CN1505347A - 业务网中获得每跳单向分组损失和时延的测量体系结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种每跳单向时延的测量体系结构，包括：节点(12)的输入接口处的输入观测电路(24)和节点(12)的输出接口(16)处的输出观测电路(26)。输入观测电路(24)对输入分组的报头进行复制和作时间标记，并根据集合规范对分组进行滤波。类似地，输出观测电路(26)对输出分组的报头进行复制和作时间标记，并根据集合规范对分组进行滤波。使输入和输出踪迹相关以便计算延时测量。分组损失测量利用上游和下游节点(20和22)的输入接口(14)处的输入观测电路(72a和72b)以及上游节点的输出接口(16)处的输出观测电路74。测量电路(72a、72b和74)根据集合规范确定通过节点以及节点之间丢失的分组数。

Description

业务网中获得每跳单向分组损失和时延 的测量体系结构
技术领域
本发明一般涉及远程通信，尤其涉及在多级业务网中获得每跳单向分组损失和时延测量的方法和装置。
在设计和维护通信网的过程中，每跳单向分组损失和时延测量是很有用的。这些测量可以揭示出某一设备是否出了故障，或是否没有按规范执行。
背景技术
现有的时延测量方案可分为主动测量技术和被动测量技术。基于主动测量技术的方案可产生一些测试分组或探针，并将其注入到网络中。有些主动测量方案通过测量往返时延并将结果平分来估算单向时延。而另一些方案则测量更精确的单向时延。就所有情况而言，为了测定时延，单向主动测量都要求高精度的时钟同步。
基于被动测量技术的方案通常观测分组通过两个点的时差。然而，这些技术需要解决通常位于两个不同节点处的两个测量引擎之间的时钟同步问题。有些方案通过使用集中同步或协调***来解决这一问题。
现有方案的主要问题是提供基于每跳每个集合的大规模配置的能力问题。在基于主动测量的方案的情况下，其方案不是不太合算就是不能有效利用网络资源。而在基于被动测量的方案的情况下，其方案不是过于复杂就是采用了集中控制，而集中控制会限制配置规模并成为易受攻击的点。
现有技术有很多缺点。首先，往返时延的主要问题涉及众所周知的连接网络中的两个点的非对称路由。通常，正向路由采取与反向路由不同的路径。这一因素影响了将往返时延平分来推断单向时延的有效性。
第二，单向主动测量要求两个测量点之间的时钟同步，这给实现方面和费用方面都带来了很大的负担。同时，它还妨碍了方案进行大规模配置。
第三，主动测量本身的特性要求在网络中注入开销通信量。因此，测量网络中每个链路的单向每跳每个集合的时延是一项造价过高的任务，其耗资巨大。这是在采用这些现有方案时其适用性明显降低的主要原因之一。
第四，阻碍基于被动测量的方法成为有效可行的方案的主要问题是：需要两个节点之间的时钟同步才能得到时延。目前已提出了多种技术，比如集中协调或基于GPS(全球定位***)的时钟同步***等，但其有效性只能局限于小规模部署。
类似的问题在测量分组损失时也存在。在测量单向时延的情况下，现有方案可以分为两类：主动的或基于网络的。现有主动测量方案基于产生测试分组或探针，比如ICMP回应/应答分组。其他方案基于单向主动测量，这种测量需要时钟同步***，还需要将测试分组注入到网络中。基于网络的方案利用网络管理***来收集关于分组损失的信息。例如，这些方案可以使用SNMP，根据由管理节点或专用代理所保存和提供的MIB(管理信息库)得出分组损失统计。其他方案可以采用对探针或代理进行RMON(远程监视)的方式来收集分组损失统计。
现有方案的主要问题是支持基于精细的每跳每个集合的大规模配置的能力问题。在基于主动测量的方案的情况下，其方案不是不能有效利用资源就是不太合算。而在基于网络管理的方案的情况下，其方案缺乏所需的精细的测量支持，并且对大规模配置而言过于复杂。
ICMP回应/应答分组的具体问题包括：(1)要在网络中引入开销通信量，(2)需要来自测量节点的ICMP支持，(3)缺乏每个集合测量支持，和(4)无法在节点内测量分组损失。单向主动测量的主要问题在于，这些方案除了需要在网络中施加开销通信量之外，还需要在两个测量点之间进行同步或协调。这两个缺陷使得这类方案难以实现大规模配置。基于网络的方案还有一些严重的问题：(1)为了收集统计，它们要依赖节点来支持MIB，此外，当前的标准MIB没有提供每个集合的统计，(2)它们在按需要动态地配置和执行分组损失测量时其灵活性和可控性较差，和(3)它们不支持节点内的分组损失测量。
因此，在多级业务网中，需要一种用于测量每跳单向时延和每跳单向分组损失的改进型技术。
发明内容
在本发明中，在基于分组的网络中，可以用以下方式测量每跳单向性能特性：确定用于规定测量中所含的分组类型的集合规范，为流过第一点的分组产生具有相关时间标记的分组报头，和为流过第二点的分组产生具有相关时间标记的分组报头。按照集合规范，可以根据与相应分组报头相关的时间标记来计算一个或多个性能测量。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，可以参见以下结合附图所作的描述，其中：
图1示出了一种用于描述多级业务网中计算每跳单向时延时所用的术语的参考模型；
图2示出了一种用于测量上游节点与下游节点之间的每跳单向时延的电路的优选实施方式的框图；
图3示出了报头复制器和标时器电路输出的记录；
图4示出了输入踪迹发生器为集合中每个分组所产生的踪迹的输入踪迹记录；
图5示出了输出踪迹发生器为集合中每个分组所产生的踪迹的输出踪迹记录；
图6示出了相关器为每对匹配的输入和输出分组所产生的记录的结构；
图7示出了上游节点与下游节点22之间的每跳单向时延测量的结构；
图8示出了输入接口处踪迹发生器的输入踪迹记录；
图9示出了上游节点的输出接口处踪迹发生器的输出踪迹记录；
图10示出了第一相关器输出的记录；
图11示出了第二相关器输出的记录；
图12示出了节点的分组损失记录；和
图13示出了线路的分组损失记录。
具体实施方式
本发明最好参照附图中的图1-13来理解，其中各图中的相似部件使用相同的标号。
图1示出了一种用于描述多级业务网中计算每跳单向时延时所用的术语的参考模型。图1示出了具有多个网络节点12(分别示为节点0、节点1、节点2、和节点3)的网络10。在举例的实施方式中，数据依次通过这些节点，从各节点的输入接口14进入并从各节点的输出接口16离开。
具体来看节点1，数据分组在时刻T1到达节点12的输入接口而在时刻T2离开节点12的输出接口16。在时刻T3，节点1在时刻T2所输出的分组到达节点2的输入接口14。
“每跳基准段(Per-Hop Reference Section)”被定义为两个相邻节点之间用于将它们连接的单向链路。这一基准起始于上游(upstream)节点的输入接口(即点(1))，继续向前通过上游节点本身到达其相应的输出接口。最后，该基准终止于相邻下游(downstream)节点的输入接口(即点(3))。
“每跳单向时延(Per-Hop One-Way Delay)”被定义为分组从每跳基准的起点(点(1))到基准的终点(点(3))的时间。它可以被分解成两个部分：“每跳单向节点时延”和“每跳单向线路时延”。
每跳单向节点时延(DelayNode)是分组通过节点所花的时间，它至少包括排队时间、处理时间以及路由选择和交换时间。它可以表示为：DelayNode＝T2-T1，其中，T1是在点(1)观测到分组的时刻，而T2是在点(2)观测到同一分组的时刻。
每跳单向线路时延(DelayLine)是分组通过相关链路所花的时间。它至少包括分组发送时间和传播时间。其数学表示式为：DelayLine＝T3-T2，其中，T3是在点(3)观测到同一分组的时刻。
本发明当涉及每跳单向时延时采用这样一种测量，该测量基于分组从同一节点的输入接口到相应的输出接口所花的时间的差，而不基于相距很远的两个节点之间所花的时间差的度量。这样就不需要时钟同步，因为单一时钟***(即节点时钟)能够实现这种定时方法。此外，在采用被动测量方法时，无需在网络中产生任何附加的业务就能实现这些测量。
图2示出了一种用于测量上游节点20与下游节点22之间的每跳单向时延的电路的优选实施方式的框图。输入观测电路24与上游节点20的输入接口14连接，而输出观测电路26与上游节点20的输出接口16连接。输入观测电路24包括报头复制器28、标时器30、滤波器32和踪迹发生器34。输出观测电路26包括报头复制器36、标时器38、滤波器40和踪迹发生器42。踪迹发生器34和42的输出端与相关器44连接。输出报告发生器46利用相关器44的结果产生具有测量数据的报告。
在操作中，被动测量技术用于收集通过分组的分组报头信息-没有在通过上游节点20的分组流中注入人工分组。提供一种流量定义，以说明流过上游节点20的哪些分组将被跟踪。
输入观测电路24的报头复制器28生成从输入接口14进入节点20的所有分组或抽样分组的报头信息的记录。同样，输出观测电路26的报头复制器36生成从输出接口16离开节点20的所有分组或抽样分组的报头信息的记录。标时器30和38(与节点时钟连接)在每个记录中加入一个当前时间字段，它指示分组到达各自输入接口14或输出接口16的时刻。图3中示出了一例记录50。记录50包括节点标识字段52、输入/输出接口ID字段54、时间标记字段56和分组报头58。
再回到图2，滤波器32和40接收来自各自标时器30和38的记录。滤波器32和40将所定义集合中的分组(即符合流量定义的分组)归类。流定义可以包括例如DSCP(差异业务码点)、源地址、目标地址或这些参数的任意组合。踪迹发生器32和40生成属于所定义集合的分组报头记录的踪迹。图4示出了输入踪迹发生器32为集合中每个分组所产生的踪迹的输入踪迹记录60，而图5示出了输出踪迹发生器40为集合中每个分组所产生的踪迹的输出踪迹记录62。输入踪迹记录60包括节点ID、输入接口ID、DSCP、源地址、目标地址、集合规范、时间标记(T1)、分组长度以及分组ID和偏移量的字段。输出踪迹记录62包括节点ID、输出接口ID、DSCP、源地址、目标地址、集合规范、时间标记(T1)、分组长度以及分组ID和偏移量的字段。对于踪迹定义所基于的其他参数，还可以包括其他字段。
相关器44使从输入踪迹发生器34和相关输出踪迹发生器42所得到的踪迹相匹配。这可以利用来自转发路由选择表和配置文件的信息使从输入接口14进入的分组与从输出接口16离开的分组相关联。这可以通过检查以下内容来实现：
相同的节点ID，
相同的Src和Dest地址，
相同的DSCP，
相同的集合规范(如果同时执行对单个流的多个测试)，
相同的分组ID并且偏移量为0(针对IPv4)，
相同的分组长度或有效载荷长度，
一对有效的输入和输出接口(就路由信息和(Src地址、Dest地址)而论)。
图6示出了相关器44为每对匹配的输入和输出分组所产生的记录64的结构。记录64包括节点ID、输入接口、输出接口、集合规范和所计算的时延的字段。
每跳单向时延被定义为单向节点时延(DelayNode)和单向线路时延(DelayLine)的总和。每跳每个集合的时延(DelayHD)被定义为基本集合中的分组通过每跳基准段所花的时间。如果给出基本(underlying)集合的输出记录，那么，每跳每个集合的节点时延(DelayNHD)和线路时延(DelayLHD)被定义为：
DelayNHD＝(T2-T1)
DelayLHD＝(分组长度/线路速率)+传播时间
DelayHD＝DelayNHD+DelayLHD
其中，T1是输入接口处产生的记录的时间标记，T2是输出接口处产生的匹配记录的时间标记，而分组长度是从这两个记录任意之一中得到的。
这种方案针对多级业务网中的大规模配置而言，使得可以对每跳每个集合的单向时延进行最合算、有效和可伸缩的测量。第一，本发明可以在通过分组滤波概况(profile)能动态定义集合级别的情况下提供每跳每个集合的单向时延。第二，本发明无需在网络中施加任何开销通信量就可以提供可伸缩方案。第三，本发明无需高精度的时钟同步就能简单地实现。第四，本发明可以为大规模配置提供既经济又称心的方案，这是因为，本发明不需要精细的时钟同步***，尤其是本发明没有在网络中产生附加通信量。第五，本发明可以提供一种精确方案，而不会在测量期间扰乱网络状态；因此，所得到的测量真实地反映了实际网络性能。
再参照图1，讨论本发明的第二方面，即在多级业务网中获得每跳单向分组损失的测量。每跳基准段与以上所述情况相同。“每跳单向分组损失”被定义为在从起点(1)到终点(3)的某一时间段内丢失的分组数。它可以被分解成两个部分：每跳单向节点分组损失(PktLossNode)和每跳单向线路分组损失(PktLossLine)。每跳单向节点分组损失说明了在节点内所丢失的分组数，它可以表示为：PktLossNode＝Count2-Count1，其中，Count1是在特定时间段内通过点(1)到点(2)的分组数，而Count2是Count1中成功到达点(2)的那部分。每跳单向线路分组损失(PktLossLine)说明了连接两个相邻节点的链路上丢失的分组，它可以被定义为：PktLossLine＝Count3-Count2。
正如结合图2-6所描述的每跳单向时延测量的情况那样，可以通过这样的方式来测量每跳单向分组损失：将流量定义为分组的集合，并利用被动测量技术识别或滤除只属于该流量定义的分组。在基准跳的三个点处，通过在每个点处收集属于该流量的分组的踪迹来观测分组。然后，使这些踪迹中的分组相关来检测任何丢失的分组，以便计算预定时间段内未成功通过该跳所传递的分组数。然后，利用这些分组损失数来确定该流量中的每跳分组损失。
图7示出了上游节点20与下游节点22之间的每跳单向时延测量的结构70。输入观测电路72a和72b与上游节点20的输入接口14a和下游节点22的输入接口14b连接，而输出观测电路74与上游节点20的输出接口16连接。输入观测电路72a和72b和输出观测电路74包括报头复制器76、标时器78、滤波器80和踪迹发生器82。输入观测电路72a和输出观测电路74的踪迹发生器82的输出端与第一相关器84及输出报告发生器86连接。输入观测电路72b和输出观测电路74的踪迹发生器82的输出端与第二相关器88及输出报告发生器90连接。输出报告发生器86和90的测量数据输入到分析器92中。
报头复制器76和标时器78按与结合图2和3所讨论的同样的方式进行操作，从而生成进入节点(对输入观测电路72a和72b来说)或离开节点(对输出观测电路74来说)的所有分组的报头信息的记录，并在每个记录中加入一个时间字段。报头复制器76和标时器78所生成的记录与图3中所示相同。
同样，滤波器80和踪迹发生器82的操作与上述滤波器和踪迹发生器的操作类似。滤波器80通过按照集合规范将分组报头记录归类的方式来进行分类。踪迹发生器82生成属于每个集合的分组报头记录的踪迹。图8示出了(无论上游节点还是下游点的)输入接口处踪迹发生器82的输入踪迹记录96，而图9示出了(上游节点的)输出接口处踪迹发生器82的输出踪迹记录98。集合可以用例如DSCP、源地址、目标地址或这些参数的任意组合来确定。
相关器84和88使三个观测点处得到的踪迹相匹配，从而生成结果报告。这些相关器可以利用路由表信息使从一个输入接口进入的分组与离开上游节点输出接口的分组相关联，并且还与从上游节点输出接口传到下游节点输入接口的分组关联。每个相关器84和88都结合了：(1)节点ID，(2)接口，(3)源和目标地址，(4)分组标识(针对IPv4)，以及(5)分组长度或有效载荷长度。输出报告发生器86和90产生踪迹相关的报告。第一相关器84输出的第一相关器输出记录100如图10中所示，而第二相关器88输出的第二相关器输出记录102如图11中所示。
每跳每个集合的分组损失(PktLossHD)包括两个部分：节点的分组损失和线路的分组损失。每跳每个集合的节点分组损失(PktLossNHD)是节点内从输入接口到相应输出接口的基本集合的分组损失。它可以是例如缓冲器溢出或分组报头出错的结果。每跳每个集合的线路分组损失(PktLossLHD)是连接两个相邻节点的链路上的基本集合的分组损失。因此，PktLossHD＝PktLossNHD+PktLossLHD。
为了在第一相关器84中根据输入观测电路72a和输出观测电路74的踪迹发生器输出的踪迹计算出PktLossNHD，首先，规定测量间隔“Interval”和“PktLossNode Time Threshold”。确定与输出接口中的踪迹的记录匹配的输入接口踪迹中的第一记录，这可以通过检查以下内容来实现：(1)相同的节点ID，(2)相同的源和目标地址，(3)一对有效的输入和输出接口(就路由信息以及源和目标地址而论)，(4)相同的DSCP，(5)相同的集合规范(如果同时在执行多个测试)，(6)相同的分组ID并且偏移量＝0(针对IPv4)，和(7)相同的分组长度或有效载荷长度。变量“Start time”和“Start time input”被设为输入接口记录中的时间标记。“Start time output”被设为对应输出接口记录中的时间标记。
对于输入接口踪迹中时间标记不超过(Start time input+Interval)的每一随后的记录，“time input”被设为相应时间标记，检查如上所给出的所有类似的属性，查看输出接口踪迹中是否有时间标记不超过(time input+PktLossNode Time Threshold)的对应记录。如果输出接口踪迹中没有相应记录，那么，将Node Pkt Loss计数器加1。如果存在时间标记大于(time input+PktLossNode Time Threshold)的相应记录，那么，将Node Pkt Loss计数器加1并从踪迹中删除该记录条目。当输入接口记录的时间标记大于(Start time input+Interval)时，Stop time被设为(Start time+Interval)，并产生如图12中所示的节点的分组损失记录104。
PktLossLHD可用类似的方法进行计算。“Start time”、“Interval”和“Stop time”如上所设，规定“PktLossLine Time Threshold”。确定与上游节点的输出接口中的第一记录匹配的下游节点输入接口踪迹中的记录，这可以通过检查所有以下属性来实现：(1)一对有效的上游和下游节点ID，(2)相同的源和目标地址，(3)相同的DSCP，(4)相同的集合规范(如果同时在执行多个测试)，(5)相同的分组ID并且偏移量为0(针对IPv4)，(6)相同的分组长度或有效载荷长度，(7)一对有效的输入和输出接口(就路由信息以及源和目标地址而论)。“Start time upstream”被设为上游节点的第一输出接口记录中的时间标记，而“Start time downstream”被设为下游节点的所得到的对应输入接口记录中的时间标记。
对于成功得到上游节点的输出接口踪迹中的每一随后的记录，检查如上所给出的所有类似的属性，查看下游节点的输入接口踪迹中是否有时间标记不超过(Start time downstream+PktLossLine Time Threshold)的对应记录。如果输出接口踪迹中没有相应记录，那么，将Line PktLoss计数器加1。如果存在时间标记大于(Start time downstream+PktLossLine Time Threshold)的相应记录，那么，将Line PktLoss计数器加1。在检查了上游节点的输出接口踪迹中的最后一个记录后，产生如图13中所示的线路的分组损失记录106。
分析器92利用节点的分组损失记录104和线路的分组损失记录106来确定每跳每个集合的单向分组损失。分析器92使这些记录中的属性相匹配，如表1中所示。
表1：分析器匹配的记录
    节点的分组损失记录     线路的分组损失记录
    节点ID     上游节点ID
    输出接口     输出接口
    集合规范     集合规范
    起始时间     起始时间
    终止时间     终止时间
    间隔     间隔
对于每对匹配的记录，根据这些记录的分组损失数字段中的值的总和来计算PktLossHD。
这种方案针对多级业务网中的网络范围配置而言，使得可以对每跳每个集合的单向分组损失进行最合算和可伸缩的测量，并可以提供许多优于现有方案的优点。第一，本方案可以在通过分组滤波概况能动态定义集合级别的情况下提供每跳每个集合的单向分组损失。第二，本方案可以提供从每个源或目标IP地址、网络业务级别或者DSCP/PHB到每个ATM VPI/VCI或LSP的广泛的集合级别。第三，本方案还可以提供集合层次。由于集合是通过滤波概况指定的，因此可以灵活改变集合级别以满足按需请求。第四，本方案可以提供对所得到结果的临时粒度(granularity)的控制。通过明确规定收集间隔和时间(间隔时间)，可以为任意时间段得到各种时标结果。第五，本方案因为被动测量可以提供精确结果，并且不用注入可能会扰乱网络的附加通信量。第六，本方案因为被动测量技术可以提供配置的伸缩性。第七，本方案针对大规模配置可以提供既合算又简单的方案，并且不需要复杂的时钟或协调***。
图7中的实施方式既可以用于分组损失测量又可以用于分组时延的测量。唯一必要的改变是针对第一相关器84中的每个所滤波的分组计算出上游节点20的输入接口14a与输出接口16之间的时延，并将这一信息添加到记录104中，以便将这一信息传送给分析器92。
应当注意，在图2和7的结构中，时间标记要先于滤波。当根据集合规范的滤波先于复制报头和时间标记时，滤波中所涉及的时延(尤其是在不同检查点滤波时时延的变化)可能会降低时间标记的精确性。
尽管以上针对一些举例说明的实施方式描述了本发明的细节，然而，对熟练技术人员而言，还可以提出这些实施方式的各种修改以及其他的实施方式。本发明包括了权利要求书的范围内的任意修改或其他实施方式。

Claims (10)

1.一种在基于分组的网络中测量每跳单向性能特性的方法，该方法包括如下步骤：
确定用于规定测量中所含的分组类型的集合规范；
为流过第一点的分组产生具有相关时间标记的分组报头；
为流过第二点的分组产生具有相关时间标记的分组报头；
按照集合规范，根据与相应分组报头相关的时间标记来计算一个或多个性能测量。
2.权利要求1的方法，还包括如下步骤：根据集合规范对分组报头进行滤波。
3.权利要求1的方法，其中，所述第一点是节点的输入接口而第二点是节点的输出接口，并且其中，所述计算步骤包括如下步骤：计算时延测量。
4.权利要求1的方法，还包括如下步骤：为流过第三点的分组产生具有相关时间标记的分组报头。
5.权利要求4的方法，还包括如下步骤：在所述第一、第二和第三点处根据集合规范对分组报头进行滤波。
6.一种在基于分组的网络中用于测量每跳单向性能特性的电路，该电路包括：
用于为流过第一点的分组产生具有相关时间标记的分组报头的电路；
用于为流过第二点的分组产生具有相关时间标记的分组报头的电路；
用于按照预定集合规范根据与相应分组报头相关的时间标记来计算一个或多个性能测量的电路。
7.权利要求6的电路，还包括：用于根据集合规范对分组报头进行滤波的电路。
8.权利要求6的电路，其中，所述第一点是节点的输入接口而第二点是节点的输出接口，并且其中，所述计算电路包括：用于计算时延测量的电路。
9.权利要求6的电路，还包括：用于为流过第三点的分组产生具有相关时间标记的分组报头的电路。
10.权利要求9的电路，还包括：用于在所述第一、第二和第三点处根据集合规范对分组报头进行滤波的电路。
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