網絡可用帶寬測量方法綜述

摘要:該文對網絡可用帶寬測量體系的發展和現狀進行了簡要描述，較詳細的分析了基于PGM和PRM模型的網絡主動可用帶寬測量方法的原理及其優劣性，并嘗試分析IPV6網絡對可用帶寬測量方法的影響。

關鍵詞:網絡;可用帶寬;測量方法

Discussion of Measurement Method for Network Available Bandwidth

YIN Hong-bo

(Guangzhou Environmental Monitoring Center， Guangzhou 510030， China)

Abstract: In this article， the development and current status of the measurement system for network available bandwidth are briefly described. The principle and advantages/ disadvantages of network active available bandwidth measurement method， which is based on PGM and PRM model， are also discussed. The influence of IPV6 network on available bandwidth measurement method is tentatively analyzed as well.

Key words: network; available bandwidth; measurement method

隨著Internet的快速發展，網絡規模不斷擴大，網絡應用在為人們的生活帶來便利的同時，也對網絡的服務質量提出了更高要求。由于網絡規模巨大，拓撲結構復雜，使得研究者難以對網絡分析建立起精確的數學模型，因此網絡測量成為網絡行為學研究的主要途徑。

1 網絡帶寬測量概述

帶寬是網絡路徑的重要參數之一，帶寬測量的發展有助于網絡應用程序改善和提高服務質量，其在容量分配、服務質量管理、服務器路由選擇等領域均有廣泛的應用。

目前，網絡帶寬測量研究得到了較快發展，在國際和國內有許多科研機構和大學都在對其進行研究并取得較多成果，在本文中對這些技術進行簡單介紹和比較分析。

1.1 相關概念

鏈路帶寬:即鏈路容量，指的是鏈路在物理設計上能夠達到的最大數據傳輸速率(IP層)，一般是一個固定值。

瓶頸帶寬:兩個節點之間路徑上的最小的鏈路帶寬，它表示一條路徑的最大傳輸速率。對于大多數網絡來說，兩個主機之間的瓶頸帶寬不會改變，也不受網絡流量的影響。如果用(C0，C1，C2，…，CH)表示一條從源端到目的端的路徑，H表示路徑的跳數，Ci表示鏈路i的鏈路帶寬，那么瓶頸帶寬可用公式(1)表示:

C=min(Ci) (i=0…H)(1)

鏈路的可利用帶寬:鏈路上未被背景流占用的剩余帶寬。

路徑的可利用帶寬:一條路徑中最小的鏈路可利用帶寬(下述以可用帶寬代替)。按公式(1)的定義如果ui(0≤ui≤1)表示鏈路 的利用率，那么路徑的可利用帶寬A可用公式(2)表示:

A=min[Ci(1-ui)](i=0…H)(2)

窄鏈路:瓶頸帶寬所在的鏈路。

緊鏈路:路徑的可利用帶寬所在的鏈路。

1.2 網絡帶寬測量分類分析

網絡帶寬測量可依據不同標準劃分為不同類別。在本文中，我們主要關注根據測量指標的分類，即將帶寬測量分為端到端帶寬測量和鏈路帶寬測量;端到端測量技術主要測量路徑的容量和可用帶寬;鏈路帶寬測量主要測量路徑中的各鏈路的容量和利用率。

可用帶寬的測量有實時性要求，而鏈路帶寬和瓶頸帶寬的測量一般沒有實時性要求。通過測量瓶頸帶寬可以為可用帶寬測量提供基礎，而已知端到端鏈路徑帶寬和各鏈路帶寬，則可以知道瓶頸帶寬。在本文中，我們主要對端到端的可用帶寬測量進行深入介紹和分析。

依據測量方式不同，可用帶寬測量又可分為主動測量和被動測量。主動測量[1-2]通過向網絡發送探測數據包，并根據它們所攜帶的信息來推測帶寬的情況，主動測量將增加網絡的負載，對測量結果的準確性也有影響;被動測量[3]不向網絡發送數據包，而是監聽網絡中的流量來測量網絡的帶寬，被動測量不會增加網絡的負載，但它部署起來卻相對困難，一般需要配有專用設備或擁有特殊權限，這對于普通用戶來說不太容易實現。

主動測量的優點有:使用方便，適合端到端的網絡性能測量，對于需要關心的內容只要在本地發送測試包觀察網絡的響應即可;由于該方法不涉及用戶的網絡信息，所以對用戶而言是很安全的;其缺點是:增加了網絡潛在的負載，尤其是如果該測量未經仔細設計，使產生的流量達不到最小，可能會對網絡造成較大的影響。

被動測量的優點有:測量的是網絡上的真正流量;能夠達到對觀察點網絡行為的詳盡理解;其缺點是:被動測量方式可能要查看網絡上的所有數據包，容易捕獲網絡中的敏感信息，給用戶信息的保密和安全帶來一定威脅;只能獲得網絡局部數據，無法了解網絡整體狀況;測量范圍受限。

由上述分析得知，主動測量和被動測量互有利弊。但是，由于不斷增長的、分布化的互聯網不利于網絡狀態信息的共享;在高速發展的互聯網上存儲流量數據需要巨大的空間，并且不便于管理數據;而且由于企業競爭和保密的需要，網絡服務提供商(ISP)一般不會向公眾提供查詢路由器上流量信息的權限，也不允許在網絡內部隨便設置監測點。這些因素都會對被動測量結果造成阻礙和影響，因此，為獲得網絡內部的準確狀況，有必要采取主動測量的方式[4]。

2 主動可用帶寬測量方法分類分析

就目前而言，主動可用帶寬測量方法主要基于以下三類模型:

1) 基于報文間隔模型(PGM)，如Spruce[5]，IGI[6]和Delphi[7];

2) 基于報文速率模型(PRM)，如Pathload[8]，Pathchirp[9]，PTR[6]和TOPP[10];

3) 基于網絡流量模型;

其中，基于網絡流量模型的測量技術利用多分形小波模型MWM(Multiracial Wavelet Model)[9] 能很好地反映出流量分形特性的特點，通過流量模型來估算在一定的時間范圍內路徑中的背景流量，以此得到可用帶寬;其難點在于不容易建立一個符合實際情況的真正完善的端到端模型。該模型的一個前提假設是路徑只在某一條鏈路上經歷一次較長時間排隊延遲，而在其他鏈路中的延遲足以小到忽略不計;若路徑在多處鏈路處有較大延遲或者窄鏈路與緊鏈路不是同一條鏈路時，該模型目前還難以得到較準確的測量結果。

相比之下，基于PGM和PRM模型的測量技術較為成熟，它們有幾個共同的前提假設[5]:一是網絡路徑上所有路由器的排隊模式都是先進先出(FIFO);二是背景流處于平穩狀態;三是背景流的平均速率變化比較慢，并且在單個測量周期中保持恒定。PGM模型還有一條假設，即路徑上容量最小的鏈路(窄鏈路)和可用帶寬最小的鏈路(緊鏈路)必須是同一條鏈路。文獻[6]中指出，PGM實際上是測量路徑上容量最小的鏈路的平均可用帶寬，當容量最小的鏈路不是可用帶寬最小的鏈路時，會出現較大的測量誤差。

下面我們分別對PGM和PRM模型進行簡單分析比較。

2.1 報文間隔模型(The probe gap model，PGM)

PGM模型是目前較為流行的一種可用帶寬測量方法，其測量前提是需要已知路徑各鏈路C容量。如圖1所示，PGM源端以一定速率向接收端發送測試包對，設發送的測試包對間隔為?駐in，接收端得到的包對間隔為?駐out，并假設路徑只有一條緊鏈路，在該路由器上測試包對之間的隊列不能為空，即第一個測試包離開之后后第二個測試包完全到達之前還有背景流在路由器緩沖區排隊，這樣，在接收端得到的測試包對的間隔?駐out為?駐in加上在?駐in時間路由器輸出緩沖區的競爭數據包的傳輸時間。這樣，傳輸背景流量的速率為[(?駐out -?駐in )/?駐in ]×C，其中C是緊鏈路容量，則可用帶寬可由公式(3)得到:

■(3)

PGM模型的代表工具有IGI、Spruce等，另外，文獻[11]在此基礎上改進了PGM模型，提出一種較新穎的算法showneck。

2.2 報文速率模型(The probe rate model，PRM)

PRM模型的思路比較簡單，即利用自導擁塞思想進行帶寬測量。

PRM測量原理:當測試報文發送速率小于鏈路帶寬時，傳輸時延相對固定，由網絡物理特性決定;當測試報文發送速率大于某鏈路帶寬時，網絡出現排隊現象，傳輸時延增大，則導致時延增大的發送速率轉折點A處對應的速率即代表了該鏈路最大可用帶寬，即路徑可用帶寬。PRM模型基本思想如圖2所示，其中橫軸表示測試報文發送速率，縱軸表示測試報文傳輸時延。

PRM模型測量方法不需要已知瓶頸帶寬，但背景流突發性可能會使可用帶寬的測量結果失真，從而帶來測量誤差;同時，不斷逼近的過程并不等價于測量精度的不斷提高，算法的收斂條件與運行時間不易確定;另外，該測量方法需要發送大量測試包，測試時間較長，且會對網絡造成擁塞。

PRM模型的代表工具有Pathload、Pathchirp等，另外，文獻[12]在此基礎上改進了PRM模型，提出一種較新穎的算法SLDRT。

3 IPV6背景下PGM模型的優勢

基于PGM模型測量有兩個必要假設前提:

1) 路由器對于到達的數據包采用先進先出(FIFO)的方式調度、轉發;

2) 測試流中的所有分組路徑一致;

實際上這是不容易做到的，尤其是第二點;原因在于[13]:

1) 測試流和背景流量具有相同優先級，當測試流被首尾相連地發送時，并不能像事先設想的那樣被分開，即第一個和最后一個報文到達目的地的時間間隔并不能很好地反應帶寬的情況;

2) 所有測試報文轉發過程中選擇的路徑并非一致;

IPV6的出現為PGM模型解決了部分問題。IPv6包頭中定義了20bit的流標簽字段和8bit的流量類型字段[14]。流標簽字段用于標識IPv6路由器需要特殊處理的包序列，因此，若將探測流中所有報文的流標簽字段定義為統一值，即可保證探測流所有報文在轉發過程中選擇固定且唯一的路徑;同時，利用IPv6報頭中流量類型字段可定義探測流級別為IPv6報文中的最低優先級，源節點和轉發路由器只有在沒有其他數據進行處理時才會處理探測報文，使之不會對鏈路中的正常背景流產生影響，測量時可以較小的間隔發送大量探測流得到測試結果，提高測試效率。

綜上所述，我們可以發現，IPV6中出現的某些新特性確實可以為PGM模型提供一些改進之處，這點使得在IPV6的可用帶寬測量中，越來越多的人傾向于PGM模型的變形和改進;而對于PRM模型，現在能做到的改進只有怎樣能更快速更準確的找到數據流在某個路由器的溢出點[15]。

4 小結

本文對網絡可用帶寬測量體系做了簡要描述，較詳細的分析了基于PGM和PRM模型的網絡主動可用帶寬測量方法原理及其之間的區別，并嘗試分析IPV6網絡對可用帶寬測量方法的影響。就目前掌握的資料而言，基于IPV6的網絡可用帶寬測量有必要繼續進行深入研究，可用帶寬測量精確度的提高會為網絡服務質量的控制系統提供可靠幫助。

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