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1、第7章 网络端到端性能测量,7.1 概 述,测量指标定义必须遵守以下标准： （1）测量指标必须是具体和严格定义的； （2）对该指标的测量方法必须是可重复的，即在多个不同时刻、相同的环境下采用相同测量方法可以得到相同的结果；,（3）测量指标必须是无偏的，即对相同的IP技术实现具有相同的测量结果； （4）测量指标必须具有区分性，即根据测量结果可以理解和反映出不同的实现技术； （5）测量指标对用户和网络运营商了解网络性能必须是有用的； （6）测量指标必须是能避免人为影响的性能指标。,7.2 端到端时延测量,端到端时延是Internet端到端分组行为的重要参数之一，它对网络的运营管理、协议开发与技术发
2、展具有重要意义。 （1）它是评估网络服务质量（Quality of Service，QoS），验证网络运营商与客户之间服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）的重要指标之一。,（2）能用来研究有效的拥塞控制机制，根据获得的时延动力学特征及建立的模型，预测时延的变化情况来调整传输策略。这样使得到的算法、设定的参数更符合实际网络运行规律。 （3）对于时延敏感型业务，可作为播放（Playout）控制、接入控制的依据。,（4）可作为度量网络路径性能的指标，用以进行路由优化和路由动态更新。 （5）可用作网络优化的依据，据其制定负载均衡策略，同时能给新的网络应用提供支持。,网
3、络的时延主要分为往返时延（round-trip time，RTT）和单向时延（即端到端时延 end-to-end delay，或One Way Delay）两类。 测量时延的误差和不确定性主要来自于Src和Dst主机时钟的同步（Synchronization）、精度（Accuracy）、分辨率（Resolution）和频差（Skew，时钟偏差的一阶导数）。,7.2.1 时延的基本概念,对于得到的测量样本，RFC2679也定义了几个统计量： 百分数（Type-P-One-way-Delay-Percentile）； 中值（Type-P-One-way-Delay-Median）； 最小值（Typ
4、e-P-One-way-Delay-Minimum）； 逆百分数（Type-P-One-way-Delay- Inverse- Percentile）。,RFC2681定义了往返时延的指标“Type-P-Round-trip-Delay”，测量时间序列是泊松过程指标“Type-P-Round-trip- Delay-Poisson-Stream”，以及几个统计量： 百分数（Type-P-Round-trip-Delay- Percentile）； 中值（Type-P-Round-trip-Delay-Median）； 最小值（Type-P-Round- trip-Delay- Minimum）
5、； 逆百分数（Type-P-Round-trip-Delay-Inverse- Percentile）。,RFC3393定义了对于IP电话和视频流等应用的性能非常重要的指标单向时延抖动“Type-P-One-way-ipdv”： 概率分布； 百分数（Type-P-One-way-ipdv-percentile）； 逆百分数（Type-P-One-way-ipdv-inverse-percentile）； 抖动（Type-P-One-way-ipdv-jitter）； 峰峰值（Type-P-One-way-peak-to-peak-ipdv）。,往返时延的测试常用的方法如ICMP echo/re
6、ply（工具软件ping），TCP SYN/ACK等。网络端到端时延可用Ping命令来测出网络的往返时延，然后除以2来粗略估算。但是在IP网络里，从源端到目的端的路径可能和目的端回到源端的路径不一样（不对称路径），不能简单的用除以2的方法来获得端到端时延。,7.2.2 时延测量方法,单向时延测试最主要的问题是要解决两个待测节点之间本地时钟的同步。从方法上讲，时钟同步方法有以下3种。 1搬钟（clock transportation）时间同步法 2单向时间同步法 3双向时间同步法,图7-2 双向时间同步法原理示意图,1GPS的基本工作原理和组成,7.2.3 基于GPS授时的时钟同步,GPS的全称
7、是“授时与测距导航系统/全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTAR/GPS）。,GPS由3部分组成：空间部分、控制部分和用户设备部分。 （1）空间部分 GPS的空间星座部分由24颗导航卫星（Navstar）组成,（2）控制部分 控制部分主要由分布在全球的5个地面站组成，包括主控站、监测站、地面注入站。 （3）用户设备部分 用户设备的主要任务是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及参数，经过数据处理，完成导航和定位的工作。它主要由GPS接收机硬件、数据处理软件以及微处
8、理机和其终端设备组成。,2GPS测时,基于前述授时原理，可以有以下3种测时方式。 （1）单站测时法 单站测时法应用一台GPS 接收机，在一已知坐标（或坐标未知但能收到4颗以上卫星）观测站上进行测时。,（2）共视测时法 在两个观测站或多个观测站各设一台GPS接收机，同步观测同一颗卫星来测定两用户时钟的相对偏差，从而达到高精度时间比对的目的。 （3）综合法 与单站多星测量模式相似，在各站观测所有在视的卫星，同时又像共视法同步观测，交换两站数据综合处理。结果与共视法的精度相当，但提高了可靠性。,利用GPS实现时间同步具有以下特点： 同步精度相对较高； 不需要发送设备； 可以在任何时间任何地点任何天气
9、情况下都能接受到GPS信号； 利用GPS的时间同步系统的可靠性相对较好。,3基于GPS的时钟同步系统,图7-4 基于GPS的时间同步系统各站实现功能模块图,1NTP的基本原理,7.2.4 基于NTP的时钟同步方法,图7-5 NTP的工作原理,2NTP的网络结构和实现模型,图7-6 NTP系统结构,图7-7 基本实现模型,3NTP的体系结构,图7-8 NTP体系结构,4NTP的报文格式,图7-9 NTP的报文格式,（1）时钟滤波（Clock-Filter）算法 时钟滤波算法主要用在网络时间协议的服务器接口模块，负责对接收到的服务器信息进行过滤，选出最佳信息。 （2）时钟选择（Clock-Sele
10、ction）算法 时钟选择算法包括交集（Intersection）算法和群集（Clustering）算法两个子算法,5NTP中的算法,图7-11 Intersection算法示意图,（3）时钟合成（Clock-Combining）算法 时钟合成算法对经过选择的时间服务器提供的时间信息利用加权平均算法进行分析综合，得出精确的当前时间信息。NTP同步距离定义为,（7-11） 为根服务器的离差。 为一个常量，定义为 （7-12） 代表客户端收到响应报文时的本地时间； 表示客户端上一次被同步的时间。得到同步距离 之后，最终偏移量的 合并算法公式如下： （7-13）,（4）本地时钟校正 NTP所能取的同
11、步精度也和本地时钟调整的机制有关。,7.3 端到端带宽测量,Internet端到端带宽的测量结果可以用于以下方面。 评估网络性能 网络资源的合理配置 路由优化 接入控制 拥塞控制 故障诊断,7.3.1 IP网络端到端带宽测量研究现状,网络带宽分为瓶颈带宽（Bottleneck Bandwidth）或容量（Capacity），可用带宽（Available Bandwidth）和标称带宽（Nominal Bandwidth）。,7.3.2 IP网络端到端瓶颈带宽测量,典型的主动式网络瓶颈带宽测量方法有单个分组（Single Packet）技术、分组对（Packet Pair）技术、分组束（Pack
12、et Bunch）技术、分组链（Packet train）技术等。,1单个分组技术,图7-12 单个分组探测模型,图7-13 分组对技术示意图,3多分组技术,7.3.3 IP网络端到端可用带宽测量,端到端可用带宽是指一条端到端路径（path）在不降低竞争业务（cross traffic）吞吐率的前提下能给一个新的流（flow）提供的最大吞吐率，即最大剩余带宽。 通过观察分组接收间隔来调整分组发送速率，以寻找灰色区（Grey Region），即可用带宽所在的区域。它的基本思想是：当周期分组流的速率大于可用带宽时，其单向时延呈现增长趋势。,IGI（Initial Gap Increasing）和P
13、TR（Packet Transmission Rate），均由公式直接计算，但是也观察分组间隔的增长趋势。 Strauss提出一种方法Spruce，测量结果表明它的精度比IGI，pathload都高。Spruce通过建立接收间隔，发送间隔，瓶颈带宽和可用带宽之间的模型，来计算可用带宽。,C. Dovrolis提出一种方法Pathrate，它采用UDP分组，每次测量间隔500ms。该测试方法分两个阶段：分组对探测。共进行2 000次大小为800Byte的分组对实验；分组链模式。,V. J. Ribeiro提出一种方法PathChirp，它基于自感应拥塞的概念（Self-induced conge
14、stion），在每个chirp探测分组链内快速增长探测速率（探测分组间隔呈指数分布！）。,J. Navratil提出一种方法ABwE，它采用分组对技术，定义了一个排队时延因子（Queuing Delay Factor，QDF）参数，来估计干扰业务量的多少，进而算出链路利用率，从而获得可用带宽。,M. Kazantzidis提出一种采用分组链技术的方法，引入了潜在带宽（即发送带宽）的概念，分析出可用带宽的公式。分组链发送速率为900kbit/s，共8个分组，大小为480bit。,7.4 丢 包 率,7.4.1 丢包率的基本概念,网络丢包率是指在一特定时间间隔，从发送主机到接收主机传输过程中传输丢
15、失的数据包占总发包数的百分比。,为了描述丢包的模式（如连续突发式丢包）和丢包分布，引入了两个新的关于丢包率的度量。 （1）单向丢包距离（Type-P-One-Way-Loss-Distance-Stream） （2）单向丢包周期（Type-P-One-Way-Loss-Period-Stream）,7.4.2 丢包率的测量方法,丢包率的测量中需要考虑发送数据包的间隔、分组大小、协议等多方面因素，常采用主动测量法。,7.5 单向主动测量协议,单向主动测量协议（a One-Way Active Measurement Protocol，OWAMP），用来测量单向特性指标，如单向时延和单向丢弃率。,
16、7.5.1 RFC4656简介,图7-14 OWAMP测量框架,图7-15 OWAMP的一种实现,1连接建立（Connection Setup）,7.5.2 OWAMP-Control协议,图7-16 服务器应答消息模式,图7-17 “建立响应”（Set-Up-Response）消息格式,图7-18 “服务器启动”（Server-Start）消息格式,2完整性保护（Integrity Protection，HMAC）,在OWAMP控制协议中每个消息或命令的认证均通过HMAC来实现。,3接受（Accept）字段的取值,Accept的值在整个OWAMP用于服务器响应和客户请求的通信。 0-正常； 1-失败，原因不明； 2-内部错误；,3-不支持请求的某些内容； 4-由于持续的资源限制无法执行请求； 5-由于暂时的资源限制无法执行请求。 其他取值预留，目前无含义。,4OWAMP控制命令（OWAMP-Control Commands）,下面的命令对于客户
