文/儲(chǔ)赟 朱尚明

隨著互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的飛速增長，當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv4地址短缺等缺點(diǎn)已經(jīng)越來越突出。IPv6作為IETF確定的下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，有望解決IPv4地址短缺等問題。我國已經(jīng)建成了世界上最大規(guī)模的IPv6網(wǎng)絡(luò)，但是IPv4向IPv6的演進(jìn)需要相當(dāng)長的時(shí)間才能完成。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特別是高清視頻等業(yè)務(wù)的拓展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了較高的要求。由于鏈路可用帶寬動(dòng)態(tài)變化，背景流量呈現(xiàn)長相關(guān)、自相似特性以及短時(shí)突發(fā)性，使鏈路帶寬的實(shí)際測量面臨很大困難和挑戰(zhàn)，成為下一代網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題[1]。

網(wǎng)絡(luò)帶寬是指網(wǎng)絡(luò)鏈路在單位時(shí)間內(nèi)所能傳送的是數(shù)據(jù)報(bào)文的最大比特?cái)?shù)量，即最大的傳輸速率，它一般可以分為鏈路帶寬（Link bandwidth）和可用帶寬（Available bandwidth）兩種[2]。鏈路帶寬即數(shù)據(jù)在連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間鏈路上的最大容量帶寬，可用帶寬即某一時(shí)刻在給定鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)可用的最大帶寬。在實(shí)際應(yīng)用中，由于多個(gè)業(yè)務(wù)流會(huì)共享網(wǎng)絡(luò)，因此，鏈路帶寬無法準(zhǔn)確地反映業(yè)務(wù)流在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的帶寬占用狀態(tài)，相比較而言，可用帶寬更準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的流量通過能力。

本文提出了一種在下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPv6網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)用ICPMv6實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)端到端可用帶寬進(jìn)行測量的有效方法。

帶寬測量算法研究現(xiàn)狀

目前常用的帶寬測量方法主要有以下三種。

1.PPTD（Packet Pair/Train Dispersion）

PPTD方法用于測量端到端的整體帶寬容量。PPTD方法的原理是在源端發(fā)送有固定時(shí)間間隔的一對(duì)大小相同的數(shù)據(jù)包，然后在接收端測量這兩個(gè)包的時(shí)間間隔，通過這個(gè)時(shí)間間隔可以推算出端到端的帶寬容量[3]。該方法要求網(wǎng)絡(luò)中沒有其他的干擾流量，這在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中基本上不可能實(shí)現(xiàn)，因此需要多次測量，將那些受到干擾的測量包過濾掉。這種方法還需要兩端同時(shí)進(jìn)行測量，部署成本高。

2. SLoPS（Self-Loading Periodic Streams）

SLoPS是另一種用于測量端到端可用帶寬的方法。SLoPS也是從源端發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的端，其原理是當(dāng)測試數(shù)據(jù)流量速率大于可用帶寬時(shí)，目的端包的時(shí)延將呈上升趨勢，在測試數(shù)據(jù)流量速度近似可用帶寬時(shí)，時(shí)延將是較平穩(wěn)的[4]。該方法是通過不斷發(fā)送測試數(shù)據(jù)來進(jìn)行流量估算，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用較大，還會(huì)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的正常業(yè)務(wù)性能造成影響。

3.VPS（Variable Packet Size）

VPS是一種基于可變包長的探測方法，該方法設(shè)計(jì)思想是從源端到路徑上的任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同大小的包， 通過計(jì)算往返時(shí)延與包大小的函數(shù)關(guān)系來獲取路徑上各段鏈路的可用帶寬[5]。具體來說，首先利用IP包頭的TTL域（工作原理和常用的Tracerouter工具 一樣），強(qiáng)制包在一個(gè)特定的跳上超時(shí)。這一跳的節(jié)點(diǎn)將丟棄該探測包，并利用Internet控制消息協(xié)議（ICMPv6）的超時(shí)錯(cuò)誤報(bào)文發(fā)回源端，源端就獲取到了路徑節(jié)點(diǎn)信息，進(jìn)而通過接收到的ICMPv6報(bào)文計(jì)算出到這一跳的往返時(shí)延和可用帶寬。可變包長VPS探測方法僅需要在源進(jìn)行測量，部署成本低。

基于ICMPv6協(xié)議的可變包長帶寬測量算法

1. 測量原理

假設(shè)一條端到端的路徑由節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)N構(gòu)成 ，如圖1所示，其中Ci是節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)i+1之間的鏈路帶寬（1≤N）。送時(shí)延三部分組成，設(shè)T(L)為發(fā)送一個(gè)長度為L的ICMPv6包的單程時(shí)延, 則有

圖1 端到端路徑示意

其中α為傳播時(shí)延，在數(shù)量級(jí)上目前基本上都達(dá)到了光速級(jí)別，與包的大小無關(guān)，只要不改變路徑，這部分時(shí)延就不會(huì)改變，為一固定值。βi為節(jié)點(diǎn)i到i+1排隊(duì)時(shí)延，主要與節(jié)點(diǎn)的緩存有關(guān)，由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)包的數(shù)量很多，可能會(huì)在某個(gè)節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)排隊(duì)等待發(fā)送，這種現(xiàn)象將導(dǎo)致排隊(duì)時(shí)延。取最小單程時(shí)延時(shí)，排隊(duì)時(shí)延可近似為0或一固定值β（設(shè)

設(shè)B為節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)N的可用帶寬，可近似為節(jié)點(diǎn)1到N這條路徑上的瓶頸鏈路帶寬，即B =min(Ci)。當(dāng)N=2時(shí)，則有；當(dāng)N > 2時(shí)，不難證明有。簡單起見，本文取作為可用帶寬的近似估計(jì)值，即

這就是可變包長帶寬測量方法的數(shù)學(xué)表達(dá)，即在單程時(shí)延最小時(shí)通過求出發(fā)送包長與兩端的單程時(shí)延函數(shù)的斜率，即可計(jì)算出兩端的可用帶寬。

2. 設(shè)計(jì)思想

可變包長帶寬測量算法的設(shè)計(jì)思想主要基于以下兩點(diǎn)：

（1）為了避免排隊(duì)時(shí)延，從源端節(jié)點(diǎn)發(fā)送大小固定的很多包，該方法假設(shè)至少有一個(gè)包可以避免排隊(duì)時(shí)延，那么該往返時(shí)延肯定是不包含排隊(duì)時(shí)延的。因此，我們可以認(rèn)為在這些包中具有最小雙程時(shí)延的包只包含了發(fā)送時(shí)延和傳播時(shí)延。

（2）為了簡化計(jì)算，相鄰發(fā)送包的增幅相同，并假定雙程時(shí)延除以2即為單程時(shí)延。

為了更精確的估算和忽略排隊(duì)時(shí)延，從源端每次發(fā)送大小不同的探測包后，最小雙程時(shí)延的包是排隊(duì)時(shí)延最小的，緊接著最小雙程時(shí)延探測包的下一個(gè)探測包在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，也是排隊(duì)時(shí)延較小的，因此，我們可以認(rèn)為使用這兩次發(fā)送的時(shí)延差ΔT（即發(fā)送最小雙程時(shí)延探測包的時(shí)間與下一個(gè)探測包的雙程時(shí)延之差）計(jì)算所得的可用帶寬是比較精確的。

具體算法設(shè)計(jì)過程如下：

（1）從源端到目的端發(fā)送m個(gè)相同大小的探測包L，計(jì)算出最小雙程時(shí)延Tmin(L)，此時(shí)，認(rèn)為沒有排隊(duì)時(shí)延或者是最小排隊(duì)時(shí)延的。

（2）根據(jù)探測包的增幅ΔL從源端到目的端發(fā)送包長為L0、L0+ΔL、…、L0+nΔL的探測包，并根據(jù)第（1）步計(jì)算出每個(gè)探測包的最小雙程時(shí)延Tmin(L0)、Tmin(L0+ΔL)、…、Tmin(L0+nΔL)。

（3）從 Tmin(L0)、Tmin(L0+ΔL)、…、Tmin(L0+nΔL)中再獲取最小值，假設(shè)i是最小雙程時(shí)延最小值的位置編號(hào)，計(jì)算出最小雙程時(shí)延的差ΔT =Tmin(i+1)-Tmin(i)。

（4）取雙程時(shí)延的一半作為單程時(shí)延，根據(jù)ΔL和ΔT的比值估算可用帶寬，即B=ΔL/(ΔT/2)。

3.實(shí)現(xiàn)機(jī)制

本文在.Net環(huán)境下利用MFC基于原始套接字(Raw Socket)在IPv6環(huán)境下對(duì)可用帶寬測量算法進(jìn)行了技術(shù)實(shí)現(xiàn)和模擬驗(yàn)證。為生成ICMPv6回送請(qǐng)求和應(yīng)答報(bào)文，首先定義一個(gè)ICMPv6包的結(jié)構(gòu)如下：

圖2 端到端最小雙程時(shí)延的流程

typedef struct icmp6_hdr

{ //頭部8個(gè)字節(jié)

u_char icmp6_type; //類型

u_char icmp6_code; //代碼

u_short icmp6_cksum; //校驗(yàn)和

u_short icmp6_id; //標(biāo)識(shí)符

u_short icmp6_seq; //序列號(hào)

//報(bào)文主體

LONGLONG icmp6_data[DATALEN]; // 其中 icmp6_data[0]存儲(chǔ)發(fā)送時(shí)間(微秒級(jí))

} ICMP6_HDR,*PICMP6_HDR;

（1）計(jì)算兩端的最小雙程時(shí)延

從源端到目的端發(fā)送m個(gè)相同大小的探測包，計(jì)算出最小雙程時(shí)延的流程圖如圖2所示。

首先創(chuàng)建socket套接字并發(fā)起連接，構(gòu)造探測包時(shí)將發(fā)送端的CPU時(shí)鐘（微秒）寫入icmp6_data[0]，然后把準(zhǔn)備好的指定大小的探測包發(fā)送到指定目的端，接著等待接收應(yīng)答包。只有滿足下面三個(gè)條件的應(yīng)答包才是測試發(fā)送探測包的應(yīng)答包：包的類型為ICMP6_ECHO_REPLY，目的端地址與發(fā)送包指定的目的端地址一致，包中的標(biāo)識(shí)符與發(fā)送時(shí)的進(jìn)程號(hào)一致。解析應(yīng)答包獲得接收包時(shí)的CPU時(shí)鐘，從應(yīng)答包中的icmp6_data[0]中取出發(fā)送時(shí)的CPU時(shí)鐘，兩者之差就是發(fā)送到目的端的雙程時(shí)延T，并用定義的數(shù)組來存放計(jì)算獲得的發(fā)送探測包的雙程時(shí)延。待發(fā)送完指定發(fā)送次數(shù)并應(yīng)答包處理完畢后，采用快速排序算法計(jì)算出發(fā)送到指定目的端、指定包大小的最小雙程時(shí)延。

（2）計(jì)算兩端的可用帶寬

計(jì)算指定目的端的可用帶寬的流程圖如圖3所示。

首先初始化變長包個(gè)數(shù)n、包長增幅Size和起始包大小L0，根據(jù)包長增幅計(jì)算探測包大小L=L0+j*Size（j=0，1，…,n-1），然后發(fā)送探測包，計(jì)算該探測包的最小雙程時(shí)延并存放到定義的數(shù)組中，直到發(fā)送的測試包的個(gè)數(shù)等于n時(shí)不再發(fā)送。最后根據(jù)快速排序算法獲得數(shù)組中的最小值和該值所在位置，并計(jì)算出可用帶寬的值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

我們對(duì)上述可用帶寬測量算法在IPv6環(huán)境下進(jìn)行了測試驗(yàn)證，并和常用的帶寬測量的工具進(jìn)行對(duì)比分析。

1.實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖3 計(jì)算指定目的端的可用帶寬的流程

源端（發(fā)送端）為華東政法大學(xué)一臺(tái)主機(jī)，IPv6地址為：2001:da8:8020:3:fd35:fc63:9151:c19e；目的端（接收端）為上海外國語大學(xué)一臺(tái)主機(jī)，IPv6地址為：2001:250:600f:160:250:56ff:feac:3d03。測試時(shí)間為2018年6月13日 14∶21。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為進(jìn)行測試驗(yàn)證，我們對(duì)本文提及的可用帶寬測量算法初始化L0=32字節(jié)，帶寬測量增幅ΔL分別為2000字節(jié)、2500字節(jié)、3000字節(jié)，不同大小探測包測試個(gè)數(shù)為n=10，相同探測包的發(fā)送測試次數(shù)為m=5,分別進(jìn)行了實(shí)際測試。

（1）探測包每次遞增2000字節(jié)的測試結(jié)果見表1。

根據(jù)表1得出探測包增幅ΔL=2000B，發(fā)送的10次探測包中最小雙程時(shí)延為2.21ms，最小雙程時(shí)延所在位置序號(hào)為1，ΔT=Tmin(i+1) - Tmin(i)=2.73-2.21=0.52ms， 計(jì)算可用帶寬為B=ΔL/(ΔT/2)=2000*8/(0.52/2)=61538Kbps=61.538Mbps。

表1 探測包增幅為2000字節(jié)

表2 探測包增幅為2500字節(jié)

表3 探測包增幅為3000字節(jié)

表4 30次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Mbps）

（2）探測包每次遞增2500字節(jié)的測試結(jié)果見表2。

根據(jù)表2得出探測包增幅ΔL=2500B，發(fā)送的10次探測包中最小雙程時(shí)延為1.98ms，最小雙程時(shí)延所在位置序號(hào)為1，ΔT=Tmin(i+1)-Tmin(i)=2.56-1.98=0.58ms，計(jì)算可用帶寬為B=ΔL/(ΔT/2 )=2500*8/(0.58/2)=68965Kbps=68.965Mbps 。

（3）探測包每次遞增3000字節(jié)的測試結(jié)果見表3。

根據(jù)表3得出探測包增幅ΔL=2500B ，發(fā)送的10次探測包中最小雙程時(shí)延為2.23ms，最小雙程時(shí)延所在位置序號(hào)為 1，ΔT=Tmin(i+1)-Tmin(i)=2.23-2.93=0.7ms，計(jì)算可用帶寬為B=ΔL/(ΔT/2 )=3000*8/(0.7/2) =68571Kbps=68.571Mbps。

為了取得具有統(tǒng)計(jì)性和普遍規(guī)律性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行了反復(fù)多次驗(yàn)證，以避免單次測量所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。通過次30次重復(fù)驗(yàn)證，結(jié)果見表4。

為了驗(yàn)證測試結(jié)果的正確性和有效性，我們通過Google瀏覽器自帶的帶寬測量工具從目的端（上海外國語大學(xué)一臺(tái)主機(jī)，IPv6地址為：2001:250:600f:160:250:56ff:feac:3d03）下載1.9G的文件測量的可用帶寬范圍為42.2 ～ 71.2Mbps。而表4多次重復(fù)測量結(jié)果的平均值分別為62.07Mbps、69.01Mbps、69.69Mbps,可見我們提出的可變包長帶寬測量算法和Google瀏覽器自帶的帶寬測量工具的測量結(jié)果是非常接近的，在IPv6網(wǎng)絡(luò)下是可行和有效的。

本文提出了在IPv6網(wǎng)絡(luò)中基于ICMPv6協(xié)議的可變包長帶寬測量算法，并進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)。通過多種測試結(jié)果與常用的帶寬測量工具對(duì)比結(jié)果，驗(yàn)證了該算法的可行性和有效性。為測量IPv6網(wǎng)絡(luò)兩端之間的可用帶寬提供了一種簡單有效的方法，為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和性能測量提供了有益的手段。