基于包列的網(wǎng)絡(luò)瓶頸測(cè)量技術(shù)研究

1、基于包列的網(wǎng)絡(luò)瓶頸測(cè)量技術(shù)研究論文導(dǎo)讀：分析網(wǎng)絡(luò)瓶頸。 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的研究開(kāi)始于1974年Lenoard Kleinrock等人在ARPAnet（Advanced Research Projects Agency Network）網(wǎng)上對(duì)流量分布的測(cè)量。但VPS測(cè)量的精度和有效性易受誤差累計(jì)和背景流量影響。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)測(cè)量,網(wǎng)絡(luò)瓶頸,包列技術(shù),流量一、引言隨著Internet技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求空前增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)也變得越來(lái)越復(fù)雜。不斷增加的網(wǎng)絡(luò)用戶和應(yīng)用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)也越來(lái)越沉重，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而引起網(wǎng)絡(luò)性能不斷下降，嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)發(fā)展和有效利用。因此，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)

2、的性能指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的提取與分析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行改善和提高。網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的提出，目的在于為網(wǎng)絡(luò)管理及維護(hù)者提供一個(gè)可依靠的平臺(tái)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)量，從而獲取與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行有關(guān)的各種數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)帶寬是網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)基本指標(biāo)，所以，網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)量是網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的一個(gè)重要組成部分。對(duì)帶寬測(cè)量的研究有利于網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的進(jìn)步和發(fā)展。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)量，可以知道網(wǎng)絡(luò)的有用帶寬、延遲，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計(jì)比較，就能夠分析出發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的延遲瓶頸、瓶頸延遲以及瓶頸延遲最大的路徑及具體位置IP，從而為網(wǎng)絡(luò)管理者及維護(hù)者提供有效改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，科學(xué)合理的管理及維護(hù)網(wǎng)絡(luò)提供了保障。因此，網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)量技術(shù)，分析網(wǎng)絡(luò)瓶頸，改

3、善網(wǎng)絡(luò)效果成為人們研究的熱點(diǎn)。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的研究開(kāi)始于1974年Lenoard Kleinrock等人在ARPAnet（Advanced Research Projects Agency Network）網(wǎng)上對(duì)流量分布的測(cè)量，在隨后的近20年中，由于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用一直局限于科學(xué)研究，未得到廣泛的應(yīng)用。到上個(gè)世紀(jì)90年代，由于互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)應(yīng)用逐漸走出實(shí)驗(yàn)室，特別WWW應(yīng)用的出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)量的需求顯得日益迫切。自從1994年3月，中國(guó)獲準(zhǔn)加入互聯(lián)網(wǎng)，并在同年5月完成全部中國(guó)聯(lián)網(wǎng)工作以來(lái)，中國(guó)成為互聯(lián)網(wǎng)家族中的一個(gè)成員，風(fēng)風(fēng)雨雨已經(jīng)走過(guò)了

4、十幾年的歷程。雖然在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上也取得了一定的成績(jī)，但相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)，帶寬測(cè)量依然存在很大的差距。（一）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.模擬TCP連接獲得BTC(在標(biāo)準(zhǔn)的擁塞控制技術(shù)控制下，通路在給定的時(shí)間內(nèi)為業(yè)務(wù)流提供的吞吐量。計(jì)算公式：BTC=data_sentelapsed_ time) 1這種方法從傳輸層進(jìn)行考慮，基本思想是通過(guò)為測(cè)量建立一個(gè)TCP連接求出通路可利用帶寬，要求為測(cè)量所建的連接必須和背景流量完全占有通路瓶頸帶寬，測(cè)量連接必須實(shí)現(xiàn)與TCP連接類(lèi)似的擁塞控制算法，并要求測(cè)量維持一定的時(shí)間。實(shí)際上，由于這種測(cè)量方法基于TCP協(xié)議，其測(cè)量結(jié)果應(yīng)是TCP吞吐量。對(duì)應(yīng)的測(cè)量工具包括Treno和Ca

5、p 2 Treno是用于測(cè)量的TCP協(xié)議的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)版本，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)是為了解決原有TCP版本的不同實(shí)現(xiàn)帶來(lái)的測(cè)量兼容性問(wèn)題。它能給出兩種測(cè)量結(jié)果：平均速率一整個(gè)測(cè)試連接的平均速率；均衡速率擁塞避免過(guò)程中的速率。Cap與Treno類(lèi)似，只是在實(shí)現(xiàn)上存在一些差異。兩者的共同特點(diǎn)是要消耗大量帶寬，可能造成網(wǎng)絡(luò)過(guò)載從而影響到用戶業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行，有“帶寬殺手”之稱(chēng)。論文格式。雖然一些研究者驗(yàn)證了這些工具的準(zhǔn)確度較高，但它們對(duì)帶寬的巨大損耗限制了自身的應(yīng)用，這也正是此種工具的最大缺點(diǎn)所在。2.基于變長(zhǎng)包序列模型的帶寬測(cè)量方法單包測(cè)量又稱(chēng)為可變包VPS(VariablePacket Size)測(cè)量。VPS方法最

6、初是由SteveBellovin和Van Jacobson提出來(lái)用于測(cè)量逐跳參數(shù) 3 。該方法用于測(cè)量容量，通過(guò)主動(dòng)發(fā)包，獲得時(shí)間軸上往返時(shí)間RTT與包大小之間的關(guān)系，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析處理的方法來(lái)獲得帶寬的測(cè)量值。但VPS測(cè)量的精度和有效性易受誤差累計(jì)和背景流量影響。誤差累計(jì)使得VPS不適合多跳鏈路的測(cè)量，背景流量使得數(shù)據(jù)包傳輸延遲增加，測(cè)量帶寬值較實(shí)際鏈路帶寬值小。目前基于VPS方法主要的代表工具有pathchar,clink,pchar、nettimer等(其中clink、pchar是在pathchar的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的)。這些工具的源端使用ICMP(Internet Control Me

7、ssageProtocol即Internet控制消息協(xié)議)Request包，由于可能受到中間路由器的影響(路由器可能屏蔽掉ICMP業(yè)務(wù)，或者在處理ICMP包時(shí)的優(yōu)先級(jí)比較低)，還可能受到目的端系統(tǒng)ICMP包的響應(yīng)比較遲緩的影響，因而也會(huì)造成結(jié)果不夠準(zhǔn)確。另外，該方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是存在測(cè)量上限，通路最大MTU(Maximum Transmission Unit即網(wǎng)絡(luò)上傳送的最大數(shù)據(jù)包)和端系統(tǒng)的時(shí)間粒度決定了其能夠測(cè)得的帶寬上限。論文格式。3.基于包分散模型的方法(1) 包對(duì)(packet pair)測(cè)量包對(duì)用于測(cè)量瓶頸帶寬。1988年，Jacobson首先提出了包對(duì)的概念，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有用于帶寬

8、的測(cè)量，而是體現(xiàn)在TCP擁塞控制的自同步這個(gè)概念中。論文格式。包對(duì)算法是Robert L.Carter和Mark E.Crovella提出的 4 。是用于測(cè)量網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶寬的方法。采用包對(duì)算法的帶寬估測(cè)工具主要有bprobe和TOPP。KevinLai和Mary Baker證明了包對(duì)算法的正確性。目前的包對(duì)算法主要包括基于發(fā)送端的包對(duì)SBPP(Sender Based Packet Pair)、基于接收者的包對(duì)RBPP(ReceiverBased Packet Pair)、只有接收者的包對(duì)ROPP(Receiver Only PacketPair)和包束模型PBM(Packet Bunch Mo

9、de)等。(2) 包列(packet train)測(cè)量為了使建立的模型與實(shí)際情況更好地進(jìn)行統(tǒng)一，人們發(fā)展了一種多包模型，稱(chēng)為包列?；诎性?，Carter等實(shí)現(xiàn)了通路可利用帶寬的測(cè)量工具Cprobe。M.Jain等提出了需收發(fā)兩端相互配合的工具pathrate,采用一定的算法可以近似求出通路瓶頸帶寬。PTVS(packet train variable size)是為了消除逐跳測(cè)量造成的誤差累計(jì)和背景流量影響 5 ，改善VPS算法的不足，而對(duì)VPS方法進(jìn)行改進(jìn)，提出和實(shí)現(xiàn)一個(gè)任意鏈路帶寬測(cè)量的方法。PTVS不需要逐跳類(lèi)推，可以直接快速測(cè)量任何一條鏈路帶寬，基本上消除了背景流量的影響。4.基于

10、SLoPS(Self-loadingPeriodic Streams)的測(cè)量工具SLoPS的新意在于將包延遲特性與可利用帶寬緊密結(jié)合，通過(guò)速率調(diào)整推斷可利用帶寬。2001年，基于SLoPS的新工具pathload 6 問(wèn)世。此工具用于測(cè)量通路的可用帶寬。pathload中采取了一定的策略來(lái)保證測(cè)量不會(huì)消耗過(guò)多的可用帶寬，且實(shí)時(shí)性較好，只是它在測(cè)量時(shí)要求雙方的配合。（二）發(fā)展趨勢(shì)1.將包延遲特性與可利用帶寬緊密結(jié)合，通過(guò)速率調(diào)整推斷可利用帶寬。2.將網(wǎng)絡(luò)中流量自身特性與帶寬測(cè)量相結(jié)合來(lái)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)帶寬。3.另外，需要指出的是，在研究方法上，現(xiàn)有的測(cè)量方法對(duì)lnternet環(huán)境的復(fù)雜性考慮不夠完善，測(cè)

11、量模型之假設(shè)過(guò)于簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果不精確，以至于測(cè)量工具的實(shí)用性大打折扣。因此，在設(shè)計(jì)思想上，研究者不應(yīng)拘泥于發(fā)包接收統(tǒng)計(jì)的固定模式，而應(yīng)廣開(kāi)思路，尋找新的方法。三、研究的意義和價(jià)值隨著越來(lái)越多的人關(guān)注網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)量,勢(shì)必在理論與技術(shù)上取得更大的發(fā)展，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的實(shí)用意義和價(jià)值。（一）在理論與實(shí)踐上的意義1.研究現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的工作機(jī)制(如協(xié)議、處理策略等方面)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)工作機(jī)制方面的特點(diǎn)和規(guī)律，找出其不足之處(如網(wǎng)絡(luò)病態(tài)狀況、協(xié)議缺陷等方面)， 為將來(lái)設(shè)計(jì)出更好的協(xié)議和處理策略提供參考和依據(jù)。2.設(shè)計(jì)出將來(lái)網(wǎng)絡(luò)的模擬或真實(shí)環(huán)境，通過(guò)測(cè)量、模型分析等手段研究其工作機(jī)制、運(yùn)行效率、協(xié)議合理

12、性等，以期為將來(lái)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)出更好的服務(wù)機(jī)制。3.對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)情況做觀察和研究，以期通過(guò)測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)它們當(dāng)前的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和運(yùn)行狀況，為網(wǎng)絡(luò)使用者和服務(wù)提供商(ISP)提供參考，并期望進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其性能上可能存在的問(wèn)題及可能的故障點(diǎn)，為實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決網(wǎng)絡(luò)故障及提高當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量提供參考和依據(jù)。（二）預(yù)期成果的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值研究成果可用于TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)，提高擁塞控制效率；為流應(yīng)用提供平滑的速率控制；提供基于負(fù)載的路由、流量工程和區(qū)分服務(wù)；為網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)提供依據(jù)；為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)SLA(service-level agreement即服務(wù)品質(zhì)協(xié)議，是服務(wù)提供者和客戶之間的一

13、個(gè)正式合同，用來(lái)保證可計(jì)量的網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到所定義的品質(zhì)。)的實(shí)現(xiàn)提供驗(yàn)證工具等。四、研究?jī)?nèi)容1.帶寬度量存在的問(wèn)題2.現(xiàn)有帶寬測(cè)量方法與測(cè)量工具3.基于包列測(cè)量的基本原理4.對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬與延遲進(jìn)行分析參考文獻(xiàn)：1 楊峰、楊莘元、王愷、畢經(jīng)平基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)量方法及工具計(jì)算機(jī)工程第18期，2003年10月。2 AIIman MMeasuring End-to-end Bulk TransferCapacityIn Proceedings of ACM SIGCOMM IntemetMeasurement Workshop,2001113 Lai K，Baker M MeasuringLink Bandwidths Using a Deterministic ModeI of Packet DelayIn Proceedings of ACMIGCOMM 2000-044 Carter R L，Crovella M EMeasuringbottleneck link speed in packet-switched networks Boston：Dept of Comput Sci，Bo ston