王昕，楊克光，劉雅麗

有線寬帶接入質(zhì)量指標探討

王昕，楊克光，劉雅麗

（云南師范大學(xué)文理學(xué)院信息工程學(xué)院，昆明 650222）

有線寬帶接入是目前電信運營商主要的業(yè)務(wù)收入來源，而有線寬帶接入質(zhì)量的測量目前主要通過點對點的測試平臺進行，也只有下載速率這么一個指標。通過對TCP/IP協(xié)議涉及到的一些網(wǎng)絡(luò)指標進行統(tǒng)計與分析有助于測量寬帶接入質(zhì)量。

寬帶；接入網(wǎng)；TCP/IP；WinShark

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類的增多，互聯(lián)網(wǎng)上流動的數(shù)據(jù)逐漸從非實時性的字符類數(shù)據(jù)演進成為具有實時性的圖片乃至視頻數(shù)據(jù)，對互聯(lián)網(wǎng)接入質(zhì)量的要求越來越高。寬帶接入水平已成為衡量國家綜合實力的重要標志之一。在實際的網(wǎng)絡(luò)維護當中，寬帶接入質(zhì)量卻難以用速率這個單一指標來衡量，如何進行常態(tài)下寬帶接入質(zhì)量的測量，成為了用戶和運營商雙方關(guān)注的焦點。接下來本文將就接入質(zhì)量的測量思路和方法進行探討。

1 寬帶接入測試簡介

寬帶網(wǎng)絡(luò)主要分為接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)幾個層面，如圖1所示：從圖中可以看出從寬帶網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以看到，用戶在訪問網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時，可能跨越網(wǎng)絡(luò)的多個部分。用戶所認為的寬帶速率，其實包含了寬帶接入速率和端到端體驗速率兩個概念。

寬帶接入速率是指從用戶終端到BRAS（Broad?band Remote Access Server，寬帶遠程接入服務(wù)器）設(shè)備之間的接入網(wǎng)部分用戶所能達到的傳輸速率，即為用戶與寬帶運營商簽約時所指的接入速率，這一部分的速率由寬帶運營商的全程管控；而端到端體驗速率是指用戶在使用寬帶應(yīng)用時，從用戶終端到所訪問應(yīng)用的服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，這一部分速率涉及到寬帶運營商的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)站、CDN服務(wù)器等，并不由運營商全程管控。因此在討論接入速率的測試時，有必要對這兩者進行區(qū)別對待。

圖1 寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 常用測試方法

在固定寬帶接入測試方法技術(shù)標準[1]中，要求采用的基準測試方法是在BRAS處接入測試平臺，如圖2所示。并提供了客戶端測速、普通網(wǎng)頁測速和控件網(wǎng)頁測速三種模型。由用戶通過瀏覽器打開測速頁面或使用測速客戶端軟件主動發(fā)起請求，通過HTTP從接入速率測試平臺進行文件下載，并根據(jù)發(fā)送的文件大中v為接入速率，單位為Byte/s，L為文件長度，單位為Byte，T為下載時長，單位為s。

圖2 寬帶接入速率測試示意圖

在用戶上網(wǎng)體驗測試方法技術(shù)標準[2]中，將用戶上網(wǎng)體驗分為上網(wǎng)瀏覽業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)下載業(yè)務(wù)三種模型。上網(wǎng)瀏覽業(yè)務(wù)測試指標為首屏響應(yīng)時間、首頁響應(yīng)時間、首頁下載速率；網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)測試指標為視頻平均下載速率、停頓率、緩沖時間占比；網(wǎng)絡(luò)下載業(yè)務(wù)測試指標為峰值下載速率、可用下載速率。技術(shù)標準中針對首屏響應(yīng)時間、首頁響應(yīng)時間、首頁下載速率所提出的測試方法均為在網(wǎng)站頁面中嵌入標志代碼，根據(jù)下載標志代碼之間的元素的花費的時間可得到首屏響應(yīng)時間和首頁響應(yīng)時間，再通過類似于公式①的方法計算出首頁下載速率。

這些方法比較直觀、簡單，不需要太復(fù)雜的設(shè)備即可完成，但上述測試是基于測試平臺的端到端測試，測試結(jié)果與測試平臺的工作狀況有很大關(guān)系，與用戶實際使用寬帶時的業(yè)務(wù)環(huán)境有較大區(qū)別。

3 測試新思路

鑒于上述測試方法的不完善，本文提出一種針對固定寬帶接入的測試新思路，希望能在一定程度上與現(xiàn)有方法實現(xiàn)互補。

考慮到目前電信網(wǎng)絡(luò)基本完成向IP化的轉(zhuǎn)變，本文的出發(fā)點是基于IP協(xié)議的接入網(wǎng)概念。ITU-T的技術(shù)標準Y.1231[3]所定義的接入網(wǎng)指的是位于IP核心網(wǎng)和用戶駐地網(wǎng)之間的部分，即圖3所示的“IP Access Network”部分。TCP/IP協(xié)議族目前已經(jīng)是互聯(lián)網(wǎng)事實上的技術(shù)標準，因此可以采用該協(xié)議族中的一些指標來對接入質(zhì)量進行衡量。

圖3 通用IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮到TCP/UDP指標中的報文數(shù)量、報文長度、窗口大小、重發(fā)次數(shù)與接入速率有較強的相關(guān)性，故采用上述指標構(gòu)建數(shù)學(xué)模型衡量接入質(zhì)量，上述指標的采集點位于圖2中的BRAS處，其目的有二：一是保證數(shù)據(jù)的真實，避免路由器的處理時延對測量結(jié)果造成影響；二是便于對同一BRAS下的多個用戶數(shù)據(jù)進行比對，為診斷故障點提供依據(jù)；后者對生產(chǎn)實踐有一定的指導(dǎo)意義。

實驗方案如下：通過與電信運營商的合作，在現(xiàn)網(wǎng)的三個BRAS處安裝探針，并設(shè)置抓包服務(wù)器，抓包服務(wù)器上安裝WinShark2.1.1.0，用于抓取現(xiàn)網(wǎng)用戶的原始TCP報文。因為是抓取的現(xiàn)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)，可以保證數(shù)據(jù)的隨機性。同時在這些BRAS下配置一些線路質(zhì)量較差的接入測試點，通過對比使用不同質(zhì)量線路的終端之間的測試數(shù)據(jù)得到并分析指標差異來得到結(jié)論。定義報文數(shù)據(jù)四元組（源地址、目的地址、源端口、目的端口），以每一用戶的IP地址為單位統(tǒng)計測試時間內(nèi)的報文數(shù)量、報文長度、窗口大小、重發(fā)次數(shù)、連接數(shù)。抓包持續(xù)時間長度48小時。定義如下指標：

TCP報文重發(fā)包數(shù)TCPR：統(tǒng)計時間內(nèi)每小時重發(fā)的包數(shù)。

每秒的TCP包數(shù)據(jù)量則由每秒鐘TCP包總數(shù)(個)*TCPL（Byte）得到。

每秒的TCP包數(shù)據(jù)量則由每秒鐘TCP包總數(shù)(個)*TCPL（Byte）得到。

此測試共進行兩次各48小時，一次為工作日周一08：00 至周三 07：59，一次為周五晚 19：00 至周日晚18：59。為的是盡量減小平時與周末由于用戶使用習(xí)慣的不同而導(dǎo)致的測試數(shù)據(jù)差異。

通過對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到如表1、表2。

通過觀察測試數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在線路質(zhì)量不佳的情況下單位時間內(nèi)的TCP包總數(shù)大大下降，單位時間內(nèi)重發(fā)的TCP包數(shù)則基本不變，因此單位時間內(nèi)重發(fā)的TCP包數(shù)占總TCP包數(shù)的比例大大上升。進一步分析TCP包的傳輸機制，可知道在通信質(zhì)量下降的情況下，TCP是通過減小窗口大小的方式來降低誤碼率的，這一點從對窗口大小的數(shù)據(jù)采集可以得到印證。正因為線路質(zhì)量不佳時窗口減小，從而導(dǎo)致了單位時間內(nèi)所傳輸?shù)腡CP包數(shù)大大下降。

綜上所述，單位時間內(nèi)的TCP包數(shù)和窗口大小可作為衡量其寬帶業(yè)務(wù)繁忙程度和接入質(zhì)量的指標。考慮到每一用戶使用互聯(lián)網(wǎng)的習(xí)慣基本固定，因此可在日常維護中，對每個用戶進行連續(xù)一周的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采集其接入到BRAS的網(wǎng)絡(luò)指標（單位時間的TCP包數(shù)、TCP報文平均長度、TCP報文窗口平均大小、TCP報文重發(fā)包數(shù)TCPR，以單位時間的TCP包數(shù)和窗口大小為主，其他指標為輔），建立起每個端局、每個BRAS端口以至每個用戶在各個時間段的指標“標準值”數(shù)據(jù)庫，當發(fā)生用戶投訴的時候，通過對同一端局下不同BRAS間，或同一BRAS下不同用戶間，或同一用戶不同時間段的數(shù)據(jù)進行比對，從而盡快定位可能發(fā)生故障的區(qū)段，進行有針對性的維修。

4 改進

該測試方法通過對大量單個TCP報文的指標進行分析，得出了一些指標與接入質(zhì)量之間的關(guān)系，通過對不同用戶同一時段或相同用戶不同時段的指標進行比較，可以在一定程度上對接入質(zhì)量是否達到承諾做出判斷，也可以對接入質(zhì)量達不到要求的原因提供分析依據(jù)。該方法通過用戶選取隨機化，并統(tǒng)計了大量的主機數(shù)據(jù)，用平均值計算來減小用戶上網(wǎng)習(xí)慣對測試結(jié)果的影響，構(gòu)建的實驗環(huán)境與大部分有線寬帶接入場景一致，因此得到的測試數(shù)據(jù)具有較大的參考價值。另外，本文所涉及的數(shù)據(jù)統(tǒng)計是基于用戶的，而進行更細粒度的統(tǒng)計，可以得到基于業(yè)務(wù)的指標模型，從而為實現(xiàn)更深層次的網(wǎng)絡(luò)管理提供更多的決策依據(jù)。但該測試方法也有一定局限性：

（1）因為是現(xiàn)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，所以沒有辦法使被測試對象（包括終端、線路、交換設(shè)備等）處于滿負荷狀態(tài)，故極限狀態(tài)的指標難以采集?？梢钥紤]用測試終端替代部分現(xiàn)網(wǎng)用戶提供測試數(shù)據(jù)，但其業(yè)務(wù)的隨機性又容易被破壞，而且測試終端的數(shù)量要求也比較龐大；

（2）目前互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)流中，TCP流只占約30%，大量的是UDP流[4]，而UDP與TCP的通信機制有很大不同，因此基于TCP報文采集得到的結(jié)論是否能夠用于UDP，還需要進一步探討。

表1 周一08：00-周二07：59網(wǎng)絡(luò)指標統(tǒng)計

表2 周五19：00-周六18：59網(wǎng)絡(luò)指標統(tǒng)計

5 結(jié)語

本文通過研究有線寬帶接入網(wǎng)中常見的幾個指標，指出了一種判斷有線寬帶接入質(zhì)量是否正常的思路，為運營商和用戶快速定位寬帶接入質(zhì)量瓶頸提供了一個判斷方法，能夠部分解決寬帶接入中故障定位困難、責(zé)任劃分不清的問題，也能為運營商進行設(shè)備的擴容升級提供一定的借鑒。

[1]中華人民共和國通信行業(yè)標準YDB 2400-2012.寬帶速率測試方法-固定寬帶接入[S].北京：工業(yè)與信息化部，2012.11.

[2]中華人民共和國通信行業(yè)標準YDB 118-2012.寬帶速率測試方法-用戶上網(wǎng)體驗[S].北京：工業(yè)與信息化部，2012.11.

[3]ITU-T Recommendation Y.1231.IP Access Network Architecture[S].Telecommunication Standardization Sector of ITU-T,2000.11.

[4]張藝瀕，張志斌，趙詠，郭莉.TCP與UDP網(wǎng)絡(luò)流量對比分析研究[A].成都：計算機應(yīng)用研究，2010.6

Discussion of the Quality about Wired-Broadband Access Index

WANG Xin，YANG Ke-guang，LIU Ya-li
（Institute of Information Engineering,College of Arts and Sciences,Yunnan Normal University，Kunming 650222）

Wired-Broadband business supplies much income to communications carriers.Now,access network tests based on special measurement platform mainly refers point to point download rate.There is another effective way to evaluate access quality that using statistics referring to TCP/IP of the access network.

Broadband;Access Network;TCP/IP;WinShark

云南省教育廳科學(xué)研究基金項目（No.2015Y523）

1007-1423（2017）24-0012-04 DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2017.24.003

王昕（1975-），男，云南昆明人，講師，碩士，研究方向為通信與信息系統(tǒng)

楊克光（1977-），男，云南鳳慶人，講師，碩士，研究方向為軟件工程

劉雅麗（1980-），女，河南許昌人，講師，碩士，研究方向為數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2017-05-11

2017-08-10