專利名稱：基于穩(wěn)定采樣序列的網(wǎng)絡(luò)路徑帶寬測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)路徑帶寬測量方法，確切地說涉及一種基于穩(wěn)定采樣序列，測量結(jié)果準(zhǔn)確、消耗CPU和內(nèi)存等資源低的網(wǎng)絡(luò)路徑帶寬測量方法。
技術(shù)背景網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要了解互聯(lián)網(wǎng)的帶寬情況來指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)和擴(kuò)充容量等規(guī)劃工作；同時，互聯(lián)網(wǎng)的許多應(yīng)用也需要了解網(wǎng)絡(luò)帶寬特性來優(yōu) 化其應(yīng)用的性能。因此，網(wǎng)絡(luò)路徑帶寬測量技術(shù)對于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和網(wǎng)絡(luò)應(yīng) 用有著非常重要的意義，它在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、設(shè)備研制和下一代網(wǎng)絡(luò)新生業(yè)務(wù) 中有著廣泛的應(yīng)用。人們發(fā)明了各種方法對路徑帶寬進(jìn)行測量，如VPS, SLOPS ， Packet Pair 等等。在基于TCP協(xié)議的帶寬測量中，目前采用的主要是包對(PacketPair) 方法及其變種。包對的測量方式不需要網(wǎng)絡(luò)中路由器協(xié)作， 一般通過受測網(wǎng)絡(luò)路徑兩 端的兩臺主機(jī)來完成測量任務(wù)，其中一臺主機(jī)A發(fā)送測量數(shù)據(jù)包，另一臺 主機(jī)B接受測量數(shù)據(jù)包。其基本原理如下為了測量兩點之間如果主機(jī)A 到主機(jī)B之間的路徑帶寬，先從主機(jī)A連續(xù)發(fā)送兩個長度相等(都為L) 的報文到主機(jī)B，在主機(jī)B上記錄這兩個報文到達(dá)的時間差A(yù)T，則路徑帶 寬PB可以表示為L/AT。 PB表示了實際路徑帶寬的一個測量結(jié)果(稱為 采樣)，將多個PB采樣結(jié)果取其均值，就可以獲得對主機(jī)A到主機(jī)B實 際路徑帶寬的最終估計結(jié)果。盡管原理非常簡單，但是包對測量有著相當(dāng)大的技術(shù)難度，上述原理 是在假定網(wǎng)絡(luò)中沒有背景流量下獲得的。但是，網(wǎng)絡(luò)中總是存在著背景流 量，即其他正常業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包。由于背景流量的影響，上述包對測量方法 所測得的路徑帶寬存在著很大的誤差，有研究發(fā)現(xiàn)多個探測包對得出的測 量結(jié)果呈現(xiàn)多峰態(tài)分布，并指出是背景流量的多模態(tài)引起了多峰現(xiàn)象。特 別是在網(wǎng)絡(luò)擁塞程度較高的情況下，不同測量采樣之間的差異將會非常明 顯，導(dǎo)致測量結(jié)果無法真實代表網(wǎng)絡(luò)的真實路徑帶寬。為了濾除背景流量對測量結(jié)果帶來的影響，目前，國內(nèi)外主要采用兩 種技術(shù)密度估計技術(shù)和基于接收/發(fā)送帶寬比率的過濾技術(shù)。但這兩種方 '法都要求測量主機(jī)保存所有的測量采樣，然后按照比較復(fù)雜的統(tǒng)計算法在 有測量采樣中反復(fù)進(jìn)行統(tǒng)計和比較操作，因此必然會大量消耗測量主機(jī) 的CPU和內(nèi)存資源，不適合于大規(guī)模流量下對多個網(wǎng)絡(luò)路徑的并發(fā)實時測 量。
公開號為CN154527，申請日為2003年11月19日的中國專利文獻(xiàn)公 開了一種端到端的網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶寬測量方法，該專利文獻(xiàn)具體公開了以下技術(shù)方案包括下述步驟A.初步估算三個測量參數(shù)受測網(wǎng)絡(luò)路徑的環(huán)回時延RTT，帶寬測量精度范圍BIN和一個比真實值偏小的瓶頸帶寬左界值； B.發(fā)送端發(fā)送多組不同包長的測量數(shù)據(jù)包對，接收端收到測量數(shù)據(jù)包對后， 記錄存儲測量數(shù)據(jù)，并發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答；C.接收端分別按不同包長和不同序號把測量數(shù)據(jù)分組，兩兩交織進(jìn)行矩形呈現(xiàn)處理，獲得多幅測量樣值矩形 分布圖，然后根據(jù)所有分布圖中峰的位置分布情況，利用挑峰和濾峰操作 找出相對固定的成峰位置，得出瓶頸帶寬測量結(jié)果值。該專利與現(xiàn)有技術(shù) 相比，該方法能比較準(zhǔn)確地測出路徑帶寬，但由于找出相對固定的成峰位 置采樣需要仍然必須保留所有的采樣，才能夠得到最終的路徑帶寬值，從
而仍然需要占用大量的CPU和內(nèi)存資源。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于穩(wěn)定采樣序列的網(wǎng)絡(luò)路 徑帶寬測量方法，與現(xiàn)有的各種測量方法、工具相比，本發(fā)明采用穩(wěn)定序 列過濾方法，濾除了大量不穩(wěn)定的測量采樣序列，使剩余的采樣具有較高 的穩(wěn)定程度，測量結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確地反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的真實帶寬；同時，本發(fā) 明濾除了大量不穩(wěn)定的測量采樣序列，只需保留最近的幾個采樣序列就可 以判斷下一采樣是否是穩(wěn)定采樣，與傳統(tǒng)的必須保留所有采樣才能夠得到 最終結(jié)果的估計方法相比，大大節(jié)省了 CPU和內(nèi)存資源。
本發(fā)明釆用的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的 一種基于穩(wěn)定采樣序列的網(wǎng)絡(luò) 路徑帶寬測量方法，其步驟如下A、 選擇兩臺主機(jī)， 一臺為主機(jī)A， 一臺為主機(jī)B;B、 選擇測量點，在主機(jī)A和主機(jī)B之間的網(wǎng)絡(luò)路徑上選擇一測量點C;C、 傳送測量數(shù)據(jù)包對，主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)送請求數(shù)據(jù)包，主機(jī)B發(fā) 送回應(yīng)并向A發(fā)送數(shù)據(jù)；D、 數(shù)據(jù)分析，在測量點C處抓取從主機(jī)A到達(dá)測量點C的數(shù)據(jù)流分 組，把兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)包稱為一個包對，包括DATA1和DATA2兩個數(shù)據(jù) 包，其中DATA1到達(dá)測量點C的時間為T0， DATA2到達(dá)測量點C的時 間為Tl， T0和Tl之間的間隔AT-T1-T0，定義DATA1的長度為L，則主 機(jī)B與C之間的路徑帶寬為HPBb=L/AT;在測量點C處抓取從主機(jī)A到 達(dá)測量點C的數(shù)據(jù)包，同樣把兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)包稱為一個包對，也包括 DATA1和DATA2兩個數(shù)據(jù)包，其中DATA1到達(dá)測量點C的時間為T0， DATA2到達(dá)測量點C的時間為TI， T0和Tl之間的間隔AT-T1-T0，定義 DATA1的長度為L，則主機(jī)A與C之間的路徑帶寬為HPBa=L/AT;E、濾除不穩(wěn)定采樣，將步驟D中獲得的n個采樣HPBa作為一個采 樣序列，比較任意兩個相鄰采樣之間的偏差比例d叫HPBai- HPBai-l|/ (HPBai + HPBai-l),定義d的絕對值小于0.2，表示所述兩個相鄰采樣差異 不大，那么這兩個相鄰采樣被認(rèn)為是穩(wěn)定的采樣，被保留，如果所得結(jié)果 d的絕對值大于或等于0.2，則表示這兩個相鄰采樣為不穩(wěn)定的采樣，被濾 除，n個采樣被濾除后剩下m個穩(wěn)定采樣，將這m個穩(wěn)定采樣取平均值， 獲得HPBa的相對精確測量值；同理，將步驟D中獲得的n個采樣HPBb 作為 一 個采樣序列，比較任意兩個相鄰采樣之間的偏差比例 d叫HPBbi-HPBbi-11/ (HPBbi+HPBbi-1),定義d的絕對值小于0.2，表示所 述兩個相鄰采樣差異不大，那么這兩個相鄰采樣被認(rèn)為是穩(wěn)定的采樣，被 保留，如果所得結(jié)果d的絕對值大于或等于0.2，則表示這兩個相鄰采樣 為不穩(wěn)定的采樣，被濾除，n個采樣被濾除后剩下m個穩(wěn)定采樣，將這m 個穩(wěn)定采樣取平均值，獲得HPBb的相對精確測量值；F、獲得最終相對精確測量值，取步驟E所得的相對精確測量值HPBa 和HPBb之間的最小值，則獲得主機(jī)A和主機(jī)B之間的實際路徑帶寬。所述的數(shù)據(jù)流為根據(jù)TCP協(xié)議類型傳輸?shù)腡CP數(shù)據(jù)流，或包括TCP 數(shù)據(jù)流和以其他協(xié)議類型傳輸?shù)钠渌麛?shù)據(jù)流。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、 與現(xiàn)有的各種測量方法、工具相比，本發(fā)明采用穩(wěn)定序列過濾方 法，濾除了大量不穩(wěn)定的測量采樣序列，使剩余的采樣具有較高的穩(wěn)定程 度，測量結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確地反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的真實帶寬。2、 由于本發(fā)明穩(wěn)定采樣序列的分析方法不需要保留所有的測量采樣， 只需要保留最近的幾個釆樣就可以判斷下一采樣是否是穩(wěn)定采樣，而傳統(tǒng) 的統(tǒng)計方法、核心密度估計方法必須保留所有采樣，才能夠從中計算出密 度最高的采樣值，因此，與傳統(tǒng)方法相比，本方法在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下， 可以節(jié)省大量的CPU和內(nèi)存資源。


圖1為在主機(jī)A和主機(jī)B之間設(shè)置測量點C并數(shù)據(jù)分析的位置結(jié)構(gòu) 示意2為網(wǎng)絡(luò)中多種類型流量存在時測得的不同的AT示意3為未經(jīng)過過濾的采樣序列4為未過濾序列對應(yīng)的帶寬分布5為濾除不穩(wěn)定采樣序列后的采樣序列6為過濾后序列對應(yīng)的帶寬分布圖具體實施方式
. ^ 實施例1
在實驗中我們發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，密度最大的采樣往往不能 代表真實的路徑帶寬，而相對穩(wěn)定的采樣序列才是真實有效的。因此，應(yīng) 當(dāng)將一段時間內(nèi)的采樣結(jié)果作為序列進(jìn)行研究，取出穩(wěn)定性較高的序列作 為有效序列，并且在最終測量結(jié)果中占有較高的權(quán)重。本方案的目標(biāo)是測量互聯(lián)網(wǎng)中兩臺主機(jī)之間的路徑帶寬，采用如下方法A、 選擇兩臺主機(jī)， 一臺稱為主機(jī)A， 一臺稱為主機(jī)B;B、 選擇測量點，測量點C位于主機(jī)A和主機(jī)B之間，則只要估算出A到C之間的路徑帶寬就可知道A與B之間的帶寬。C、 在測量點C抓取從主機(jī)A通往主機(jī)B的網(wǎng)絡(luò)流量。A和B之間的 通信包括很多內(nèi)容，由于目前網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用最多的是TCP協(xié)議，因此只選擇 TCP數(shù)據(jù)流作為觀測對象，將TCP數(shù)據(jù)流看作從主機(jī)A到主機(jī)B路徑上 的所有流量，在C點抓取從主機(jī)A到達(dá)測量點的每個TCP分組，通過對 TCP分組進(jìn)行分析操作來得到路徑的帶寬。如圖l，主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)送 請求數(shù)據(jù)包，主機(jī)B發(fā)送回應(yīng)并向A發(fā)送數(shù)據(jù)，在測量點C將路徑上的 所有數(shù)據(jù)包抓獲，通過對這些數(shù)據(jù)包的分析，來計算主機(jī)A到主機(jī)B路徑 上的帶寬。D、 網(wǎng)絡(luò)上的TCP報文都是連續(xù)發(fā)送的，并且往往單向發(fā)送盡量多的 報文，然后等待對方的確認(rèn)，因此網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)常出現(xiàn)順序連續(xù)的TCP分組， 把兩個連續(xù)的TCP分組稱為一個包對(Packet Pair),如圖1所示的DATA1 與DATA2， DATA1分組到達(dá)測量點C的時間為TO, DATA2分組到達(dá)測量 點C的時間為T1， 二者間隔AT-T1-T0，如果DATA1分組的長度為L，則 B與C點之間的路徑帶寬可以表示為HPBb=L/AT ，當(dāng)A與B之間的路 徑不存在其他類型流量的情況下，HPBb就是B與C之間的路徑帶寬。同 理可以獲得A與C之間的路徑帶寬HPBa,即在測量點C處抓取從主機(jī)A 到達(dá)測量點C的數(shù)據(jù)流分組，把兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)流稱為一個包對，包對 DATA1到達(dá)測量點C的時間為TO,包對DATA2到達(dá)測量點C的時間為 Tl， TO和Tl之間的間隔AT-T1-T0，定義DATA1的長度為L，則主機(jī)A 與C之間的路徑帶寬為HPBa=L/AT;取HPBa和HPBb中間的最小值，就 可以獲得A點和B點之間的路徑帶寬PB。 ，E、 當(dāng)然，前面講的是較理想的情況，在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中，往往不可能沒 有其他類型流量的存在，因此針對不同包對測得的AT值都會不一樣。如圖 2所示。由此帶來的結(jié)果是HPBa的多個采樣值(HPBal…n)存在不同程度 的差異，同樣HPBb的多個采樣值(HPBal…n)之間也存在差異。為了從不同采樣中找出最能夠反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)真實帶寬的釆樣值，本方案采 用"穩(wěn)定采樣序列"方法來篩除不穩(wěn)定的釆樣。具體方法為將n個采樣(HPBal…n)作為一個采樣序列，比較任意
兩個相鄰采樣之間的偏差比例d=(HPBai-HPBai-l)/(HPBai + HPBai-l)，如 果d的絕對值小于某個閾值(0.2)，表示這兩個相鄰的采樣差異不大，那 么這兩個采樣被認(rèn)為是穩(wěn)定的采樣，被保留，否則會被篩除。經(jīng)過一輪篩 選之后，n個采樣只剩下m個穩(wěn)定采樣(nK^)，將這m個采樣(HPBal…m) 取平均值，可獲得HPBa的相對精確估計。例如，某采樣序列(HPBal…4 )的值依次為(67Mbps,32Mbps,88Mbps,81Mbps)，采用"穩(wěn)定采樣序列方法"進(jìn)行過濾 時，計算HPBal禾a HPBa2之間的偏差比為d=|67-32|/(67+32)=0.35>0.2， 說明前兩個采樣測得的結(jié)果是不穩(wěn)定的，應(yīng)當(dāng)被篩除；而計算HPBa3和 HPBa4之間的偏差比為<1叫81-88|/(81+88)=0.04<0.2，說明這兩個相鄰采樣 的結(jié)果較為穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)被保留。由此，經(jīng)過本方法過濾之后的采樣序列為(88Mbps,81Mbps)。同理可獲得HPBb的精確估計，即將步驟D中獲得的n個采樣HPBb 作為一個采樣序列，比較任意兩個相鄰采樣之間的偏差比例d=(HPBbi-HPBbi-l) / (HPBbi+HPBbi陽l),定義d的絕對值小于0.2，表示 所述兩個相鄰采樣差異不大，那么這兩個相鄰采樣被認(rèn)為是穩(wěn)定的采樣， 被保留，如果所得結(jié)果d的絕對值大于或等于0.2，則表示這兩個相鄰采 樣為不穩(wěn)定的采樣，被濾除，n個采樣被濾除后剩下m個穩(wěn)定采樣，將這 m個穩(wěn)定采樣取平均值，獲得HPBb的相對精確測量值。F、取HPBa禾P HPBb的最小值，可獲得A和B之間的實際路徑帶寬。 實施例2實驗驗證已知A、 B兩點之間的路徑帶寬為100Mbps (該網(wǎng)絡(luò)路徑已經(jīng)承載了 大量網(wǎng)絡(luò)流量，已經(jīng)高度擁塞)，在AB之間部署測量點C，顯然，主機(jī)A 到測量點C之間的路徑帶寬HPBa也是1 OOMbps 。在測量點C監(jiān)視A發(fā)送給B的TCP數(shù)據(jù)流(可以通過FTP文件傳輸 等方式產(chǎn)生該數(shù)據(jù)流)，其中，可以觀測到多個連續(xù)的TCP包對(Packet Pair),根據(jù)每個包對，可以計算出一個HPBa路徑帶寬HPBa=L/AT，其 中L為TCP包對中第一個數(shù)據(jù)包的長度，AT為包對中兩個包到達(dá)C點的 時間間隔。經(jīng)過以上計算，產(chǎn)生了一個測量采樣。在測量過程中， 一共獲得520個采樣(HPBal…HPBa520)。如下表 采樣序號 采樣值(單位Mbps)1 0.152902882 79.027027033 0.0942093774 36.66457685 92.094488196 0.274773293
724.5714285780.299023368954.65420561100.162370025110.091637743120.0912047041387.939849621492.8253968315248.8510638160.075333157170.163961084180.1565184811939.513513512068.800000002163.912568312287.28358209230.171563522采樣序列分布如圖3?？梢?，大量的采樣位于0—10Mbps之間，如果采用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法或核 心密度方法，統(tǒng)計得到的HPBa帶寬僅為10Mbps，與實際值相差很遠(yuǎn)。采用本方案的穩(wěn)定序列過濾方法，過濾掉大量不穩(wěn)定的采樣，最終保 留的穩(wěn)定采樣數(shù)量IIO個，如圖5。對以上采樣取平均值，得到HPBa=97Mbps，能夠比較精確地反應(yīng)A 到C的真實路徑帶寬?？梢姡痉桨笢y量精確度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。
權(quán)利要求
1、一種基于穩(wěn)定采樣序列的網(wǎng)絡(luò)路徑帶寬測量方法，其特征在于步驟如下A、選擇兩臺主機(jī)，一臺為主機(jī)A，一臺為主機(jī)B；B、選擇測量點，在主機(jī)A和主機(jī)B之間的網(wǎng)絡(luò)路徑上選擇一測量點C；C、傳送測量數(shù)據(jù)包對，主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)送請求數(shù)據(jù)包，主機(jī)B發(fā)送回應(yīng)并向A發(fā)送數(shù)據(jù)；D、數(shù)據(jù)分析，在測量點C處抓取從主機(jī)A到達(dá)測量點C的數(shù)據(jù)流分組，把兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)包稱為一個包對，包括DATA1和DATA2兩個數(shù)據(jù)包，其中DATA1到達(dá)測量點C的時間為T0，DATA2到達(dá)測量點C的時間為T1，T0和T1之間的間隔ΔT＝T1-T0，定義DATA1的長度為L，則主機(jī)B與C之間的路徑帶寬為HPBb＝L/ΔT；在測量點C處抓取從主機(jī)A到達(dá)測量點C的數(shù)據(jù)包，同樣把兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)包稱為一個包對，也包括DATA1和DATA2兩個數(shù)據(jù)包，其中DATA1到達(dá)測量點C的時間為T0，DATA2到達(dá)測量點C的時間為T1，T0和T1之間的間隔ΔT＝T1-T0，定義DATA1的長度為L，則主機(jī)A與C之間的路徑帶寬為HPBa＝L/ΔT；E、濾除不穩(wěn)定采樣，將步驟D中獲得的n個采樣HPBa作為一個采樣序列，比較任意兩個相鄰采樣之間的偏差比例d＝|HPBai-HPBai-1|/(HPBai+HPBai-1)，定義d的絕對值小于0.2，表示所述兩個相鄰采樣差異不大，那么這兩個相鄰采樣被認(rèn)為是穩(wěn)定的采樣，被保留，如果所得結(jié)果d的絕對值大于或等于0.2，則表示這兩個相鄰采樣為不穩(wěn)定的采樣，被濾除，n個采樣被濾除后剩下m個穩(wěn)定采樣，將這m個穩(wěn)定采樣取平均值，獲得HPBa的相對精確測量值；同理，將步驟D中獲得的n個采樣HPBb作為一個采樣序列，比較任意兩個相鄰采樣之間的偏差比例d＝|HPBbi-HPBbi-1|/(HPBbi+HPBbi-1)，定義d的絕對值小于0.2，表示所述兩個相鄰采樣差異不大，那么這兩個相鄰采樣被認(rèn)為是穩(wěn)定的采樣，被保留，如果所得結(jié)果d的絕對值大于或等于0.2，則表示這兩個相鄰采樣為不穩(wěn)定的采樣，被濾除，n個采樣被濾除后剩下m個穩(wěn)定采樣，將這m個穩(wěn)定采樣取平均值，獲得HPBb的相對精確測量值；F、獲得最終相對精確測量值，取步驟E所得的相對精確測量值HPBa和HPBb之間的最小值，則獲得主機(jī)A和主機(jī)B之間的實際路徑帶寬。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穩(wěn)定采樣序列的網(wǎng)絡(luò)路徑帶寬測量方 法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)流為根據(jù)TCP協(xié)議類型傳輸?shù)腡CP數(shù)據(jù)流， 或包括TCP數(shù)據(jù)流和以其他協(xié)議類型傳輸?shù)钠渌麛?shù)據(jù)流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于穩(wěn)定采樣序列的網(wǎng)絡(luò)路徑帶寬測量方法，包括選擇主機(jī)、選擇測量點、主機(jī)之間傳送測量數(shù)據(jù)包對，對數(shù)據(jù)包對進(jìn)行分析，濾除不穩(wěn)定采樣以及獲得最終相對精確測量值等步驟，與現(xiàn)有的各種測量方法、工具相比，本發(fā)明采用穩(wěn)定序列過濾方法，濾除了大量不穩(wěn)定的測量采樣序列，使剩余的采樣具有較高的穩(wěn)定程度，測量結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確地反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的真實帶寬。
文檔編號H04L12/56GK101110714SQ20071004979
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日
發(fā)明者翔 張, 定 李, 汪文勇, 黃鸝聲 申請人:電子科技大學(xué)