專利名稱：網(wǎng)絡(luò)瓶頸檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種網(wǎng)絡(luò)瓶頸檢測方法。
背景技術(shù)：
檢測網(wǎng)絡(luò)瓶頸并對結(jié)果進行分析，可以清楚地了解網(wǎng)絡(luò)中各個組件運行情況，同時可以將異常組件的運行狀況反映給用戶，在改進網(wǎng)絡(luò)性能、提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量方面為用戶提供依據(jù)和合理的建議。因此，對網(wǎng)絡(luò)瓶頸進行相關(guān)分析和研究在網(wǎng)絡(luò)性能管理的探索中扮演著愈發(fā)重要的角色，研究并創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)瓶頸分析算法對提高網(wǎng)絡(luò)整體性能的作用舉足輕重。在眾多性能特征中，帶寬、延遲和丟包率是網(wǎng)絡(luò)性能管理中最常用的三個重要指標(biāo)， 也是產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)瓶頸的三個主要因素。所以現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)瓶頸研究主要集中在三個方面，分別是帶寬瓶頸測量、延遲瓶頸測量和鏈路丟包率的測量。下面分別介紹。1.帶寬瓶頸檢測技術(shù)帶寬瓶頸具體是指限制數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)鏈路中傳播的能力的帶寬大小，可以分為鏈路帶寬瓶頸測量和可用帶寬瓶頸測量，通常把對鏈路帶寬瓶頸的測量稱為瓶頸帶寬的測量。目前對于鏈路帶寬瓶頸的測量主要采用帶寬測量的方法，主要分為兩類一類是單包測量方法，基本思想是根據(jù)數(shù)據(jù)包大小與傳輸時延的線性關(guān)系而提出的可變包大小的測量方法進行測量，該方法主要利用不同大小的包的各種最小延遲求逐條鏈路的帶寬然后比較最小帶寬，其主要測量工具有I^athchaiNPchaiNClink和Bing等；另一類方法是包對測量方法，基本思想是利用基于背靠背的數(shù)據(jù)包對的時延間隔和帶寬關(guān)系而提出的包對測量方法(Packet Pair/Train Dispersion, PPTD)測量鏈路帶寬，該方法背靠背發(fā)送兩個或多個數(shù)據(jù)包，根據(jù)背靠背數(shù)據(jù)包由于排隊形成的間隔估計瓶頸帶寬，主要測量工具有Sprobe， Pathrate, TCPanaly 禾口 Nettimer0可用帶寬瓶頸的檢測技術(shù)主要分為兩類，即包速率方法PRM與包間隔方法PGM。 PRM是基于“自引入阻塞”概念的一個測量模型，基本思想是通過發(fā)送不同速率的數(shù)據(jù)包所成的線性關(guān)系推導(dǎo)出鏈路的可用帶寬，典型的測量工具為I^athload。PGM的基本思想是運用數(shù)據(jù)包隊列在瓶頸鏈路中傳播時間差值與數(shù)據(jù)包長度的比值來推斷可用帶寬，相關(guān)測量工具有SpruCe、IGI和Delphi。目前最新的可用帶寬瓶頸檢測技術(shù)是Cprobe，它通過傳輸較短的ICMP數(shù)據(jù)包隊列來估計可用帶寬。帶寬瓶頸檢測技術(shù)方面的專利技術(shù)中，申請?zhí)枮?00310113676. 3的中國專利申請公開了一種端到端的網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶寬測量方法，包括下述步驟1.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；2.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；3.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。
2.延遲瓶頸檢測技術(shù)網(wǎng)絡(luò)延遲是網(wǎng)絡(luò)性能的重要屬性之一，它包括排隊延遲、傳輸延遲和傳播時延等三個部分。在端到端的測量中，數(shù)據(jù)包經(jīng)過路由器節(jié)點構(gòu)成的序列中最大延遲所在的路徑定位為端到端的延遲瓶頸，該鏈路的延遲的大小定位為延遲瓶頸的大小。對于延遲瓶頸，國內(nèi)外的研究成果都比較少，但隨著語音通訊網(wǎng)絡(luò)、視頻流媒體網(wǎng)絡(luò)等實時性要求很高的應(yīng)用的逐漸普及和流行，延遲瓶頸的研究會得到愈來越多的關(guān)注。 目前已有的主要研究如下J. C. Bolot利用周期性發(fā)送UDP包的方式測量往返延遲，分析了 Internet中的端到端的包延遲和丟失行為。S. B. Moon在1998年研究了在一個連續(xù)的媒體流中包延遲和包丟失之間的相關(guān)性。G. Almes等人在1999年分別對單向延遲和往返延遲概念和測量方法做了詳細(xì)的介紹。申請?zhí)枮?00710074656. 8的中國專利申請公開了一種多媒體終端音頻延遲的測定方法，可以發(fā)現(xiàn)音頻延遲瓶頸。具體步驟包括1.完成多媒體終端和與之互通的媒體設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)部署后，設(shè)置所述多媒體終端內(nèi)部的測試點以及外部的監(jiān)測點；2.所述多媒體終端交互平穩(wěn)后，提取出所述多媒體終端內(nèi)部的各測試點以及外部的各監(jiān)測點的音頻數(shù)據(jù)； 3.分別讀取所述多媒體終端內(nèi)部的各測試點以及外部的各監(jiān)測點的音頻數(shù)據(jù)，并且分別根據(jù)所述音頻數(shù)據(jù)做出音頻延遲估計。3.丟包率瓶頸檢測技術(shù)丟包率是體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路性能的重要因素，它直接關(guān)系到用戶對網(wǎng)絡(luò)使用的直觀感受。對丟包率的網(wǎng)絡(luò)瓶頸目前已經(jīng)有了一定的研究，尤其是對于UDP網(wǎng)絡(luò)中的丟包率瓶頸檢測方面的研究有了很大的進展。目前檢測丟包率瓶頸的一種領(lǐng)先技術(shù)是由N. Sretty等人在2008年提出的利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法檢測網(wǎng)絡(luò)瓶頸。在已知每條鏈路的容量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路徑輸入速率的前提下，構(gòu)造出幾何規(guī)劃形式的效用最大化問題，通過數(shù)學(xué)建模將瓶頸檢測問題轉(zhuǎn)化為可以求出唯一解的統(tǒng)籌規(guī)劃模型問題，定位丟包率瓶頸，該方法也適用于隨機輸入速率的網(wǎng)絡(luò)情況。下面介紹上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。1.帶寬瓶頸和延遲瓶頸檢測技術(shù)的問題(1)在一定程度上對網(wǎng)絡(luò)造成負(fù)載對于帶寬和延遲的測量，現(xiàn)有技術(shù)例如申請?zhí)枮?00310113676. 3的專利申請需要在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送探測包，并通過在發(fā)送端和接收端進行相關(guān)探測才可得出結(jié)果數(shù)據(jù)。這就對網(wǎng)絡(luò)造成了不可避免的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，不僅對網(wǎng)絡(luò)運行造成影響，也會使測量結(jié)果產(chǎn)生偏差， 不能真實的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)瓶頸情況。(2)實時性差帶寬瓶頸和延遲瓶頸的測量都需要耗費一定的測量持續(xù)時間，這個時間主要包括探測包發(fā)送和接收、處理的時間以及數(shù)據(jù)后分析處理的時間，例如申請?zhí)枮?200710074656.8的專利申請。測量持續(xù)時間長會直接影響到測量結(jié)果的實時性。2.丟包率瓶頸檢測技術(shù)的問題(1)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境考慮不全面網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)鏈路兩大部分構(gòu)成，而現(xiàn)有的丟包率測量技術(shù)的適用模型將網(wǎng)絡(luò)單純地看作鏈路的集合，忽略了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用，這樣片面的模型必然會導(dǎo)致測量結(jié)果與真實情況的偏差，使測量結(jié)果不理想。(2)缺乏實際應(yīng)用丟包率作為一個比較新的瓶頸研究領(lǐng)域，當(dāng)前該方面的技術(shù)只是在數(shù)學(xué)模型上進行實現(xiàn)與計算，并未在真實的網(wǎng)絡(luò)中實際應(yīng)用。而實際中的網(wǎng)絡(luò)往往存在著許多理想之外的不確定因素。任何一種技術(shù)單單建立于純粹的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有應(yīng)用于現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中才能真正驗證它的正確性和可靠性，才能為方法改進提供更多的依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提高網(wǎng)絡(luò)瓶頸檢測的準(zhǔn)確度。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種網(wǎng)絡(luò)瓶頸檢測方法，包括以下步驟101、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型；102、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)效用最大化原則，確定幾何規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)；103、判斷所有路徑的輸入速率是否都固定，如果是，則順序執(zhí)行步驟104、107、 108 ；否則順序執(zhí)行步驟105、106、107、108 ；104、按照所有路徑的輸入速率都固定時，流經(jīng)每條鏈路的所有數(shù)據(jù)的速率總和不大于鏈路容量與交換節(jié)點內(nèi)的排隊容量之和的原則，確定固定速率的約束條件；105、讀取所設(shè)置的保險程度值ε ；106、確定隨機速率的約束條件；107、求解幾何規(guī)劃問題，以得出每條鏈路的丟包率，其中，所述幾何規(guī)劃問題由所述目標(biāo)函數(shù)與固定速率的或隨機速率的約束條件構(gòu)成；108、根據(jù)所求出的每條鏈路的丟包率，確定網(wǎng)絡(luò)瓶頸。優(yōu)選地，步驟101具體包括將所有鏈路丟包率集合記為Z = {/l5/2,...,/,},其中， L為鏈路總數(shù)，待測的鏈路i的丟包率為Ii,相應(yīng)的鏈路i通過率為Ici ；將每條鏈路對應(yīng)的鏈路容量集合記為5 = K^c2,...,;將鏈路起始端對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容量集合記為 W = {W W2,...,WL} ,Wi表示鏈路i起始端對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容量；以流量探測獲取網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，以路徑表示數(shù)據(jù)流從輸入節(jié)點到輸出節(jié)點經(jīng)過的一組鏈路集；令R表示路徑的數(shù)目，r1; r2，. . .，rE表示這些路徑的初始輸入速率；將獲取到的數(shù)據(jù)表示為鏈路_路徑矩陣A =[ 」Χχκ，其中= m表示鏈路i是路徑j(luò)上從輸入節(jié)點算起的第m條鏈路。優(yōu)選地，步驟102中，所確定的幾何規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)如下Maximize [二眾廣‘其中，ki為鏈路i的通過率，α i為對應(yīng)于鏈路i的參數(shù)，α ,的取值根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼奥窂酱_定，鏈路i在所有路徑中的位置越靠近起始端則對應(yīng)的α i越大。優(yōu)選地，確定所有鏈路i的參數(shù)α i的取值的步驟如下首先選定網(wǎng)絡(luò)中所有路徑的最上游鏈路中的一條，將這條鏈路的參數(shù)α i設(shè)為鏈路總數(shù)L，并移除這條鏈路，然后依次將L-l、L-2 —直遞減到1，所得的值依次賦予α ρ
優(yōu)選地，步驟104中，所確定的固定速率的約束條件如下式所示
權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)絡(luò)瓶頸檢測方法，其特征在于，包括以下步驟101、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型；102、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)效用最大化原則，確定幾何規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)；103、判斷所有路徑的輸入速率是否都固定，如果是，則順序執(zhí)行步驟104、107、108；否則順序執(zhí)行步驟105、106、107、108 ；104、按照所有路徑的輸入速率都固定時，流經(jīng)每條鏈路的所有數(shù)據(jù)的速率總和不大于鏈路容量與交換節(jié)點內(nèi)的排隊容量之和的原則，確定固定速率的約束條件；105、讀取所設(shè)置的保險程度值ε；106、確定隨機速率的約束條件；107、求解幾何規(guī)劃問題，以得出每條鏈路的丟包率，其中，所述幾何規(guī)劃問題由所述目標(biāo)函數(shù)與固定速率的或隨機速率的約束條件構(gòu)成；108、根據(jù)所求出的每條鏈路的丟包率，確定網(wǎng)絡(luò)瓶頸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟101具體包括將所有鏈路丟包率集合記為Σ = ...,/,},其中，L為鏈路總數(shù)，待測的鏈路i的丟包率為Ii,相應(yīng)的鏈路i通過率為& ；將每條鏈路對應(yīng)的鏈路容量集合記為5 =;將鏈路起始端對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容量集合記為示巧} ,Wi表示鏈路i起始端對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容量；以流量探測獲取網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，以路徑表示數(shù)據(jù)流從輸入節(jié)點到輸出節(jié)點經(jīng)過的一組鏈路集； 令R表示路徑的數(shù)目，r2, . . . , !^表示這些路徑的初始輸入速率；將獲取到的數(shù)據(jù)表示為鏈路-路徑矩陣A = ^ijLxii，其中％ = m表示鏈路i是路徑j(luò)上從輸入節(jié)點算起的第 m條鏈路。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟102中，所確定的幾何規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)如下
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，確定所有鏈路i的參數(shù)αi的取值的步驟如下首先選定網(wǎng)絡(luò)中所有路徑的最上游鏈路中的一條，將這條鏈路的參數(shù)α i設(shè)為鏈路總數(shù) L，并移除這條鏈路，然后依次將L-I、L_2—直遞減到1，所得的值依次賦予ai。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，步驟104中，所確定的固定速率的約束條件如下式所示
6.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述保險程度值ε取值為0 1。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟106中，所確定的隨機速率的約束條件如下式所示
8.如權(quán)利要求1 4中任一項所述的方法，其特征在于，步驟107中，利用數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件求解幾何規(guī)劃問題，以得出每條鏈路的丟包率。
全文摘要
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種網(wǎng)絡(luò)瓶頸檢測方法，包括步驟101、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型；102、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)效用最大化原則，確定幾何規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)；103、判斷所有路徑的輸入速率是否都固定，如果是，則順序執(zhí)行步驟104、107、108；否則順序執(zhí)行步驟105～108；104、確定固定速率的約束條件；105、讀取所設(shè)置的保險程度值ε；106、確定隨機速率的約束條件；107、求解幾何規(guī)劃問題，以得出每條鏈路的丟包率，其中，所述幾何規(guī)劃問題由所述目標(biāo)函數(shù)與固定速率的或隨機速率的約束條件構(gòu)成；108、根據(jù)所求出的每條鏈路的丟包率，確定網(wǎng)絡(luò)瓶頸。本發(fā)明能提高網(wǎng)絡(luò)瓶頸檢測的準(zhǔn)確度、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并提高網(wǎng)絡(luò)管理的靈活度。
文檔編號H04L12/26GK102263676SQ20111019253
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者喬焰, 孟洛明, 李娟 , 熊翱, 王智立, 詹志強, 邱雪松 申請人:北京郵電大學(xué)