CN100446479C

CN100446479C - 一种基于网络紧链路定位的端到端可用带宽测量的方法

Info

Publication number: CN100446479C
Application number: CNB2005100243112A
Authority: CN
Inventors: 张大陆; 吴烨; 许健
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: CN1658583A

Abstract

一种基于网络紧链路定位的端到端可用带宽测量的方法，包括以下步骤：测量待测路径的跳数并定位紧链路；根据紧链路信息构造探针包列，所述探针包列由测试包列与负载包列组成，测试包列又包括了前进包列和返回包列；其中负载包大于测试包，负载包列中的每个数据包IP包头内的生命周期域的值设为待测量所在紧链路所在跳数；返回包列中的每个数据包IP包头内的生命周期域的值设为待测量所在紧链路所在位置之前一跳；由发送端向接收端重复多次发送不同速率的探针包列，根据返回信息，计算出多组待测链路的输出与输入速率，从而计算出该紧链路的可用带宽。本发明的紧链路定位速度快、网络入侵性小，可以给出精确的链路可用带宽信息。

Description

一种基于网络紧链路定位的端到端可用带宽测量的方法

技术领域

本发明涉及一种可用带宽的测量方法。属于计算机网络的性能测试技术领域。

背景技术

一条网络路径是由若干条网络链路所组成的。对于端到端的主动测试方法而言，网络链路的可用带宽是指一组探测数据包列能够无拥塞地通过链路的最大速率，而网络路径的可用带宽是指一组探测数据包列能够无拥塞通过该路径的最大速率。网络路径中的紧链路是指网络链路可用带宽等于网络路径可用带宽的链路。

随着计算机网络技术的迅猛发展，相应的网络性能测试技术也发生了很大的革新，目前测试路径紧链路的定位方法主要有以下两种。

1.基于SNMP的被动定位方法

该方法是利用应用简单网络管理协议(simple network management protocol，SNMP)读取待测路径中的所有路由器MIB中的相关信息，从而得到沿待测路径的链路可用带宽大小的分布情况。通过定量的判断，应用程序能够方便的得到紧链路的位置信息。此类方法的优点在于方法简单、实用、可操作性强，而且便于管理。但是，此方法的缺点也是显而易见的。首先，路由器的MIB并不一定开放读权限。而通常的情况是，不同的ISP所拥有的路由器信息是私有的，因此，基于这种逐段定位方法的适用环境具有固有的局限性。而这种局限性则导致该方法不具备实际可行性。其次，该方法通过读取路由器MIB信息构建可用带宽分布的手段是一种被动监听的手段。路由器所提供信息的准确性有待确认，而该方法并未提供与此相关的确认方案。因此，该方法还具有紧链路的定位准确性问题。使用此类方法的软件有MRTG等。

2.端到端的主动定位方法

该方法使用端到端的主动测量技术来进行待测路径的紧链路的定位。在待测路径的一端向另一端主动发送探针流。通过探针流在链路中所表现出的性质确定待测路径中的紧链路信息。此方法的优点在于方法简单、实用、与中间设备(如路径中的路由器)无关、便于管理。美国***梅隆大学所研发Bfind工具是第一款使用端到端主动定位方法测量网络路径可用带宽瓶颈的工具。在测试发送端，Bfind不断地向接收端发送负载，同时通过traceroute的方法获取网络路径中各链路环行延时，并以此判断网络可用带宽瓶颈的位置。但早期的端到端主动定位方法对网络所造成的负面影响较大。由于发送负载较大，会影响网络路径中的其他应用，而通过traceroute的方法所获得的链路环行延时准确性较低。

待测链路的可用带宽测量方法主要有以下两种。

1、于SNMP的被动测量方法

该方法利用应用SNMP读取待测路径中的所有路由器的MIB中的相关信息，从而得到沿待测路径的链路可用带宽分布。通过定量的判断，应用程序能够方便地得到可用带宽。该方法与上述的基于SNMP的被动定位方法存在相同的的优缺点。

2、到端的主动测量方法

该方法是用端到端的主动测量技术来进行可用带宽的测量。此方法与上述端到端的主动定位方法也存在相同的优缺点。早期的(2003年)BFind定位工具生成负载较大，网络入侵性大；DRPS定位工具需要先进行可用带宽的测量，并且有慢收敛的现象，即测试时间较长。使用此类方法的软件还有美国波士顿大学所研发的Pathload工具，它只能给出链路可用带宽的范围。而美国***梅隆大学所研发的IGI工具，它假设了紧链路位置和链路带宽瓶颈相同，实际的网络环境中该假设常常是错误的。

发明内容

针对网络路径可用带宽瓶颈定位方法和可用带宽测量的不足，本发明提出了一种基于网络紧链路定位的端到端可用带宽测量的方法。它有助于应用程序或网络管理人员准确了解网络路径中的可用带宽及瓶颈位置所在，并有助于开发和实施各种新型的基于网络带宽的拥塞控制策略和调度策略。

本发明所描述的探针包列由测试包列与负载包列所组成，测试包列又包括了两种性质的探针包列：前进包列和返回包列。

负载包列可以由N个等间距的大于500字节的数据包构成。每个负载包后都连续无间隔的发送一个前进包或返回包。测试包的大小优选小于100字节。将负载包列中的每个数据包IP包头内的生命周期域(Time To Live，TTL)的值设为待测量所在位置第i跳，由于网络路径上的路由器在接受到数据包之后会将生命周期域值减1，且当生命周期域值为0时，数据包将被路由器丢弃。因此，这些设置了生命周期域值的负载包列将在行进至待测网络路径的第i条链路时被路由器丢弃。

返回包列由N/2个具有自返回性质的数据包所组成。例如，在TCP/IP网络的实现中，具有这种自返回属性的数据包是traceroute包。将返回包列中的每个数据包IP包头内的生命周期域值设置了待测链路所在位置的前一跳位置，即第i-1跳，那么返回包列中的连续两个返回数据包之间的到达时间间隔将成功地记录了负载包列进入第i条网络链路的速率输入包间间隔，根据描述探针包列速率的公式(1)，我们就得到了探针包列在第i条链路的输入速率；

R = \frac{s}{δ}

(公式1)

其中R表示探针包列的速率，s表示探针包列的长度，δ表示探针包列的包间间隔之和。

前进包列由N/2个数据包所组成，其中，每个数据包IP包头内的生命周期域值设置为默认值(不同的操作***拥有不同的默认值)，因而，前进包列将被测量的接收端所获得，那么前进包列中的连续两个前进数据包之间的到达时间间隔将成功地记录了负载包列进入第i条网络链路的速率输出包间间隔，同样的，根据公式(1)，便得到探针包列在第i跳的输出速率。

若发现输入速率大于输出速率阈值σ，则判断第i跳出现了拥塞，否则表明第i跳未发生拥塞。对应于探针包列起始速率R，对探针包列所通过的待测网络路径中每条链路的输入速率与输出速率进行判断，记录所获得的拥塞链路数。

本发明需要在待测网络路径的两端分别设置探测数据包列的发送端和接收端。本发明由以下三个测试步骤组成：

步骤一，测量待测路径的跳数(或链路数)，确定探针包列的起始速率。测量待测路径跳数的方法有多种，例如，用traceroute发送网际控制报文协议(Internet Control MessagePacket，ICMP)数据包；或发送一组H个用户报文协议(User Datagram Protocol，UDP)数据包，且将其IP包头中的生命周期域值设置为P，那么在接收端所获得的UDP数据包的IP包列中的生命周期域值为Q，跳数即为P-Q。探针包列的起始速率也有多种方法获取，它只需保证大于路径中紧链路的可用带宽即可。

步骤二，定位紧链路。以步骤一所获的的起始速率沿待测网络路径发送探针包列，如图2所示，若发生的拥塞链路数等于1，则判断该唯一拥塞点即为紧链路位置。若发生的拥塞链路数大于1，则再次沿路径各跳发送探针流，发送的速率为上一次所判断的最接近接收端的拥塞链路的输入速率，再判断拥塞链路数是否等于1，若为1，该唯一拥塞点即为紧链路位置，否则重复本过程，直到完成紧链路的定位。例如，图3表述了一次紧链定位过程。该过程中发送端一共生成了两组探针包列，第一次是以10Mbps为起始速率发送探针包列，结果得到5条拥塞链路，第二次将探针包列速率调整为最接近接收端的拥塞链路的速率3.047Mbps进行探测，结果得到1条拥塞链路，此链路为紧链路。

步骤三，测量可用带宽。完成紧链路的定位，对于紧链路重复发送M次不同速率的探针包列，获得M对输入速率和输出速率。由于输入速率和输出速率满足公式(2)，根据公式(3)，得到该紧链路的可用带宽A。

R_{O} = \{\begin{matrix} R_{I} & R_{I} < A \\ C_{T} \frac{R_{I}}{R_{I} + λ} & R_{I} &GreaterEqual; A \end{matrix}

(公式2)

A＝C_T-λ (公式3)

其中R_I与R_O分别表示紧链路位置的输入与输出速率，C_T表示紧链路容量，λ为已存在于紧链路中的网络负载的平均速率，A为紧链路的可用带宽。

本发明提供的基于网络紧链路定位的端到端可用带宽测量的方法便于端到端的网络应用程序的应用。该方法无需知晓路由器的私有信息，对于端到端的网络应用程序更为友善。另外，目前，越来越多的网络应用对网络性能敏感的(如流媒体应用等等)。而网络路径的固有带宽相对不断增长的应用需求是不充足的，通过了解网络路径实际可用带宽以及可用带宽的瓶颈(即紧链路)的位置所在，能够有效优化各种端到端的网络应用的性能，从而优化全网性能。本发明的紧链路定位速度快、网络入侵性小，可以给出精确的链路可用带宽信息。

附图说明

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

图1为探针包列一实施例结构示意图。

图2为实施例仿真实验环境示意图。

图3为探针包列遇紧链路i时，探针包列信息变化示意图。

图4为仿真实验在CBR背景负载下定位紧链路的过程。

图5为仿真实验在CBR背景负载下用线性回归法测量可用带宽的过程。

具体实施方式

一种基于网络紧链路定位的端到端可用带宽测量的方法，本实施例的仿真环境的链路长度为10(H＝10)。

如图所示，图1为探针包列实施例结构示意图，其中白色方块为负载包，黑色包为返回包，带有横线的方块为前进包。图2为实施例仿真实验环境示意图，其中Snd为发送端，Rcv为接收端，R_i和S_i为第i组背景流的负载接收端和负载发送端。

图3为探针包列遇紧链路i时，探针包列信息变化示意图。图4为仿真实验在恒定比特率(Constant Bit Rate，CBR)背景负载下定位紧链路的过程。其中共发送了两次探针流，探针流1的速率为10Mbps，探针流2的速率为3.073Mbps，从图中可知，紧链路为链路3。图5为仿真实验在CBR背景负载下用线性回归法测量可用带宽的过程。对于进入速率的倒数和离开速率的倒数使用线性回归可以得到可用带宽。

完成紧链路的定位后，对于紧链路重复发送15次探针包列，前7组的流速按最后一次定位紧链路时的发送速率的2％递增，后7组的流速按最后一次定位紧链路时的发送速率的2％递减，最后一组的发送速率为最后一次定位紧链路时的发送速率。这样得到15对紧链路位置的输入速率和输出速率。运用线性回归，如图5所示可以得到紧链路的容量与已存在于紧链路中的网络负载的平均速率。

本实施例中仿真分为四组：第一组中的背景流均为恒定比特率(Constant Bit Rate，CBR)，紧链路为链路3；第二组中的背景流均为CBR，紧链路为链路3和链路7；第三组的背景流均为柏拉图(Pareto)分布，紧链路为链路3；第四组的背景流均为指数流，紧链路为链路3。该四组实验各由7个实验组成，紧链路的背景流大小和非紧链路的背景流大小依次为：3、5，3、7，1、3，1、2，3、9，5、9，7、9，单位Mbps。

不同背景流下的验证

第一组实验中，7次实验的紧链路定位均准确，可用带宽的测量相对误差依次为：1.5，-1.0，0.9，-1.3，1.7，1.8，1.6。本发明在第一组实验验证其正确性。图4和图5为第7次实验的过程描述，图4描述了第7次实验的紧链路定位过程，图5描述了第7次实验的可用带宽的测量过程。

第二组实验中，7次实验的紧链路定位均准确，可用带宽的测量相对误差依次为：2.0，2.5，-1.7，-1.9，1.9，2.1，2.5。本发明在第二组实验验证其正确性。

第三组实验中，7次实验的紧链路定位均准确，可用带宽的测量相对误差依次为：7.8，8.1，-7.9，-3.4，10.9，8.1，9.3。本发明在第三组实验验证其正确性。

第四组实验中，7次实验的紧链路定位均准确，可用带宽的测量相对误差依次为：8.3，-8.9，9.4，-10.2，7.7，9.2，10.1。本发明在第四组实验验证其正确性。

由此可见本发明可以正确地定位紧链路，准确地测出可用带宽。

Claims

1、一种基于网络紧链路定位的端到端可用带宽测量的方法，包括以下步骤：

(1)测量待测路径的跳数并定位紧链路；

(2)根据(1)获得的紧链路信息构造探针包列，所述探针包列由测试包列与负载包列组成，测试包列又包括了前进包列和返回包列：其中，前进包列的每个数据包IP包头内的生命周期域值设置为默认值，负载包大于测试包，负载包列中的每个数据包IP包头内的生命周期域的值设为待测量紧链路所在跳数；返回包列中的每个数据包IP包头内的生命周期域的值设为待测量紧链路所在位置的前一跳位置的所在跳数；

(3)由发送端向接收端重复多次发送不同速率的探针包列，将返回包列中连续两个返回数据包间的到达时间间隔作为探针包列进入待测链路的输入包间间隔，并将前进包列中的连续两个前进数据包到达接收端的时间间隔作为探针包离开待测链路的输出包间间隔，计算多组待测链路的输入和输出速率，从而计算出该紧链路的可用带宽。

2、根据权利要求1所述的一种基于网络紧链路定位的端到端可用带宽测量的方法，其特征在于：所述构造探针包列中，每个负载包后都连续无间隔的发送一个前进包或返回包。