Internet网络性能测量技术研究.pdf

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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 Internet网络性能测量技术研究 姓名：汤艳霞 申请学位级别：硕士 专业：情报学 指导教师：雷震甲 20030101 摘要 摘要 随着科技的发展，信息社会中信息资源将比以往任何资源发挥更大的作用， I n t e m e t 作为信息的主要载体之一，在人们生活中变得越来越重要；而环球信息网 w w w ( W o r l dW i d eW e b ) l l 几乎成了I n t e r n e t 的代名词，从各个方面影响着人们的 生活，所有这些都对网络服务质量提出了更高的要求，也就要求及时准确地对网 络性能、W e b 应用服务性能进行测量。本文从两个方

2、面对I n t e r n e t 网络性能测量进 行了研究，首先链路带宽是网络性能分析、容量优化规划的基本指标，本文对网 络带宽指标的测量进行了研究，定义了用于测量的网络模型和带宽指标然后分 析了主要的带宽测量技术，通过大量带宽测量实验，从原理和实验结果分折指出 误差累计和背景流量影响是影响现有测量算法性能的最主要原因。在此基础上， 提出和实现一个任意链路带宽测量方法，该方法可以消除迓跳测量造成的误差累 计和背景流量影响可测量的其他性能指标还包括往返延迟、单向延迟、丢包率、 端到端瓶颈带宽以及链路利用率。其次，文章介绍了一种模拟实际用户行为进行 W e b 服务性能检测的方法，描述了基于陔方

3、法的一个W e b 服务性能检测系统的设 诤与实现，并在此基础上进行了两个实验，分别对W e b 服务隆能和页而性能状况 进行了测量，对目自口W e b 服务的现况和发展进行了分析。 关键词：I n t e r n e t 刚络性能带宽测量技术W e b 服务性能检测 摘要 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t A n d w W W ( W o

4、 r l dW i d eW e b ) i st a k e na sI n t e r a c t , w h i c hc h a n g e sp e o p l e sl i f e W i t ht h ed e m a n df o r h i g h e rq u a l i t yo fs e r v i c e ，t h e r e i san e e df o ra c c u r a t ea n dp r o m p tm e a s u r e m e n t so ft h en e t w o r k p e r f o r m a n c e s I nt h

5、 i sp a p e r ，a sB a n d w i d t hm e t r i c sa r en e c e s s a r yf o rn e t w o r kp l a n ，m a n a g e m e n ta n d p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ，w ed e f i n e dt h en e t w o r km o d e lf o rb a n d w i d t hm e a s u r e m e n t a tf i r s t A n d t h e n ，w ei n t r o d u

6、c et h em a i nt e c h n i q u e so fb a n d w i d t hm e a s u r e m e n ta n dr e l a t e dr e s e a r c hw o r k s I ti s t h eb a s i cf o rd e s i g nm o r ep r e c i s e ，e f f e c t i v ea n dr o b u s tb a n d w i d t hm e a s u r e m e n ta l g o r i t h m st o c o m p a r ea n da n a l y s

7、 i se x i s t i n gm e t h o d o l o g i e s T h em e t r i c sa r ep r o p o s e d f o rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n o ft h e s em e t h o d o l o g i e s T h el i m i t a t i o n sa r ed i s c u s s e df r o mp r i n c i p l ea n de x p e r i m e n tr e s u l tw i t h b a n d w i d t h

8、m e a s u r e m e n te x p e r i m e n t E l i m i n a t i o nt h ea f f e c t i o no fd e v i a t i o na c c u m u l a t i o na n dc r o s s t r a f f i ci sr e s e a r c hd i r e c t i o nf o ri m p r o v i n ge x i s t i n gb a n d w i d t hm e a s u r e m e n tm e t h o d o l o g i e s F i n a l

9、 l y a ni m p r o v e db a n d w i d t hm e a s u r e m e n tm e t h o di s p r o p o s e df o re l i m i n a t i o ni n f e c t i o n so fd e v i N i o n a c c u m u l a t i o nc a u s e db yh o p b yh o p m e a s u r e m e n ta n dc r o s st r a f f i c A n o t h e rj o bw ed oi nt h i sp a p e r

10、s i st oi n t r o d u c eam e t h o dw h i c hi m i t a t e sa c t u a lu s e r s a c t i o nt ot e s tw e bs e r v i c e sp e r f o r m a n c e ，a n d d e s c r i b e st h ed e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mw h i c hm e a s u r e sa n de v a l u a t e sw e bs e r v i c e

11、 b a s e dt h i sm e t h o d A n dw ed i dt w ot e s t sf o rq u a l i t yo fw e bs e r v i c ea n dw e bp a g ec h a r a c t e r r e s p e c t i v e l y , a n dd i s c u s s t h e d e v e l o p m e n t o fw e bi nt h e s ey e a r s K e ) J 3 v o r d s ：I n t e r n e t ，Q o So fn e t w o r k ，B a n

12、d w i d t hm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s W e bS e n , i c eM e a s u r e m e n ta n dE v a l u a t e 声明 创新性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了睛确的说强并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有

13、不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：i 垒撞霞日期 训凇；未8 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保密和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文i 学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本人签名：；壶整堡日期 导师签名。衔 导师签名：丝! ! 二1 2 即；兑矿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 I n t e

14、 r n e t 发展及网络性能测量的意义 江泽民同志在1 9 9 1 年就指出：“四个现代化，哪一化也离不开信息化”。2 0 0 0 年4 月，国家信息化推进工作办公室联合联合国开发计划署、中科院、上海市政 府共同召开了”亚太地区信息化高级论坛”，信息化在国际性文件中首次得到了J 下 式认可。党的十五届五中全会指出：信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势， 也是我国产业优化升级和实现工业化、现代化的关键环节。党和国家对信息化的 重视已达到了空前的高度、深度、广度和力度。 在信息化的六个要素即信息技术应用、信息资源、信息网络、信息技术产业、 信息化人才、信息化政策法规和标准规范中，信息资源处于

15、核心位置，这是因为 信息资源有着可共享、可再生、可有效减少对环境和资源的破坏等特点，它是人 类赖以生存的能源、物质资源的升华和提炼，对我们充分开发和有效利用能源、 物质资源具有指导意义。可以预见，在信息社会中信息资源将比以往任何资源发 挥更大的作用，因此信息化的核心和首要任务就是深入开发、广泛利用信息资源。 随着互联网络的飞速发展，我国的互联网络信息资源也得到了很大的发展， 这不仅表现在我国互联网的基础设施方面，也表现在互联网的用户人数等其他各 个方面。江泽民同志在会见“电视与广播博物馆国际理事会2 0 0 2 年北京年会”与 会代表时也指出，鉴于因特网的迅速发展，它已成为中国新闻传媒的重要组

16、成部 分。作为将要给人类的工作、生活、学习等各个方面带来重大影响的互联网， 我们需要研究其特征，发挥其优点，避免其弊端，使其为人类造福。这需要我们 对其进行深入的分析和理解。为此，国家信息化推进工作办公室开展了中国互联 网络信息资源数量调查，以在掌握全国互联网络信息资源状况的基础之上，为进 一步做好指导、协调信息资源的开发利用工作，加快制定有关信息资源的发展政 策与措施等方面提供重要的参考依据。 网络带宽资源作为衡量互联网络发展程度的一个重要指标，日益受到人们的 普遍关注。它不仅是政府制订网络信息资源发展策略的重要依据，也是互联网用 户和单位选择互联网接入服务商的主要因素之一。因此，及时了解我

17、国互联网络 带宽的现状，就显得十分重要了。这不仅可以为政府提供决策依据，也可以为企 业或个人上网提供必要的帮助和指引。 2 I n t e m e t 网络性能测量技术研究 1 2 网络测试相关研究介绍 国内外该领域的研究机构很多，限于篇幅，只列举几个，国外的主要研究机 构有： I E T F ( T h eI n t e m e t E n g i n e e r i n gT a s kF o r c e ) I P P MW G ( I n t e m e tP r o t o c o l P e r f o f i n a n c eM e t r i c sW o r k i n g

18、G r o u p ) J 2 J ，从属于1 E Y FT r a n s p o r lA r e a ，以R F C ( R e q u e s t f o rC o m m e n t s ) 的形式定义了一系列关于网络性能的指标，并且描述了 一些关于网络测试的简单工具。但目前为止，只提出了一些基本的概念和方法， 详细的性能指标和更为有效的工具也是他们目前( 将来) 的目标。 C A l D 铽T h eC o o p e r a t i v eA s s o c i a t i o nf o rI n t e m e tD a t aA n a l y s i s ) 习的带宽测量

19、项目组，该组目前的目标主要是改进现有的带宽测量技术和工具，克服现有算法 的限制，玎发出一种高效、精确、稳定、灵活的带宽测试系统。所开发使用的测 试工具是s k i t t e r ，其功能为：记录从源到目的经过的I P ，测量路径的I 盯T ，跟踪 显示长期的路由变化，可视化显示路径的连通情况。存在的问题：S k i t t e r 会按某 一频率发I C M P 包要求收到的主机给予响应，会占用带宽，而且处理收到的S k i t t e r 1 C M P 包也会给主机带来额外负载。 N L A N R ( T h eN a t i o n a lL a b o r a t o r yf o

20、 rA p p l i e dN e 融o f kR e s e a r c h ) 1 4 J 的主动测量 项目组( A c t i v eM e a s u r e m e n tP r o j e c t 简记为A M P ) ，利用遍布全美的大约1 2 0 台 机器进行在线测试实时W e b 发布测试结果，主要是让参与的站点和用户更好地 了解他们使用的网络的性能，并帮助网络提供商和用户进行故障诊断；该工程同 时也得到了美国自然科学基金委( N a t i o n a lS c i e n c eF o u n d a t i o n ，简记为N S F ) 的 支持。当前，该工程主要能

21、够测试双向延迟，拓扑和丢失率，下步将会加上吞 吐量和带宽的测试。存在的问题是，测试指标不完备，至今不能测量带宽指标； 测量本身产生大量的流量，会影响网络的正常使用和其他机器的测量结果。 R I P E ( R 6 s e a u xI PE u r o p 6 e n s ) 的流量测量工程( T e s tT r a f f i cM e a s u r e m e n t s 简 记为T T M ) t s l ，其目的是测量独立的路径链接参数如延迟、丢包率、路由向量等。 主要研究对象是欧洲网络服务提供商( I n t e m e tS e r v i c eP r o v i d e r

22、 简记为1 S P ) 以 及其用户执行I E T F 的I P P M 工作组在R F C 以及相关文件中定义的测试指标。 也有带宽测试方面的工作计划，但由于目前带宽测试还没有明确的R F C 标准，本 方面的工作只是在准备中。 P S C ( S u p e r c o m p u t i n gC e n t e r ) 的I n t e r n e t 基础测量架构( N a t i o n a lI n t e m e t M e a s u r e m e n tI n f r a s t r u c t u r e 简记为N I M I ) 1 6 ，也属于N L A N R ，

23、它基于V e r nP a x s o n 的网络探针程序( N e t w o r kP r o b eD a e m o n ) 进行测试，可监视I n t e r n e t 中端到端的 性能，并可迸行网络失效定位。其目标是设计一个可扩展的、动态的测试工具， 其可扩展性是指N I M I 的探针可以由网络管理者视当前的配置信息协调测试来发 第一章绪论 送，其动态性是指该工具可作为外部的第三方数据包根据需要加入。N I M I 现处 于a l p h a 版还不能供广大普通用户使用。 新西兰H a m i l t o n 的t 1 eU n i v e r s i t yo fW a i

24、k a t o 【7 】，在学校的接入网处安装“监 视器”，记录长期的流量状况，用得到的数据分析测试的方法和流量的特征：这 是一种被动测试的方法，需要在监测主机上安装高速板卡和相应处理软件，因为 数据量很大，目前数据都是转到磁带上，再分发到相应的研究机构，整个研究周 期较长。另外，收集经过的数据信息涉及安全问题，侵犯用户隐私。 国内的主要研究机构有中国科学院计算技术研究所信息网络室网络测试实 验室、中国互联网络信息中心等。 总而言之，研究I n t e m e t 网络行为测试方法的机构很多，也出现了很多测试 工具，但是在带宽测试方面还没有出现统一的标准，一些相关的概念如：带宽、 有效带宽等还

25、没有统一的定义，对于目前出现的测试工具，也没有明确的评价标 准，I E T F 也准备发布这方面的R F C ；从目前来看，单纯通过被动监听来了解网 络状况，远远不能满足I S P 和用户的需求；目前的主动测试工具，需要发送大量 的测试包测试所用时问长准确性和灵敏性都不够，主要测试链路本身的带宽， 没有考虑存在的负载( 背景流量) ，新出现的宽带应用和多播路由等也需要及时了 解带宽状况，尤其是有效带宽的状况。同时针对网络应用进行网络性能分析的研 究也不多。 1 3 论文主要内容 本论文的研究主要分为两个方面，一个是互联网网络带宽测量方法研究，首 先定义了用于测量的网络模型和带宽指标，然后分析了

26、主要的带宽测量技术，介 绍了该领域研究的进展情况，通过大量带宽测量实验，从原理和实验结果分析指 出现有测量算法性能存在的最主要问题。在此基础上，提出和实现一个任意链路 带宽测量方法，该方法可以消除逐跳测量造成的误差累计和背景流量影响。而后 是W e b 服务性能测试研究，介绍了一种模拟实际用户行为进行W e b 服务性能检 测的方法，并描述了基于该方法的一个W e b 服务性能检测系统的设计与实现。在 此基础上，进行了两组实验，采集了大量数据，对W e b 服务性能和网页的内容形 式进行了分析。 4 I n t e r n e t 网络性能测量技术研究 第二章网络带宽测量技术概况 2 1 带宽

27、测量技术研究现状 近年来I n t e m e t 技术及其应用都有很大发展，Q o S 敏感业务的增加使得I n t e r n e t 承载业务的特征发生了很大变化。Q o S 要求精确实时的性能测量技术，带宽测量 是性能测量最重要的指标之一。随着I n t e m e t 的应用只益广泛，网络主干带宽不 断增加。例如截至2 0 0 2 年1 月C h i n a N e t 主干带宽达到1 0 G ，中国网通主干带宽 达到4 0 G ，我国的国际出口总带宽达到7 5 9 7 5 M 【8 】。大量的宽带应用随之出现， 例如V O D ，V o l P ，实时远程教学等。尽管网络主干带宽和

28、接八带宽成倍增加，但 是网络性能并没有得到成倍的提升。部分原因是应用业务量的不断增加，但更主 要的原因是网络容量设计、网络资源分配管理和应用设计的问题( 例如在端到端 通路中存在瓶颈链路) 一J 。因此优化带宽使用和分配是提升网络性能首要解决的 问题。此外还有许多网络资源监控系统要利用网络带宽进行全网范围的网络容量 和业务规划，从而减少网络瓶颈，均衡业务流量配置，提升网络性能【1 0 】。 带宽作为网络最基本、最重要的性能指标之一。网络服务提供商( I S P ) 利用 带宽参数进行有效的网络规划和运行维护，实现负载均衡和Q o S 路由等性能 保障技术；用户利用带宽参数作为衡量服务器性能的测

29、试指标；研究人员利用带 宽参数对新的应用和协议的性能进行测试。但准确的带宽测量是困难的，由于网 络状况千变万化，测试过程中会有很多难以预料与克服的因素影响测试的最终结 果；测试中软硬件的开销很大，有些要求是不现实的，很难实现，如在每个路由 器上安装测试软件等；同时并不是每个I S P 都支持对自己网络的性能和负载进行 测试，也就是说我们不能知道所有路由器的配置。个人用户则希望有简单易用的 软件测量工具，以了解所用网络的状况，而有些测量工具需要时间同步，或需要 在网络两端都安装测试软件，也不容易实现。 我们首先对现有的带宽测量技术进行分析和总结，然后提出自己的带宽测量 研究方法。本章第二节详细定

30、义了网络模型和带宽指标第三节介绍带宽测量的 研究状况和已有带宽测量技术的基本原理及其存在的问题，第四节制定了带宽测 量工具的评价指标，并对目前的几个带宽测量工具进行评价。然后在第三章提出 我们对带宽测量算法的改进P T V S 算法及对该算法的评价，最后提出进一步的研 究方向。 第二章网络带宽测量技术概述 2 2 网络模型与带宽指标 参照R F C 2 3 3 0 I l ”，我们对有关概念定义如下：可以通过I n t e r n e t 协议进行通 信的计算机统称主机( H o s t s ) 主机包括路由器( R o u t e r ) ，它通过转发数据包实 现主机之间的通信；链路( L

31、i n k ) 是两个主机之间的一段连接，可以是租用线路、 以太网、或帧中继线路等；通路( P a t h ) 是一个形如 的序列， 其中n = 0 ，每个h i 代表一台主机，每个l l 是在h i 1 和h i 之间的链路，其中h l 到1 1 n 1 是路由器，一对 被称为一个跳步( H o p ) ，简称为“跳”。在适当的 配置下，经过通路可以实现网络层数据包从h 0 到h n 的通信。 发送时延( T r a n s f e r sd e l a y ) 是把数据包送到传输介质上所用的时间；传播时 延( T r a n s m i s s i o nt i m e ) 是光电信号从链

32、路的一端到另一端所用的时间；链路时 延( L i n kl a t e n c y ) 是从数据包的第一个字节发送到传输介质上到它从传输介质上 取下的时间；通路时延( P a t hl a t e n c y ) 是所有单个链路时延加上数据包在路由器 内部排队等待时间的总和，也就是从源端开始发送包到接收端收到包的时间；往 返时延( R o u n dT r i pT i m e 简记为R T T ) ，是正向和反向通路传播时延之和。 链路带宽( L i n kb a n d w i d t h ) 是数据在一段传输介质上的数据速率；通路带宽 ( P a t hb a n d w i d t h

33、 ) 定义为最小的链路带宽，也就是一个通信可以通过该通路的最 快速度，也叫做通路容量，相应的链路叫做窄链路也叫瓶颈链路；出于一条链 路上同时会有很多业务，相对我们研究的应用的之外的其它应用产生的网络流量 都叫做背景流量( C r o s st r a f f i c ) ，有效带宽( A v a i l a b l eb a n d w i d t h ) 就是扣除背景 流量之后可利用的带宽。 2 3 带宽研究的发展和目前的主要技术 测试技术是伴随着网络的发展而发展起来的，并且它的发展会对网络发展起 促进作用。总的来说，测试技术的发展可以分为以下三个阶段I 】副： 第一代，8 0 年代到9 0

34、 年代初，出现了一些简单的主动测试工具，如：p i n g ， t r a c e r o u t e ，t t c p 等。主要是网络管理者用于监控和管理网络的，可监测网络的基 本性能指标，如：往返时延( R T T ) ，包丢失率( L o s sr a t e s ) ，跳步数( N u m b e r o f h o p s ) 等。 第二代，始于9 0 年代中，用改进的第一代工具，在不同的网络基础架构下， 用分布于全美及世界的探测主机监测不同的网络性能，可以给出固定的值或图形 界面，但结果不够准确，且网络不能及时对数据进行分析、采取相应对策。 第三代，目前可以称之为下一代测试技术，将

35、能够测得更先进的网络性能指 6 I n t e m e t 网络性能测量技术研究 标，如：带宽、有效带宽，及其他相关的指标如：延迟抖动、背景流量的稳定| 生 等。另外，第三代工具将能收集对应用、网络协议、网络中间件有用的信息，从 而调整端系统的行为，优化端到端的性能。 I n t e r n e t 的规模、异构性及其网络结构、负载不断变化使得确定链路带宽非常 困难。为了保证路由器的性能，路由器并不能回应应用带宽查询。并且不同网段 的路由器往往属于不同的I S P 运营管理，端用户的应用不可能向路由器查询链路 的状态。因此测试链路带宽测量最易于实现的方法为向指定的端到端通路中发送 探测数据包或

36、者监听网络的流量，确定网络链路或者通路的带宽。人们设计了大 量的带宽测量算法和测量系统，这些钡0 量技术大致可以分为三大类：利用S N M P 基于网络设备M I B R M O N 查询方法：被动网络流量监听分析方法；发送探 测数据包进行主动测量的方法。在第一种方法中，必须具有对被查询网络设备的 M I B R M O N 查询的权利，除非是网络管理员，一般的端用户是没有这种权利的。 而第二种方法一被动监听方法则必须需要高性能的数据采集卡，在实际网络中 大规模应用也是不现实的。因此设计精确、高效、快速、健壮的主动带宽测试算 法成为人们研究的主要方向。 按照不同的标准，可以将带宽测量技术分为不

37、同的种类。按照测量对网络造 成的额外负载可以将带宽测量技术分为淹没带宽测量技术和非淹没带宽测量技 术。淹没带宽测量技术向被测链路逐渐增加流量直至出现丢包( 或先发送 B a c k t o B a c k 帧，再逐渐降低流量，直至不出现丢包) ，再适当降低流量大小。反 复数次，直到不出现丢包的最大吞吐量，即为带业务网络中的有效带宽：在没有 背景流量的被测网络中进行以上测量得到的为容量。淹没带宽测量因对网络影 响较大一般要求停业务，且测试仪数据包发送和接收处理能力要较强。该方法 适用于设备性能测量、网络建设调试以及网络验收等。使用S m a r t B i t s 2 0 0 0 6 0 0 0

38、 、 N e t T e s tI Pi n t e f E M U L A T O R 等设备测量网络的性能就是该技术的典型应用。对于 在运行的网络，一般要求非淹没测量方法，这正是本论文研究的重点。 根据获得探测数据包的方式，可以将带宽测量方式分为主动测量和被动测量。 被动测量通过检测被测网络中的实际流量和数据包分析带宽指标。文献【7 】使用被 动的探针( P r o b e ) 捕获链路上所有的数据包，并记录数据包精确的传输时间，然 后将请求和应答的数据包进行匹配，计算请求发出的时间和返回数据包的时间差 即为R T T 。被动带宽测量需要捕获应用数据包，因此存在安全性问题。使用请求 和应答

39、数据包的数据差作为传输R T T ，忽略服务器性能对请求影响，具有一定的 误差。目前大量的研究是基于主动的测量方式进行的【1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 1 8 , 1 9 。各测量工具都 是逐跳测量链路带宽，在跳步数较少时，具有一定的测量精度。测量值受背景流 量影响非常大。在网络负载较大时，因为背景流量的突发性，造成网络测量值较 大的随机性。因为是逐跳测量，需要较长的测量时间，不适合实时标定网络状态。 第二章网络带宽测量技术概述 因此各测量算法需要着重在测量精度、消除背景流量影响提高测量稳定性以及测 量实时性展开研究。目前1 E T F 的性能测量工作组I P P M 并没有提出

40、带宽指标及其 测量建议。改进现有算法的跳数和背景流量限制，使得带宽测量技术适用于应用 级和操作系统对网络特定链路在线带宽测量，并应用网络性能参数改进流控机制、 动态网络资源管理、路由协议咀及流量工程，以提高整个网络的效率这是未来带 宽测量技术的主要研究方向。 主动测试技术可分为单包技术和包对技术两类，先对其原理进行分析【2 。 2 3 1 单包技术 单包模型主要完成链路带宽的测试。因为单包技术使用的测试包大小不同， 也被称为变包测量( V a r i a b l eP a c k e tS i z e ，Y e s ) 。我们知道，数据包的链路时延由数 据包的大小P 、链路带宽b 加上传播时延

41、l 束决定如式( 2 - 1 ) 所示： P t = 一+ f D ( 2 1 ) 由于特定链路的传播时延是一定的，所以可以把传播时延看作一个固定的偏 置值。如果2 1 式中知道了链路时延和包大小，就可以导出带宽。如果我们得到 多个大小不同的探测包的链路时延，如图2 1 ，其中横轴表示包的大小，纵轴表示 链路时延，进行线性回归，得到这些点的斜率，斜率的倒数就是带宽。 在现实环境中进行这种测试还存在问题，如怎样得到一条路径( P a t h ) 卜| 每 段链路的传播时延。为避免在每台经过的路由器上进行设置，单包模型利用了I P 包的T T L ( T i m eT oL i v e ) 字段，

42、目的这个字段的值并不以时间计，而是每经过一 台路由器减一，即每一跳减一，当T T L 值减孤零，这个数据包就被丢弃，同时路 出器给包的源地址发回一个I C M PT L L 过期( I C M P1 v r Le x p i r e d ) 错误信息。这 样，只要把T T L 值设置成在待测链路端点处被丢弃，在发送方就可以通过记录发 出探测包的时问和返回的I C M PT T LE x p i r e d 包的时间得到数据包的R 盯值。 o 一 埔 留 窘 型 包大小( b y t e s ) 图2 1 单包技术原理 7 I n t e r a c t 网络性能测量技术研究 测量实例如图2 2

43、 ，测量从h o s tA 到t l o s tB 的路径。本图描述的是测量从h o s t A 到h o s tB 的第二个链路，对其他部分的测量与此类似，故省略。在该图中，发 送探测包时把1 1 乙值设成2 ，在经过第一台路由器时T T L 值减为l ，到达第二台 路由器时T T L 值为0 ，则第二台路由器会给h o s tA 发回一个I C M Pe x p i r e de r r o r m e s s a g e 。但这个I C M P 包可能从不同的路径返回，也就是往返路由不对称，这样 测得的R T T 值就不对( 会导致错误的带宽计算) 。 尽管用T T L 测量R T T

44、省去了在每台服务器上安置软件的麻烦，但也存在问 题：首先，无法证明这一跳( 第一跳除外) 是可靠的，即往返的路由是否对称； 而且，除第一跳外，所有的测量结果都受前面的链路的影响。 幽2 2 单包技术删揖实例 这个问题可以通过如下方法解决：把前面的几跳合成一跳，再加上这一跳的 元素。见2 2 式： f ：三+ ，+ 守r ( 22 ) 。b ， 鲁。 也就是说，被测链路的延迟可以通过用测得的延迟减去前面几跳的延迟得到； 而被测链路的带宽则是测得的斜率减去前面几跳测得的斜率，再驳倒数即可。 这个过程的缺点是会积累每一跳的测量误差。这样，可以预知在测量跳数 较多的路径时其准确度是有限的。而且，单包技

45、术还存在其他一些问题。其中， 背景流量对测量结果的影响可以说是最严重的问题。如果链路上的数据包由于背 景流量造成了延迟，则测得的延迟时间和背景流量的大小是成比例的( 背景流量 大，测得的延迟也大) 。 J a c o b s o n 提出了一个解决这个问题的办法，他假定背景流量只会使测得测 试包的延迟变长，如果我们能发很多个测试包，那么应该有数据包能以最短的时 间通过链路( 即不受背景流量的影响) 。这种包就被称为具有观测到的最短往返时 延( t h eS h o r t e s tO b s e r v e dR o u n dT r i pT i m e 简记为S O R T T ) ，D

46、 o w n e y 在中对测进 行了讨论。在前面的线性回归中所用的值就是S O R 丌。 在测量较远的链路时，需要发很多包才能得到S O R T T ，而且，对于远离源结 点的链路来说，不只需要待测链路未受背景流量影响，还需要前面的每个链路都 第二章网络带宽测量技术概述 没受背景流量的影响。 单包技术虽然存在许多问题，但有些问题对最终测量结果的影响并不大，比 如往返路由不对称( A s y m m e t r i cr o u t i n g ) 的问题。往返路由不对称，前面也提过， 指的是到一个结点去和来的路径不同，这样，来往两个方向的延迟就不一样。不 管是主动测试还是被动测试，路由不对称

47、对这些测试方法都有影响。对于单包测 试技术，路出不对称所造成的影响甚微。原因在于，不管发出的探测包多大，发 回的I C M P 包的大小固定，假设路由不变，则对于所有的探测包，I C M P 包所用 的时间也固定。但是，我们无法区分是往返的那个方向上发生了拥塞，也就是说 在往返都不能发生拥塞，这就意味着观测到s O R T T 要发更多的探测包。 路由不对称还会影响前面提到的延迟估计：如果返回的路径不同则速度可能 不同，那么简单地用后一跳的延迟减去前一跳的延迟就不对了，会导致对这一跳 延迟的错误估计。 另一个会引起延迟估计出问题的是路由器生成I C M P 错误信息所花费的时 间。I C M

48、P 可以被用来对路由器进行拒绝服务攻击( D e n i a lo fS e r v i c ea t t a c k ) 。为 了降低这种风险，许多路由器都给生成I C M P 包设一个较低的优先级以免路由 器的C P U 过载。这样，观测到的延迟就包含了一个额外的时间。但是，只要路l 土 器处理所有的包所用时间一致，就不影响带宽估计。如果路由器处理不同大小的 包时f H ! 不同，则会影响带宽估计中的斜率计算，导致错误。 综合上述因素，这个过程的缺点是会积累每一跳的测量误差，在测量跳步数 较多的通路时其精度较低，而且背景流量刑测量结果会造成，重的影响，单包技 术玎i 适宜测量跳数较多的路径

49、；同时为得到S O R T T 所要发的大量探测包也使得 该方法在较忙的网络中不适用。 单包技术的实现有几个不同的版本，最早由S t e v eB e l l o v i n t ”】提出和V a n J a c o b s o n 实现P a t h c h a r I “1 ，还有两个独立的版本，分剐是C l i n k t ”1 和P c h a r 哺】。这 几个工具在得到S O R T T 上所用的算法差别不大，其基本算法描述是相同的。C l i n k 在数据处理过程中采用了奇偶技术( E v e n o d dt e c h n i q u e ) 来估计计算带宽的R T T 值，并且当C l i n k 遇到路由不稳定时，会收集所有遇到的路径的信息，直到其中 一条路径的信息可以算出带宽。而P c h a r 则既可在I P v 4 的网络使用，也可在I P v 6 中使用。 2 3 2 包对技术 与单包技术不同，包对技术测试的是路径的带宽，而不是链路的带宽。在1 9 9 3 年，B o l o t 就采用这种技术估计从法国到美国的路径带爿“ 】。他可以比较准确地 测出跨