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網(wǎng)絡(luò)的端到端路徑性能測(cè)試探討
2016-05-10
近年來(lái)VoIP、VoD等實(shí)時(shí)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中比例大量增加，實(shí)時(shí)應(yīng)用需要網(wǎng)絡(luò)對(duì)其提供服務(wù)保證或區(qū)分服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)路徑的延時(shí)特性和傳輸速率越來(lái)越受到人們的重視。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和有效帶寬直接反映了路徑的性能和對(duì)端主機(jī)提供的服務(wù)等級(jí)水平，但它們都是隨時(shí)間隨機(jī)變化的變量，跟蹤這些路徑特征參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化可以獲得資源的使用狀況和性能趨勢(shì)，并作為網(wǎng)絡(luò)路徑性能評(píng)價(jià)和實(shí)時(shí)的端到端性能管理的依據(jù)。
一、端到端路徑性能問(wèn)題
端到端性能管理的目標(biāo)是為用戶(hù)提供一條穩(wěn)定可用的具有一定服務(wù)保障的連接。其范圍已超出了流量工程和容量規(guī)劃等傳統(tǒng)問(wèn)題，包括故障發(fā)現(xiàn)、路由選擇與配置管理、流量分析等廣泛的內(nèi)容。對(duì)于用戶(hù)而言，路徑的延時(shí)特性和路徑有效帶寬決定了服務(wù)水平，即是否能啟動(dòng)一次新的連接，在局部節(jié)點(diǎn)獲得一定的資源保證，并達(dá)到可接受的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)ISP來(lái)說(shuō)，則還要關(guān)心網(wǎng)絡(luò)路徑的長(zhǎng)期利用率、路由可達(dá)性、瓶頸帶寬和其它端到端的性能等屬性和參數(shù)。這些參數(shù)一般是較為穩(wěn)定的，其中連通性和路徑穩(wěn)定性反映了路徑的總體性能，而路徑非對(duì)稱(chēng)性則影響我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的測(cè)量。
連通性
連通性指的是IP網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)之間是否能相互到達(dá)對(duì)方，或者說(shuō)一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的下層連接是否可用。連通性描述了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，是完成網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的基本條件。Ping程序可用于確定網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備對(duì)本地系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是否可達(dá)，并有助于在系統(tǒng)之間調(diào)試連通性問(wèn)題。我們可以從測(cè)量主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)路徑的目的端定時(shí)運(yùn)行ping，發(fā)出ICMP請(qǐng)求并等待有效的ICMP應(yīng)答，從而確定網(wǎng)絡(luò)連接的可用性，并可根據(jù)ICMP應(yīng)答的類(lèi)型孤立出路由選擇和許多其它網(wǎng)絡(luò)故障或問(wèn)題的來(lái)源。因此，連通性是保證路徑性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
路徑MTU
MTU是網(wǎng)絡(luò)連接中允許一個(gè)物理幀傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量，TCP/IP驅(qū)動(dòng)程序需要知道這個(gè)數(shù)值以便設(shè)置合適的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，以避免出現(xiàn)不必要的拆分過(guò)程。不同網(wǎng)絡(luò)的MTU缺省值不一樣，以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)值為1500，而多數(shù)ISP提供的撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)值為576。理論上，只要網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定性高，MTU越大則傳輸效率越高。但是，如果接收機(jī)器所在網(wǎng)絡(luò)或傳輸路徑上路由器的MTU小的話，數(shù)據(jù)幀將不得不再次被拆分，這樣反而降低了效率。因此，優(yōu)化的MTU應(yīng)與整條傳輸路徑上最小的MTU值（即路徑MTU）相等。RFC1191描述了路徑MTU的發(fā)現(xiàn)機(jī)制，通過(guò)發(fā)送分組在分組頭部設(shè)置不分片標(biāo)志字段并判斷返回ICMP錯(cuò)誤消息實(shí)現(xiàn)。發(fā)送的第一個(gè)分組的長(zhǎng)度與出口MTU相等，每次收到ICMP不能分片錯(cuò)誤時(shí)，就減少分組長(zhǎng)度，以下一個(gè)最小的MTU值發(fā)送。由于MTU值個(gè)數(shù)總是有限的，因此總可以找到路徑中最小的MTU。所以檢測(cè)路徑MTU并設(shè)置系統(tǒng)的MTU值，可以減少對(duì)IP數(shù)據(jù)包的分段，提高路徑的傳輸效率。
路由非對(duì)稱(chēng)性
非對(duì)稱(chēng)路由是指往返某一節(jié)點(diǎn)的路徑不一致，兩個(gè)方向的延時(shí)不同，由此在網(wǎng)絡(luò)測(cè)量，特別是基于源端的測(cè)量中造成很多問(wèn)題。檢測(cè)路由的非對(duì)稱(chēng)性目前還非常困難。
路徑穩(wěn)定性
端到端路徑的穩(wěn)定性是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵性參數(shù)，路徑穩(wěn)定性可以分為路徑的空間穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性。其中空間路徑穩(wěn)定性由路由的規(guī)模和模式?jīng)Q定，不穩(wěn)定的路由可能是由路由不對(duì)稱(chēng)、循環(huán)路由、路由振蕩等病態(tài)路由行為引起，也可能是連接頻繁中斷引起的。發(fā)生率（Prevalence） 和持續(xù)性（Persistence），分別從特定路由的發(fā)生頻率和不變性方面定義了穩(wěn)定性。路徑的時(shí)間穩(wěn)定性則強(qiáng)調(diào)了路徑性能與時(shí)間變化的關(guān)系。本文將從路徑的延時(shí)特性和傳輸速率出發(fā)，給出路徑穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并作為網(wǎng)絡(luò)路徑性能評(píng)價(jià)和實(shí)時(shí)的端到端性能管理的依據(jù)。
二、性能指標(biāo)
路徑延時(shí)穩(wěn)定性參數(shù)
設(shè)測(cè)量的延遲變量為X， 為t時(shí)刻測(cè)得的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，則 為 間隔內(nèi)的延時(shí)變化。若在 時(shí)間段內(nèi)每次測(cè)量的樣本值為 ，則這組延遲樣本集的樣本方差為 ， 其中 = 。假設(shè) 為SLA(service level agreement)規(guī)定的或是某種應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量要求的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)抖動(dòng)目標(biāo)臨界值。根據(jù)在 時(shí)間段延時(shí)的抖動(dòng)程度，定義延時(shí)抖動(dòng)有界比例系數(shù)為：一般 可取為 。延時(shí)抖動(dòng)有界比例系數(shù)反映了相鄰兩次測(cè)量之間延時(shí)抖動(dòng)小于 情況所占的比例，一般設(shè)定當(dāng) 時(shí)，認(rèn)為連接有較好的穩(wěn)定性， 越大，即 越接近1，連接越穩(wěn)定。但延時(shí)抖動(dòng)有界比例系數(shù)不能反映最大延時(shí)抖動(dòng)，由于排隊(duì)延時(shí)隨背景流量而出現(xiàn)較大的波動(dòng)，定義如下形式的平均抖動(dòng)/最大抖動(dòng)系數(shù)：設(shè)定 時(shí)，認(rèn)為連接有較好的穩(wěn)定性， 越大，連接越穩(wěn)定。綜合以上兩個(gè)參數(shù)，當(dāng)路徑同時(shí)滿(mǎn)足 和 時(shí)，確定該路徑是關(guān)于延時(shí)穩(wěn)定的。
路徑速率參數(shù)
路徑延時(shí)穩(wěn)定性參數(shù)反映了鏈路整體運(yùn)行的穩(wěn)定程度，但不能反映不同鏈路速率的差別。某一條鏈路可能延遲較大，但延時(shí)抖動(dòng)較小，丟失率很低，這時(shí)僅由路徑延時(shí)穩(wěn)定性參數(shù)難以反映鏈路的實(shí)際傳輸質(zhì)量。通過(guò)采集SNMP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備MIB接口組數(shù)據(jù)，可以計(jì)算接口數(shù)據(jù)傳輸速率V：，其中 分別為在 內(nèi)接口接收與發(fā)送的總字節(jié)數(shù)。通過(guò)連續(xù)采集路徑中多個(gè)接口的流量數(shù)據(jù)，將最小的接口傳輸速率 作為路徑速率參數(shù)通知給用戶(hù)，以反映當(dāng)前路徑的實(shí)際傳輸性能。
數(shù)據(jù)采集
我們選擇實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量主機(jī)到湖南大學(xué)DNS服務(wù)器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該路徑經(jīng)過(guò)兩個(gè)路由器，分別通過(guò)100M Ethernet和1000M Ethernet鏈路相連。我們使用Ping采集了近兩天的每10ms一次測(cè)量的延時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)讀取第一個(gè)路由器MIB庫(kù)獲得了每5ms的接口速率數(shù)據(jù)。
三、端到端路徑性能的測(cè)量
我們采用以上測(cè)量方法基于以下原因。通常，網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的測(cè)量采取主動(dòng)測(cè)量的方法，即在指定的路徑上按一定規(guī)則發(fā)送探測(cè)性流量數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)上某一主機(jī)是否可達(dá)（reachability）、網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)中包丟失情況和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等鏈路性能參數(shù)或測(cè)量網(wǎng)絡(luò)路徑的跳數(shù)、路由抖動(dòng)、路由對(duì)稱(chēng)性等從源端到目的端的路由信息。主動(dòng)測(cè)量會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中引入較多的測(cè)量流量，對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能會(huì)造成一定的影響。
由于路徑帶寬的測(cè)量需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送大量的分組數(shù)據(jù)，耗費(fèi)大量有效帶寬，這使得以主動(dòng)方式測(cè)量帶寬對(duì)用戶(hù)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)都極具損害性。而使用SNMP可以定時(shí)查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口的流量速率數(shù)據(jù)，結(jié)合SNMP與網(wǎng)絡(luò)往返延遲的測(cè)量評(píng)價(jià)路徑性能，可使測(cè)量發(fā)送的分組數(shù)降到最低。
延時(shí)分布數(shù)據(jù)分析
測(cè)量獲得的延時(shí)數(shù)據(jù)的分布可以看出延時(shí)分布RTT的測(cè)量值很不穩(wěn)定，延時(shí)值最高達(dá)到了25.198ms，最低為2.091ms，接近于固有延時(shí)。但大部分散點(diǎn)集中于10ms的上下5ms范圍內(nèi)，只有極少數(shù)點(diǎn)落在大于20ms小于5ms范圍，說(shuō)明路徑相對(duì)較為穩(wěn)定。計(jì)算延時(shí)抖動(dòng)有界比例系數(shù) ，平均抖動(dòng)/最大抖動(dòng)系數(shù) ，與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況基本相符。
延時(shí)抖動(dòng)數(shù)據(jù)分析
40小時(shí)中每十分鐘測(cè)量的延時(shí)抖動(dòng)的分布延時(shí)的抖動(dòng)分布來(lái)看，在取網(wǎng)絡(luò)延時(shí)抖動(dòng)目標(biāo)臨界值 為 ＝4.629ms時(shí)，最壞情況下達(dá)到抖動(dòng)的邊界16ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了期望的 值。這說(shuō)明該路徑對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用是不可能達(dá)到很好的性能的。
鏈路接口速率分析
同時(shí)采集的路由器MIB庫(kù)接口流量速率數(shù)據(jù)可以看出該路徑的利用率極低，特別是流出速率很小。在實(shí)際中可以用加大負(fù)載的辦法提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，計(jì)算鏈路接口可以達(dá)到的最大的數(shù)據(jù)傳輸速率。
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