一种基于双速率周期流技术的网络紧链路定位方法.pdf

本发明提供一种基于双速率周期流技术的网络紧链路定位方法。本方法需要在待测网络路径的两端分别设置探测数据包列的发送端和接收端：首先，通过周期流技术确定待测网络路径可用带宽的最小上界和最大下界，以确定发送端的探测数据包列发送速率；然后向接收端发送一组基于双速率周期流特性的探测数据包列，接受端计算并分析接收到的探测数据包列中数据包单向延时的趋势，以准确快速的判断网络路径中的紧链路的位置所在，从而有利于各种基于网络带宽的拥塞控制策略和调度策略的开发和实施。

1、  一种网络紧链路的定位方法，使用端到端的主动测试技术，其由以下三个步骤组成：
(1)确定待测网络路径可用带宽的最小上界与最大下界；
(2)发送端向接收端发送一组基于双速率周期流特性的探测数据包列；
(3)接受端接收到这组探测数据包列，计算包列中每个数据包的单向传输延时，并分析探测数据包列中数据包延时的趋势。

2、  按权利要求1所述的网络紧链路的定位方法，其特征在于：在确定待测网络路径可用带宽的最小上界时，采用如下方法：
(1)在特定带宽解析精度下，使用周期流技术；
(2)接收端接收到这组探测数据包列，计算包列中每个数据包的单向传输延时，并分析探测数据包列中数据包延时的趋势；
(3)数据包延时呈递增趋势，接收端向发送端发送控制参数，并将发送端的下一组探测数据包列的发送速率调整为原速率的一半。

3、  按权利要求1所述的网络紧链路的定位方法，其特征在于：在确定待测网络路径可用带宽的最大上界时，采用如下方法：
(1)在特定带宽解析精度下，使用周期流技术；
(2)接收端接收到这组探测数据包列，计算包列中每个数据包的单向传输延时，并分析探测数据包列中数据包延时的趋势；
(3)数据包延时不呈递增趋势，接收端向发送端发送控制参数，并将发送端的下一组探测数据包列的发送速率调整为两倍原速率与发送端实际发送速率上限的最小值。

4、  按权利要求1所述的网络紧链路的定位方法，其特征是：发送端将可用带宽的最小上界与最大下界之和的一半作为双速率周期流的发送速率。

5、  按权利要求1所述的网络紧链路的定位方法，其特征在于：构成双速率流的方法为发送端将包列中的一部分数据包的IP包头内的TTL域值设为特定值，然后将设置特定TTL值的数据包与普通的探测数据数据包交替发送。

一种基于双速率周期流技术的网络紧链路定位方法
技术领域
本发明涉及一种在网络路径中的定位紧链路的端到端的主动测试方法，它面向计算机网络的性能测试领域。
背景技术
一条网络路径是由若干条网络链路所组成的。对于端到端的主动测试方法而言，网络链路的可用带宽是指一组探测数据包列能够无拥塞地通过链路的最大速率，而网络路径的可用带宽是指一组探测数据包列能够无拥塞通过该路径的最大速率。网络路径中的紧链路是指网络链路可用带宽等于网络路径可用带宽的链路。
随着计算机网络技术的迅猛发展，相应的网络性能测试技术也发生了很大的革新，目前测试路径紧链路的定位方法主要有以下两种。这两种方法各有优缺点。
1.基于SNMP的被动定位方法
该方法是利用应用简单网络管理协议(simple network management protocol，SNMP)读取待测路径中的所有路由器MIB中的相关信息，从而得到沿待测路径的链路可用带宽大小的分布情况。通过定量的判断，应用程序能够方便的得到紧链路的位置信息。此类方法的优点在于方法简单、实用、可操作性强，而且便于管理。但是，此方法的缺点也是显而易见的。首先，路由器的MIB并不一定开放读权限。而通常的情况是，不同的ISP所拥有的路由器信息是私有的，因此，基于这种逐段定位方法的适用环境具有固有的局限性。而这种局限性则导致该方法不具备实际可行性。其次，该方法通过读取路由器MIB信息构建可用带宽分布的手段是一种被动监听的手段。路由器所提供信息的准确性有待确认，而该方法并未提供与此相关的确认方案。因此，该方法还具有紧链路的定位准确性问题。使用此类方法的软件有MRTG等。
2.端到端的主动定位方法
该方法使用端到端的主动测量技术来进行待测路径的紧链路的定位。在待测路径的一端向另一端主动发送探针流。通过探针流在链路中所表现出的性质确定待测路径中的紧链路信息。此方法的优点在于方法简单、实用、与中间设备(如路径中的路由器)无关、便于管理。美国卡耐基梅隆大学所研发Bfind工具是第一款使用端到端主动定位方法测量网络路径可用带宽瓶颈的工具。在测试发送端，Bfind不断地向接收端发送负载，同时通过traceroute的方法获取网络路径中各链路环行延时，并以此判断网络可用带宽瓶颈的位置。但早期的端到端主动定位方法对网络所造成的负面影响较大。由于发送负载较大，会影响网络路径中的其他应用，而通过traceroute的方法所获得的链路环行延时准确性较低。
发明内容
本发明的目的是：针对网络路径带宽瓶颈定位方法的不足，提出一种在跨越多台路由器的网络路径中定位紧链路的主动测试方法，它有助于应用程序或网络管理人员准确了解网络路径中的可用带宽瓶颈位置所在，并有助于开发和实施各种新型的基于网络带宽的拥塞控制策略和调度策略。
为达到这种目的，本发明的技术方案如下：
本发明由以下三个测试步骤组成：
(1)确定待测网络路径可用带宽的最小上界与最大下界；
(2)发送端向接收端发送一组基于双速率周期流特性的探测数据包列；
(3)接收端接收到这组探测数据包列，计算包列中每个数据包的单向传输延时，并分析探测数据包列中数据包延时的趋势。
特别的，根据数据包延时的趋势可以得到：趋势一，数据包延时呈递增趋势(只考虑k组探测数据包列中的第一个出现递增趋势的情况)，则表明该链路为网络路径中地紧链路。趋势二，数据包延时不呈递增趋势，则表明该特定链路并非网络路径中的紧链路。
特别的，在本发明中确定待测网络路径可用带宽的最小上界与最大下界时，采用的是通过一种周期性的以恒定速率由发送端向接收端发送数据包列的周期流技术。该技术的步骤是：在特定解析精度下(解析精度λ，λ＜＝待测网络路径可用带宽的最小上界-最大下界)，发送端以较高的速率向接收端发送一组探测数据包列。接收端接收到这组探测数据包列，计算包列中每个数据包的单向传输延时(one-way delay，OWD)，并分析探测数据包列中数据包延时的趋势。趋势一，数据包延时呈递增趋势，则表明发送端所选择的发送速率高于待测网络路径的可用带宽，该速率便是待测网络路径的可用带宽上界。接收端向发送端发送控制参数，并将发送端的下一组探测数据包列的发送速率调整为原速率的一半。趋势二，数据包延时不呈递增趋势，则表明发送端所选择的发送速率低于或者等于待测网络路径的可用带宽，该速率便是待测网络路径的可用带宽下界。接收端向发送端发送控制参数，并将发送端的下一组探测数据包列的发送速率调整为两倍原速率与发送端实际发送速率上限的最小值。以此迭代，最终得到待测网络路径可用带宽的最小上界与最大下界。
特别的，本方法中发送端所发送的双速率周期流是将可用带宽的最小上界与最大下界之和的一半作为发送速率，其探测数据包列的构造过程如下：将包列中的一部分数据包的IP包头内的TTL(time to live)域值设为特定值(该特定值能够表明特定链路所在整个待测网络路径内的位置)。发送端将此类设置特定TTL值的数据包与普通的探测数据数据包交替发送。由于数据包达到目的端之前所途经的路由器将自动将该数据包的IP包头内的TTL域值减1，因此，当探测包列到达特定链路位置时，那些设置特定TTL值的数据包IP包头内的TTL域值归零，数据包被路由器丢弃。此时，探测包列的数据包个数减半，探测包列的传输速率下降为到达该路由器的速率的一半，该传输速率为无拥塞速率。(由于探测包列经过网络路径由发送端到达接收端时的传输速率小于等于发送速率，发送速率是最小上界与最大下界之和的一半，并且发送速率的一半小于发送速率的最大下界，因此，探测包列的传输速率在变为无拥塞速率之后能够无拥塞的通过整条待测路径。)如果网络路径由k条链路组成，探测数据包列按所经过的网络路径中每条链路的先后次序设定包列中相应的TTL域值(从1到k)，发送端将生成总共k组设置不同TTL域值的探测数据包列。
本发明的有益效果是：可以有效的降低负载，更加快速准确的定位出网络路径中的紧链路的位置所在。
图1和图2为本发明双速率周期流的构造过程和路径行为。
图3为本发明的仿真实验环境示意图。
图4为仿真实验在CBR背景负载下测得的单向延迟。
图5为仿真实验在Pareto背景负载下测得的单向延迟。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述。
图1和图2为本发明双速率周期流的构造过程和路径行为。为了保证双速率周期流探测数据包列的有效性，实施例建立在可调控、可重复的环境下，如图3所示，并且可以对链路和负载进行调节。链路长度为7(H＝7)，网络拓扑结构如图3。网络路径两端设有发送端和接收端，发送端交替发送普通的CBR1数据包列和设定了特定TTL值的CBR2数据包列。tl1为链路1，tl2为链路2。
如果没有具体说明，每一条链路的背景流都有10个服从Pareto分布的数据源生成。其中a＝1.5，突发时间为2s，空闲时间为1s。背景流数据包大小和分布如下，其中40％的数据包大小为40B，50％为550B，余下10％为1500B。可以通过调节每条链路生成的负载来控制可用带宽的瓶颈。
实施例1：恒定比特率背景流下的实施方式
将l₄容量设定为2Mbps，其他链路的容量均为10Mbps，通过注入背景流，使得每条链路的利用率达到60％，因此，瓶颈链路为l₄。
步骤1：使用周期流技术，测得待测路径的可用带宽最小上界和最大上界。
步骤2：基于测得的路径可用带宽域构建双速率周期流。即在发送端，利用两个CBR(恒定比特率)发送源交替发送两组数据包列S1和S2。根据双速率周期流探测数据包列的构造特性，这两组数据包列交替发送，即在相同的时间间隔内，S1发送一个数据包，然后S2再发送一个数据包，如此反复。
步骤3：使用发送源生成恒定比特率的网络负载(如图4所示)。实验结果表明，当TTL＝4时，OWD显示了增长趋势，而当TTL＝3时并没有增长趋势。从而找到了链路瓶颈为l₄。
实施例2：Pareto背景流下的实施方式
将l₄容量设定为2Mbps，其他链路的容量均为10Mbps，通过注入背景流，使得每条链路的利用率达到60％，因此，瓶颈链路为l₄。
步骤1：使用周期流技术，测得待测路径的可用带宽最小上界和最大上界。
步骤2：基于测得的路径可用带宽域构建双速率周期流。即在发送端，利用两个CBR(恒定比特率)发送源交替发送两组数据包列S1和S2。根据双速率周期流探测数据包列的构造特性，这两组数据包列交替发送，即在相同的时间间隔内，S1发送一个数据包，然后S2再发送一个数据包，如此反复。
步骤3：使用发送源生成Pareto网络负载(如图5所示)，当TTL＝4时，OWD显示了增长趋势，而当TTL＝3时并没有增长趋势。从而找到了链路瓶颈为l₄。