CN1770711A - 一种瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法和系统，该方法是由发送端与接收端建立连接，进行数据交互，先探测和判断测试链路是否为令牌桶限速的网络路径，如果测试链路是令牌桶限速链路，则计算该链路的各项令牌桶参数、瓶颈带宽和剩余带宽；否则，采用传统方法测量和计算该链路的瓶颈带宽和剩余带宽。因此，不论链路是否采用令牌桶限速，本发明都能实现端到端的瓶颈带宽和剩余带宽的准确测量，测量精度和效率高；还可测量令牌桶限速链路的关键参数(包括令牌桶大小、分组队列长度、令牌生成时间间隔等)，这些参数能帮助运营商和用户更好地了解和维护网络，应用前景很好。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络测量领域中的主动带宽测量方法和系统，确切地说，涉及一种在令牌桶限速网络路径下瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法和系统，属于互联网的带宽测量技术领域。
背景技术
网络中的每条路径通常是由几段不同带宽的物理链路连接而成，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，即该路径在没有其他背景流量时的最大传输能力。现在，端到端的瓶颈带宽测量方法主要基于数据包对(Packet Pair)技术和数据包串(Packet Train)技术。下面对其作简要介绍。
数据包对是指两个等长的背靠背的测量数据包packeti-1和packeti。理想情况下，背靠背的两个分组的发送时间间隔为0，经过在某段链路上的传输，数据包packeti-1最后一个比特到达该链路末端的时刻和数据包packeti最后一个比特的到达时刻之间就有一个时间间隔。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处(比如第n跳)散布成最大到达间隔
其中L为测量包长，μn为瓶颈链路的带宽。此后两个数据包在传输过程中将保持该间隔，当该组数据包对到达接收端(比如第H跳)时，二者间隔 此时利用公式：
即可算得所需求解的瓶颈带宽值。
数据包串技术是数据包对技术的发展：它从发送端发送N＞2个背靠背的等长(设包长为L)测量包，接收端利用测得的第一个数据包和最后一个数据包之间的间隔
来估测路径容量：μn＝(N-1)L/τH。
由于背景流量的影响，如果直接使用上述两个公式进行计算，可能会导致计算结果不准确。对此，可以用不同的包长进行多次测量来扩散、减小背景流量的影响，再根据多次测量结果的统计分析来得到比较准确的结果；也可以通过时延等其它参数来识别出受到背景流量影响的包对或包串，从而排除不合理结果。此外，更完善的测量方法还要考虑进程调度、千兆网卡的中断聚集(Interrupt colaslate)、操作系统的时钟精度等多方面的影响。
上述的包对和包串方法进行测量时都是突发性的，这种用突发性的探针包对或包串来测量网络的带宽(包括瓶颈带宽、剩余带宽、链路带宽、以及瓶颈定位)的方法都假定了一个前提：突发的探针包感受的网络状况与实际网络的流量情况相同。这种假定在大部分网络上都是成立的，因而根据这种原理实现的测量方法(如pathrate[1]，pathload[2]，pathchirp[3]等)在大部分网络上都能测得比较准确的测量结果。但在利用令牌桶原理进行限速(或称作流量整形)的网络上测出的结果偏差非常大。这是因为令牌桶限速网络不能满足前面的假定，这种链路在令牌耗尽的前后，速率会发生急剧变化；探针包感受到的速率会由于令牌桶中剩余令牌的多少而有明显的不同。
下面对令牌桶限速的原理及收发包模型分析做简要的介绍说明。
参见图1，该图展示了令牌桶速率限制算法的一般运行方式：强制实现长期平均传输速率，同时允许预先确定突发尺寸。在这种方法中，令牌桶用来管理队列调节器，由队列调节器负责控制分组流进入网络的速率。
令牌生成器以每秒R个令牌(即每隔ΔT时间产生ΔT×R个令牌，其中ΔT为令牌生成的时间间隔)的速度不断生成令牌，并把它放在深度为D个令牌的令牌桶中。假设每个令牌获准传输固定数量的字节，如果令牌桶装满，新生成的令牌将被丢弃；同时，未调节的分组流会到达，并被放入最大长度为L的分组队列中。如果分组提供的分组数超过队列可以存储的数量，超过的分组将被丢弃。在决定能否把由P尺寸的令牌组成的分组转发到网络中时，队列调节器必须考虑下述多个因素：
(A)如果令牌桶是满的，分组被转发到网络中，P令牌从桶中清除。
(B)如果令牌桶是空的，分组在队列头上等待，直到P令牌被生成，并被放在桶中。当桶逐渐包含P个令牌时，P个令牌将从桶中清除，分组被发送到网络中。
(C)最后，假设令牌桶只是部分装满，含有T个令牌。如果P≤T，P个令牌将从桶中清除，分组被转发到网络中。如果P＞T，则分组必须等待其余的P减去T个令牌，然后可以发送到网络中。当桶中包含所需的P个令牌时，P个令牌将从桶中清除，分组被转发到网络中。
可以使用令牌桶作为速率限制工具，来调节长期平均传输速率，同时允许预先确定的突发尺寸。令牌生成器的速率决定着长期平均通信速率，令牌桶的深度决定着整形器(即图中的队列调节器)允许的最大突发尺寸，分组队列的长度决定着分组在这个通信整形器上可以引发的延迟数量。
根据令牌桶限速算法的原理，通常，当令牌桶满且没有其它背景流量的情况下，一个足够长并具有足够大的平均速率的输入串经过令牌桶时，按令牌桶的状态划分时，有三个阶段：第1阶段—突发速率发送(也称为线速转发)阶段，此时令牌桶中还有足够发送一个包的令牌；第2阶段—平均速率发送且不丢包阶段，此时令牌桶中令牌不足发送一个包，但分组队列未满；第3阶段—平均速率发送但不断丢包阶段，此时令牌桶中的令牌不足发送一个包，且分组队列已满。在某些特殊情况下，第2阶段可能会不出现。根据不同速率划分时，有两个阶段：先是突发速率阶段，然后一直是平均速率阶段。这种令牌桶的状态划分构成了本发明瓶颈带宽测量方法的基础。
参见图2所示的在华为二层交换机上的实验系统的结构示意图，分别介绍该实验的实测结果在四种不同坐标系中的曲线图(参见图3、图4、图5和图6)。其中X坐标是发送序号或接收序号，Y坐标是相对于前一个包或相对于第一个包的接收时间差(单位为秒)。该交换机采用令牌桶的限速算法，端口速率为100M，与接收端相连的端口限速为4M。发送端和接收端的网卡都是100M。测试时，发送端背靠背发送3000个1000字节的UDP探针包串，发送序号编号为0～2999。接收时根据收到的包的顺序，在丢弃乱序包后，从0开始进行接收序号的顺序编号，并记下每个包的接收时间。实测中只收到了822个包，故接收序号的编号为0～821。
图3的X坐标是发送序号，Y坐标是相对于前一个收到的包的接收时间差，即接收包的间隔。从该图可以看出，测量结果明显分为按令牌桶的状态划分的三个阶段：从0到520的包为第1阶段，此时令牌桶中还有足够的令牌，探针包以端口的最大速率通过。包长为1000字节，速率为100M，可以算出包间隔为80微秒，考虑到UDP头(8字节)、IP头(20字节)或以太网帧头(28字节)的影响，实际包间隔应该为85微秒左右，即0.000085秒。与图中的实测结果非常吻合。从521到746的包是第2阶段，此时令牌桶中令牌不足发送一个包，但分组队列未满，因而以平均速率发送而不丢包。如同第1阶段，根据平均速率4M可以算出包间隔为2000微秒，考虑到包头的影响，实际包间隔应该是2112微秒，即0.002112秒；也与图中的实测结果非常吻合。747以后的包是第3阶段，此时令牌桶中令牌不足发送一个包，且分组队列已满，因而以平均速率通过，但不断丢包。包间隔与第2阶段相同。
图4的X坐标是发送序号，Y坐标是相对于第一个包的时间差，其它情况与图3相同。由于相邻两个包之间的时间差比较容易受一些偶然因素的影响，而相对于第一个包的时间差比较稳定，因此，实际测量中计算测量结果时采用了图4的方式。
图5和图6都是以接收序号为X坐标。从这两个图可以看出，测量结果明显分为速率不同的两个阶段：突发速率阶段和平均速率阶段，其中包521是分界点-即本发明所谓的跳变点。其变化规律与图3、图4相类似，不再赘述。
现有技术中，主动的端到端剩余带宽的测量方法也是采用包对或包串技术及其改进方法实现的。发送端发送一定速率的包对或包串，接收端根据包间隔的变化来判断路径的剩余带宽。常用的剩余带宽测量方法(如pathchirp和pathload)都会预先估计或确定一个剩余带宽测量范围，然后在这个范围内测量网络路径的剩余带宽。对于令牌桶限速的网络路径，如果能事先把令牌桶的限速范围确定下来，并将其作为剩余带宽的最大上限，则会大大减少测量时间，收敛速度更快，提高测量结果的精确度和测量效率。
端到端的瓶颈带宽测量具有非常重要的应用，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用户以及其它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。
但是，采用现有技术在令牌桶限速链路(路径)上进行的测量，无法得到准确结果。而这种链路在接入网中被广泛使用。这就导致现有的端到端瓶颈带宽测量技术很难应用于接入网的测量，已经成为接入网测量的一大难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法和系统，本发明不论链路是否采用令牌桶限速，都能实现端到端的瓶颈带宽和剩余带宽的准确测量；还可测量出令牌桶限速链路的一些关键参数(包括令牌桶的大小、分组队列的长度、令牌生成的时间间隔等)。这些参数能帮助运营商和用户更好地了解和维护网络。
本发明的另一目的是提供一种判断某条路径是否为令牌桶限速路径(即以令牌桶限速链路为瓶颈的路径)的方法，以便将该方法与剩余带宽的传统测量方法(如pathchirp，pathload)相结合，使得现有传统的剩余带宽测量方法也适合于令牌桶限速路径。也就是说，在瓶颈带宽的测量过程中，要首先判断是否为令牌桶限速链路，以便将该判断结果与其它测量方法(如剩余带宽测量方法，链路带宽测量方法)结合起来，使得上述这些传统测量方法在发现路径是令牌桶限速链路后，进行一些特殊处理(例如，给用户一个提示或给出一个粗略结果)，以提高测量的精度和效率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：测试链路建立后，发送端发送足够多的探针包，用于耗光令牌桶中的令牌，接收端根据令牌耗光前后速率或时延的显著变化来识别刚好或接近于耗光令牌的传输速率或时延的跳变点，并根据跳变点的存在与否判断是否为令牌桶限速路径，再计算相关链路的瓶颈带宽和剩余带宽；包括下述操作步骤：
(1)发送端与接收端建立连接，进行数据交互，探测和判断测试链路是否为令牌桶限速的网络路径，如果测试链路是令牌桶限速链路，顺序执行后续步骤；否则，跳转执行步骤(5)；
(2)计算该测试链路的令牌桶参数；
(3)进行令牌桶限速路径的瓶颈带宽的测量和计算；
(4)进行令牌桶限速路径的剩余带宽的测量和计算；
(5)采用传统方法分别测量和计算该链路的瓶颈带宽和剩余带宽。
所述步骤(1)进一步包括下述操作内容：
(11)发送端和接收端建立控制连接和数据连接：如果采用TCP的控制连接，就是双方建立一条TCP连接；所述数据连接包括但不限于用户数据报协议UDP的连接；
(12)发送端和接收端交换初始参数：发送端把用户输入或默认的初始参数发送给接收端，其帧结构至少包括串长、包长、总串数；接收端也把至少包括接收探针包的端口号的初始参数返回给发送端；
(13)发送端向接收端发送测量数据包序列：发送端以背靠背或等间隔的方式向接收端逐个发送测量数据包序列，其中每个分组数据包又称探针包，即发送探针包串；该探针包串的帧结构至少包括下述字节：串号、包号、时间戳秒、时间戳微秒、用于补足包长而随机生成的负载；
(14)发送端将探针包串发送完后，发送一个串结束控制信号给接收端；接收端收到该串结束信号后，由分析装置对刚收到的该串进行分析处理，得出初步结果，判断是否为令牌桶限速链路；如果确定为令牌桶限速链路，结束该流程操作；如果不能确定令牌桶限速链路，执行后续操作；
(15)接收端重新设定至少包括串长、包长、等待时间的初始参数，再加上串开始信号一起发送给发送端，发送端收到该串开始信号后，等待令牌桶恢复的相应时间后，将重复执行步骤(13)和(14)，直到串数达到总串数时，接收端计算出测量结果后，向发送端发送一个测量结束控制信号后，结束操作；发送端接收到该测量结束控制信号后，结束操作。
所述串长是一个测量数据包序列中数据包的个数，其数值＞30，默认值为3000；包长是每个数据包的字节数，其数值＞20，默认值为1000；总串数是整个测量过程中设定发送的测量数据包序列的个数，即探针包串的最大数，默认值为50；所述串结束信号的帧结构至少包括类型和串号，串开始信号的帧结构至少包括下述字节：类型、串长、包长、串号、等待时间；其中类型用整数表示：1为串开始、2为串结束、3为测量结束；当类型字段为3时，后面的字段没有意义。
所述步骤(1)发送端与接收端的数据交互是由两端的相关装置互相配合、共同完成的，其中发送端执行的操作步骤如下所述：
(101)获取输入参数，建立控制连接；
(102)向接收端发送初始参数，并接收来自接收端的初始参数，建立数据连接；
(103)逐个发送探针包串后，间隔一段时间，发送串结束信号；再等待接收端的返回控制信号；
(104)如果收到的接收端返回控制信号是串开始信号，则返回步骤(103)；如果收到的接收端返回控制信号是测量结束信号，则结束操作。
所述步骤(1)发送端与接收端的数据交互是由两端的相关装置互相配合、共同完成的，其中接收端用于配合发送端完成令牌桶探测过程，其执行的操作步骤如下所述：
(111)获取输入参数，建立控制连接；
(112)接收来自发送端的初始参数，并向发送端发送接收端的初始参数，建立数据连接；
(113)等待发送端的数据，如果收到的是探针包，先根据串号和包号，判断是否为合法包，以便丢弃乱序包和因网络延迟时间过长而滞后收到的属于上一个包串的非法包，并丢弃报文的QoS字段不符合要求的包，来满足某些特殊的令牌桶限速方法的要求；如果判断为合法包，顺序执行后续操作；如果收到的不是探针包，而是串结束信号时，表明已经接收了一个探针包串，跳转执行步骤(115)；
(114)记录下述测量参数：至少包括串号、作为发送序号的包号、发送时间、接收时间rcvTime、接收序号；而后返回执行步骤(113)，继续准备记录后续的串分组数据；
(115)对该探针包串进行分析处理，记录检测结果和调整参数，并判断该链路是否为令牌桶限速链路：即判断测量序列中是否存在跳变点；如果判断链路是令牌桶限速链路，则结束探测过程；否则，执行步骤(116)；
(116)判断探针包串长是否超过设定的最大串长值，如果没有超过设定的最大串长值，则将探针包串的长度加20或设定的正整数，并将该新的串长参数反馈给发送端，让发送端重新开始测试发送，接收端返回执行步骤(113)；如果超过设定的最大串长值，仍然没有找到跳变点，则判断该链路为非令牌桶限速链路，结束探测过程；所述串长最大值的默认值为10000。
所述步骤(115)中判断路径是否为令牌桶限速链路的依据是判断时延或速率的测量序列中是否存在跳变点，跳变点j的判断基准是同时满足以下三个条件，其中j为探针包的接收序号或发送序号，其取值范围是[0，串长最大值]：
A、该跳变点不能过于靠近两端，以避免偶然因素的影响，即要满足公式：ρ＜j＜N-1-ρ；其中，边界门限ρ是自然数，ρ值不能太大，以免超过令牌桶本身大小，导致把令牌桶限速链路判定为非令牌桶限制链路，其经验值为10，或由用户通过命令行参数设定；N是串长最大值；
B、该跳变点前后的探针包的平均时延timeDiff或速率的差别达到最大：
序号为i的探针包的前后平均时延timeDiff的计算公式如下：timeDiff[i]＝(rcvTime[N-1]-rcvTime[i])/(N-1-i)-(rcvTime[i]-rcvTime[0])/(i-0)，其中，rcvTime为接收时间，rcvTime[i]为第i个分组的接收时间；
求解跳变点j的计算公式如下：
J＝max{timeDiff[i]|对于任意i，ρ＜i＜N-1-ρ}；
C、跳变点j前后的时延差异要足够大，以防止误判：在实际的令牌桶限速链路中，突发速率和平均速率往往相差很大(如把物理带宽100M限速为10M或2M)，故其相应的时延也往往差异很大，如果相差太小，则很可能是非令牌桶限速链路；在测量中，可以设定差异因子λ(λ＞1)为1.5，跳变点j要满足下述等式：
(rcvTime[N-1]-rcvTime[j])/(N-1-j)≥λ×((rcvTime[j]-rcvTime[0])/(j-0))。
所述步骤(2)进一步包括下述操作内容：
(21)用跳变点之前的测量数据计算令牌桶限速链路的突发速率maxRate-突发阶段的发送速率，即突发带宽；计算公式如下：
maxRate＝j×1000×8/(rcvTime[j]-rcvTime[0])；
(22)用跳变点之后的测量数据计算令牌桶限速链路的平均速率avgRate-长期平均得到的发送速率，即平均带宽或瓶颈带宽；计算公式如下：
avgRate＝(N-1-j)×1000×8/(rcvTime[N-1]-rcvTime[j])；
(23)按照下述公式计算令牌桶的大小D：
D＝j×1000-avgRate×(rcvTime[j]-rcvTime[0])/8；
(24)按照下述公式计算分组队列长度L：
L＝(Q-j)×1000-avgRate×(rcvTime[Q]-rcvTime[j])/8，其中，Q为第一个丢包开始的前一个点的接收序号或发送序号；
(25)按照下述公式计算每个令牌的生成时间间隔ΔT：
ΔT＝(rcvTime[R]-rcvTime[Q])/P，其中，R为最后一次丢包之前的第一个收到的包的序号，P为连续丢包的次数；1/ΔT表示令牌桶的令牌生成速率，也就是令牌桶限速的平均带宽。
实际测量瓶颈带宽或其它参数时，接收端选取多个探针包串分别计算其相关的令牌桶参数，这些探针包串要符合下述条件：将所有包串中的第一个被丢弃分组的序号进行排名，其序号为最大排名靠前的5％～15％的多个探针包串(此时令牌桶被消耗完了；由于网络存在背景流量，除了测量分组外，背景流量也会消耗令牌桶的令牌，因此测量串丢弃的分组序号大，表示背景流量的干扰小)；再求其算术平均值作为最后结果，以消除背景流量和偶然因素的影响。
所述步骤(3)中令牌桶限速路径瓶颈带宽或接入带宽的测量结果是所述步骤(22)的平均速率avgRate计算结果值。
所述步骤(4)中，计算令牌桶限速路径的剩余带宽是将令牌桶的限速值或瓶颈带宽作为剩余带宽测量算法中的最大带宽上界值，再运行剩余带宽的传统测量方法，获得剩余带宽测量结果；所述剩余带宽的传统测量方法包括但不限于pathchirp或pathload。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种用于在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法的测量系统，其特征在于：该系统由位于发送端的发送探针包的发送装置和位于接收端的接收探针包的接收装置以及对测量数据进行计算处理的分析装置所组成，所述发送装置与接收装置之间采用包括但不限于用户数据报协议UDP实现数据连接。
所述发送端和接收端分别设有用于相互传送控制信号的发送端控制装置和接收端控制装置，该两个控制装置分别与发送装置与接收装置组成为同一实体，两个控制装置之间采用包括但不限于传输控制协议TCP实现数据连接，并保证控制信号的可靠传输。
本发明的测量方法具有如下优点：
本发明解决了现有的瓶颈带宽测量算法不能在令牌桶限速路径上准确测量的问题，该方法既能用于普通路径的测量，也能用于令牌桶限速路径的测量。
本发明可用于令牌桶限速路径的判断方法，并与其它传统的测量方法(包括剩余带宽、链路带宽、或其它瓶颈带宽测量方法)相互结合，在一定程度上解决了令牌桶限速路径上的带宽测量问题。特别是与剩余带宽测量方法(至少包括pathchirp、pathload)结合来解决令牌桶限速路径下的剩余带宽测量问题。
本发明还可以同时测算出令牌桶算法的一些关键参数，例如令牌桶的大小、分组队列的长度、产生令牌的时间间隔。总之，本发明具有很好的应用前景。
本发明的一种最简单的应用是用户对所租用网络带宽的自主监测。比如A用户向电信运营商租用了1M的ADSL，或者B网吧向电信运营商租用了20M的专线。A用户或B网吧很想确知运营商到底是不是真的给了那么多带宽，A或B当然不太可能登陆到运营商的交换机上去查看，此时就需要用端到端瓶颈测量工具去主动测量一下，以确定所提供的带宽资源。同时，本发明能够测量令牌桶限速链路的一些关键参数(包括令牌桶的大小、分组队列的长度、令牌生成的时间间隔等)，这些参数能帮助运营商和用户更好地了解和维护网络。
另外，当前B网吧租用的20M专线很可能是交换机采用令牌桶算法限制而提供的，其实际的物理端口和网线都是100M。此时用现有的测量工具(如pathrate，参考文章：“分组散布分析技术和路径容量估测”《Packet DispersionTechniques and Capacity Estimation》刊于In Proc IEEE INFOCOM 2001.)进行测试，很有可能发现结果居然是100M，这与用户所期望的测量结果相差甚大。如果使用本发明方法就能对这种链路进行准确测量。
附图说明
图1是目前使用的令牌桶限速算法的工作原理示意图。
图2是本发明在交换机上进行瓶颈带宽测试的实验系统结构组成示意图。
图3～图6分别是图2实验系统进行测量得到的测试数据的四个分析图表。
图7是本发明在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量系统结果组成示意图。
图8是本发明在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法总体流程方框图。
图9是本发明测试过程中的数据交互示意图。
图10是本发明中发送端操作步骤流程方框图。
图11(A)、(B)、(C)、(D)、(E)分别是本发明中发送端的初始参数、接收端的初始参数、探针包、串结束信号和串开始信号的各个帧结构的示意图。
图12是本发明中接收端操作步骤流程方框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图7，本发明是在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量系统，该系统由位于发送端的发送探针包的发送装置和位于接收端的接收探针包的接收装置以及对相关测量数据进行处理的分析装置组成，该发送端与接收端的连接采用UDP协议的数据连接。其中，发送装置、接收装置、分析装置为实线框，表示这三个装置为基本装置，不可或缺。两个控制装置为虚线框，表示在简单的实现中，可以省略该两个装置。图中所有装置都是逻辑实体。两个虚线的椭圆表示其内部装置往往(但不局限于)实现为一个物理实体，左边的虚线椭圆为发送端，右边的虚线椭圆为接收端。图中带箭头的线表示数据流，发送装置到接收装置的单箭头线段用于探针包的发送，通常是(但不限于)UDP连接，以下称为数据连接。发送端控制装置与接收端控制装置之间的双箭头线段表示控制信号的双向传递，通常是(但不限于)TCP连接，控制信号要保证可靠传输，以下称为控制连接。
参见图8，介绍本发明方法的主流程的各个操作步骤：
(1)发送端与接收端建立连接，进行数据交互，探测和判断测试链路是否为令牌桶限速的网络路径，如果测试链路是令牌桶限速链路，顺序执行后续步骤；否则，跳转执行步骤(5)；
(2)计算该测试链路的令牌桶参数；
(3)进行令牌桶限速路径的瓶颈带宽的测量和计算；
(4)进行令牌桶限速路径的剩余带宽的测量和计算；
(5)采用传统方法分别测量和计算该链路的瓶颈带宽和剩余带宽。
参见图9，上述步骤(1)中，令牌桶的探测过程是由发送端和接收端的相关装置进行数据交互、共同完成的。图9说明了该测试过程中的数据交互状况。图中带箭头的实线段表示探针包的发送(即数据连接)，由发送装置和接收装置处理；带箭头的虚线段表示控制信号的传输，由发送端控制装置和接收端控制装置处理，对于简单实现，可以没有控制信号。图中省略了控制连接和数据连接的建立过程。
参见图9和图10，介绍探测令牌桶的数据交互过程的各项操作(以发送端为主，其中各帧中的参数都为整数)。
(11)发送端和接收端建立控制连接和数据连接：如果采用TCP的控制连接，就是双方建立一条TCP连接；所述数据连接包括但不限于用户数据报协议UDP的连接；
(12)发送端和接收端交换初始参数：控制连接建立后，发送端和接收端交换初始参数。发送端把用户输入或默认的初始参数发送给接收端，其帧结构(参见图11(A))至少包括串长、包长、总串数；接收端也把至少包括接收探针包的端口号的必要的初始参数返回给发送端(对于数据连接为UDP连接的帧结构为接收探针包的UDP端口号，参见图11(B))。(注：串长是指一个测量数据包序列中数据包的个数，其数值＞30，默认值为3000；包长是每个数据包的字节数，其数值＞20，默认值为1000；总串数是整个测量过程中设定发送的测试数据包序列的最大数，即探针包串的最大数，默认值为50；
(13)发送端向接收端发送测量数据包序列，即发送探针包串：初始参数交换完成后，发送端开始向接收端以背靠背或等间隔的方式发送探针包串，探针包串的帧结构至少包括下述字节：串号、包号、时间戳秒、时间戳微秒、用于补足包长而随机生成的负载(参见图11(C))
(14)发送端发完探针包串，发送一个串结束控制信号给接收端，串结束控制信号的帧结构至少包括类型和串号(参见图11(D))。接收端收到串结束信号后，由分析装置对刚收到的这个串进行分析处理，得出初步结果；判断是否为令牌桶限速链路；如果确定为令牌桶限速链路，结束该流程操作；如果不能确定令牌桶限速链路，执行后续操作；
(15)接收端重新设定至少包括类型、串长、包长、等待时间的初始参数，再加上串开始信号一起发送给发送端，串开始信号的帧结构如图11(E)所示。发送端收到该串开始信号后，等待相应时间(即等令牌桶恢复)；然后，将重复执行上述步骤(13)和(14)，直到串数达到总串数时，接收端计算出测量结果后，向发送端发送一个测量结束控制信号后，结束操作；发送端接收到该测量结束控制信号后，结束操作。(其中类型用整数表示，1为串开始、2为串结束、3为测量结束)。
参见图12，介绍本发明接收端在完成令牌桶探测过程中的各项操作步骤：
(111)接收端获取输入参数，建立控制连接；
(112)接收来自发送端的初始参数，并向发送端发送接收端的初始参数，建立数据连接；
(113)等待发送端的数据，如果收到的是探针包，先根据串号和包号，判断是否为合法包，以便丢弃因网络延迟时间过长而滞后收到的属于上一个包串的非法包和乱序包，并丢弃报文的QoS字段不符合要求的包，来满足某些特殊的令牌桶限速方法的要求；如果判断为合法包，顺序执行后续操作；如果收到的不是探针包，而是串结束信号时，表明已经接收了一个探针包串，跳转执行步骤(115)；
(114)记录下述测量参数：至少包括串号、作为发送序号的包号、发送时间、接收时间rcvTime、接收序号；而后返回执行步骤(113)，继续准备记录后续的串分组数据；
(115)对该探针包串进行分析处理，记录检测结果和调整参数，并判断该链路是否为令牌桶限速链路：即判断测量序列中是否存在跳变点；如果判断链路是令牌桶限速链路，则结束探测过程；否则，执行步骤(116)；
(116)判断探针包串长是否超过设定的最大串长值，如果没有超过设定的最大串长值，则将探针包串的长度加20或设定的某个正整数，并将该新的串长参数反馈给发送端，让发送端重新开始测试发送，接收端返回执行步骤(113)；如果超过设定的最大串长值，仍然没有找到跳变点，则判断该链路为非令牌桶限速链路，结束探测过程；所述串长最大值的默认值为10000。
步骤(115)中判断路径是否为令牌桶限速链路的依据是判断时延或速率的测量序列中是否存在跳变点，为了避免错误判断，跳变点j的判断基准是要同时满足以下三个条件，其中j为探针包的接收序号或发送序号，其取值范围是[0，串长最大值N]：
A、该跳变点不能过于靠近两端，以避免偶然因素的影响，即要满足公式：ρ＜j＜N-1-ρ；其中，边界门限ρ是自然数，ρ值不能太大，以免超过令牌桶本身大小，导致把令牌桶限速链路判定为非令牌桶限制链路，其经验值为10，或由用户通过命令行参数设定；串长最大值N是自然数；
B、该跳变点前后的探针包的平均时延timeDiff(应该用速率，用时延只是简单起见)的差别达到最大；序号为i的探针包的前后平均时延timeDiff的计算公式如下：
timeDiff[i]＝(rcvTime[N-1]-rcvTime[i])/(N-1-i)-(rcvTime[i]-rcvTime[0])/(i-0)，其中，rcvTime为接收时间，rcvTime[i]为第i个分组的接收时间；
求解跳变点j的计算公式如下：
J＝max{timeDiff[i]|对于任意i，ρ＜i＜N-1-ρ}；
C、跳变点i前后的时延差异要足够大，以防止误判：在实际的令牌桶限速链路中，突发速率和平均速率往往相差很大(如把物理带宽100M限速为10M或2M)，故其相应的时延也往往差异很大，如果相差太小，则很可能是非令牌桶限速链路；在测量中，可以设定差异因子λ(λ＞1)为1.5，跳变点j要满足下述等式：
(rcvTime[N-1]-rcvTime[j])/(N-1-j)≥λ×((rcvTime[j]-rcvTime[0])/(j-0))。
对于令牌桶限速链路，本发明的步骤(2)中要计算该链路令牌桶的各项参数，具体介绍如下；
(21)用跳变点之前的测量数据计算令牌桶限速链路的突发速率maxRate-突发阶段的发送速率，即突发带宽；计算公式如下：
maxRate＝j×1000×8/(rcvTime[j-rcvTime[0])；
(22)用跳变点之后的测量数据计算令牌桶限速链路的平均速率avgRate-长期平均得到的发送速率，即平均带宽或瓶颈带宽；计算公式如下：
avgRate＝(N-1-j)×1000×8/(rcvTime[N-1]-rcvTime[j])；
(23)按照下述公式计算令牌桶的大小D：
D＝j×1000-avgRate×(rcvTime[j]-rcvTime[0])/8；
(24)按照下述公式计算分组队列长度L：
L＝(Q-j)×1000-avgRate×(rcvTime[Q]-rcvTime[j])/8，其中，Q为第一个丢包开始的前一个点的接收序号或发送序号；
(25)按照下述公式计算每个令牌的生成时间间隔ΔT：
ΔT＝(rcvTime[R]-revTime[Q])/P，其中，R为最后一次丢包之前的第一个收到的包的序号，P为连续丢包的次数。
在令牌桶限速链路上，背景流量会影响参数的计算精度。因为背景流量会导致令牌桶提前用完，队列提前满，从而导致测量探针包的丢包提前。也就是说，丢包开始比较晚的情况受到背景流量的影响会比较小。实际测量时，根据前述接收端收到的每个存在间断点的数据包串都可分别计算一个令牌桶参数的结果，可以选取丢包开始最晚的5％～15％的多个探针包串的计算结果，然后再求其算术平均值作为最后瓶颈带宽结果。之所以进行多次(多个串)测量的因素是要消除背景流量和其它偶然因素的影响。此外，其它各个参数也可采用同样的处理方法，来提高最后结果的准确程度。
本发明的步骤(3)中令牌桶限速路径瓶颈带宽或接入带宽的测量结果就是步骤(22)的平均速率avgRate的测量计算结果值。
本发明的步骤(4)中计算令牌桶限速路径的剩余带宽则是将令牌桶的限速值或瓶颈带宽作为剩余带宽测量算法中的最大带宽上界值，再运行剩余带宽测量方法，获得剩余带宽测量结果；所述传统的剩余带宽测量方法包括但不限于pathchirp、pathload。
本发明已经采用C语言编制了一个能在linux机器上运行的瓶颈带宽测量方法，并且在实验网上做了验证，其试验系统的架构图如图2所示。其中华为二层交换机的限速算法为令牌桶算法，端口速率为100M，与接收端相连的端口限速在两次测试中分别限制成2M和10M，发送端和接收端的网卡都是100M。在没有背景流量时，实验测量的结果如下表1所示：
| 测量方法 | 限速成2M时的结果(Mbps) | 限速成10M时的结果(Mbps) |
| Pathrate(瓶颈带宽工具) | 98～99 | 97～98 |
| Pathload(可用带宽工具) | 23.78～25.37 | 94.59～100.94 |
| Pathneck(瓶颈带宽工具) | 98.075～98.444 | 98.201～98.920 |
| Pathchirp(可用带宽工具) | 65.5～97.4 | 67.4～99.3 |
| Stab(链路带宽工具) | 41.4～55.0 | 42.7～62.2 |
| 本发明方法 | 突发带宽93M平均(瓶颈)带宽1.9M | 突发带宽93M平均(瓶颈)带宽9.5M |
从表中可以看出，在令牌桶限速链路上，上面所列的几种主要的端到端瓶颈带宽、可用带宽、链路带宽测量工具都无法正确的测量；而本发明可以能相当准确的测出突发带宽和平均带宽。
为了验证背景流量对本方法的影响，申请人又做了一个实验。即在图2的试验系统的拓扑中再增加一个背景流量的发送端，发送匀速的包长为1472字节的UDP背景流量，背景流量的接收端还是采用本方法的接收端。该实验结果数据如下表2所示(单位为Mbps)：
| 限速后平均速率 | 背景流量 | 测量结果-突发带宽 | 测量结果-平均(瓶颈)带宽 |
| 10M | 0M | 93M | 9.5M |
| 10M | 2M | 92M | 9.4M |
| 10M | 5M | 89M | 9.2M |
| 10M | 8M | 87M | 9.1M |
| 2M | 0M | 93M | 1.9M |
| 2M | 0.5M | 93M | 1.9M |
| 2M | 1.0M | 93M | 1.9M |
| 2M | 1.5M | 92M | 1.9M |
从该结果数据表格中可以看出：背景流量对测量结果会有一些影响，特别是对突发带宽的影响比较明显，但对平均(瓶颈)带宽的影响不是很大。
另外，需要说明的是，本发明方法的实现过程没有涉及特定网络类型的相关特性，因此，本发明对于有线或无线的数据网络都能够适用。
Claims (12)
1、一种在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：测试链路建立后，发送端发送足够多的探针包，用于耗光令牌桶中的令牌，接收端根据令牌耗光前后速率或时延的显著变化来识别刚好或接近于耗光令牌的传输速率或时延的跳变点，并根据跳变点的存在与否判断是否为令牌桶限速路径，再计算相关链路的瓶颈带宽和剩余带宽；包括下述操作步骤：
(1)发送端与接收端建立连接，进行数据交互，探测和判断测试链路是否为令牌桶限速的网络路径，如果测试链路是令牌桶限速链路，顺序执行后续步骤；否则，跳转执行步骤(5)；
(2)计算该测试链路的令牌桶参数；
(3)进行令牌桶限速路径的瓶颈带宽的测量和计算；
(4)进行令牌桶限速路径的剩余带宽的测量和计算；
(5)采用传统方法分别测量和计算该链路的瓶颈带宽和剩余带宽。
2、根据权利要求1所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下述操作内容：
(11)发送端和接收端建立控制连接和数据连接：如果采用TCP的控制连接，就是双方建立一条TCP连接；所述数据连接包括但不限于用户数据报协议UDP的连接；
(12)发送端和接收端交换初始参数：发送端把用户输入或默认的初始参数发送给接收端，其帧结构至少包括串长、包长、总串数；接收端也把至少包括接收探针包的端口号的初始参数返回给发送端；
(13)发送端向接收端发送测量数据包序列：发送端以背靠背或等间隔的方式向接收端逐个发送测量数据包序列，其中每个分组数据包又称探针包，即发送探针包串；该探针包串的帧结构至少包括下述字节：串号、包号、时间戳秒、时间戳微秒、用于补足包长而随机生成的负载；
(14)发送端将探针包串发送完后，发送一个串结束控制信号给接收端；接收端收到该串结束信号后，由分析装置对刚收到的该串进行分析处理，得出初步结果，判断是否为令牌桶限速链路；如果确定为令牌桶限速链路，结束该流程操作；如果不能确定令牌桶限速链路，执行后续操作；
(15)接收端重新设定至少包括串长、包长、等待时间的初始参数，再加上串开始信号一起发送给发送端，发送端收到该串开始信号后，等待令牌桶恢复的相应时间后，将重复执行步骤(13)和(14)，直到串数达到总串数时，接收端计算出测量结果后，向发送端发送一个测量结束控制信号后，结束操作；发送端接收到该测量结束控制信号后，结束操作。
3、根据权利要求2所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：所述串长是一个测量数据包序列中数据包的个数，其数值＞30，默认值为3000；包长是每个数据包的字节数，其数值＞20，默认值为1000；总串数是整个测量过程中设定发送的测试数据包序列的个数，即探针包串的最大数，默认值为50；所述串结束信号的帧结构至少包括类型和串号，串开始信号的帧结构至少包括下述字节：类型、串长、包长、串号、等待时间；其中类型用整数表示：1为串开始、2为串结束、3为测量结束；当类型字段为3时，后面的字段没有意义。
4、根据权利要求1所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)发送端与接收端的数据交互是由两端的相关装置互相配合、共同完成的，其中发送端执行的操作步骤如下所述：
(101)获取输入参数，建立控制连接；
(102)向接收端发送初始参数，并接收来自接收端的初始参数，建立数据连接；
(103)逐个发送探针包串后，间隔一段时间，发送串结束信号；再等待接收端的返回控制信号；
(104)如果收到的接收端返回控制信号是串开始信号，则返回步骤(103)；如果收到的接收端返回控制信号是测量结束信号，则结束操作。
5、根据权利要求1所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)发送端与接收端的数据交互是由两端的相关装置互相配合、共同完成的，其中接收端用于配合发送端完成令牌桶探测过程，其执行的操作步骤如下所述：
(111)获取输入参数，建立控制连接；
(112)接收来自发送端的初始参数，并向发送端发送接收端的初始参数，建立数据连接；
(113)等待发送端的数据，如果收到的是探针包，先根据串号和包号，判断是否为合法包，以便丢弃乱序包和因网络延迟时间过长而滞后收到的属于上一个包串的非法包，并丢弃报文的QoS字段不符合要求的包，来满足某些特殊的令牌桶限速方法的要求；如果判断为合法包，顺序执行后续操作；如果收到的不是探针包，而是串结束信号时，表明已经接收了一个探针包串，跳转执行步骤(115)；
(114)记录下述测量参数：至少包括串号、作为发送序号的包号、发送时间、接收时间rcvTime、接收序号；而后返回执行步骤(113)，继续准备记录后续的串分组数据；
(115)对该探针包串进行分析处理，记录检测结果和调整参数，并判断该链路是否为令牌桶限速链路：即判断测量序列中是否存在跳变点；如果判断链路是令牌桶限速链路，则结束探测过程；否则，执行步骤(116)；
(116)判断探针包串长是否超过设定的最大串长值，如果没有超过设定的最大串长值，则将探针包串的长度加20或设定的正整数，并将该新的串长参数反馈给发送端，让发送端重新开始测试发送，接收端返回执行步骤(113)；如果超过设定的最大串长值，仍然没有找到跳变点，则判断该链路为非令牌桶限速链路，结束探测过程；所述串长最大值的默认值为10000。
6、根据权利要求1或5所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤(115)中判断路径是否为令牌桶限速链路的依据是判断时延或速率的测量序列中是否存在跳变点，跳变点i的判断基准是同时满足以下三个条件，其中j为探针包的接收序号或发送序号，其取值范围是[0，串长最大值]：
A、该跳变点不能过于靠近两端，以避免偶然因素的影响，即要满足公式：ρ＜j＜N-1-ρ；其中，边界门限ρ是自然数，ρ值不能太大，以免超过令牌桶本身大小，导致把令牌桶限速链路判定为非令牌桶限制链路，其经验值为10，或由用户通过命令行参数设定；N是串长最大值；
B、该跳变点前后的探针包的平均时延timeDiff或速率的差别达到最大：
序号为i的探针包的前后平均时延timeDiff的计算公式如下：timeDiff[i]＝(rcvTime[N-1]-rcvTime[i])/(N-1-i)-(rcvTime[i]-rcvTime[0])/(i-0)，其中，rcvTime为接收时间，rcvTime[i]为第i个分组的接收时间；
求解跳变点j的计算公式如下：
J＝max{timeDiff[i]|对于任意i，ρ＜i＜N-1-ρ}；
C、跳变点j前后的时延差异要足够大，以防止误判：在测量中，可以设定差异因子λ(λ＞1)为1.5，跳变点j要满足下述等式：(rcvTime[N-1]-rcvTime[j])/(N-1-j)≥λ×((rcvTime[j]-rcvTime[0])/(j-0))。
7、根据权利要求1所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下述操作内容：
(21)用跳变点之前的测量数据计算令牌桶限速链路的突发速率maxRate-突发阶段的发送速率，即突发带宽；计算公式如下：
maxRate＝j×1000×8/(rcvTime[j]-rcvTime[0])；
(22)用跳变点之后的测量数据计算令牌桶限速链路的平均速率avgRate-长期平均得到的发送速率，即平均带宽或瓶颈带宽；计算公式如下：
avgRate＝(N-1-j)×1000×8/(rcvTime[N-1]-rcvTime[j)；
(23)按照下述公式计算令牌桶的大小D：
D＝j×1000-avgRate×(rcvTime[j]-rcvTime[0])/8；
(24)按照下述公式计算分组队列长度L：
L＝(Q-j)×1000-avgRate×(rcvTime[Q]-rcvTime[j])/8，其中，Q为第一个丢包开始的前一个点的接收序号或发送序号；
(25)按照下述公式计算每个令牌的生成时间间隔ΔT：
ΔT＝(rcvTime[R]-rcvTime[Q])/P，其中，R为最后一次丢包之前的第一个收到的包的序号，P为连续丢包的次数；1/ΔT表示令牌桶的令牌生成速率，也就是令牌桶限速的平均带宽。
8、根据权利要求7所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：实际测量瓶颈带宽或其它参数时，将所有包串中的第一个被丢弃分组的序号进行排名，接收端选取其中序号排名最大的前5％～15％的多个探针包串，分别计算其相关的令牌桶参数，再求其算术平均值作为最后结果，以消除背景流量和偶然因素的影响。
9、根据权利要求1或7或8所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中令牌桶限速路径瓶颈带宽或接入带宽的测量结果是所述步骤(22)的平均速率avgRate计算结果值。
10、根据权利要求1或7或8所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中，计算令牌桶限速路径的剩余带宽是将令牌桶的限速值或瓶颈带宽作为剩余带宽测量算法中的最大带宽上界值，再运行剩余带宽的传统测量方法，获得剩余带宽测量结果。
11、一种根据权利要求1所述的在令牌桶限速网络路径下的瓶颈带宽和剩余带宽的测量方法进行测量的系统，其特征在于：该系统由位于发送端的发送探针包的发送装置和位于接收端的接收探针包的接收装置以及对测量数据进行计算处理的分析装置所组成，所述发送装置与接收装置之间采用包括但不限于用户数据报协议UDP实现数据连接。
12、根据权利要求11所述的测量系统，其特征在于：所述发送端和接收端分别设有用于相互传送控制信号的发送端控制装置和接收端控制装置，该两个控制装置分别与发送装置与接收装置组成为同一实体，两个控制装置之间采用包括但不限于传输控制协议TCP实现数据连接，并保证控制信号的可靠传输。
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