周紫陽 魏松杰

(南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 210094)

移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中被動(dòng)模式時(shí)延測(cè)量方法

周紫陽1魏松杰2

(南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 210094)

移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)在時(shí)延模型上有較大的差異?；谝苿?dòng)蜂窩通信的特點(diǎn)，提出一種針對(duì)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延被動(dòng)測(cè)量方法，依據(jù)通信鏈路中RRC(Radio Resource Control)的不同狀態(tài)，將網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分為空閑態(tài)時(shí)延和連接態(tài)時(shí)延。通過對(duì)骨干網(wǎng)測(cè)量點(diǎn)的流量分析，計(jì)算出RRC不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)往返時(shí)延并進(jìn)行有效性判定，據(jù)此對(duì)各個(gè)終端到測(cè)量點(diǎn)之間的空閑態(tài)時(shí)延和連接態(tài)時(shí)延分別進(jìn)行測(cè)量。與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，該方法對(duì)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延測(cè)量更加精確細(xì)致，過程對(duì)用戶無影響，更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法有較高的測(cè)量效率和準(zhǔn)確性。

移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò) RRC 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延 被動(dòng)測(cè)量 流量分析

0 引 言

時(shí)延作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，一直受到重視。隨著3G/4G的快速發(fā)展，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為越來越多人的選擇，而移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)開放的無線通信環(huán)境，大大制約了終端接入網(wǎng)絡(luò)在帶寬、時(shí)延等性能方面的提升。因此，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量和分析對(duì)運(yùn)營(yíng)商提高服務(wù)質(zhì)量，挖掘移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)潛力，有著重要的意義。目前網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量方法有很多，但研究對(duì)象局限于有線網(wǎng)絡(luò)，并沒有考慮移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，因此不能完全適用于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量中的時(shí)延測(cè)量。例如傳統(tǒng)的測(cè)量方法基于交換式以太網(wǎng)的鏈路模型，模型中傳輸鏈路是獨(dú)享的，傳輸時(shí)延收斂于一個(gè)值，并且服從特定分布模型。而在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，無線鏈路資源是共享的，通信鏈路有建立和釋放的過程，傳輸時(shí)延可能有多個(gè)收斂區(qū)間，不屬于單一的分布模型。移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)在時(shí)延模型上存在較大的差異,因此要對(duì)其提出針對(duì)性的時(shí)延測(cè)量方法。

本文分析了移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的特點(diǎn)，以及鏈路協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響，提出了一種針對(duì)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的被動(dòng)模式時(shí)延測(cè)量方法：首先依據(jù)通信鏈路中RRC處于不同狀態(tài)下時(shí)延構(gòu)成因素的不同，將移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分為空閑態(tài)時(shí)延和連接態(tài)時(shí)延；其次通過分析移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的流量數(shù)據(jù)，計(jì)算RRC處于不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸往返時(shí)延；最后篩選出有效時(shí)延采樣，完成對(duì)終端到測(cè)量點(diǎn)之間的時(shí)延測(cè)量。實(shí)驗(yàn)以ping主動(dòng)測(cè)量得到的時(shí)延作為對(duì)比基準(zhǔn)，提出的被動(dòng)模式測(cè)量方法能取得較高的測(cè)量效率和準(zhǔn)確性。

1 相關(guān)研究

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延被動(dòng)測(cè)量方法，主要采用分析TCP流量的方式實(shí)現(xiàn)，即依據(jù)TCP協(xié)議的特點(diǎn)，分析不同條件下數(shù)據(jù)報(bào)之間的觸發(fā)關(guān)系，據(jù)此選取特定的數(shù)據(jù)報(bào)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。SYN-ACK方法[1]依據(jù)TCP中的三次握手協(xié)議，通過定位握手報(bào)文，利用不同方向的SYN和ACK報(bào)文時(shí)間差來估計(jì)端到端的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。PRE算法[2]是在上傳或下載產(chǎn)生的塊流量中，計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)送輪次的間隔時(shí)間，以此表示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延。Karn提出的方法[3]是利用TCP有效載荷大于0的數(shù)據(jù)報(bào)和其觸發(fā)的ACK報(bào)文之間的時(shí)間間隔來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，并忽略重傳導(dǎo)致的可疑情形。Timestamp(TS)方法[4]通過觀測(cè)TCP數(shù)據(jù)流中可能出現(xiàn)的時(shí)間戳選項(xiàng)來計(jì)算數(shù)據(jù)往返時(shí)延。

網(wǎng)絡(luò)流量中時(shí)延的影響因素較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的研究方向以有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為主，將網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分為兩個(gè)部分[5]：鏈路傳輸所需的固定時(shí)延dfixed、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列引起的可變時(shí)延dvar。為過濾掉TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)差異、網(wǎng)絡(luò)擁塞等不確定性因素導(dǎo)致的無效時(shí)延樣本，擁塞窗口跟蹤方法[6](Running方法)維持一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)(FSM)來跟蹤TCP發(fā)送方的擁塞控制窗口(congestion window)，Gating方法[7]則是以每個(gè)終端的最小時(shí)延采樣值估計(jì)鏈路傳輸導(dǎo)致的固定時(shí)延，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)延的高斯分布模型，使用門限函數(shù)判斷時(shí)延采樣的有效性。

上述理論和方法均未考慮移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特殊性，不能完全適用于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量的時(shí)延測(cè)量。首先，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同于有線網(wǎng)絡(luò)，其通信鏈路在有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)建立，長(zhǎng)時(shí)間無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)釋放，傳輸任務(wù)會(huì)引起鏈路在帶寬和速率等方面的變化[8]，這就導(dǎo)致其鏈路通信的時(shí)延并不收斂，鏈路狀態(tài)變化導(dǎo)致的時(shí)延波動(dòng)甚至遠(yuǎn)超過隊(duì)列及擁塞帶來的影響。其次，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)終端主要為智能移動(dòng)終端，操作系統(tǒng)以Android、IOS為主，通信數(shù)據(jù)主要以交互式數(shù)據(jù)為主，塊流量較少，且絕大部分的數(shù)據(jù)報(bào)不攜帶時(shí)間戳。最后，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的接入側(cè)是區(qū)域內(nèi)用戶共享的，引起時(shí)延波動(dòng)的主要因素不僅限于路由隊(duì)列，同時(shí)鏈路速率及帶寬變化也使時(shí)延波動(dòng)更加復(fù)雜[9]，時(shí)延分布不能用簡(jiǎn)單的函數(shù)模型或門限函數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)判斷。

2 測(cè)量方法

2.1 基本測(cè)量思路

當(dāng)前，提供互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)類型主要為3G/4G網(wǎng)絡(luò)，本文下述提到的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)也主要是指3G/4G網(wǎng)絡(luò)。圖1為用戶終端通過移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)示意圖。用戶終端設(shè)備UE(User Equipment)通過空中的無線信號(hào)與基站進(jìn)行交互。基站和運(yùn)營(yíng)商的核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)用戶的接入、計(jì)費(fèi)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。

圖1 移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

被動(dòng)測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在互聯(lián)網(wǎng)的骨干結(jié)點(diǎn)或運(yùn)營(yíng)商的核心網(wǎng)。用戶終端到測(cè)量點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)可主要分為兩部分：終端到運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)之間的接入網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)到測(cè)量點(diǎn)的傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳輸網(wǎng)絡(luò)一般采用光纖通信，時(shí)延主要受網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列(網(wǎng)絡(luò)擁塞)的影響，符合傳統(tǒng)的時(shí)延分析模型。接入網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)區(qū)別最大的部分，受無線通信協(xié)議、鏈路速率、鏈路負(fù)載等因素影響，與有線網(wǎng)絡(luò)有較大的差別。移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，接入網(wǎng)絡(luò)的屬性是影響時(shí)延測(cè)量結(jié)果的重要因素。

在3G/4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，用戶終端并不是一直處于高速通信狀態(tài)，一定范圍內(nèi)的終端共用有限的無線資源(頻率、時(shí)隙)。為了保證無線資源能合理地分配給有數(shù)據(jù)傳輸需求的用戶，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議中包含了一個(gè)獨(dú)特的模塊——無線電資源控制器Radio Resource Control(RRC)來動(dòng)態(tài)的分配無線鏈路[10]。設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)建立無線鏈路，在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)釋放無線鏈路，這樣既能滿足用戶的通信需求，又可以合理地利用無線通信資源，這就是RRC的設(shè)計(jì)思路。RRC的主要作用是在無線通信過程中為協(xié)議上層提供來自網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線資源參數(shù)，同時(shí)控制下層的參數(shù)和行為，對(duì)無線資源進(jìn)行分配并發(fā)送相關(guān)信令。

在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，RRC狀態(tài)代表著鏈路的狀態(tài)，其中對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有較大影響的RRC狀態(tài)有兩種：空閑態(tài)(RRC_IDLE)、連接態(tài)(RRC_CONNECTED)。空閑態(tài)也稱睡眠態(tài)，表示終端長(zhǎng)時(shí)間無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，無線鏈路被釋放后的狀態(tài)。此時(shí)若上層(TCP/IP)有網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，需先通過RRC信令建立無線鏈路，轉(zhuǎn)換成連接態(tài)，數(shù)據(jù)報(bào)才能得以傳輸。連接態(tài)也稱激活態(tài)，用戶占有無線鏈路資源，此時(shí)若有網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，數(shù)據(jù)可通過無線鏈路正常收發(fā)。一些移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的連接態(tài)還分為高速連接(CELL_DCH)和低速連接(CELL_FACH)等狀態(tài)，代表不同數(shù)量的鏈路資源和網(wǎng)絡(luò)通信速率。RRC處于不同狀態(tài)，時(shí)延構(gòu)成不同，測(cè)量得到的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延也會(huì)有較大的差異。因此，在時(shí)延測(cè)量過程中，需對(duì)RRC處于不同狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分別進(jìn)行測(cè)量。

2.2 空閑態(tài)時(shí)延測(cè)量方法

移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)終端在特定的時(shí)間內(nèi)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，無線鏈路會(huì)被釋放，RRC轉(zhuǎn)換為空閑態(tài)，空閑態(tài)時(shí)延便是指此時(shí)傳輸數(shù)據(jù)報(bào)所產(chǎn)生的時(shí)延。空閑態(tài)時(shí)延由無線鏈路建立過程引起的時(shí)延和鏈路傳輸所需的時(shí)延構(gòu)成。不同的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，RRC狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間閾值不完全相同。

在終端無其他數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，間隔不同的時(shí)間，采用主動(dòng)ping的方法，測(cè)量不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)終端到某骨干網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的往返時(shí)延。當(dāng)ping間隔大于某個(gè)閾值時(shí)，RRC在間隔時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為空閑態(tài)，測(cè)量得到的往返時(shí)延會(huì)明顯增大，這個(gè)閾值便是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的RRC轉(zhuǎn)換閾值。ping間隔大于閾值測(cè)得的時(shí)延即為空閑態(tài)時(shí)延，小于閾值即為連接態(tài)時(shí)延，不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的RRC轉(zhuǎn)換的時(shí)間參數(shù)并不完全一致。對(duì)國(guó)內(nèi)常用的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量，ping發(fā)送間隔和往返時(shí)延測(cè)量值的關(guān)系如圖2所示。

圖2 移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)ping間隔和往返時(shí)延關(guān)系

圖2中還可以看出實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量得到的三大運(yùn)營(yíng)商3G/4G網(wǎng)絡(luò)的空閑態(tài)轉(zhuǎn)換閾值如表1所示。

表1 RRC狀態(tài)轉(zhuǎn)換閾值

移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)終端主要以智能手機(jī)終端為主，從用戶角度分析，其流量大致可以劃分為用戶操作產(chǎn)生的交互流量和用戶無操作時(shí)的背景流量。交互流量主要是指用戶主動(dòng)打開操作APP應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量，例如用戶瀏覽新聞、觀看視頻產(chǎn)生的流量。背景流量主要是指終端休眠時(shí)，后臺(tái)APP服務(wù)產(chǎn)生的背景業(yè)務(wù)流量，例如即時(shí)通信軟件的消息推送、郵件查詢等行為產(chǎn)生的流量，這類流量具有周期性、離散性等特點(diǎn)。

交互流量中，數(shù)據(jù)頻繁傳輸，用戶需要高速的數(shù)據(jù)服務(wù)，此時(shí)RRC基本處于連接態(tài)。背景流量中，終端處于休眠狀態(tài)，正常的APP應(yīng)用需考慮流量資費(fèi)和手機(jī)電量消耗的等因素，會(huì)將周期性的傳輸任務(wù)間隔至數(shù)分鐘，此時(shí)RRC大多處于空閑態(tài)?？臻e態(tài)時(shí)延測(cè)量主要以背景流量為研究對(duì)象。日常生活中，手機(jī)終端使用愈發(fā)頻繁，但終端處于休眠態(tài)，無人機(jī)交互的時(shí)間仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人機(jī)交互的時(shí)間，因此盡管背景流量較為稀疏，但持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)、有一定的周期，被動(dòng)測(cè)量時(shí)成功采樣的概率較大。

圖3標(biāo)識(shí)了空閑態(tài)時(shí)延測(cè)量的典型架構(gòu)，在終端與服務(wù)器保持TCP連接，但一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)無數(shù)據(jù)傳輸，RRC轉(zhuǎn)換為空閑態(tài)后傳輸?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的往返時(shí)延可表示空閑態(tài)時(shí)延，其包含了鏈路建立產(chǎn)生的RRC時(shí)延和鏈路傳輸時(shí)延。

圖3 空閑態(tài)時(shí)延測(cè)量

數(shù)據(jù)報(bào)往返時(shí)延的計(jì)算主要依據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的數(shù)據(jù)報(bào)觸發(fā)關(guān)系，目前已有較多的研究成果[11]，本文不再討論，統(tǒng)一將觸發(fā)報(bào)文記為pkttigger，其回應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)記為pktresp，如果其滿足條件：

fretry(pkttigger)=fretry(pktresp)=0

(1)

ftime(pkttigger)-ftime(pkttigger-1)>t

(2)

則可計(jì)算空閑態(tài)時(shí)延采樣為：

Delaypkt=ftime(pktresp)-ftime(pkttigger)

(3)

式中:fretry獲取指定數(shù)據(jù)報(bào)的重傳次數(shù)；ftime獲取指定數(shù)據(jù)報(bào)的捕獲時(shí)間；pkttigger-1是在傳輸pkttigger數(shù)據(jù)報(bào)前，源地址發(fā)送或接收的上一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)；t是相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的RRC狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的臨界值。式(1)要求數(shù)據(jù)報(bào)pkttigger與pktresp無重傳，排除可疑采樣，式(2)要求數(shù)據(jù)報(bào)pkttigger與前一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)pkttigger-1的間隔時(shí)間落在區(qū)間(t,+∞)中，即保證pkttigger發(fā)送時(shí)RRC處于空閑態(tài)。

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測(cè)量過程中，并不一定能將終端所有的流量捕獲到，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏掉少部分流量的情況，例如局域網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)報(bào)等，此時(shí)滿足式(2)約束的數(shù)據(jù)報(bào)的RRC狀態(tài)可能不是空閑態(tài)，而是連接態(tài)。因此，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^濾。由于RRC處于空閑狀態(tài)的時(shí)延會(huì)明顯大于處于連接態(tài)的時(shí)延，這里采用K-means聚類算法，將測(cè)量得到的結(jié)果分成兩類，過濾掉取值小的一類，將取值較大的一類作為空閑態(tài)時(shí)延的有效采樣。

2.3 連接態(tài)時(shí)延測(cè)量方法

RRC處于連接態(tài)時(shí)，占有數(shù)據(jù)鏈路，數(shù)據(jù)可以及時(shí)發(fā)送，但在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)共享式的無線環(huán)境中，用戶分配得到的無線資源是有限的，這使得接入網(wǎng)絡(luò)在上下行速率上都受到一定的限制。如果遇到大量突發(fā)的傳輸任務(wù)，數(shù)據(jù)在終端與基站之間就可能產(chǎn)生較大的隊(duì)列時(shí)延，甚至產(chǎn)生擁塞。與有線網(wǎng)絡(luò)不同，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)擁塞主要產(chǎn)生在當(dāng)前用戶分配的無線鏈路上，一般不會(huì)對(duì)基站連接的其他用戶產(chǎn)生影響。有線網(wǎng)絡(luò)擁塞瓶頸在路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上，這會(huì)對(duì)該設(shè)備下接入的所有用戶產(chǎn)生影響。有線網(wǎng)絡(luò)考慮的擁塞因素是大量網(wǎng)絡(luò)用戶的整體行為導(dǎo)致，有較好的統(tǒng)計(jì)特征(例如高斯分布)，而移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的擁塞因素主要有當(dāng)前終端用戶導(dǎo)致，個(gè)體行為影響較大。因此移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的中終端連接態(tài)時(shí)延分布不能使用簡(jiǎn)單的函數(shù)預(yù)測(cè)。

移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的鏈路帶寬瓶頸，使得傳輸需求小于該瓶頸時(shí)，測(cè)量得到的往返時(shí)延接近于通信鏈路時(shí)延，反之，如果需求瞬時(shí)大于該瓶頸值，則測(cè)量得到的時(shí)延會(huì)受到排隊(duì)時(shí)延的影響[12]。網(wǎng)絡(luò)帶寬和時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)不同層面的重要指標(biāo)，在流量分析的過程中，時(shí)延的被動(dòng)式測(cè)量要盡量去除網(wǎng)絡(luò)帶寬限制(網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化)的影響，需要對(duì)測(cè)量得到的時(shí)延進(jìn)行過濾，選擇合適的時(shí)延采樣代表通信鏈路時(shí)延。本文通過設(shè)置閾值N對(duì)時(shí)延采樣進(jìn)行有效性判斷，考察觸發(fā)報(bào)文pkttigger及其回應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)pktresp之間的一段時(shí)間內(nèi)，源地址傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)數(shù)量是否小于N，作為此次時(shí)延是否有效的條件。

圖4標(biāo)識(shí)了連接態(tài)時(shí)延測(cè)量的典型架構(gòu)，對(duì)于所示流量中包含的觸發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)pkttigger及對(duì)其回應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)pktresp，如果其滿足條件：

fretry(pkttigger)=fretry(pktresp)=0

(4)

findex(pktresp-findex(pkttigger)≤N

(5)

則計(jì)算空閑態(tài)時(shí)延采樣為：

Delaypkt-ftime(pktresp)-ftime(pkttigger)

(6)

式中：findex為獲取指定數(shù)據(jù)報(bào)在流量文件中的序號(hào)的函數(shù)，這里的流量文件是指該特定源地址發(fā)送和接收的流量，如果獲取的流量中包含多個(gè)源地址，需先將獲得流量依源地址切分成不同的流量文件。fretry獲取指定數(shù)據(jù)報(bào)的重傳次數(shù)，ftime獲取指定數(shù)據(jù)報(bào)的捕獲時(shí)間，N是一個(gè)大于0的常量。

式(5)要求觸發(fā)/回應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)之間該源地址傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)量不大于N，此時(shí)不僅僅考慮當(dāng)前連接，而是考慮該終端的所有網(wǎng)絡(luò)行為。如果網(wǎng)絡(luò)繁忙，觸發(fā)/回應(yīng)包間可能仍會(huì)傳輸大量的數(shù)據(jù)報(bào)，否則可能處于等待應(yīng)答狀態(tài)。觸發(fā)/回應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)之間無數(shù)據(jù)報(bào)傳輸，不能表示網(wǎng)絡(luò)沒有發(fā)生擁塞，但N越小，網(wǎng)絡(luò)擁塞的概率越小，樣本的可信度越大，但采樣率較??；反之，N越大，采樣率越大，但網(wǎng)絡(luò)擁塞的概率也越大，樣本可信度越小。實(shí)驗(yàn)中選擇合適的N值，獲得可接受的采樣率的同時(shí)要盡量排除擁塞的影響。

圖4 連接態(tài)時(shí)延測(cè)量

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量點(diǎn)是位于IDC骨干結(jié)點(diǎn)上的一臺(tái)服務(wù)器，為獲取終端產(chǎn)生的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量，如圖5所示，在服務(wù)器上搭建了SOCK代理平臺(tái)，手機(jī)終端安裝代理軟件，通過代理平臺(tái)訪問互聯(lián)網(wǎng)。服務(wù)器環(huán)境為CentOS 6.5，CPU為六核E5-2603(1.6 GHz)，100 M獨(dú)享帶寬。實(shí)驗(yàn)終端接入中國(guó)聯(lián)通4G提供的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，采用其他類型的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)也能得到一致的結(jié)果。

圖5 時(shí)延測(cè)量實(shí)驗(yàn)架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)終端為真實(shí)用戶的手機(jī)，手機(jī)操作系統(tǒng)類型為Android。連接態(tài)時(shí)延測(cè)量過程中，主動(dòng)模式和被動(dòng)模式的測(cè)量使用相同的手機(jī)終端?？臻e態(tài)時(shí)延測(cè)量過程中，主動(dòng)測(cè)量會(huì)改變終端的數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)，從而影響被動(dòng)測(cè)量的結(jié)果，因此使用不同的手機(jī)終端。被動(dòng)測(cè)量的流量來自于用戶實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，主動(dòng)測(cè)量的結(jié)果來源于構(gòu)造特定條件下的ping包測(cè)得的往返時(shí)延。為驗(yàn)證被動(dòng)測(cè)量方法的準(zhǔn)確性，將被動(dòng)測(cè)量結(jié)果和同時(shí)段的主動(dòng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

圖6是分別通過主動(dòng)、被動(dòng)模式測(cè)量得到的空閑態(tài)時(shí)延累積分布。主動(dòng)測(cè)量中ping包間隔和被動(dòng)測(cè)量中使用閾值t都設(shè)為10 s,主動(dòng)及被動(dòng)的測(cè)量結(jié)果都是經(jīng)過聚類算法過濾后得到的時(shí)延值。

圖6 中國(guó)聯(lián)通4G空閑態(tài)時(shí)延測(cè)量累積分布

當(dāng)鏈路處于空閑態(tài)時(shí)，中國(guó)聯(lián)通4G中使用被動(dòng)模式測(cè)量得到的時(shí)延與主動(dòng)測(cè)量得到的時(shí)延分布有很高的相似度。同時(shí)，被動(dòng)模式測(cè)量得到的時(shí)延要略大于主動(dòng)測(cè)量得到的時(shí)延，這是由于主動(dòng)測(cè)量時(shí)的ICMP包的長(zhǎng)度為64 B，要普遍小于被動(dòng)模式測(cè)量所使用的數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)中被動(dòng)模式測(cè)量所用的數(shù)據(jù)報(bào)文約為156 B。較大的數(shù)據(jù)報(bào)在無線傳輸時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較大的傳輸時(shí)延。

圖7顯示，連接態(tài)時(shí)延被動(dòng)測(cè)量中：取N=1時(shí)，采樣率過低，樣本對(duì)總體的代表性不足，與主動(dòng)的測(cè)量結(jié)果偏離較大；取N=10時(shí)，網(wǎng)絡(luò)擁塞的影響較大，與主動(dòng)的測(cè)量結(jié)果偏離也較大；取N=5時(shí)，計(jì)算得到的時(shí)延分布與主動(dòng)測(cè)量得到的結(jié)果有很高的相似度。這說明：N較小時(shí)，理論上與主動(dòng)測(cè)量結(jié)果的相似度較高，但時(shí)延的采樣率相對(duì)較小，致使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差；N較大時(shí)，可以獲得較多的時(shí)延采樣，但負(fù)載影響較大，與主動(dòng)的測(cè)量結(jié)果也會(huì)有較大的偏差，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越重時(shí)偏差越明顯，因此測(cè)量過程中還要依據(jù)采樣率來確定合適的N值。

圖7 聯(lián)通4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接態(tài)時(shí)延測(cè)量累積分布

圖8可以看出，N值與采樣率成正相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，終端用戶產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量中，使采樣率保持在15%～30%之間的N值，據(jù)此計(jì)算出的連接態(tài)時(shí)延可獲得較高的準(zhǔn)確性。

圖8 采樣率與N值關(guān)系圖

4 結(jié) 語

本文分析了移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響因素，從數(shù)據(jù)鏈路建立與釋放的角度，將時(shí)延分為空閑態(tài)時(shí)延和連接態(tài)時(shí)延，并提出了一種被動(dòng)模式下的測(cè)量方法，可分別測(cè)量空閑態(tài)和連接態(tài)的時(shí)延。本文提出的被動(dòng)測(cè)量方法可在不影響網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的情況下，對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延進(jìn)行測(cè)量，適于在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)骨干結(jié)點(diǎn)上部署和應(yīng)用。

[1] Jiang H, Dovrolis C. Passive estimation of TCP round-trip times[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2002, 32(3): 75-88.

[2] 張軼博, 雷振明. 一種被動(dòng)式 RTT 測(cè)量算法[J]. 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 27(5): 85-89.

[3] Karn P, Partridge C. Improving round-trip time estimates in reliable transport protocols[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 1987, 17(5): 2-7.

[4] Veal B, Li K, Lowenthal D. New methods for passive estimation of TCP round-trip times[C]//International Workshop on Passive and Active Network Measurement. Springer Berlin Heidelberg, 2005: 121-134.

[5] Choi B Y, Zhang Z L, Du D H C. Analysis of Point-To-Point Delay in an Operational Backbone[M]//Scalable Network Monitoring in High Speed Networks. Springer New York, 2011: 75-110.

[6] Jaiswal S, Iannaccone G, Diot C, et al. Inferring TCP connection characteristics through passive measurements[C]//INFOCOM 2004. Twenty-third AnnualJoint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. IEEE, 2004, 3: 1582-1592.

[7] 黃鸝聲, 周明天, 汪文勇. 骨干網(wǎng)絡(luò)中的被動(dòng)模式RTT測(cè)量方法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2009, 26(8):3086-3089.

[8] Barbera M V, Bronzini S, Mei A, et al. A Needle in the Haystack-Delay Based User Identification in Cellular Networks[C]//International Conference on Passive and Active Network Measurement. Springer International Publishing, 2014: 265-267.

[9] Xu Y, Wang Z, Leong W K, et al. An End-to-End Measurement Study of Modern Cellular Data Networks[M]// Passive and Active Measurement. Springer International Publishing, 2014:34-45.

[10] Kolding T, Wigard J, Dalsgaard L. Balancing power saving and single user experience with discontinuous reception in LTE[C]// IEEE International Symposium on Wireless Communication Systems. IEEE Xplore, 2008:713-717.

[11] Gangam S, Chandrashekar J, ítalo Cunha, et al. Estimating TCP Latency Approximately with Passive Measurements[M]// Passive and Active Measurement. Springer Berlin Heidelberg, 2013:83-93.

[12] Schiavone M, Romirer-Maierhofer P, Ricciato F, et al. Towards Bottleneck Identification in Cellular Networks via Passive TCP Monitoring[M]// Ad-hoc, Mobile, and Wireless Networks. Springer International Publishing, 2014:72-85.

ADELAYMEASUREMENTMETHODFORPASSIVEMODEINMOBILECELLULARNETWORKS

Zhou Ziyang1Wei Songjie2

(SchoolofComputerScienceandEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China)

Mobile cellular network and traditional wired network have great difference in delay model. Based on the characteristics of mobile cellular communication, this paper proposes a delay passive measurement method for mobile cellular networks. According to different states of RRC (Radio Resource Control) in the communication link layer, the network delay was divided into idle state delay and connected state extension. By analyzing the traffic flow of the measurement points in the backbone network, we calculated the round-trip time delay of RRC in different states to determine the validity. We measured the idle state delay and the link state delay between the terminals and the measurement points. Compared with the traditional measurement technology, this method is more precise and detailed for the delay measurement of the mobile cellular network, which has no effect on the user and has more practical application value. Experimental results show that the proposed method has higher measurement efficiency and accuracy.

Mobile cellular network RRC Network with time delay Passive measurement Traffic analysis

2017-03-02。國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61472189)。周紫陽，碩士生，主研領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。魏松杰，副教授。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.11.027