袁 振

摘要:應(yīng)用實時性的改善有賴于網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的測量與分配,因此動態(tài)、快速、準(zhǔn)確地測量端到端路徑可用帶寬對于網(wǎng)絡(luò)實時應(yīng)用的性能優(yōu)化具有重要的意義。本文介紹了網(wǎng)絡(luò)帶寬測量技術(shù),探討了常用的基于TCP可用帶寬測量算法。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)規(guī)模;可用帶寬;測量方法

1 引言

近年來網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大,網(wǎng)絡(luò)流量急劇增長,尤其是實時業(yè)務(wù)和多媒體應(yīng)用等新業(yè)務(wù)的不斷增加,例如遠(yuǎn)程教學(xué),視頻會議、視頻點播,視頻監(jiān)控等敏感的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,這些應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)傳輸提出了一組性能度量的要求,主要包括帶寬、延遲、丟包率等。然而,目前對網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)的研究明顯滯后于網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用的快速發(fā)展。研究網(wǎng)絡(luò)性能測量技術(shù)是了解網(wǎng)絡(luò)行為、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制、實施服務(wù)質(zhì)量保證、提高網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié),因此具有十分重要的意義。

2 網(wǎng)絡(luò)帶寬測量技術(shù)

2.1 帶寬測量技術(shù)分類

依據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn),可對帶寬測量技術(shù)進(jìn)行如下分類:按照是否向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部注入探測包,可分為主動測量和被動測量按測量過程是否需要節(jié)點路由器的協(xié)作,帶寬測量技術(shù)分為鏈路帶寬測量和端到端的路徑帶寬測量方式按照不同的測度,帶寬測量可分為鏈路帶寬、路徑帶寬即和鏈路可用帶寬測量技術(shù)。

主動測量和被動測量。主動測量通過發(fā)送測量包來獲取網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。主動測量可以獲得用戶感興趣的端到端的網(wǎng)絡(luò)狀況和網(wǎng)絡(luò)行為,具有靈活方便、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點。主動測量通過分析探測數(shù)據(jù)包和響應(yīng)數(shù)據(jù)包來獲取相應(yīng)的性能參數(shù)。主動測量結(jié)構(gòu)包括兩部分發(fā)送端的監(jiān)測設(shè)備和接收端的監(jiān)測設(shè)備。

被動測量使用接入網(wǎng)絡(luò)的探針來一記錄和統(tǒng)計鏈路上數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)特性。被動測量不必發(fā)送主動測量包,也不會占用網(wǎng)絡(luò)帶寬,對網(wǎng)絡(luò)影響較小,可以獲得更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

兩種測量方式都存在一定的缺陷。主動測量需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送大量的測量包,占用網(wǎng)絡(luò)資源影響網(wǎng)絡(luò)性能,進(jìn)而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。被動測量一般只能用于單點監(jiān)測,難以了解端到端的性能,難以獲取全局性能視圖,并且測量時需要多方協(xié)作,因此測量范圍受限,實現(xiàn)復(fù)雜度較高。同時,測量采集所需要的數(shù)據(jù)不能達(dá)到實時性。另外,被動測量需要捕獲和分析用戶數(shù)據(jù)包信息,可能會侵犯用戶隱私,影響網(wǎng)絡(luò)的安全。大多數(shù)帶寬測量技術(shù)采用主動測量方式。

端到端帶寬測量和鏈路帶寬測量。端到端帶寬測量是對源、目的節(jié)點兩端之間的網(wǎng)絡(luò)路徑的帶寬參數(shù)進(jìn)行測量,包括端到端的瓶頸帶寬測量和端到端的可用帶寬測量而鏈路帶寬測量主要是測量網(wǎng)絡(luò)路徑上各段鏈路的帶寬參數(shù),著重于測量鏈路的帶寬值。

鏈路帶寬測量、路徑帶寬測量和可用帶寬測量。鏈路帶寬測量是對某條鏈路的最大發(fā)送速率的測量路徑帶寬是最窄鏈路的物理帶寬可用帶寬表示在網(wǎng)絡(luò)路徑中有背景流量存在的情況下,網(wǎng)絡(luò)路徑還能給端到端之間提供的最大吞吐量?？捎脦捤请S鏈路狀態(tài)和已有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)動態(tài)變化的,反映了某時間段內(nèi)路徑發(fā)送數(shù)據(jù)的真正能力,在實際中更具有指導(dǎo)意義。

2.2 帶寬測量技術(shù)性能評價標(biāo)準(zhǔn)

測量持續(xù)時間。指完成一次待測路徑瓶頸帶寬測量或可用帶寬測量需要的時間。這個時間主要包括探測包發(fā)送和接收處理的時間以及數(shù)據(jù)后分析處理時間。流量工程、路由等一般要求快速測定路徑帶寬,測量持續(xù)時間越長,測量效率越低,測量負(fù)載對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用造成的影響就越大,而可用帶寬又是動態(tài)變化的,則可用帶寬測量值的實時性就越差。

測量指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)性能測量方法可以完成路徑瓶頸帶寬測量、路徑可用帶寬測量和其它相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)測量,測量指標(biāo)反映了測量方法的測量能力。

測量精度。體現(xiàn)了測量結(jié)果與實際情況之間的差異程度,定義為測量值與實際值之間的差值與實際值的百分比。

測量穩(wěn)定性。表示使用一種測量技術(shù)進(jìn)行多次測量時測量結(jié)果之間的分布情況,測量結(jié)果的統(tǒng)計方差越小,則測量越穩(wěn)定。測量精度與測量結(jié)果的穩(wěn)定性共同反映了測量技術(shù)的精確程度。測量負(fù)載。指完成一次帶寬測量需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)報字節(jié)數(shù),即測量需要的開銷。測量負(fù)載越低則測量過程對網(wǎng)絡(luò)運行的干擾性就越小,測量結(jié)果越真實。

2.3 基于TCP的測量算法

ImTCP算法。ImTCP不向網(wǎng)絡(luò)中注入額外的探測包,而是使用TCP連接階段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。改變現(xiàn)有的TCP Reno版本,增加了所提出的ImTCP算法。發(fā)送端調(diào)節(jié)傳輸數(shù)據(jù)包的間隔,然后利用ACK包到達(dá)間隔估測網(wǎng)絡(luò)路徑的可用帶寬。ImTCP能夠周期性的給出測量結(jié)果,算法會報告在每隔2-4個循環(huán)周期內(nèi)可用帶寬的估測值。

在每次測量中,使用一個搜索范圍去找到一個可用帶寬的值。搜索范圍I=(B1,Bu)是一個包括目前可用帶寬值的帶寬范圍。下面是ImTCP算法的步驟:

搜索范圍初始化。首先根據(jù)CProbe算法發(fā)送一個探測包串來找到一個粗糙的可用帶寬估計。設(shè)置搜索范圍(Acprobe/2. Acprobe ),其中Acprobe是Cprobe探測的結(jié)果。劃分搜索范圍。將搜索范圍到分成K個小范圍Ii=(Bi+1,Bi)(i=1,2-k),所有小范圍的寬度都是相同的。發(fā)送數(shù)據(jù)包串并檢查增加趨勢。選擇一個小范圍,根據(jù)所有流的增長趨勢,選擇一個其中包含可用帶寬準(zhǔn)確值得小范圍。

計算可用帶寬。

Past算法。Past算法是在傳統(tǒng)TCP慢啟動的基礎(chǔ)上嵌入了可用帶寬測量算法,是PTR算法的變種。Past算法在TCP慢啟動階段進(jìn)行帶寬測量,就如同UDP探測包串一樣,調(diào)整TCP數(shù)據(jù)包在慢啟動時間內(nèi)的發(fā)送間隔,根據(jù)PTR算法的原理,可以估測出路徑的可用帶寬,很迅速的識別出擁塞窗口的大小,提高了慢啟動的性能,減小了丟包率,提高了吞吐率。

Past是在考慮了應(yīng)用環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)特征的基礎(chǔ)上提出來的,其諸多特征都是根據(jù)應(yīng)用環(huán)境(TCP慢啟動)得出來的。

精度和開銷。TCP是一個自適應(yīng)的協(xié)議,啟動階段的目的是得到擁塞避免階段一個合理的起點。同時,希望能夠轉(zhuǎn)入擁塞避免階段更快一些,因此,低開銷是很重要的。根據(jù)這兩個需求,Past算法比PTR結(jié)束測量更快一

測量間隔:由于需要可用帶寬的信息來進(jìn)行擁塞控制,因此,需要一個很短時間內(nèi)的可用帶寬的平均值。因此,Past使用的數(shù)據(jù)包串長度為一個RTT內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)目。

雙端控制:TCP是一個雙端控制的協(xié)議,Past自動訪問目的端。然而,為了方便配置,PsSt算法在發(fā)送端基于ACKs的時間間隔信息來計算可用帶寬,實現(xiàn)時采用單端測量方法。提出Past算法的作者提出Past的目的就是為了說明測量可用帶寬的算法需要和實際的應(yīng)用環(huán)境緊密結(jié)合,應(yīng)用需求不同,采用帶寬測量算法也不同。

3 帶寬測量技術(shù)研究趨勢

無線、移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下帶寬測量。目前大部分帶寬測量技術(shù)都是面向有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的,但是無線、移動技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用己經(jīng)引起帶寬測量研究人員的注意。由于無線、移動環(huán)境面臨的是十分惡劣的無線信道,往往存在大的路徑損耗、嚴(yán)重的信號衰落以及大的多徑時延引起的干擾問題,很多在有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下得到的結(jié)論發(fā)現(xiàn)不再適用,故帶寬測量面臨更大的挑戰(zhàn),是當(dāng)前的一個熱點問題。

帶寬測量基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模部署。網(wǎng)絡(luò)測量基礎(chǔ)設(shè)施將成為部署下一代網(wǎng)絡(luò)必須考慮的因素,由于現(xiàn)有技術(shù)尚未在公網(wǎng)上得到廣泛應(yīng)用,故其有效性、安全性都還有待評估,因此深入研究帶寬測量技術(shù)的大規(guī)模部署方法將成為下一個研究重點。

利用帶寬測量支持網(wǎng)絡(luò)實時應(yīng)用。盡管帶寬測量研究得到了深入的研究,但是都沒有運用到實際應(yīng)用中去,還沒完全達(dá)到當(dāng)初研究帶寬測量最終的目標(biāo)。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,各種新的實時應(yīng)用不斷涌現(xiàn),將帶寬測量技術(shù)與實際應(yīng)用相結(jié)合的要求越來越迫切。因此,如何將帶寬測量技術(shù)有效的在實際中運用也是研究的熱點之一。

參考文獻(xiàn)

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