摘 要：闡述了端到端的網(wǎng)絡(luò)的主要性能參數(shù)指標(biāo)時(shí)延、丟包、帶寬等。影響服務(wù)質(zhì)量的各種因素中網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是主要的原因之一，本文就時(shí)延的產(chǎn)生及時(shí)鐘不同步對(duì)時(shí)延的影響進(jìn)行深入的探討。

關(guān)鍵詞：時(shí)延；時(shí)鐘同步；帶寬；報(bào)文

隨著Internet的普及與發(fā)展其結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，但為了測(cè)量和管理網(wǎng)絡(luò)，必須要測(cè)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的性能參數(shù)，如鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、丟包率及時(shí)延等，而時(shí)延是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，對(duì)于研究網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、推斷網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有很重要的意義。時(shí)延的精確測(cè)量是長(zhǎng)期以來(lái)研究的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)。其主要原因是：第一是組成網(wǎng)絡(luò)的各網(wǎng)站之間時(shí)間不同步；第二是攜帶經(jīng)過(guò)網(wǎng)站的時(shí)間信息的信息包不能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。如果能解決以上兩個(gè)問(wèn)題，那么根據(jù)接收到的信息包的就能精確確定信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲。

1 端到端網(wǎng)絡(luò)鏈路時(shí)延

時(shí)延是指數(shù)據(jù)（一個(gè)報(bào)文或分組）從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送端到目的端的傳輸時(shí)間，包括路由器時(shí)延（處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延和其它時(shí)延）、傳播時(shí)延、傳輸時(shí)延。傳輸、傳播和處理時(shí)延主要決定于硬件，屬于不變部分或確定部分；排隊(duì)時(shí)延是變化時(shí)延或隨機(jī)時(shí)延，是要測(cè)量的主要內(nèi)容。時(shí)延測(cè)量中定義L：數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，Ci：第i條鏈路的帶寬，di：第i條鏈路的物理長(zhǎng)度，Vi：第i條鏈路的傳播速率，pi：數(shù)據(jù)包在第i個(gè)路由器上的處理時(shí)延，qi：數(shù)據(jù)包在第i個(gè)路由器上的排隊(duì)時(shí)延，T表示時(shí)延。

用公式表示為：

2 端到端網(wǎng)絡(luò)鏈路時(shí)延測(cè)量

2.1 端到端網(wǎng)絡(luò)鏈路時(shí)延測(cè)量的方法

網(wǎng)絡(luò)鏈路時(shí)延的測(cè)量根據(jù)測(cè)量方式的不同有主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量?jī)煞N，主動(dòng)測(cè)量是引入探測(cè)包測(cè)量網(wǎng)絡(luò)狀況，如網(wǎng) 絡(luò) 拓?fù)洹鼇G失率、延遲、接入帶寬、TTL等。但它不能提供特定節(jié)點(diǎn)的信息，并且加重了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。被動(dòng)測(cè)量是通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)段上借助包捕獲器捕獲數(shù)據(jù)的方式記錄網(wǎng)絡(luò)流量信息（如流數(shù)、包數(shù)、字節(jié)數(shù)、協(xié)議等）并對(duì)流量進(jìn)行分析，被動(dòng)地獲知網(wǎng)絡(luò)行為狀況，但測(cè)量的范圍比較小，難以獲得對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體理解和網(wǎng)絡(luò)端到端行為的理解。因此當(dāng)前性能測(cè)量趨向于采用主動(dòng)與被動(dòng)測(cè)量相結(jié)合的方法。

時(shí)延測(cè)量有單向時(shí)延測(cè)量和往返時(shí)延測(cè)量，目前時(shí)延的測(cè)量都是假設(shè)時(shí)鐘同步的情況下測(cè)量計(jì)算的，但實(shí)際各個(gè)主機(jī)間的時(shí)鐘是不同步的，并且一天之內(nèi)微機(jī)還有幾秒鐘的時(shí)間漂 移，測(cè)量得到的時(shí)延是有誤差的。

2.2 時(shí)鐘不同步對(duì)時(shí)延的影響

端到端往返時(shí)延的測(cè)量一般有：基于ICMP協(xié)議的測(cè)量、基于UDP的測(cè)量和基于TCP的測(cè)量。由于往返時(shí)延是利用發(fā)送主機(jī)與目標(biāo)主機(jī)的時(shí)間差計(jì)算得來(lái)的，因此時(shí)鐘是否同步對(duì)其結(jié)果影響不大。但是在實(shí)際的應(yīng)用中由于路由設(shè)備基于QoS的考慮，ICMP數(shù)據(jù)包比一般TCP/UDP數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)低，因此有更大的排隊(duì)時(shí)延使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)于對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精確度要求高的網(wǎng)絡(luò)不能滿足。另外，基于UDP的測(cè)量和基于TCP的測(cè)量還需要有目的主機(jī)的參與或配合。

單向時(shí)延的測(cè)量依賴(lài)于源主機(jī)和目的主機(jī)的時(shí)鐘同步，而NTP協(xié)議的精度無(wú)法達(dá)到要求。目前大都依賴(lài)外部進(jìn)行時(shí)鐘同步，如GPS等，精度高，成本大；或利用一定的算法進(jìn)行本地時(shí)鐘誤差消除，如多次測(cè)量，基于最優(yōu)化理論確定下延直線等，成本低，但精度低。

Sue B.Moon提出的時(shí)鐘同步的方法是目前常用的方法，它消除了源主機(jī)和目的主機(jī)之間時(shí)鐘的頻率差，但是沒(méi)有解決收發(fā)時(shí)鐘的頻率差和初始相位差引起的時(shí)間偏移的問(wèn)題。對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用對(duì)反向鏈路的測(cè)量，可以解 決收發(fā)時(shí)鐘的頻率差和初始相位差引起的時(shí)間偏移的問(wèn)題，提高端到端時(shí)延測(cè)量的精度。

設(shè)源主機(jī)的時(shí)鐘初始相位為t0s（此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為S0），頻率為λs，連續(xù)發(fā)送n個(gè)數(shù)據(jù)包依次是S1，S2，…Sn。發(fā)送時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為ts，源主機(jī)的時(shí)鐘函數(shù)Ts（ts）為：

設(shè)目的主機(jī)時(shí)鐘的初始相位為t0ι（此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為Sι），頻率為λι，在ι1，ι2，…ιn時(shí)間接受接收時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為tι，目的主機(jī)的時(shí)鐘函數(shù)TL（tι）為：

用dt表示時(shí)延，則真實(shí)時(shí)延為dt=tι-ts，測(cè)量時(shí)延為：

假設(shè)以源主機(jī)的時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)，初始相位和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為0，則可得到收發(fā)時(shí)鐘的偏差，然后互換測(cè)量角色測(cè)量反向時(shí)延，以源主機(jī)的時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)假設(shè)被測(cè)的往返鏈路的傳播和處理時(shí)延和是相等的則可估算出源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)的頻差。但實(shí)際往返鏈路是不對(duì)稱(chēng)的，因此傳播和處理時(shí)延的和不相等，并且網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境即背景流量也是時(shí)時(shí)變化的，因此測(cè)量的結(jié)果有誤差。

要滿足信息時(shí)代各行業(yè)對(duì)于“高時(shí)間約束”時(shí)間用戶(hù)的需求，解決好網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的服務(wù)精度問(wèn)題，主要是要解決好信息的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲的消除的問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]提出了信息包對(duì)網(wǎng)站信息攜帶可采用兩種方法：（1）修改通信協(xié)議，在通信協(xié)議中設(shè)置時(shí)間字以記錄數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)的主機(jī)的時(shí)間信息，從而得到精確的時(shí)間延遲；（2）增加路由輔助設(shè)備，給路由器增加定時(shí)的輔助設(shè)備， 記錄數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)路由器端口的時(shí)間，并將該時(shí)間打包隨信息包一起發(fā)往目標(biāo)主機(jī)，則目標(biāo)主機(jī)就獲得了精確的時(shí)間信息。

修改通信協(xié)議避免了要求計(jì)算機(jī)時(shí)間同步帶來(lái)的工作上的麻煩。而且這種方法是對(duì)現(xiàn)有通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)帶全局性的革新改造的方法，技術(shù)上沒(méi)有多大難度，且其成本也并不高。在路由器端口采集時(shí)間，應(yīng)該說(shuō)這是一個(gè)成熟的電子技術(shù)，只不過(guò)沒(méi)有把它應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)授時(shí)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中。

3 結(jié)論

端到端網(wǎng)絡(luò)鏈路時(shí)延的測(cè)量對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的估算和評(píng)價(jià)是可行的，它對(duì)時(shí)延精度的要求不是很高，但是對(duì)于“高時(shí)間約束”的用戶(hù)其誤差還是存在的，要滿足他們的要求還是不夠的，需要對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行革新，達(dá)到高精度的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。

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