基于包列的网络瓶颈测量技术研究

1、基于包列的网络瓶颈测量技术研究论文导读：分析网络瓶颈。 网络测量的研究开始于1974年Lenoard Kleinrock等人在ARPAnet（Advanced Research Projects Agency Network）网上对流量分布的测量。但VPS测量的精度和有效性易受误差累计和背景流量影响。关键词：网络测量,网络瓶颈,包列技术,流量一、引言随着Internet技术和网络业务的飞速发展，用户对网络资源的需求空前增长，网络也变得越来越复杂。不断增加的网络用户和应用，导致网络负担也越来越沉重，网络设备超负荷运转，从而引起网络性能不断下降，严重影响了网络的科学发展和有效利用。因此，需要对网络

2、的性能指标进行进一步的提取与分析，对网络性能进行改善和提高。网络性能测量的提出，目的在于为网络管理及维护者提供一个可依靠的平台，通过对网络性能的测量，从而获取与网络运行有关的各种数据。网络带宽是网络性能的一个基本指标，所以，网络带宽测量是网络性能测量的一个重要组成部分。对带宽测量的研究有利于网络性能测量的进步和发展。通过网络带宽测量，可以知道网络的有用带宽、延迟，对这些数据进行科学的统计比较，就能够分析出发生网络的延迟瓶颈、瓶颈延迟以及瓶颈延迟最大的路径及具体位置IP，从而为网络管理者及维护者提供有效改善网络服务质量，科学合理的管理及维护网络提供了保障。因此，网络带宽测量技术，分析网络瓶颈，改

3、善网络效果成为人们研究的热点。二、国内外研究现状及发展趋势网络测量的研究开始于1974年Lenoard Kleinrock等人在ARPAnet（Advanced Research Projects Agency Network）网上对流量分布的测量，在随后的近20年中，由于网络的应用一直局限于科学研究，未得到广泛的应用。到上个世纪90年代，由于互联网及相关应用逐渐走出实验室，特别WWW应用的出现，极大地推动了互联网的建设与应用的发展，对网络带宽测量的需求显得日益迫切。自从1994年3月，中国获准加入互联网，并在同年5月完成全部中国联网工作以来，中国成为互联网家族中的一个成员，风风雨雨已经走过了

4、十几年的历程。虽然在互联网技术上也取得了一定的成绩，但相对于国外来说，带宽测量依然存在很大的差距。（一）国内外研究现状1.模拟TCP连接获得BTC(在标准的拥塞控制技术控制下，通路在给定的时间内为业务流提供的吞吐量。计算公式：BTC=data_sentelapsed_ time) 1这种方法从传输层进行考虑，基本思想是通过为测量建立一个TCP连接求出通路可利用带宽，要求为测量所建的连接必须和背景流量完全占有通路瓶颈带宽，测量连接必须实现与TCP连接类似的拥塞控制算法，并要求测量维持一定的时间。实际上，由于这种测量方法基于TCP协议，其测量结果应是TCP吞吐量。对应的测量工具包括Treno和Ca

5、p 2 Treno是用于测量的TCP协议的简单实现版本，单独实现是为了解决原有TCP版本的不同实现带来的测量兼容性问题。它能给出两种测量结果：平均速率一整个测试连接的平均速率；均衡速率拥塞避免过程中的速率。Cap与Treno类似，只是在实现上存在一些差异。两者的共同特点是要消耗大量带宽，可能造成网络过载从而影响到用户业务的正常进行，有“带宽杀手”之称。论文格式。虽然一些研究者验证了这些工具的准确度较高，但它们对带宽的巨大损耗限制了自身的应用，这也正是此种工具的最大缺点所在。2.基于变长包序列模型的带宽测量方法单包测量又称为可变包VPS(VariablePacket Size)测量。VPS方法最

6、初是由SteveBellovin和Van Jacobson提出来用于测量逐跳参数 3 。该方法用于测量容量，通过主动发包，获得时间轴上往返时间RTT与包大小之间的关系，然后通过统计分析处理的方法来获得带宽的测量值。但VPS测量的精度和有效性易受误差累计和背景流量影响。误差累计使得VPS不适合多跳链路的测量，背景流量使得数据包传输延迟增加，测量带宽值较实际链路带宽值小。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的基础上改进而来的)。这些工具的源端使用ICMP(Internet Control Me

7、ssageProtocol即Internet控制消息协议)Request包，由于可能受到中间路由器的影响(路由器可能屏蔽掉ICMP业务，或者在处理ICMP包时的优先级比较低)，还可能受到目的端系统ICMP包的响应比较迟缓的影响，因而也会造成结果不够准确。另外，该方法的另一个缺点是存在测量上限，通路最大MTU(Maximum Transmission Unit即网络上传送的最大数据包)和端系统的时间粒度决定了其能够测得的带宽上限。论文格式。3.基于包分散模型的方法(1) 包对(packet pair)测量包对用于测量瓶颈带宽。1988年，Jacobson首先提出了包对的概念，但当时并没有用于带宽

8、的测量，而是体现在TCP拥塞控制的自同步这个概念中。论文格式。包对算法是Robert L.Carter和Mark E.Crovella提出的 4 。是用于测量网络瓶颈带宽的方法。采用包对算法的带宽估测工具主要有bprobe和TOPP。KevinLai和Mary Baker证明了包对算法的正确性。目前的包对算法主要包括基于发送端的包对SBPP(Sender Based Packet Pair)、基于接收者的包对RBPP(ReceiverBased Packet Pair)、只有接收者的包对ROPP(Receiver Only PacketPair)和包束模型PBM(Packet Bunch Mo

9、de)等。(2) 包列(packet train)测量为了使建立的模型与实际情况更好地进行统一，人们发展了一种多包模型，称为包列。基于包列原理，Carter等实现了通路可利用带宽的测量工具Cprobe。M.Jain等提出了需收发两端相互配合的工具pathrate,采用一定的算法可以近似求出通路瓶颈带宽。PTVS(packet train variable size)是为了消除逐跳测量造成的误差累计和背景流量影响 5 ，改善VPS算法的不足，而对VPS方法进行改进，提出和实现一个任意链路带宽测量的方法。PTVS不需要逐跳类推，可以直接快速测量任何一条链路带宽，基本上消除了背景流量的影响。4.基于

10、SLoPS(Self-loadingPeriodic Streams)的测量工具SLoPS的新意在于将包延迟特性与可利用带宽紧密结合，通过速率调整推断可利用带宽。2001年，基于SLoPS的新工具pathload 6 问世。此工具用于测量通路的可用带宽。pathload中采取了一定的策略来保证测量不会消耗过多的可用带宽，且实时性较好，只是它在测量时要求双方的配合。（二）发展趋势1.将包延迟特性与可利用带宽紧密结合，通过速率调整推断可利用带宽。2.将网络中流量自身特性与带宽测量相结合来测量网络带宽。3.另外，需要指出的是，在研究方法上，现有的测量方法对lnternet环境的复杂性考虑不够完善，测

11、量模型之假设过于简单，测量结果不精确，以至于测量工具的实用性大打折扣。因此，在设计思想上，研究者不应拘泥于发包接收统计的固定模式，而应广开思路，寻找新的方法。三、研究的意义和价值随着越来越多的人关注网络带宽测量,势必在理论与技术上取得更大的发展，为计算机网络系统产生巨大的实用意义和价值。（一）在理论与实践上的意义1.研究现有网络的工作机制(如协议、处理策略等方面)，发现现有网络工作机制方面的特点和规律，找出其不足之处(如网络病态状况、协议缺陷等方面)， 为将来设计出更好的协议和处理策略提供参考和依据。2.设计出将来网络的模拟或真实环境，通过测量、模型分析等手段研究其工作机制、运行效率、协议合理

12、性等，以期为将来的网络环境设计出更好的服务机制。3.对现有网络的服务情况做观察和研究，以期通过测量分析发现它们当前的服务质量(QoS)和运行状况，为网络使用者和服务提供商(ISP)提供参考，并期望进一步发现其性能上可能存在的问题及可能的故障点，为实时发现和解决网络故障及提高当前网络的服务质量提供参考和依据。（二）预期成果的学术价值和应用价值研究成果可用于TCP协议实现的改进，提高拥塞控制效率；为流应用提供平滑的速率控制；提供基于负载的路由、流量工程和区分服务；为网络管理和网络升级提供依据；为网络服务SLA(service-level agreement即服务品质协议，是服务提供者和客户之间的一

13、个正式合同，用来保证可计量的网络性能达到所定义的品质。)的实现提供验证工具等。四、研究内容1.带宽度量存在的问题2.现有带宽测量方法与测量工具3.基于包列测量的基本原理4.对现有网络带宽与延迟进行分析参考文献：1 杨峰、杨莘元、王恺、毕经平基于TCP/IP的网络带宽测量方法及工具计算机工程第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