向程超，雒江濤，羅 鵬

(重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

當(dāng)前，移動網(wǎng)的部署已經(jīng)愈發(fā)廣泛，并提供了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢的Internet接入服務(wù)。雖然Internet在固網(wǎng)中表現(xiàn)得還算穩(wěn)定，但是在無線移動通信網(wǎng)絡(luò)中，由于受制于無線環(huán)境的差異性和無線鏈路質(zhì)量的不穩(wěn)定性，Internet協(xié)議簇中使用的傳輸控制協(xié)議(TCP)的傳輸性能受到一定程度的影響，工作效率不高，從而導(dǎo)致了移動數(shù)據(jù)的丟包、傳輸速率緩慢等一系列問題。

與此同時，移動互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的比重越來越高，導(dǎo)致人們對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的要求也逐步上升。用戶在使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上網(wǎng)時，網(wǎng)頁的響應(yīng)速度，文字、圖片等重要信息的顯示質(zhì)量以及視頻流的播放效果都是評估互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)質(zhì)量的重要因素，同樣作為傳輸層的TCP傳輸性能的優(yōu)劣與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的質(zhì)量優(yōu)劣也緊密相關(guān)。因此對移動互聯(lián)網(wǎng)中的TCP性能監(jiān)測和分析，能為優(yōu)化改善TCP的傳輸效率提供有力的依據(jù)和改進(jìn)方向，并且能幫助運(yùn)營商在解決用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相關(guān)問題時，快速定位問題原因，有助于改善移動端的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，提升數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)。但對于具體的TCP性能評估方法［1-6］，以往的TCP性能評估導(dǎo)向主要集中于整體評估，不足以體現(xiàn)用戶使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，而且容易造成統(tǒng)計指標(biāo)的不準(zhǔn)確，比如速率過于平均導(dǎo)致TCP實(shí)際傳輸速率高于計算指標(biāo)值。

本文結(jié)合TCP協(xié)議的傳輸特性，提出了一系列重要的TCP性能指標(biāo)的監(jiān)測統(tǒng)計細(xì)化評估方法，致力于縮小統(tǒng)計的時間粒度，盡可能準(zhǔn)確地展現(xiàn)移動用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的使用特征。除此之外，本文還基于CDMA2000-EVDO中的數(shù)據(jù)傳輸流程，提出了應(yīng)用于1x-EVDO數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的TCP性能監(jiān)測方案。

1 整體化TCP性能評估方法

1.1 傳統(tǒng)評估方法

對待激增的移動互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如何對其業(yè)務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評估引發(fā)了一系列的研究，對于TCP性能的評估指標(biāo)，主要集中在延遲、流量大小、瞬時速率等方面。

在《TCP業(yè)務(wù)質(zhì)量評估方法》［4］一文中，扼要地提出了一種相對綜合的整體化研究方法，相應(yīng)的TCP業(yè)務(wù)質(zhì)量參數(shù)主要包括TCP平均帶寬、TCP平均時延、TCP時延抖動等，而且針對不同的TCP承載業(yè)務(wù)，該文方法還提出了不同的評估標(biāo)準(zhǔn)。針對TCP的具體傳輸性能，該類傳統(tǒng)方法主要統(tǒng)計了某個時間段內(nèi)的總體流量，并評估了TCP性能的平均性能和趨勢。文獻(xiàn)［5］中提出了一種IPv6下的TCP性能評估方法，該方法評估的重點(diǎn)放在業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量之上，通過TCP消息中的序列號和確認(rèn)號字段來分析單位時間內(nèi)的TCP傳輸質(zhì)量。文獻(xiàn)［6］中，作者通過對不同環(huán)境中結(jié)合TCP的實(shí)際吞吐量、丟包率和上下行流量比例對不同來評估網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。

1.2 傳統(tǒng)的整體評估方法的優(yōu)缺點(diǎn)

整體評估帶來的最大好處就是節(jié)約評估服務(wù)器的運(yùn)算資源，集中對所有的TCP連接進(jìn)行集中處理和統(tǒng)計，也在一定程度上提高了對超大流量數(shù)據(jù)的處理效率。但是對于這類評估方法，并不能完全體現(xiàn)用戶的業(yè)務(wù)使用特點(diǎn)，因此本文旨在研究如何設(shè)計一種精確評估TCP性能，并能夠體現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用特征的評估方法。其精細(xì)化的特點(diǎn)主要集中在針對每個用戶甚至每個TCP連接的使用特征進(jìn)行實(shí)時的流量和速率統(tǒng)計，以獲得更為精準(zhǔn)的用戶使用特征，方便運(yùn)營商智能控制，節(jié)約無線資源。

2 精細(xì)化TCP性能評估方法

2.1 TCP性能評估指標(biāo)設(shè)計

為了統(tǒng)計分類，將TCP性能統(tǒng)計分為以下3個階段［7］:TCP連接建立階段，TCP數(shù)據(jù)傳輸階段和TCP連接釋放階段。在指標(biāo)的計算過程中，涉及了相關(guān)的哈希表索引算法［8］，以匹配不同TCP連接的建立釋放消息以及分片數(shù)據(jù)，其中哈希表的索引Key值由TCP連接中的源目的IP和源目的端口唯一確定。

指標(biāo)計算過程，建立在對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集并解碼之后進(jìn)行統(tǒng)計，TCP的實(shí)時性能統(tǒng)計可以依據(jù)哈希表中記錄的TCP數(shù)據(jù)。其相應(yīng)的匹配結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了保證評估指標(biāo)精細(xì)化分析的準(zhǔn)確性，用來存儲TCP連接消息的HASH表數(shù)據(jù)采用快照功能，按特定最小時間粒度(5 s)輸出統(tǒng)計結(jié)果。

圖1 TCP連接在哈希表中的存儲模式

2.2 精細(xì)化評估方法

2.2.1 TCP 建立階段

TCP是面向連接的協(xié)議，在開始傳輸數(shù)據(jù)前，應(yīng)當(dāng)首先在通信雙方之間建立連接，此過程要先傳送3個只有TCP報文頭部組成的數(shù)據(jù)包來建立連接，該過程被稱為“三次握手”［7］。在TCP建立連接過程有以下幾個比較重要的指標(biāo):CR代表TCP連接請求數(shù)目;CA代表TCP成功連接數(shù)目;T1代表TCP建立連接時延;Rcon代表TCP連接成功率。這些指標(biāo)的具體統(tǒng)計步驟的偽代碼如下:

該建立連接過程中，第一次握手之后會依次收到服務(wù)端的同步請求數(shù)據(jù)包即SYN+ACK握手包，客戶端收到同步包之后才是ACK包及第三次握手包。偽代碼中的TcpInfo中主要包括了TCP連接過程中的各項(xiàng)重要字段值以及到達(dá)時間、請求統(tǒng)計等。在STEP 4過程，若當(dāng)前的ACK消息的序列號與確認(rèn)號能與哈希表中的記錄匹配上，即滿足A1=S1+1和 S2=A1，則可視為完成了一次TCP 連接［7］。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸階段

由于TCP之上的應(yīng)用層協(xié)議眾多，數(shù)據(jù)量巨大，通過可靠的TCP來傳輸時，通信雙方需要協(xié)商(或者說通告)最大的報文段長度，如此造成TCP傳輸過程中出現(xiàn)大量的分片數(shù)據(jù)，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性與完整性，TCP層通過序列號和確認(rèn)序號來確認(rèn)數(shù)據(jù)包是否連續(xù)到達(dá)。除此之外，TCP/IP中使用窗口流控制［7］來提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。該機(jī)制允許一次傳送多個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的多少按照雙方約定的緩沖區(qū)來確定。

在傳輸過程中，由于無線鏈路復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，導(dǎo)致TCP傳輸過程時常有丟包和亂序包來造成數(shù)據(jù)錯誤，同時大多數(shù)應(yīng)用通過TCP來傳輸?shù)牧髁亢退俾室彩沁\(yùn)營商所需要關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)。同時，為了更精準(zhǔn)地表現(xiàn)用戶的數(shù)據(jù)使用特征，在評估方法上采用更細(xì)化的統(tǒng)計方法，比如在統(tǒng)計速率的時候剔除用戶使用過程數(shù)據(jù)靜默時間，從而減少由于統(tǒng)計平均時間過長帶來的數(shù)據(jù)傳輸速率的誤差。此過程中，Rretr(TCP數(shù)據(jù)傳輸階段，下行數(shù)據(jù)包的重傳率)，PKT0(數(shù)據(jù)傳輸上行TCP總包數(shù))，PKT1(數(shù)據(jù)傳輸下行TCP總包數(shù))，PKTretr(數(shù)據(jù)傳輸重傳數(shù)據(jù)包總包數(shù))，R1(TCP數(shù)據(jù)包上下行發(fā)送的速率)是數(shù)據(jù)傳輸過程的重要指標(biāo)。其具體實(shí)現(xiàn)步驟偽代碼如下:

2.2.3 連接釋放階段

與TCP建立連接的過程相似，在釋放階段一般需要經(jīng)過4個步驟，稱之為釋放連接的“四次握手”［7］。由于TCP連接是全雙工模式的，在連接的兩個方向上都需要分別關(guān)閉，主要依靠兩個FIN+ACK和ACK包。在這個階段主要指標(biāo)是TCP的連接時長，其具體算法可以參照建立連接階段，先判斷標(biāo)志位再記錄TCP數(shù)據(jù)包的時間，進(jìn)行統(tǒng)計計算，具體過程在此不再贅述。

3 移動互聯(lián)網(wǎng)TCP性能精細(xì)評估方法的測試

3.1 TCP性能分析處理流程

實(shí)驗(yàn)針對EV-DO網(wǎng)絡(luò)中用戶面數(shù)據(jù)進(jìn)行，在EVDO系統(tǒng)中，PCF(分組控制功能)和PDSN(分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn))是主要負(fù)責(zé)處理用戶分組數(shù)據(jù)的網(wǎng)元，在該系統(tǒng)中的TCP性能監(jiān)測主要圍繞這兩個網(wǎng)元之間的R-P接口中A10，A11數(shù)據(jù)的采集和分析來展開。為實(shí)現(xiàn)TCP的性能分析，首先需要將相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集出來之后再加以分析處理。如圖2所示，利用信令數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以采集到PCF與PDSN之間R-P接口中的數(shù)據(jù)，其中包括了A11的信令數(shù)據(jù)以及A10的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)［9］，A11的信令數(shù)據(jù)可用作用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入流程的分析，在此不進(jìn)行贅述，而采集得到的A10的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)正是分析TCP性能的依據(jù)。

圖2 EV-DO測試平臺

利用采集獲得數(shù)據(jù)消息建立一套完整的EV-DO監(jiān)測系統(tǒng)對于電信運(yùn)營商規(guī)范和評估網(wǎng)絡(luò)性能有重大意義。該系統(tǒng)需要對分組的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和信令數(shù)據(jù)加以區(qū)分以進(jìn)行不同的分析，比如信令的數(shù)據(jù)可以用來追蹤用戶使用數(shù)據(jù)的流程，以定位網(wǎng)絡(luò)故障;而相應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則可以用作分析用戶的上網(wǎng)特征，以及本文中提及的TCP性能分析，其隸屬于業(yè)務(wù)過程連接質(zhì)量的分析。該質(zhì)量分析包括通過對TCP連接建立過程的成功率、重發(fā)率等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行查詢統(tǒng)計，快速定位問題，進(jìn)行深入優(yōu)化分析，從各維度統(tǒng)計分析的TCP連接建立的失敗事件，更重要的是對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中每個用戶的TCP連接流量進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計，以突出用戶的使用特征。

3.2 TCP性能分析處理流程

用戶業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)主要由A10業(yè)務(wù)通道進(jìn)行傳輸，但是在傳遞業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之前需要經(jīng)過PPP協(xié)商過程建立PPP連接。包括建立數(shù)據(jù)在內(nèi)，A10接口的所有數(shù)據(jù)由GRE層進(jìn)行承載，在解碼過程中，提取GRE層的關(guān)鍵字段GREKEY作為識別每個不同的PPP連接的關(guān)鍵字段，而且在現(xiàn)網(wǎng)架設(shè)中，一般都是多個PCF接入到同一個PDSN中，因此還需要 PDSN和 PCF的 IP結(jié)合GREKEY一起，唯一標(biāo)識某個PPP連接，以此2個字段作為Key值建立存儲全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的全局哈希表，其中包括每個PCF運(yùn)行時間內(nèi)的上下行總字節(jié)數(shù)，相關(guān)流程如圖3所示。

圖3 TCP性能分析流程圖

除此之外，還需要為TCP性能分析單獨(dú)建立一張哈希表，其索引Key包括PPP上層的IP源、目的地址，TCP源、目的端口。這張哈希表主要記錄了用戶使用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)過程中每條TCP連接的具體信息，哈希表的存儲結(jié)構(gòu)在前面的章節(jié)已經(jīng)介紹過。

相應(yīng)的TCP流數(shù)據(jù)經(jīng)過多層解碼器的解封裝之后，其提取出的有效TCP數(shù)據(jù)流會被送入到專門的性能分析處理模塊HandleTcp中，根據(jù)多條TCP流數(shù)據(jù)完善哈希表中各個字段的數(shù)據(jù)，該條TCP釋放之后即可在相應(yīng)的出表文件中生成一條TCP記錄。

3.2 系統(tǒng)測試模擬運(yùn)行結(jié)果分析

在系統(tǒng)模擬運(yùn)行過程中，為測試算法的性能，借助計算機(jī)開設(shè)WiFi熱點(diǎn)，并用智能手機(jī)連接，模擬用戶手機(jī)上網(wǎng)的過程，并加以抓包分析TCP性能方面的各項(xiàng)指標(biāo)，具體分析結(jié)果如表1所示。

表1 TCP連接信息

如表1所示，該過程是利用手機(jī)登錄某下載網(wǎng)站，選擇了一款軟件進(jìn)行下載的過程，其時間連接信息如表2所示。為了模擬不穩(wěn)定的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，測試通過遠(yuǎn)離WiFi熱點(diǎn)造成網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，出現(xiàn)了一部分重傳包，其統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表2 TCP連接時間相關(guān)統(tǒng)計

表3 重傳包相關(guān)統(tǒng)計

上下行數(shù)據(jù)包傳送速率以及位速率的精細(xì)化統(tǒng)計尤為重要，本文中的算法以每個數(shù)據(jù)包的傳送時間為統(tǒng)計時間粒度，在提高系統(tǒng)消耗效率的基礎(chǔ)上，大大提高了定位用戶上網(wǎng)行為的能力。其統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，在16:51:07到16:52:47這段時間內(nèi)，源目的IP建立的這條TCP連接，實(shí)際的吞吐量大小與時間的變化可顯示出用戶的該條TCP連接中吞吐量是時高時低的，而且在一定時間內(nèi)該條連接將不存在流量的交互，這段時間即為前文中指出的用戶靜默時間，在根據(jù)流量計算速率的時候就不能記入統(tǒng)計內(nèi)。

圖4 精細(xì)化TCP流量統(tǒng)計

當(dāng)采用細(xì)化評估方法時，速率和流量的統(tǒng)計更為準(zhǔn)確，通過圖5可以直觀地觀察到。特別是當(dāng)用戶手機(jī)打開網(wǎng)頁后幾分鐘之內(nèi)不再瀏覽其他內(nèi)容，這段時間屬于用戶靜默時間，不存在流量的交互，而進(jìn)行整體化指標(biāo)計算之后，整個過程中的流量被平均計算，導(dǎo)致了TCP交互速率的不準(zhǔn)確?？梢娋?xì)化的TCP速率統(tǒng)計，加強(qiáng)TCP性能的監(jiān)控效率，能更準(zhǔn)確地定位用戶的上網(wǎng)行為。

圖5 TCP性能評估方法下行速率對比

4 小結(jié)

本文結(jié)合TCP的協(xié)議特征對TCP性能需求和細(xì)化統(tǒng)計指標(biāo)的計算進(jìn)行了深入的分析。伴隨著64位計算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，基于其豐富的內(nèi)存資源，以上在EV-DO系統(tǒng)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，提出了一種通過在內(nèi)存中建立多張哈希表進(jìn)行相應(yīng)TCP性能分析的方案。該方案合理地利用了內(nèi)存資源，提高了性能分析的效率，并借助TCP性能的精細(xì)化評估方法，以達(dá)到監(jiān)測用戶具體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)時精準(zhǔn)地統(tǒng)計，為快速定位網(wǎng)絡(luò)故障，評估用戶上網(wǎng)行為的優(yōu)劣質(zhì)量提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)保障。當(dāng)前的工作僅限于對少量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，只有提高分析處理的效率以及優(yōu)化內(nèi)存的消耗才能保證該系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)中穩(wěn)定地使用。針對目前的流量分析，還可以對流量分析統(tǒng)計進(jìn)一步細(xì)化，統(tǒng)計不同用戶針對不同網(wǎng)站的流量分布，該分析能夠更準(zhǔn)確地分析用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用特征。

［1］劉玉軍，劉曉兵，房愛忠，等.網(wǎng)絡(luò)性能評估系統(tǒng)研究［J］.計算機(jī)測量與控制，2007，15(5):692-694.

［2］徐昌彪，張坤，鮮永菊，等.認(rèn)知無線電環(huán)境下TCP性能研究［J］.電視技術(shù)，2011，35(19):67-71.

［3］王煥，姚遠(yuǎn)程，張瑩.不同背景流量下TCP吞吐量的主動測量及分析［J］.計算機(jī)工程，2007，33(7):92-93.

［4］張軼博，許豫飛，雷振明.TCP業(yè)務(wù)質(zhì)量評估方法研究［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2004(18):8-9.

［5］IGOR K，YOUNG-TAK K，Performance evaluation and improvement of TCP Throughput over PFMIPv6 with MIH［C］//Proc.6th IFIP/IEEE International Workshop on Broadband Convergence Networks.［S.l.］:IEEE Press，2011:997-1004.

［6］KONSTANTINOS T，GEROGE S.Comparative performance evaluation of TCP variants in WiMAX(and WLANs)network configurations［J］.Computer Networks and Communications，2012(1):1-8.

［7］RICHARD S W.TCP/IP詳解卷1:協(xié)議［M］.范建華，胥光輝，張濤，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［8］汪世龍，雒江濤.基于哈希的IP會話分時段統(tǒng)計方法［J］.數(shù)字通信，2009(1):72-75.

［9］3GPP2.A.S0017-B，Interoperability specification(IOS)for CDMA2000 access network interfaces-part 7(A10 and A11 Interfaces)［S］.2012.