基于端到端的主動(dòng)測(cè)量的時(shí)延分析研究

馬宏艷　李娟

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)測(cè)量技術(shù)目前被推上了應(yīng)用的頂端。能否得到精確的時(shí)延數(shù)據(jù)是推測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，為分析端到端時(shí)延特性，用NS2軟件進(jìn)行建模仿真。

關(guān)鍵詞：端到端的測(cè)量；丟包率；網(wǎng)絡(luò)仿真軟件（NS2）

互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越龐大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加，同時(shí)受被動(dòng)測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)所限，主動(dòng)測(cè)量技術(shù)目前被推上了應(yīng)用的頂端。能否得到精確的時(shí)延數(shù)據(jù)是推測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，為分析其時(shí)延特性，用NS2軟件進(jìn)行建模仿真。

1NS2仿真軟件

文中在在利用NS2軟件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，使用NS2進(jìn)行模擬，可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是使用已有的NS2網(wǎng)絡(luò)元素實(shí)現(xiàn)；另一種是基于C++和OTcl編程實(shí)現(xiàn)。NS2功能強(qiáng)大，模塊較為豐富，已實(shí)現(xiàn)的模塊主要有：業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器（Telnet、CEB、FTP、Web等）；網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（TCP、UDP等）；路由算法（Dijkstra等）等等。由于能夠近乎真實(shí)地模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并可以在各個(gè)層次上模擬網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過(guò)程，故而成為目前網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域被人們所廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件之一。

2時(shí)延測(cè)量仿真分析

用NS2進(jìn)行建模仿真。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由接入層、匯聚層和骨干網(wǎng)建成。模型中接入端點(diǎn)Source在每隔10s發(fā)出一個(gè)大小恒定的一般數(shù)據(jù)包。對(duì)DSLAM接入設(shè)備接入層主要用于匯聚接入流量。匯聚層網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器Access_R一般由具有優(yōu)勢(shì)的服務(wù)功能，選擇思科的自主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為匯聚層服務(wù)器交換機(jī)路由器，主要功能是實(shí)現(xiàn)DSLAM和骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)協(xié)議的最終完成之間的連接。Core_R是骨干路由器，路由器主要負(fù)責(zé)完成骨干網(wǎng)之間的業(yè)務(wù)溝通。骨干網(wǎng)是Core_Net，設(shè)其時(shí)延為10ms。

網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是關(guān)于Core_Net的兩邊對(duì)稱。仿真中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)實(shí)際的長(zhǎng)得地理位置上的變化，可以認(rèn)為是鏈路之間的短距離的數(shù)據(jù)傳輸，因此鏈路傳播時(shí)延可忽略；為了使得測(cè)量值更接近實(shí)際值，預(yù)先輸入40%左右背景流量。

2.1時(shí)延分析

在網(wǎng)絡(luò)模型中，發(fā)送端Source發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小固定，都是1024B的TCP數(shù)據(jù)包，用NS-2進(jìn)行仿真，分析各部分時(shí)延的大小及所占整個(gè)端到端時(shí)延的比例，找出主要時(shí)延所在。仿真結(jié)果如圖1所示。顯示了每個(gè)部分的端到端延遲。因?yàn)槊總€(gè)鏈接有背景流量，延遲出現(xiàn)波動(dòng)，即抖動(dòng)；不使用任何QoS機(jī)制使用的模型，所以延遲比較大。圖1中帶菱形符號(hào)的是端到端延遲，平均是351ms，中間線源在DSLAM1平均延遲，174ms的大小，設(shè)置延時(shí)10msCore_Net；延遲曲線從DSLAM1到Core_Net是底部線重疊的部分，依次是平均10ms，5ms，1ms。時(shí)間延遲352ms的是接入網(wǎng)，總延遲占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的88.6%，而主網(wǎng)部分的時(shí)延占了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的4%左右。因此網(wǎng)絡(luò)的主要時(shí)延是有接入網(wǎng)部分造成的。

2.2時(shí)延與數(shù)據(jù)包大小的關(guān)系

實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中鏈路中傳播的數(shù)據(jù)可以是視頻、圖像、聲音等多種的媒體文件，媒體文件的數(shù)據(jù)量很大，在傳輸過(guò)程中需要分成多個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸。為了分析數(shù)據(jù)包的大小是否影響網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)，通過(guò)源端發(fā)送大小不同的TCP數(shù)據(jù)包進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果如圖2所示。

32B的數(shù)據(jù)包的時(shí)延值是最小，1308B的數(shù)據(jù)包的時(shí)延值最大。即數(shù)據(jù)包越大平均的時(shí)延值越大，數(shù)據(jù)包和端到端的平均時(shí)延基本呈線性遞增的關(guān)系。因此，具體的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，應(yīng)用主動(dòng)測(cè)量技術(shù)時(shí)發(fā)送的探測(cè)包的大小要考慮選擇合適的包大小，使得測(cè)得的時(shí)延結(jié)果的精度更高。

端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延包括處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、傳輸時(shí)延和其它時(shí)延，大小不同的數(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延的不同就是由于組成時(shí)延的這些不同部分所引起的。在仿真中發(fā)送端發(fā)送不同大小的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析數(shù)據(jù)包的大小與其排隊(duì)時(shí)延、處理時(shí)延、傳輸時(shí)延分別的關(guān)系，如圖3、圖4所示。

由于鏈路有背景流量，因此輸出隊(duì)列時(shí)延較大。發(fā)端每隔10s才發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包，所以，數(shù)據(jù)包在路由器的輸入隊(duì)列中不需要排隊(duì)等候，各種大小數(shù)據(jù)包的隊(duì)列時(shí)延都一樣。

分析圖3和圖4，主動(dòng)測(cè)量中發(fā)送的數(shù)據(jù)包的越大，則處理時(shí)延和傳輸時(shí)延也隨著變大。數(shù)據(jù)包的大小和處理時(shí)延與傳輸時(shí)延之間大致呈線性遞增的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示數(shù)據(jù)包的大小與測(cè)量的延時(shí)有關(guān)，延時(shí)的增加會(huì)隨著數(shù)據(jù)包的增加而加大，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，數(shù)據(jù)包的增加也會(huì)使得路由器的處理時(shí)間也會(huì)改變。因此在實(shí)際測(cè)量中沒(méi)有研究。

背景流量的測(cè)量在速率一定的情況下，較小的測(cè)量數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔小，接收探測(cè)數(shù)據(jù)包的速率大，測(cè)量數(shù)據(jù)包和鏈接緩沖背景流并不激烈，如果測(cè)量包長(zhǎng)度較大，然后測(cè)量數(shù)據(jù)包處理和傳輸占用更多的時(shí)間，和鏈接的背景流爭(zhēng)搶緩沖更強(qiáng)烈。因此應(yīng)該有一個(gè)合理的中間值，使背景流量測(cè)量流和鏈接不是激烈的緩沖區(qū)，即發(fā)送的探測(cè)流與背景的數(shù)據(jù)流之和不能超過(guò)鏈路的帶寬。綜合所述，對(duì)數(shù)據(jù)包大小的選取會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)量產(chǎn)生比較重要的影響，因而對(duì)數(shù)據(jù)包大小的選取是必須認(rèn)真考慮的因素之一。

3結(jié)語(yǔ)

主要對(duì)測(cè)量的端到端主動(dòng)時(shí)延進(jìn)行分析，仿真得出主動(dòng)測(cè)量技術(shù)中發(fā)送的探測(cè)數(shù)據(jù)包的大小對(duì)時(shí)延是有影響的，探測(cè)包與網(wǎng)絡(luò)的背景流結(jié)合后，時(shí)延值與探測(cè)包的大小大致呈線性關(guān)系遞增。所以在對(duì)用于測(cè)量網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬工具以及在主動(dòng)測(cè)量技術(shù)中注入的探測(cè)包與背景數(shù)據(jù)流相結(jié)合后產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)流對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響進(jìn)行分析研究，進(jìn)一步分析主動(dòng)測(cè)量值時(shí)延誤差與網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬間的關(guān)系。