然后取偏差参数和限制参数中的较小者作为带宽精度范围BIN的初估值。

所述传输测量数据包对的具体操作步骤是：

B1、发送测量数据包对：发送端按“背靠背”的要求顺序发送多组数据包对，即每一组数据包对中的两个数据包都是紧挨着相继发送；这些数据包对的包长是在最小包长值和最大包长值之间选取的，发送端给每一组数据包对分配一个递增序号，以表示发送顺序；在发出每一组数据包对后，发送端都要收到来自接收端的确认后，才接着发送下一组数据包对；如果在几个RTT时间内发送端没有收到ACK确认，则认为刚才的测量数据包对丢失，这时发送端将会重新发送刚才序号和包长的数据包对；

B2、接收响应和存储：接收端确认接收到的每一组数据包对，即向发送端发回一个ACK应答数据包；同时接收端每收到一组数据包对，计算该数据包对中的前后两个数据包的到达时刻间隔T，并记录存储下述测量数据：该数据包对的序号、包长L及计算其瓶颈带宽测量数值B＝L/T。

所述步骤B1中顺序发送的多组数据包对的数量范围是[500组，5000组]；所述步骤B2中的最小包长值和最大包长值的范围是[100，PMTU]字节，其中PMTU(Path Maximum Transport Unit)是受测路径上的最大分片长度。

所述处理测量数据的具体操作步骤是：

C1、不同包长的分组交织：按测量数据包对的不同包长把传输测量数据包对步骤中得到的所有测量数据分成K组，两两交织，即取任意两组测量数据合并为一个测量数据子集，对每一个测量数据子集利用矩形呈现处理，每次得到一幅测量样值矩形分布图；这样一共得到K×(K-1)/2幅不同包长的矩形分布图；

C2、不同序号的分组交织：按测量数据包对的序号顺序，也就是发送时间顺序，把传输测量数据包对步骤中得到的所有测量数据重新分成K组，两两交织，即取任意两组测量数据合并为一个测量数据子集，对每一个测量数据子集利用矩形呈现处理，每次得到一幅测量样值矩形分布图；这样一共得到K×(K-1)/2幅不同拥塞时段的矩形分布图；

C3、挑峰数据处理：对步骤C1、C2中得到的K×(K-1)幅矩形分布图，各自分别进行挑峰处理，即在每个矩形分布图中挑出其权值既不低于左边相邻小区间、又不低于右边相邻小区间，且高于最小允许权值的一个带宽小区间-峰，一幅矩形分布图中挑出的多个峰被称为峰集；这样总共可挑出K×(K-1)组峰集；

C4、滤峰操作：根据瓶颈带宽形成的目标峰的位置相对固定在上述各个分布图中，而背景流量形成的噪声峰呈不规则分布的原理制定规则，再根据该规则滤出瓶颈带宽目标峰。

所述步骤C1和C2中的矩形呈现处理是：先以步骤B中得到的测量数据中的最大值和最小值之差作为一个大区间，以步骤A中得到的带宽测量精度范围BIN为单位，将所述大区间划分成若干个带宽范围皆为BIN的小区间；再将测量数据值位于每个小区间范围内的个数，作为每个小区间的权值；最后利用矩形图来呈现表示，即以带宽值范围为横坐标，每个小区间的权值为纵坐标，带宽测量精度范围BIN为小区间单位的矩形分布图。

所述步骤C1和C2中测量数据的分组数目K的选择范围是[4，12]。

所述步骤C4中滤峰操作的规则是：瓶颈带宽目标峰所在小区间左边界的带宽值要比步骤A中得到的除估的瓶颈带宽左界初估值大；瓶颈带宽目标峰在K×(K-1)组峰集中重复出现的次数最多，即瓶颈带宽目标峰的位置在多幅分布图中保持相对固定；如果上述两条规则得到的瓶颈带宽目标峰有多个，则选取所在小区间左边界的带宽值最小的峰为瓶颈带宽结果目标峰，并将该瓶颈带宽结果目标峰所在的带宽小区间的左右边界作为测量结果的瓶颈带宽结果值。

本发明是一种在计算机网络中测量端到端瓶颈带宽的方法，该方法基于瓶颈带宽固定成峰的网络特性，采用数据包对测量技术，利用分组交织处理和考察多幅分布图中峰的位置散列情况得到目标结果值。

以往的各类带宽测量工具对测量数据都是只进行一次性处理，没有充分利用大量测量数据中的全部信息内容。本发明的测量原理是基于对带宽瓶颈引起固定成峰的网络特性的新发现，创造性地采用分组交织处理方法，把K幅分布图两两交织为K×(K-1)/2幅分布图，其测量方法也从考察一组测量值的分布图中的峰，变为了分析考察多幅分布图中峰的位置情况，然后利用挑峰和滤峰规则有效地消除误差影响，得到目标瓶颈带宽测量结果值。这样不仅可以克服现有各类瓶颈带宽测量工具的种种缺陷，强化不同包长和不同拥塞时段对背景流量噪声影响的过滤效果，提高了测量的健壮性；而且在不同的网络负荷条件下，尤其是在背景流量较重的负荷情况下，本发明都能够准确完成端到端瓶颈带宽测量，具有较高的测量准确度。更重要的是，本发明创造性地对测量数据进行分组交织处理，实现了测量数据的高效重复使用，提高了测量数据的利用率，极大地节省了需要发送的测量数据包数量，同时也缩短了测量时间。跟目前较好的瓶颈带宽测量工具Pathrate相比，本发明完成一次测量只需要Pathrate的大约一半时间，所需要发送的测量数据包数量要比Pathrate减少1/4，所以，本发明是一种快速、准确、消耗网络带宽资源低、对受测网络路径的影响小的端到端瓶颈带宽测量方法，能够更好地满足测量应用业务的要求，将在端到端网络测量中具有非常好的实用前景。

附图说明

图1是本发明方法的总体流程方框图。

图2是本发明方法中的处理测量数据操作步骤流程方框图。

图3是本发明方法中的处理测量数据操作步骤中的一示例的矩形分布图。

图4是本发明方法中的处理测量数据操作步骤中的峰的位置状况示例图。

图5(A)、(B)分别是采用本发明方法与Pathrate方法的两次测量试验的结果比较图，其中(A)图是西安交通大学到清华大学的12次测量试验的结果，(B)图是北京大学到保定电信局的12次测量试验的结果，

具体实施方式

下面结合附图和本发明的一具体实施例来阐明本发明的测量方法及其某些具体步骤中的参数选择，最后通过对照实验结果来说明该方法的优点。

本发明是一种基于分组交织和固定成峰的端到端网络瓶颈带宽的测量方法，首先需要在接收端和发送端都运行测量程序，建立一个TCP连接和一个UDP连接，其中TCP连接用于传送测量控制信令，而测量数据包通过UDP连接来传送。

参见图1，本发明方法包括三个主要操作步骤：

A、初步估算测量参数：受测路径的环回时延RTT，带宽测量精度范围BIN和一个比真实值偏小的瓶颈带宽左界值；

B、传输测量数据包对：发送端发送多组不同包长的测量数据包对，接收端收到测量数据包对后，记录存储测量数据，并发送确认应答；

C、处理测量数据：接收端对测量数据进行分组交织处理，形成多幅测量样值矩形分布图，再根据该多幅分布图中的峰的位置分布情况，利用挑峰和滤峰操作找出相对固定的成峰位置，该位置就是受测网络路径的瓶颈带宽结果数值。

参见图2所示的本发明处理测量数据操作步骤的流程图。本发明对测量数据进行分组交织处理，所谓分组交织就是把原始测量数据分成K组，两两交织，即取任意两组测量数据合并为一个测量数据子集，对每一个测量数据子集进行矩形呈现处理，得到一幅测量样值矩形分布图，这样一共可以得到K×(K-1)/2幅矩形分布图。本发明在数据处理阶段，首先按不同包长对原始测量数据进行分组交织，得到第一批K×(K-1)/2幅分布图；然后在按不同拥塞时段(即发送序号)把原始测量数据重新进行分组交织，类似地可以得到另一批K×(K-1)/2幅分布图；最后考察全部两批共K×(K-1)幅分布图中峰的位置分布散列情况，并利用挑峰和滤峰操作找出相对固定的成峰位置，进而得到端到端瓶颈带宽结果值。

本发明在分组交织过程中用到的矩形呈现处理是：当处理一批原始测量数据的时候，每一个测量数据都是一组数据包对的测量结果带宽值，由于背景流量的误差影响，使得某些测量结果值会偏大或者偏小，因此这批原始测量数据将会是一批落在某个带宽值大区间内的测量结果带宽值，假设该大区间为[0-25Mbps](参见图3)。本发明是以传输测量数据包对时得到的原始测量数据中的最大值和最小值之差作为一个大区间，再以初估的带宽精度范围BIN为单位，将该大区间划分成若干个小区间，每个小区间的宽度范围都是BIN。对于每个小区间，将上述原始测量数据值中落在该小区间数值范围内的个数，记为该小区间的权值，从而得到每个小区间的权值，并利用矩形图来呈现表示；即以带宽值范围为横坐标，每个小区间的权值为纵坐标，得到图3的矩形分布图。

本发明对多幅矩形分布图中峰的位置散列情况还要进行挑峰和滤峰操作。

首先是挑峰操作：在每一幅矩形分布图中进一步滤取有用信息，把峰的位置挑出来。所谓的峰的位置其实是矩形分布图中的一个带宽小区间，它的特征是其权值既不低于左边相邻小区间、又不低于右边相邻小区间、还要高于最小允许权值，该最小允许权值一般根据经验选取。在图3所示的矩形分布例图中，箭头所指就是所谓峰的位置。一幅矩形分布图中通常可以挑出多个峰，称之为峰集。本发明按照不同包长和不同拥塞时段分别进行分组交织，一共得到K×(K-1)幅矩形分布图，各自分别进行挑峰处理，则可以挑出K×(K-1)组峰集，其中每组峰集包含着同一幅分布图中的多个峰。

然后是滤峰操作：根据瓶颈带宽形成的峰的位置在得到的多幅分布图中会相对固定，而背景流量形成的噪声峰会被散开的网络特性，本发明按照下述规则进一步滤出瓶颈带宽目标峰：瓶颈带宽目标峰所在小区间左边界的带宽值要比带宽左界初估值大；瓶颈带宽目标峰在K×(K-1)组峰集中重复出现的次数最多，即瓶颈带宽目标峰的位置在多幅分布图中保持相对固定；如果上述两条规则得到的瓶颈带宽目标峰有多个，则选取所在小区间左边界的带宽值最小的峰为瓶颈带宽结果目标峰，并将该瓶颈带宽结果目标峰所在的带宽小区间的左右边界作为测量结果的瓶颈带宽结果值。

根据上述三条规则能够得到一个唯一结果，即目标瓶颈带宽测量结果值。图4给出了滤峰操作处理的示例图，图中的黑点表示峰的位置，即峰的位置也是一个带宽小区间，黑点其实是所在带宽小区间的中点。同一水平线上的黑点代表同一个峰集中的峰。图中的条形框所示处即为瓶颈带宽结果的目标峰。

本发明在测量初始阶段，首先需要初步估计一些测量参数：

(1)初估环回时延RTT：为了避免偶然误差，在测量初始阶段进行10次传输发送和RTT估算，再将该10次的估算结果求平均值，作为环回时延RTT的初估值；

(2)初估带宽左界值：为了避免误差太大，在测量初始阶段进行60次传输发送和带宽值估算，每次估算都是由发送端向接收端发送一组20个等长的背靠背的测量数据包对组成的数据包串，接收端根据第一个数据包到达时刻和最后一个数据包到达时刻的时间间隔T计算瓶颈带宽值B＝(20×包长)/T；再将得到的60个瓶颈带宽值按大小排序，去掉其中最大的10个数值和最小的10个数值，然后计算剩余的40个瓶颈带宽估算值的平均值，作为带宽左界初估值；

(3)初估带宽精度范围BIN：先计算上一步骤得到的60个估算值的偏差参数，即计算其中第11个估算值和第50个估算值的差；再对上一步骤得到的带宽左界值的大小给出一个限制参数，其具体方法是：如果该带宽左界初估值小于1Mbps，则取该带宽左界初估值的10％为限制参数；如果带宽左界初估值大于1Mbps而小于12Mbps，则取该带宽左界初估值的7.5％为限制参数；如果带宽左界初估值大于12Mbps，则取该带宽左界初估值的5％为限制参数。最后比较偏差参数和限制参数，将较小者作为带宽精度范围BIN的初估值。

本发明在传输测量数据包对阶段，需要设置下述操作参数：

(1)发送端最大等待时间：发送端按照“背靠背”的要求每次顺序发送一组数据包对，即将每一组数据包对中的两个数据包都是紧挨着相继发送后，都需要等待来自接收端的确认后，才能接着发送下一组数据包对。如果在4个RTT时间内发送端还没有收到ACK确认，即发送端最大等待时间为4个RTT，则认为刚才的测量数据包对发生丢失。这时发送端将会重新发送刚才那组序号和包长的数据包对。

(2)测量数据包长：如果数据包长太小，测量终端主机收发包的时间将会对数据包在网络中的传输时间造成比较大的误差影响，所以包长一般不能少于100字节，推荐的最小包长是500字节。如果包长足够大一些，可以忽略该误差；但是如果包长太大，则由于计算机网络有一个最大分片长度(PMTU)的限制，包长超过PMTU的测量数据包将会被路由器分成若干个IP包，这样就违背了利用数据包对技术测量瓶颈带宽的测量原理。因此，需要选取一个合适大小的数据包长，一般局域网的PMTU是1500字节，因此本发明的数据包长是在[500字节，1500字节]的范围内随机选取。

(3)测量数据包的数量：首先需要有足够多的原始数据才能比较准确地消除噪声，得到较好的测量结果值；但是如果原始数据太多，则需要过长的测量时间和处理过多的测量数据。因此本发明方法需要发送的多组测量数据包的数量应适量选取，一般不能少于500组，如果为5000组就完全足够多了，推荐的数据包最佳数量是2800组不同包长、且在随机不同时段发送的数据包对。

本发明在处理测量数据阶段利用分组交织的办法构造多幅测量样值矩形分布图，并分析各个图中峰的分布情况时，需要设置下述操作参数：

(1)分组数目K：如果K太小，只能得到少量的分布图，位置相对固定的峰会很多，不能充分利用测量数据中的信息，容易造成误差。如果K太大，分成了较多的组，因为数据的重复使用率太高而不能得到任何的新信息，而需要进行大量的运算。因此需要选取一个合适大小的分组数目K，一般在区域[4，12]之间，建议最佳的分组数目K是7。首先按不同包长把得到的测量数据分成7组，两两进行数据交织，得到21幅分布图；接着按发送顺序(不同拥塞时段)再把这些测量数据分成7组，也是两两进行数据交织，得到另外的21幅分布图；然后分析考察这42幅分布图中峰的位置散列情况。

(2)挑峰数据处理：所谓的峰的位置其实是矩形分布图中的一个带宽小区间，它的特征是其权值既不低于左边相邻小区间、又不低于右边相邻小区间，且其权值要高于最小允许权值。该最小允许权值是用来进一步滤除一些偶然的误差，一般选取该最小允许权值为5。如果分布图中某个带宽小区间符合峰的前两个特征，但是其权值小于5，将不会被选入该分布图的峰集。

本发明的方法已经进行了实验论证，该实验使用了分布在全国部分省市和高校的6台测量主机，并分别用本发明的测量方法和文献《数据包对散布技术测量什么？》中提供的方法Pathrate来测量端到端的瓶颈带宽，最后进行结果对比。测量主机的名称及地理位置如下表所示：

终端序号	主机名称	地理位置
			Node 1	BUPT	北京邮电大学
Node 2	Xi′an	西安交通大学(陕西省)
			Node 3	Pku	北京大学
Node 4	Tsinghua	清华大学
			Node 5	Baoding	保定电信局(河北省)
Node 6	ADSL	RenDa公司(北京市)

这些主机之间的瓶颈链路带宽范围可能从100kbps到155Mps，因而测量对象涵盖了从低速到高速的比较广的应用范围。此外，对每一条端到端的网络路径都在早、中、晚不同时段分别完成12次测量，由于不同时段的网络负载是不一样的，因而测量条件涵盖了从背景流量轻负荷到重负荷的情况，所以本实验具有代表性和多样性，能够作为检验端到端瓶颈带宽测量的可信实验场景。

参见图5所示的其中两条典型网络路径的测量结果，其中横坐标为测量次数(第几次测量)，纵坐标为测量带宽值。每条路径分别用本发明方法和pathrate方法各进行12次端到端瓶颈带宽测量。图中横虚线是表示目标路径瓶颈带宽的准确预知值，符号*代表本发明方法的测量结果，符号+代表Pathrate方法的测量结果，每次测量的结果都是大小为BIN的一个带宽精度范围，即在图5中，每一次测量结果都是两个不同带宽值的点，表示测量结果精度范围的上下边界，然后用竖线连起来表示该次测量结果。

从图5(A)、(B)的实验测量结果可以看出，在Xi′an到Tsinghua路径的测量实验中，本发明方法的结果总是比pathrate靠近预知虚线，而且12次测量的结果都比较稳定，相反地，pathrate的第5次和第7次测量结果有比较大的波动，健壮性相对较差。在Pku到Baoding路径的测量实验中，本发明方法的结果也总是比pathrate靠近预知虚线，而且12次测量的结果都相当稳定，相反地，pathrate的第2次和第7次测量结果有比较大的偏差。因此对于不同受测链路带宽，本发明在不同的背景流量负荷下总能较好地测出目标瓶颈带宽值，体现了良好的测量准确度和健壮性。

另外，从测量时间和测量代价看，在每次测量实验时都对测量耗时、发送数据包的总数量、发送数据包的总字节数，以及由于这些测量数据包给受测路径引入的带宽消耗共四项测量指标进行监测统计。下表为图5(A)从Xi′an到Tsinghua测量实验中，本发明和pathrate两种工具的各项统计结果比较。

测量代价指标	Pathrate	本发明方法	二者百分比
				发送探测数据包数(个)	49547	10915	22.0％
发送数据量(M bits)	72.8	12.7	17.4％
				测量时间(分钟)	20.8	10.1	48.5％
平均引入带宽消耗(kbps)	456.1	167.9	36.8％

从表中可以看出，本发明的测量耗时平均只有pathrate的一半，而所需要发送的测量数据包数只有pathrate的四分之一，以及给受测路径只引入较少的带宽消耗，因此，实验结果表明，本发明有效提高了测量数据的利用率，且在保证测量准确性的同时，减少了测量耗时和需要发送的测量数据包数量，确实是一种准确的、具有良好健壮性、比较快速的，同时对受测路径低消耗、低影响的端带端瓶颈带宽测量工具，实现了发明目的，具有很好的应用前景。

Claims (9)

1、一种端到端的网络瓶颈带宽测量方法，其特征在于：初步估算下述测量参数：受测路径的环回时延，带宽测量精度范围和一个比真实值偏小的瓶颈带宽左界值；发送端发送多组不同包长的测量数据包对，接收端记录接收到的测量数据包对信息，发送确认应答，并将测量数据进行分组交织处理，形成多幅测量样值矩形分布图，再根据这些多幅分布图中的峰的位置分布情况，利用挑峰和滤峰操作找出相对固定的成峰位置，该位置就是受测网络路径的瓶颈带宽结果数值。

2、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

A、初步估算测量参数：受测路径的环回时延RTT，带宽测量精度范围BIN和一个比真实值偏小的瓶颈带宽左界值；

B、传输测量数据包对：发送端发送多组不同包长的测量数据包对，接收端接收到测量数据包后，记录存储测量数据，并发送确认应答；

C、处理测量数据：先按不同包长把测量数据分组，两两交织并进行矩形呈现处理，即取任意两组测量数据合并为一个测量数据子集，针对每一个测量数据子集形成一个测量样值矩形分布图，这样就可获得一批基于不同包长数据子集的矩形分布图；再用同样方法按不同序号把测量数据分组，两两交织，得到另一批基于不同序号数据子集的矩形分布图；最后根据所有分布图中峰的位置分布情况，利用挑峰和滤峰操作得出瓶颈带宽测量结果值。

3、根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：所述初步估算测量参数的具体操作步骤至少包括有：

A1、初估环回时延RTT：发送端向接收端发送一个测量数据包，等待接收端的确认ACK包，其发送测量数据包的时刻与接收到确认ACK时刻的时间差，就作为该数据包在受测网络路径上的环回时延的一个测量样值；多次重复进行上述测量，再对该多个测量样值计算其平均值，作为环回时延RTT的初估值；

A2、初估瓶颈带宽左界值：发送端向接收端发送一组由N个包长均为L的背靠背测量数据包对组成的数据包串，接收端根据第一个数据包到达时刻和最后一个数据包到达时刻的时间间隔T计算瓶颈带宽值B＝(N×L)/T；多次进行上述测量和计算，并将多个测量样值按大小排序，去掉其中最大和最小的若干个数值，再对剩余的多个测量样值求平均值，作为瓶颈带宽左界初估值；

A3、初估带宽测量精度范围BIN：先计算偏差参数，即步骤A2中剩余的多个测量样值中最大值和最小值的差；再设定步骤A2中得到的瓶颈带宽左界初估值的3％-10％作为限制参数；然后取偏差参数和限制参数中的较小者作为带宽精度范围BIN的初估值。

4、根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：所述传输测量数据包对的具体操作步骤是：

B1、发送测量数据包对：发送端按“背靠背”的要求顺序发送多组数据包对，即每一组数据包对中的两个数据包都是紧挨着相继发送；这些数据包对的包长是在最小包长值和最大包长值之间选取的，发送端给每一组数据包对分配一个递增序号，以表示发送顺序；在发出每一组数据包对后，发送端都要收到来自接收端的确认后，才接着发送下一组数据包对；如果在几个RTT时间内发送端没有收到ACK确认，则认为刚才的测量数据包对丢失，这时发送端将会重新发送刚才序号和包长的数据包对；

B2、接收响应和存储：接收端确认接收到的每一组数据包对，即向发送端发回一个ACK应答数据包；同时接收端每收到一组数据包对，计算该数据包对中的前后两个数据包的到达时刻间隔T，并记录存储下述测量数据：该数据包对的序号、包长L及计算其瓶颈带宽测量数值B＝L/T。

5、根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：所述步骤B1中顺序发送的多组数据包对的数量范围是[500组，5000组]；所述步骤B2中的最小包长值和最大包长值的范围是[100，PMTU]字节，其中PMTU是受测路径上的最大分片长度。

6、根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：所述处理测量数据的具体操作步骤是：

C1、不同包长的分组交织：按测量数据包对的不同包长把传输测量数据包对步骤中得到的所有测量数据分成K组，两两交织，即取任意两组测量数据合并为一个测量数据子集，对每一个测量数据子集利用矩形呈现处理，每次得到一幅测量样值矩形分布图；这样一共得到K×(K-1)/2幅不同包长的矩形分布图；

C2、不同序号的分组交织：按测量数据包对的序号顺序，也就是发送时间顺序，把传输测量数据包对步骤中得到的所有测量数据重新分成K组，两两交织，即取任意两组测量数据合并为一个测量数据子集，对每一个测量数据子集利用矩形呈现处理，每次得到一幅测量样值矩形分布图；这样一共得到K×(K-1)/2幅不同拥塞时段的矩形分布图；

C3、挑峰数据处理：对步骤C1、C2中得到的K×(K-1)幅矩形分布图，各自分别进行挑峰处理，即在每个矩形分布图中挑出其权值既不低于左边相邻小区间、又不低于右边相邻小区间，且高于最小允许权值的一个带宽小区间-峰，一幅矩形分布图中挑出的多个峰被称为峰集；这样总共可挑出K×(K-1)组峰集；

C4、滤峰操作：根据瓶颈带宽形成的目标峰的位置相对固定在上述各个分布图中，而背景流量形成的噪声峰呈不规则分布的原理制定规则，再根据该规则滤出瓶颈带宽目标峰。

7、根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述步骤C1和C2中的矩形呈现处理是：先以步骤B中得到的测量数据中的最大值和最小值之差作为一个大区间，以步骤A中得到的带宽测量精度范围BIN为单位，将所述大区间划分成若干个带宽范围皆为BIN的小区间；再将测量数据值位于每个小区间范围内的个数，作为每个小区间的权值；最后利用矩形图来呈现表示，即以带宽值范围为横坐标，每个小区间的权值为纵坐标，带宽测量精度范围BIN为小区间单位的矩形分布图。

8、根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述步骤C1和C2中测量数据的分组数目K的选择范围是[4，12]。

9、根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述步骤C4中滤峰操作的规则是：瓶颈带宽目标峰所在小区间左边界的带宽值要比步骤A中得到的初估的瓶颈带宽左界值大；瓶颈带宽目标峰在K×(K-1)组峰集中重复出现的次数最多，即瓶颈带宽目标峰的位置在多幅分布图中保持相对固定；如果上述两条规则得到的瓶颈带宽目标峰有多个，则选取所在小区间左边界的带宽值最小的峰为瓶颈带宽结果目标峰，并将该瓶颈带宽结果目标峰所在的带宽小区间的左右边界作为测量结果的瓶颈带宽结果值。

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