基于幀長的巨幀網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測量方法

張 釗， 肖宇峰， 張 華

(1．西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽621010;2．西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心 四川 綿陽621010)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)測量是通過精確捕獲定量的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)來建立網(wǎng)絡(luò)的描述與模擬，有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)未來行為進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理配置與使用．時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)的固有屬性之一，同時(shí)也是評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)．隨著千兆以太網(wǎng)的爆炸式增長，以太網(wǎng)幀長正在向巨型化發(fā)展，傳統(tǒng)的1 500字節(jié)幀長帶來更多收發(fā)包的CPU消耗，影響本地終端的處理性能［1］．巨幀是超過1 500字節(jié)的幀的統(tǒng)稱，很多數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)(網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、高清視頻)選擇巨幀作為傳輸載體，但是巨幀的網(wǎng)絡(luò)性能并沒有統(tǒng)一的測量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［2］．巨幀時(shí)延能直觀體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能，準(zhǔn)確獲取時(shí)延有助于實(shí)施巨幀網(wǎng)絡(luò)管理，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量［3］．

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)測量都是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀長，針對(duì)巨幀時(shí)延測量研究并不多見．為了得到巨幀時(shí)延更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，正確認(rèn)識(shí)巨幀時(shí)延的標(biāo)度行為，本文在TCP超時(shí)Jacobson算法基礎(chǔ)上，改進(jìn)了基于幀長的超時(shí)定時(shí)器算法，對(duì)不同幀長的往返時(shí)延序列，定時(shí)器將進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整．并搭建了測量巨幀傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)，測量分析了巨幀在局域網(wǎng)內(nèi)的時(shí)延、抖動(dòng)特性．改進(jìn)后，巨幀的超時(shí)判定準(zhǔn)確性提高，重傳減少．

1 巨幀網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測量方法

為了獲得數(shù)據(jù)包的往返時(shí)延，典型的測量方法是:首先，在源端構(gòu)建數(shù)據(jù)包，通過設(shè)定網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)構(gòu)筑各層次通信協(xié)議頭部;然后，發(fā)送數(shù)據(jù)包前獲得系統(tǒng)時(shí)鐘的當(dāng)前時(shí)間，通過協(xié)議棧發(fā)送數(shù)據(jù)包;數(shù)據(jù)包經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的端后，響應(yīng)數(shù)據(jù)包中攜帶的信息，回復(fù)響應(yīng)包返還源端;源端接收響應(yīng)數(shù)據(jù)包，并迅速獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間;最后，由2個(gè)系統(tǒng)時(shí)間的差值得到網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)延．?dāng)?shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臓顩r不可預(yù)知，是否丟包等問題主要通過超時(shí)定時(shí)器來解決［4］．因此，超時(shí)定時(shí)器成為測量準(zhǔn)確性的一個(gè)關(guān)鍵因素．

1．1 超時(shí)定時(shí)器

數(shù)據(jù)包時(shí)延通過設(shè)定RTO(retransmission timeout)確定超時(shí)與否．幀長差異會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)延時(shí)動(dòng)態(tài)變化，表現(xiàn)為有不同的延時(shí)標(biāo)度，如果采用統(tǒng)一的時(shí)延超時(shí)算法，勢必會(huì)產(chǎn)生測量誤差．經(jīng)典的Jacobson TCP重傳超時(shí)算法描述為:［5］

SRTT是被平滑的均值的估計(jì)器(round-trip time，RTT)，RTTVAR是被平滑的均值方差，DELTA是剛得到的測量結(jié)果與當(dāng)前RTT估計(jì)器之差．SRTT和RTTVAR被用于計(jì)算下一個(gè)重傳時(shí)間．α是增益，β是偏差權(quán)重．算法中的α和β分別起到平均SRTT和控制RTO對(duì)RTT變化的響應(yīng)快慢的作用．α和β一般的取值為

α =1/8，β=1/4．

Jacobson算法采用固定的增益和偏差權(quán)重，但是不同幀長對(duì)增益和偏差權(quán)重的要求是不同的．

1．2 幀長與時(shí)延分析

利用下文的網(wǎng)絡(luò)測量程序在沒有時(shí)延超時(shí)定時(shí)器的情況下得到的不同幀長原始時(shí)延數(shù)據(jù)如圖1所示．

圖1 60字節(jié)、1 000字節(jié)、5 000字節(jié)幀長的原始時(shí)延數(shù)據(jù)Fig．1 Original delay data of 60，1 000 and 5 000 bytes frame size

原始時(shí)延數(shù)據(jù)是指完成一次數(shù)據(jù)收發(fā)的RTT，不考慮數(shù)據(jù)是否超時(shí)，數(shù)據(jù)包只要回到源端，就計(jì)算RTT．圖1中的數(shù)據(jù)是在相同速率不同幀長下得到的原始時(shí)延數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)的基本走勢可以看到:幀長越短，時(shí)延的抖動(dòng)越小;幀長越大，時(shí)延的抖動(dòng)越劇烈．

圖2顯示的是在相同測量環(huán)境下，不同幀長時(shí)延抖動(dòng)頻度的變化趨勢．幀長的變化區(qū)間是50～9 050字節(jié)，步長為50字節(jié)，共180組數(shù)據(jù)，覆蓋了jumbo frame的變化范圍．圖2表明，隨著幀長的增長，時(shí)延的抖動(dòng)超時(shí)包的個(gè)數(shù)呈線性增長的趨勢．采用曲線擬合的最小二乘法近似得到時(shí)延頻度的增長斜率．

圖2 不同幀長頻度變化趨勢圖Fig．2 Tendency chart of different frame size frequency change

設(shè)定數(shù)組(xi，yi)(i=1，2，…，n)，xi是幀長，yi是時(shí)延抖動(dòng)的頻度，n是總體的數(shù)組個(gè)數(shù)．選取求解線性函數(shù)的一組線性無關(guān)最小二乘函數(shù):

近似擬合的函數(shù)為 φ(x)=a0φ0(x)+a1φ1(x)．a(chǎn)0，a1為擬合的一次函數(shù)的系數(shù)，轉(zhuǎn)化為 φ(x)=a0+a1x．最小二乘法計(jì)算系數(shù)的正則方程組的矩陣形式

其中，

帶入實(shí)際測量數(shù)據(jù)近似得，a0=110，a1=0．01．也就得到一次函數(shù)

式(1)反映了幀長與時(shí)延抖動(dòng)頻度的關(guān)系．

1．3 改進(jìn)的超時(shí)定時(shí)器設(shè)計(jì)

有測量結(jié)果可見，隨著幀長的增加，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)呈現(xiàn)線性增長的趨勢，而延時(shí)抖動(dòng)也呈現(xiàn)加劇的趨勢;幀長變小，延時(shí)時(shí)間降低，延時(shí)抖動(dòng)趨于平緩．Jacobson算法的α和β是固定不變的，對(duì)所有的延時(shí)標(biāo)度行為沒有區(qū)分，為了獲得延時(shí)標(biāo)度行為較好的統(tǒng)計(jì)特性，在Jacobson算法基礎(chǔ)上加入對(duì)主要的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，適應(yīng)不同幀長的時(shí)延特性．α參數(shù)的變化范圍介于0到1之間，越接近0，則表示SRTT對(duì)RTT的感應(yīng)越不靈敏，即SRTT受到新的RTT值的影響減弱，抖動(dòng)較劇烈的包被濾除掉的可能性將增加;越接近于1，則表示SRTT對(duì)RTT的感應(yīng)靈活，也就是SRTT受到新的RTT值的影響增強(qiáng)，抖動(dòng)較劇烈的包被濾除掉的可能性將減弱．α直接控制著時(shí)延超時(shí)的頻度．經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，α參數(shù)在(0．01，0．125)變化區(qū)間內(nèi)具有較好的定時(shí)器特性，α參數(shù)對(duì)于式(1)的變化也是線性影響，經(jīng)過線性變換，α與幀長x的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

Jacobson算法中的β和4共同控制RTO對(duì)RTT快速響應(yīng)的快慢，也就是局部變化的響應(yīng)速度．β偏差權(quán)重隨著幀長的增長而增長，使得RTO達(dá)到足夠水平，減緩快速變化過程中達(dá)到RTT的時(shí)間．改進(jìn)過程中把β固定為0．25，4調(diào)整為動(dòng)態(tài)變化參數(shù)β，β參數(shù)的主要變化范圍是大于1的，實(shí)驗(yàn)得到在(3．5，6)區(qū)間內(nèi)有較穩(wěn)定的定時(shí)器特性，經(jīng)過頻度到β線性變換，β與幀長x的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

2 實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)［6］提到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延具有尖刺現(xiàn)象，引發(fā)尖刺的原因可能是路由重定向，用戶背景流量突發(fā)等．該時(shí)延測量研究不同幀長對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的影響，所以實(shí)驗(yàn)環(huán)境沒有選擇復(fù)雜環(huán)境網(wǎng)絡(luò)，可以排除如路由重定向，用戶背景流量突發(fā)等造成尖刺的原因．

2．1 硬件環(huán)境

巨幀是一種廠商標(biāo)準(zhǔn)的超長幀格式，還沒有獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的認(rèn)可，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并非都支持巨幀數(shù)據(jù)包，所以選擇合適的硬件平臺(tái)環(huán)境是至關(guān)重要的．SMC6110L2網(wǎng)管型交換機(jī)是一款支持巨幀傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)交換設(shè)備，擁有豐富的軟件管理功能，為實(shí)驗(yàn)提供了可靠的局域網(wǎng)環(huán)境．兩臺(tái)電腦的主要配置如下:第1臺(tái)電腦CPU pentium(R)dual-core E6300@2．80G Hz，2G內(nèi)存，網(wǎng)卡主板集成，適配器realtek PCIe GBE family controller，支持巨幀．第2臺(tái)電腦 CPU intel core i7870@2．93G Hz，4G 內(nèi)存，網(wǎng)卡是 RTL8168D(P)/8111D(P)PCIe GBE NIC，支持巨幀．連接線纜為超5類雙絞線．基本的連接情況如圖3所示．

2．2 軟件環(huán)境

源端作為主要的調(diào)試環(huán)境使用的是Redhat Linux企業(yè)版5，內(nèi)核版本是2．6．18，Gcc版本是4．3．2．目的端為了追求一般性選用的是Windows XP專業(yè)版．SMC交換機(jī)具有豐富的網(wǎng)絡(luò)管理功能，Snmp，QoS等，并且具有打開巨幀的功能［7］．

圖3 硬件環(huán)境連接示意圖Fig．3 Hardware environment connection diagram

2．3 測量程序設(shè)計(jì)

由圖4可知，為了控制數(shù)據(jù)包的速率，程序采用了發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程的設(shè)計(jì)模式［8］．首先，建立共享內(nèi)存區(qū)存放定時(shí)器數(shù)組;發(fā)送進(jìn)程記錄發(fā)送時(shí)間，啟動(dòng)發(fā)包定時(shí)器，按照設(shè)定速率發(fā)送變幀長數(shù)據(jù)包;接收進(jìn)程等待包的回復(fù)，對(duì)包的處理分為3種情況:1)數(shù)據(jù)包在超時(shí)時(shí)間內(nèi)到達(dá)，處理數(shù)據(jù)包;2)通過RTO時(shí)間的比較，數(shù)據(jù)包超時(shí)到達(dá)，丟棄數(shù)據(jù)包;3)數(shù)據(jù)包沒有到達(dá)，超時(shí)信號(hào)處理，記錄丟包;數(shù)據(jù)包正常到達(dá)時(shí)，通過應(yīng)答包中攜帶的發(fā)包截取時(shí)間與收包后的截取時(shí)間計(jì)算RTT．

2．4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，對(duì)提出的基于幀長的超時(shí)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較．首先采集原始時(shí)延數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)如圖1所示．其次，分別測量Jacobson算法和基于幀長的改進(jìn)算法，采集相應(yīng)時(shí)延數(shù)據(jù)，并分析時(shí)延性能．

圖1是在實(shí)驗(yàn)程序中不加入超時(shí)算法得到時(shí)延數(shù)據(jù)，也就是說，任何到達(dá)的數(shù)據(jù)包都被統(tǒng)計(jì)在列．其中含有已超時(shí)數(shù)據(jù)包的延時(shí)和正常延時(shí)．如此可以對(duì)超時(shí)定時(shí)器的性能進(jìn)行準(zhǔn)確的分析．從圖5、6中可以看出，60字節(jié)時(shí)，Jacobson算法和改進(jìn)算法沒有明顯的區(qū)別，對(duì)于超時(shí)與否的準(zhǔn)確性相差無幾．隨著幀長的增加，到1 000字節(jié)時(shí)，Jacobson算法中出現(xiàn)了超過基本時(shí)延標(biāo)度兩倍的數(shù)據(jù)包，而準(zhǔn)確的時(shí)延數(shù)據(jù)比改進(jìn)算法要少．到5 000字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，Jacobson算法快速降落到了RTT時(shí)延范圍內(nèi)，大量標(biāo)度時(shí)延范圍內(nèi)的準(zhǔn)確時(shí)延數(shù)據(jù)被過濾掉，定時(shí)器效能極大地下降;而改進(jìn)算法很好地改善了定時(shí)器的準(zhǔn)確性，適應(yīng)了幀長增加帶來的時(shí)延增加及時(shí)延抖動(dòng)加劇的問題．

圖4 測量程序結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Test program diagram

3 結(jié)論

巨幀是高速網(wǎng)絡(luò)中興起的一種規(guī)范，它的性能并不為人所熟知．本文從幀長的角度入手，分析巨幀數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)中的時(shí)延以及抖動(dòng)特性:巨幀在低速以太網(wǎng)中的使用受到固有帶寬的影響，實(shí)時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)延時(shí)大，不適宜對(duì)時(shí)延要求高的應(yīng)用．不同幀長時(shí)延具有不同的標(biāo)度行為，通過對(duì)超時(shí)定時(shí)器的改進(jìn)，使得對(duì)不同幀長的數(shù)據(jù)包具有動(dòng)態(tài)調(diào)整的作用．使用該算法可以改善TCP超時(shí)重傳的性能，減少不必要的超時(shí)重傳，提高使用巨幀的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中吞吐量等性能，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性．由于網(wǎng)絡(luò)搭建的復(fù)雜性，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的普適性不強(qiáng)，后期工作需要構(gòu)建更加一般性的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步測量與發(fā)現(xiàn)幀長對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響．

［1］ Iyer A P，Deshpande G，Rozner E，et al．Fast resilient jumbo frames in wireless LANs［C］//Proceedings of the 17th International Workshop on Quality of Service IWQoS．South Carolina，2009:1 －9．

［2］ 胡風(fēng)華，侯紫峰，祝明發(fā)．以太網(wǎng)MTU與IP SAN存儲(chǔ)系統(tǒng)性能［J］．計(jì)算機(jī)工程，2005，31(4):117－119．

［3］ 黃志忠．基于測量的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)研究［D］．成都:電子科技大學(xué)，2011．

［4］ 周韻文．基于主動(dòng)測量的IP網(wǎng)絡(luò)QoS研究與實(shí)現(xiàn)［D］．北京:北京郵電大學(xué)，2010．

［5］ 游海峰．TCP重傳超時(shí)機(jī)制優(yōu)化的研究［D］．北京:北京工業(yè)大學(xué)，2007．

［6］ 王愷．Internet包延遲行為分析和主動(dòng)測量技術(shù)研究［D］．北京:中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所，2005．

［7］ Shaneel N，Paula R L．Impact on network performance of jumbo-frames on IPv4/IPv6 network infrastructure:an empirical testbed analysis［C］//IEEE 4th International Conference on Internet Multimedia Services Architecture and Application．Bangalore，2010:1－4．

［8］ 趙樹升，范剛龍，張煥劍．一種Windows網(wǎng)絡(luò)嗅探器的檢測原理與實(shí)現(xiàn)［J］．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2005，37(3):51－53．