专利名称：基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法
技术领域：
本发明涉及网络性能测量领域，特别涉及一种基于单包列同时进行可用带宽测量 与紧链路定位的方法。
背景技术：
可用带宽指在不影响背景流传输速率的情况下，链路还能为其他流提供的最大数 据传输速率。各段链路中可用带宽最小的链路称为这条路径的紧链路(Tight Link)。紧链 路的可用带宽也就是这段路径的可用带宽。端到端路径可用带宽是动态描述网络路径传输 能力的重要参数，它能有效评估一条网络路径的实际承载能力和性能优劣。可用带宽和紧 链路状况反映网络性能状况，对于监测网络性能、诊断网络运行状况、优化网络性能具有重 要意义。可用带宽测量和紧链路定位对于拥塞控制、路由选择、流媒体应用、服务器的动态 选择及服务质量(QoQ验证等应用具有重要意义。根据探测方式的不同，目前的可用带宽测量方法可分为包对法、包列法及基于模 型的可用带宽测量方法。包对技术(Packet Pairs)利用包对在传输过程中的时间间隔 (Dispersion Time)的变化来估计可用带宽。包对技术衍生出了很多的算法和工具，如 Spruce、IGI、Delphi、LinkPPQ等。包对技术测量可用带宽需基于紧链路和窄链路为同一链 路的假设，该假设不成立时测量误差可能很大。包列技术通过发送一列或多列探测包得到 可用带宽值，其原理是通过自负载的方法发送数据包使路径拥塞，通过分析包列中探测包 的单向时延变化来估计可用带宽值。采用包列技术的典型方法有Pathload、PathChirp, PTR,、YAZ、abget等。包列技术测量可用带宽的健壮性和稳定性比较强，但测量负载往往比 较大。基于模型的测量方法也是可用带宽测量领域的一个重要方向，基本思想是将复杂的 网络进行简化建模，通过发送少量的探测流收集路径信息后结合模型估测路径可用带宽， 该方法对网络本身状态和背景流影响较小，但当模型不能准确刻画流量特征时，测量精度 将难以保证。目前比较著名的紧链路定位方法有BFind，DRPS，STAB，Pathneck。BFind方法是通 过连续发送UDP数据流导致网络拥塞，并从traceroute测得的每条链路的往返时延(RTT) 中推算紧链路位置。然而，BFind方法在一次定位过程中产生大量负载包，其入侵度不容忽 视。DRPS方法是将数据包周期流性质与数据包挡板原理相结合，通过改变速率的切换时间 来控制链路拥塞，在接收端通过拥塞识别技术来定位紧链路，它的缺点在于依赖于可用带 宽测量，致使其定位精度直接受到可用带宽测量精度的影响。STAB方法通过测量子路径的 可用带宽来进行紧链路定位，但它用pathChirp算法估计子路径可用带宽，测量精度不高 且健壮性不足，从而影响紧链路定位精度。I^thneck方法采用了递归包列(RPT)技术确定 紧链路的位置，它无需知道子路径或整条路径的可用带宽，便可以得到比较准确的定位结 果，但它基于ICMP协议，若路径上的节点不开启ICMP功能则无法定位紧链路。此外，有一种基于紧链路定位的可用带宽测量的方法I^athtrait，它先定位出紧链 路，再测量紧链路处的链路可用带宽。Pathtrait同I^thneck—样需要路径上的节点开启ICMP功能，其可用带宽测量依赖于紧链路定位结果，若紧链路定位错误，则可用带宽测量结 果将直接受到影响。尽管存在多种定位紧链路的方法和测量可用带宽的方法，但仅有STAB在紧链路 定位过程中可以同时得到可用带宽测量值。不过由于STAB采用pathChirp算法估计子路径 可用带宽，测量精度不高且健壮性不足，致使可用带宽测量精度和紧链路定位精度都不高， 且STAB需多次发送探测包列才能完成一次测量，其测量负载较大，测量时间较长。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的 方法。为了达到上述目的，本发明提出的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定 位的方法，包括1)发送端基于待测路径的长度以背靠背方式发送多个TTL(Time to live) 域值逐步增加的第一定位包，其中，最大的TTL域值不小于所述待测链路的节点数目η; 2)发送端在发送完最后一个第一定位包后，持续以背靠背方式发送多个TTL域值不小于 η的负载包，且各负载包的目的端口被设置为不可达端口，以便能触发目的节点端反馈回 DUdCMP destination-unreachable)包；幻发送端在发送完最后一个负载包后，持续再以 背靠背方式发送多个TTL域值逐步递减的第二定位包，其中，各第二定位包的TTL域值分别 与一第一定位包的TTL域值相同；4)发送端在发送完最后一个第二定位包后，再以递减的 速率发送多个TTL域值为η的降速包，且降速包的目的端口被设置为不可达端口，以便也能 触发目的节点端反馈回DU包；5)发送端接收由所述待测链路的各节点基于相应的第一定 位包和第二定位包反馈回的各TE(ICMP time-exceeded)包以及由目的节点端基于各负载 包及降速包反馈回的DU包；6)发送端基于接收到的TTL域值相等的第一定位包和第二定 位包各自对应的TE包的接收时间来确定包列经过相应链路的延展状况，进而根据预定阈 值定位紧链路；7)发送端基于发送各负载包及降速包的发送时间、以及接收到各负载包及 降速包相对应的DU包的接收时间，计算各包所测得的往返时延；8)发送端基于各包所测得 的往返时延确定开始保持恒定的往返时延所对应的降速包；9)发送端计算所确定的降速 包发送时包列的平均发送速率作为可用带宽的测量值。综上所述，本发明所述的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法 只需通过发送一条包列，即可实现紧链路定位和可用带宽的测量。
图1为本发明所述的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法的 流程图。图2为本发明所述的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法所 发送的包列示意图。图3为本发明所述的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法所 计算出的往返时延示意图。图4为仿真实验所采用的恒定背景流实验拓扑图。图5为仿真实验所采用的突发背景流实验拓扑图。
具体实施例方式请参阅图1，本发明所述的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方 法包括以下步骤首先，在步骤Sll中，发送端基于待测链路的长度以背靠背方式发送多个TTL域值 逐步增加的第一定位包，其中，最大的TTL域值不小于所述待测链路的节点数目η。例如，如 图2所示，发送端以背靠背的方式发送TTL域值由1逐步增加至η的η个第一定位包。为 减小紧链路定位误差，第一定位包的大小应尽量小。接着，在步骤S12中，发送端在发送完最后一个第一定位包后，持续以背靠背方式 发送多个TTL域值不小于η的负载包，且各负载包的目的端口被设置为不可达端口，以便能 触发目的节点端反馈回DU包。如图2所示，发送端在发送完η个第一定位包后，即刻发送 d个负载包，每一负载包的TTL域值为η。接着，在步骤S13中，发送端在发送完最后一个负载包后，持续再以背靠背方式发 送多个TTL域值逐步递减的第二定位包；其中，各第二定位包的TTL域值分别与一第一定位 包的TTL域值相同。如图2所示，发送端以背靠背方式发送TTL域值从η逐步递减至1的 η个第二定位包，第二定位包采用与第一定位包相同大小的包。接着，在步骤S14中，发送端在发送完最后一个第二定位包后，再以递减的速率发 送多个TTL域值为η的降速包，且降速包的目的端口被设置为不可达端口，以便也能触发目 的节点端反馈回DU包。如图2所示，例如，发送端发送降速包时以指数形式逐步降低整个 探测包列的平均发送速率，例如，发送第i个降速包时包列的平均发送速率Ri为发送第i+1 个降速包时包列的平均发送速率I^1的α (α >1)倍等。接着，在步骤S15中，发送端接收由所述待测链路的各节点基于相应的第一定 位包和第二定位包反馈回的各TE包以及由目的节点端基于各负载包及降速包反馈回 的DU包。基于发送端所发送的各包的TTL域值在每经过一个中间节点后就会减1的特 性，探测包列经过待测路径的每个中间节点，都将会有一个第一定位包和一个第二定位包 因TTL域值减为0而被丢弃，从而使该中间节点向发送端反馈回2个TE包，进而，发送端 将会收到2η个来自中间节点返回的TE包。而由于各负载包和降速包的TTL域值不小 于η，且目的端口不可达，故当各负载包和降速包到达目的节点后，会触发目的节点反馈回 DU (destination-unreachable)包。故发送端会陆续接收到目的节点端反馈回的各DU包。
接着，在步骤S16中，发送端基于接收到TTL域值相等的第一定位包和第二定位包 各自对应的TE包的接收时间来确定包列经过相应链路后的延展状况，进而根据预定阈值 定位紧链路。例如，发送端将接收到2η个来自中间节点返回的TE包，而来自同一个节点的 先后到达的2个TE包(即根据第一定位包反馈的TE包和根据第二定位包反馈回的TE包) 的时间间隔即为包列经过该节点前一跳路径后的包列长度，根据η个节点返回的η对TE包 可以得到包列经过每段链路后的包列长度，即可知道包列经过每条链路后的延展情况，随 后，发送端将延展超过预定阈值的最后一跳链路定位为待测路径的紧链路。 接着，在步骤S17中，发送端基于各负载包及降速包的发送时间、以及各负载包及 降速包相对应的DU包的接收时间，计算各包所测得的往返时延。例如，发送端在12:30:00 发送了第i个负载包，在12 30 05接收到目的节点基于第i个负载包反馈回的DU包，故发送端可计算出第i个负载包的包往返时延为12:30:05-12:30:00 = 5秒钟。接着，在步骤S18中，发送端根据各包所测得的往返时延确定开始保持恒定的往 返时延所对应的降速包。由于包列的发送方式是先背靠背地发送一些负载包，这些包在紧 链路不断堆积，排队时延不断增加，致使后面发送的降速包的排队时延也将逐渐增加，从而 往返时延也逐渐增加。当包列的平均发送速率下降到一定程度时，紧链路处的缓冲区中数 据包的堆积情况逐渐缓解，探测包的排队时延逐渐减小，从而往返时延也逐渐减小，当某个 探测包到达紧链路时拥塞恰好消除，那么从该包开始的各探测包所测得的往返时延将保持 不变，包列中各包所测得的往返时延变化如图3所示。由上述分析可知，发送端基于所计算 出的各往返时延的变化，可确定开始保持恒定的往返时延所对应的降速包。例如自第k个 降速包开始，计算出的往返时延基本趋于一致，故发送端可确定第k个降速包作为开始保 持恒定的往返时延所对应的降速包。接着，在步骤S19中，发送端基于所确定的降速包，计算该包发送时包列的平均速率作为可用带宽的测量值。可用带宽值avbw的计算公式如下, (d + k)· S, + 2mSn , , ^ ^avbw = ---Λ = 1,2,3...t其中，S1为负载包和降速包的大小，S2为定位包的大小，d为负载包的个数，k为往 返时延下降至恒定的降速包的序号，t为从开始发送第1个负载包到发送第k个降速包所 需要的时间，m为到达紧链路处的第一定位包的个数(到达紧链路处的第二定位包的个数 亦为m)。需要说明的是，本领域技术人员应该理解，上述各步骤的顺序并非以所示为限，事 实上，步骤S16也可以在步骤S17之后执行，还可以在步骤S18之后执行等等。一 实验验证为验证本发明的测量性能，使用网络研究领域广泛采用的NS2进行仿真实验。由 于该方法是一个端到端测量工具，因此采用只有一条线性主干路径的实验拓扑，拓扑中各 路由器均采用先进先出的调度策略，缓冲区采用队尾丢弃策略。拓扑中所有链路均为双向 对称的链路，容量均为100Mbps。1恒定背景流情况实验拓扑如图4所示，发送端Snd到接收端Rcv的路径P依次经过路由器nl，n2， n3. . . n8，背景流1为贯穿nl，n2. . . n8的恒定比特率背景流，它是一条单独的背景流；背景 流2和背景流3分别为只经过L4和L7的恒定比特率背景流，它们均由多条恒定背景流混 合而成，在实验过程中，通过设置各背景流产生和结束时间来控制L4和L7上的流量大小变 化。1. 1 一条紧链路情况在图4所示的拓扑中，设置背景流1的流量大小恒为30Mbps，设置背景流2的大 小恒为IOMbps,0-10秒背景流3的大小为40Mbps, 10-20秒背景流3的大小变为30Mbps, 20-30秒背景流3的大小变为20Mbps，包大小均为lOOObytes。这样设置后，L4上流量大小 恒为40Mbps，L7上的流量大小逐渐接近但恒大于L4上的流量大小，整个测量过程中紧链路 恒为L7，但随着L7上流量逐渐接近L4上的流量，定位紧链路的难度也逐渐加大。实验结果如表1所示，紧链路定位和可用带宽测量精确度都很高。22次测量过程确；可用带宽测量误差均很小，最大相对误差仅为2. 18%，平均相对 误差为0. 86%。实验结果说明，本发明的方法在恒定背景流单紧链路情况下，紧链路定位和 可用带宽测量精度高且健壮性强。
表1 单紧链路实验结果时间实际紧 链路紧链路 定位结 果紧链路 定位误 差可用带 宽实际 值可用带宽测 量值可用带宽 测量相对 误差1.7920737703029. 814130.62%3.0931497703029.9907720.03%4.3942147703029.9907720.03%5.6952837703029.9907720.03%6.9963497703029.9907720.03%8.2974147703029.9907720.03%9.5984837703029.9907720.03%10.8881097704040.8708322.18%12.1891747704040.8708322.18%13.4906417704040.1385170.35%14.7913097704040.8708322.18%16.0923747704040.8708322.18%17.3938417704040.1385170.35%18.6945097704040.8708322.18%19.9955747704040.8708322.18%21.2912817705049.9670550.07%22.5923747705049.7479530.50%23.8931747705050.8130081.63%25.1944817705049.9670550.07%26.4955747705049.7479530.50%27.7963747705050.8130081.63%29.0976817705049.9670550.07%平均误差0. 00%0.86%1. 2两条紧链路情况在图4所示的拓扑中，设置背景流1的大小恒为30Mbps，0-10秒背景流2和3的 大小同为30Mbps，10-20秒背景流2和3的大小均变为20Mbps，20-30秒背景流2和3的大 小均变为10Mbps，包大小均为lOOObytes。在整个测量过程中，L4和L7上的流量大小相同 且大于其他链路上的流量大小，即L4和L7同为紧链路。而pathrader每次只给出一条链 路作为定位结果，根据其算法思想应给出第一条紧链路作为定位结果，即应给出L4为正确 定位结果。在实验中设置两条紧链路上流量逐渐减小以使与它们相邻链路的流量大小逐渐 接近，从而逐渐增大紧链路定位难度，更有效地验证pathrader的性能。实验结果如表2所示，22次实验过程中2次紧链路定位错误，这两次错误定位的 结果均为第二条紧链路L7，定位相对误差为9. 09%，表现出很好的定位效果；可用带宽测 量的最大相对误差为2. 01%，平均相对误差为0. 82%，表现出很高的精确度和很强的健壮 性。
表2双紧链路实验结果时间实际紧 链路紧链路 定位结 果紧链路 定位误 差可用带 宽实际 值可用带宽测 量值可用带宽测 量误差2.2836414404039.4140221.46%3.5922044404040.2443410.61%Z1. 901944714039.4503811.37%6.2106044404040.2443410.61%Γ. 520344714039.4503811.37%8.8290044404040.2443410.61%10.1381254404040.1794720.45%11.4415934405048.9944922.01%12.7499744405050.7305191.46%14.0594114405050.098520.20%15.3683744405050.7305191.46%16.6778114405050.098520.20%17.9867744405050.7305191.46%19.2962114405050.098520.20%20.6014144406060.6181721.03%21.9107044406059.9481460.09%23.2198144406060.6181721.03%24.5291044406059.9481460.09%25.8382144406060.6181721.03%27.1475044406059.9481460.09%28.4566144406060.6181721.03%29.7659044406059.9481460.09%平均误差9. 09%0.82%2突发背景流情况实验拓扑如图5所示，链路L4上的背景流由100条符合Pareto分布的流汇集而 成，链路L7上的背景流由200条符合Pareto分布的流汇集而成，以模拟突发性的背景流， Pareto流的包大小设置为包大小为40/550/1500byteS的数据包在负载中所占的比例分 别为50%、40%、10%，Pareto分布形状参数α =1.9。这是因为多个服从参数α < 2 的Pareto分布的流聚合后表现出自相似特征。L4与L7上的包发送速率分别为20Mbps和 40Mbps，这样设置是为了 L4和L7上流量大小差异较为明显以明确紧链路位置，否则可能由 于L4与L7上背景流量的突发变化而致使紧链路位置频繁变化而难以明确测量时刻的紧链 路位置。测量结果如表3所示，22次测量过程中，出现1次定位错误，定位误差率为4. 55% ； 可用带宽测量的最大相对误差为11.2%，平均测量相对误差为3. 13%，除一次外，相对误 差均小于10%。说明突发背景下，pathrader进行紧链路定位和可用带宽测量仍表现出很 高的测量精度和很强的健壮性。表3突发背景流下实验结果实际紧 时间链路2. 2694943. 57831344.88598146.19660147.5047064 8.814878410.123482411.431711412. 7415554Γ 14.050725415.359348416.671588717.988657719.289146720.601455721.910951723.219025724.527467725.837409727.146208728.456347729.7654867平均误差二、性能分析1、测量精度本发明方法进行紧链路定位是通过找到最后一次包列延展超过一定阈值时所经 过的链路作为紧链路。由于包列经过一条链路后的延展情况受包列在该链路的输入速率、 该段链路上的背景流速率及链路容量共同影响，包列延展情况并不能作为判断紧链路的全 部依据，因此理论上定位紧链路有一定的误差，且判断阈值的选择也会影响定位精度。由于本发明中的包列的发送速率下降过程中表现出一系列不断减小的离散的值， 当待测可用带宽值在某相邻两个值之间时，必然会产生理论误差。理论误差受递减因子设 置影响，递减因子越小理论误差越小。在实际测量过程中，探测包的往返时延受反向路径上的流量大小影响，从而根据 判断往返时延开始保持恒定的包来确定可用带宽可能会产生误差，但本发明的测量时间很 短，在很短时间内反向路径上的流量大小变化很大的可能性很小，因此反向背景流变化对 测量精度产生的影响会比较小。2、测量时间本发明完成一次测量(包括紧链路定位和可用带宽测量)的时间为开始发送包列 的时间到接收到某ICMP包以确定往返时延开始保持恒定为止。本发明的测量时间受包列91 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 各结 4444444444477777777747it果 紧定紧链路 定位误带际 用实 可宽差■0.00%75.0.00%810.00%82.0.00%79.0.00%80.0.00%72.0.00%78.0.00%830.00%76.0.00%79.0.00%82.0.00%660.00%43.0.00%70.0.00%54.0.00%56.0.00%610.00%63.0.00%57.0.00%64.100.00%66.0.00%59.4.55%可用带宽测量值73. 542764 75. 37215 84.388186 75.414781 81. 580077 75. 464579 78.573587 84. 24408 79.718397 446967 955425 661499 032442 70428096 467339 800428 165366 509342 673405 638083 77417179. 82. 66. 46.58.57. 60. 63. 60. 61.58. 58.可用带宽测量误差2.06%7.45%1.90%5.67%1.41%3.73%0.43%0.87%4.32%0.67%0.56%0.88%5.62%0.43%7.98%1.00%0.78%1.08%5.02%5.04%11.20%0.77%3.13%发送速率下降速度和探测包往返时延的影响。其中包列发送速率下降速度受初始下降速率 和递减因子的设置影响。总体上，由于本发明发送一次探测包列就可完成测量，测量时间很短。3、测量负载测量负载指一次测量过程中所产生的负载量。本发明一次测量发送一条包列，该 包列的实际负载量即为测量负载。本发明的测量负载跟负载包的个数、定位包的个数、初始 下降速率、递减因子及待测可用带宽值相关。通过设置合理的参数，可使本发明的测量负载 控制在很小的范围内。4、健壮性由于本发明进行紧链路定位的时间很短，在很短的时间内路径上的背景流变化的 可能性很小，因此本发明受突发背景流影响小，健壮性强。由图3可知，包列的往返时延值 的总体变化趋势是先上升后下降至恒定，在此过程中若受到突发背景流的影响会造成上升 或下降的趋势不同。若背景流流量增加，则探测流排队加剧，往返时延下降变缓，则往返时 延开始保持恒定的包的序列号增大，所测得的可用带宽值减小；反之，若背景流流量减小， 则探测流排队减缓，往返时延下降加快，则往返时延下降至开始保持恒定的探测包的序列 号减小，所测得的可用带宽值增大。这就保证了本发明在突发背景流下进行可用带宽测量 具有较高的健壮性。综上所述，本发明的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法实现 了通过单包列在单端同时进行紧链路定位和可用带宽测量，本发明测量精度高、测量速度 快、入侵度低、健壮性强。上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉 此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发 明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
1.一种基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法，其特征在于包括1)发送端基于待测链路的长度以背靠背方式发送多个TTL(Timeto live)域值逐步增 加的第一定位包，其中，最大的TTL域值不小于所述待测链路的节点数目η ；2)发送端在发送完最后一个第一定位包后，持续以背靠背方式发送多个TTL域值不小 于η的负载包，且各负载包的目的端口被设置为不可达端口，以便能触发目的节点端反馈 回 DU(ICMP destination-unreachable)包；3)发送端在发送完最后一个负载包后，持续再以背靠背方式发送多个TTL域值逐步递 减的第二定位包，其中，各第二定位包的TTL域值分别与一第一定位包的TTL域值对应相 同；4)发送端在发送完最后一个第二定位包后，再以递减的速率发送多个TTL域值为η 的降速包，且降速包的目的端口被设置为不可达端口，以便也能触发目的节点端反馈回DU 包；5)发送端接收由所述待测链路的各节点基于相应的第一定位包和第二定位包反馈回 的各TE(ICMP time-exceeded)包以及由目的节点端基于各负载包及降速包反馈回的DU 包；6)发送端基于接收到的TTL域值相等的第一定位包和第二定位包各自对应的TE包的 接收时间来确定包列经过相应链路的延展状况，进而根据预定阈值定位紧链路；7)发送端基于发送各负载包及降速包的发送时间、以及接收到各负载包及降速包相对 应的DU包的接收时间，计算各包所测得的往返时延；8)发送端基于各包所测得的往返时延确定开始保持恒定的往返时延所对应的降速包；9)发送端计算所确定的降速包被发送时包列的平均发送速率，并将所述平均发送速率 作为可用带宽的测量值。
2.如权利要求1所述的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法，其特 征在于降速包的发送速率以指数形式递减。
3.如权利要求1所述的基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法，其特 征在于按照下式计算可用带宽值avlm
全文摘要
本发明涉及一种基于单包列同时进行可用带宽测量与紧链路定位的方法，包括如下步骤发送端发送特定探测包列至目的节点；发送端根据目的节点返回的ICMP包计算探测包列经过每段链路后的延展情况及每个探测包所测得的往返时延(RTT)；随后，发送端根据包列的延展情况定位紧链路，并确定开始保持恒定的往返时延所对应的降速包，计算该降速包发送时包列的平均发送速率作为路径可用带宽的测量值。本发明通过发送一次探测包列就可定位紧链路并测得可用带宽值，且具有测量精度高、测量速度快、入侵度低、健壮性强等优点。
文档编号H04L12/26GK102055628SQ20111000487
公开日2011年5月11日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者匡增美, 张俊生, 张大陆, 张起强, 胡治国, 谷丽丽 申请人:同济大学