面向不同運營商的網絡時延性能分析

張 琪，李興華，姜 華

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.工業(yè)和信息化部電信研究院 信息網絡部，北京 100037）

互聯網是當代信息社會的重要基礎設施，通過對互聯網進行測量和分析，可以使行業(yè)管理者了解網絡運行狀況，及時發(fā)現和處理網絡重大安全事件，對網間的互聯互通方案進行設計和評價。

本文根據工業(yè)和信息化部電信研究院互聯網優(yōu)化平臺項目所測量的相關數據，通過對大量網絡性能數據的統(tǒng)計分析，發(fā)現了網絡時延的性能特征和不同運營商的性能差異，以及網絡互聯互通存在的問題。

1 時延與時延抖動

1.1 時延

當數據包到達一個路由器，經過路由器的處理并發(fā)送到下一個路由器時，數據包經歷的時延由具體的4部分組成[1]：傳輸時延，傳播時延，處理時延，排隊時延。

1.2 時延抖動

當相同時間間隔發(fā)送數據包時，在目的端收到數據包會出現不同時間間隔，即為時延抖動。時延抖動受很多因素影響，由于網絡中的路由擁塞，并且瞬間擁塞的時間和長度變化，導致各分組數據包的處理時延不同[2]，TCP窗口行為的變化，時延抖動也是反映網絡負載特征的重要指標，網絡中存在的平均網絡負載周期性和非周期性變化會引起時延抖動，另外，路由更新也會引起時延抖動，即當路徑發(fā)生變化并收斂到新的路由路徑過程中，時延增加，會有大量的丟包，并伴隨劇烈的時延抖動。

評估時延抖動有多個方法[3]，有前后參考，首包參考，平均值參考。平均值參考不具有實時性，是在一段時間測量結束后計算完成，但是平均值參考使用簡單，具有一定的代表性和普遍性。本文采用平均參考結合方差的計算，通過測得的往返時延，平均每6 h計算時延抖動。

2 時延性能分析

2.1 數據準備

本文實驗的測量從全國范圍內的11個監(jiān)測點向93個分布在各省的運營商Ping和Traceroute，從測量數據中選取24552條往返時延和路由跳數，再根據時延值計算時延抖動。對于自治域的統(tǒng)計信息是，位于各省市的11個監(jiān)測點分別屬于AS4808，AS9808，AS23724，AS24400，AS17621，AS4812。我國向外公告196個AS，實驗能夠統(tǒng)計65個AS。

2.2 時延與跳數

2.2.1 往返時延統(tǒng)計分析

Baek-Young Choi[4]等通過對Sprint US IP骨干網的點到點時延分析發(fā)現，數據包經歷的最大時延并不能代表網絡的性能；對經常發(fā)生路徑變化和負載均衡的骨干網，時延的平均值和中值并不能很好的表示這方面的性能；最小時延在較小的時間內很穩(wěn)定，最小時延的變化能夠表示最短路徑的變化。將時延統(tǒng)計數據做概率統(tǒng)計圖如圖1，并將時延指標值制表如表1。

圖1 往返時延概率分布圖

表1 往返時延指標值統(tǒng)計表（續(xù)）

從圖中可以看出，網絡時延狀況較好，大多集中在40 ms～70 ms之間，只有一小部分時延超過150 ms，對于時延值超過200 ms～300 ms 之間的路由，經過對逐條路由分析發(fā)現，這些路由多數發(fā)生在跨網，并且目的節(jié)點在西藏和新疆地區(qū)，這2地區(qū)的時延明顯大于其他地區(qū)，原因是由于我國西部的網絡狀況較其他地區(qū)差，實驗的監(jiān)測點設置相對西部地區(qū)較遠。

由上表可以看出，各ISP內部的路由時延明顯小于各ISP之間的路由時延，A網和B網之間的路由時延表現尤為明顯，這2個ISP之間的時延方差值為63.34，時延波動較大，均值和中值分別為98.88 ms和78.83 ms，較其他跨網的時延指標值大。

2.2.2 跳數的分析

端到端的跳數是指測量的數據包從源點出發(fā)，到達目的地的過程中所經過的路由器個數[5]。跳數在一定程度上體現了某一路徑的路由效率和傳輸質量。跳數的大小和路由選擇策略以及物理距離有關，通常將跳數作為源點和目的點距離的一種體現。從測量數據中選擇24552個跳數數據。將其進行跳數概率分布統(tǒng)計如圖2。圖的橫坐標是跳數，縱坐標是跳數所占的比重概率。

圖2 ISP網內跳數概率分布對比圖

由于監(jiān)測的目的點是分布在各省市的節(jié)點，因此ISP跳數之間的比較不存在距離遠近的問題，由圖2可知，最為Tier-1的A網和B網的選路策略較好，路由跳數集中在9跳和10跳，而C網內的路由跳數分布稍向后移，進一步對逐條路由分析發(fā)現，某些C網內的路由要經過A網或B網的骨干網節(jié)點進行傳輸，比如由上海C網監(jiān)測點到北京C網目的點，中間需要經過B網骨干網節(jié)點進行轉發(fā)。從網內和網間的角度分析，在ISP內部的路由選擇策略較好，跳數集中在9跳～11跳，而在ISP之間的跳數則顯著增加，集中在12跳～14跳。同樣的，ISP內部和ISP之間的比較不存在物理距離的遠近，那么影響跳數整體變大的原因是路由選擇策略。對網絡跳數進行整體統(tǒng)計可以看出，對跳數分布的影響主要來自ISP之間，因此，對于提高全國網絡性能應加強各ISP之間的互聯互通，優(yōu)化跨網的路由選擇策略。

2.2.3 跳數與時延相關性分析

路由是指數據包在網絡傳輸過程中經過的網絡節(jié)點的有序排列。路徑是數據包從源點到目的點的所有路由的集合。通常用跳數來衡量源端和目的端的距離，跳數大的一般情況下物理距離也大，延遲也會相應變化。Aiguo Fei[6]等人通過對UCLA的主機隨機選擇3000遍布全世界的主機進行測量往返延遲和跳數分析，實驗結果表明US內超過90%跳數是在18跳以內，90%的往返延遲小于153 ms，但是研究表明跳數和延遲之間沒有很強的相關性，盡管是平均時延大小會隨著跳數增加而增加。時延和跳數對比如圖3。

圖3 時延和跳數對比圖

圖3中的橫坐標是路由跳數，縱坐標是某一跳數的時延分布，從圖中可以看出，隨著跳數的增加，時延會變大，但并不是很強的相關性，在11跳到15跳之間，時延呈現很大的分布。圖中的紅點表示固定跳數時延的中位值，從16跳開始，中位值不再呈單調上升趨勢。基于以上2點不能單純的由給定跳數來預測時延大小，時延大小不僅僅由跳數決定，還會依賴很多其他因素，包括物理距離，到骨干網的距離，鏈路容量和當時某一鏈路的流量狀況，這也體現了網絡的復雜性。

2.3 AS級往返時延的分析

分析目的是AS間路徑時延對整體時延的影響，由于平臺使用的工具是Traceroute，返回的數值是往返時延，因此，采用的數據是鏈路往返時延。將每條鏈路時延比重算出，做出概率分布圖如圖4。

圖4 AS間鏈路時延比重CDF圖（intra-ISP）

對于出現在intra-ISP的跨域鏈路時延比重，C網和B網的AS間鏈路時延比重并沒有占很多，在所有的路徑往返時延中，C網90%的跨域鏈路只占其所在路徑時延的不到10%，B網80%的跨域鏈路只占其所在路徑時延的不到10%，對這2個ISP，占整條路徑的大部分時延出現在自治域內部，逐條對路徑時延分析發(fā)現，路徑時延的主導時延鏈路大部分只有一條，也即端到端路徑中大部分只存在一條瓶頸鏈路，根據上述分析結論，可以推斷出瓶頸鏈路出現在AS內部。這符合過去的研究結論。對于A網，跨域的鏈路所占時延比重CDF圖近似為一條直線，表明跨域間鏈路和域內鏈路的時延貢獻值差不多，瓶頸鏈路不能武斷的判斷在AS內部[7]還是外部。

2.4 時延抖動的分析

統(tǒng)計只采用8點和14點的時延抖動值做比較，8點的時延抖動是從2～8點的往返時延方差值，14點的時延抖動是從8～14點的往返時延方差值，2個IPDV都非常有代表性。通過3天取值來得到平均值，統(tǒng)計結果如圖5。

由圖5可知，從時間上，8點比14點的IPDV要明顯小的多，這表明凌晨2點到上午8點的網絡負載較輕，時延變化不大，比較穩(wěn)定，符合網絡的實際情況。而上午8點到下午14點的時延抖動值明顯變大，這時網絡負載較重，數據包往返時延不穩(wěn)定，會經歷排隊時延，所以時延出現較大的波動。

圖5 8點-14點時延抖動比較

3 結束語

通過對不同運營商的網絡時延性能進行分析，從網內網間以及組成的整體性能等不同角度，對運營商之間的性能差異進行了評估。通過對時延性能進行深入的挖掘，發(fā)現和驗證了時延的一些特性，證明了互聯網發(fā)展的地域不平衡性。

[1]Jun-ya Kato, Atsuo Shimizu, Shigeki Goto. Active Measurement and Analysis of Delay Time in the Internet [C]. ICPP '99 Proceedings of the 1999 International Workshops on Parallel Processing, 1999.

[2]Pucha H, Zhang Y, Mao Z M, et al. understanding network delay changes caused by routing events [C]. In proceedings of the 2007 ACM SIGMETRICS international conference on measurement and modeling of computer systems, 2007.

[3]黎文偉，王俊峰，謝高崗，張大方. 基于包對采樣的IP網絡時延變化測量方法[J]. 計算機研究與發(fā)展，2004，41（8）：1352-1359.

[4]Baek-Young Choi, Sue Moon, Rene Cruz, Zhi-Li Zhang, Christophe Diot. Practical Delay Monitoring for ISPs [C]. Proceeding 2005 ACM Conference on Emerging network Experiment and Technology, Toulouse, France, Oct. 2005.

[5]馬建國，席明賢，等. 中國Internet路由級跳數測量與分析[J]. 計算機應用研究，2008, 25（7）：2112-2115.

[6]Aiguo Fei, Guangyu Pei, et al. Measurement on delay and hop-count of the internet[C]. IEEE GLOBECOM'98 - Internet Mini-Conference. 1998.

[7]畢經平，吳 起，李忠誠. Internet延遲瓶頸的測量與分析[J]. 計算機學報，2003，26（4）：406-416.