TCP報文丟包定位方法研究

高中耀，程 光

1.東南大學 計算機科學與工程學院，南京 211189

2.計算機網(wǎng)絡(luò)和信息集成教育部重點實驗室，南京 211189

TCP報文丟包定位方法研究

高中耀1，程 光2

1.東南大學 計算機科學與工程學院，南京 211189

2.計算機網(wǎng)絡(luò)和信息集成教育部重點實驗室，南京 211189

1 引言

ΤCP是互聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用的傳輸層協(xié)議，它提供一種可靠的面向連接的字節(jié)流服務(wù)。很多網(wǎng)絡(luò)行為會引起ΤCP報文丟失，比如流量過大導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞或中斷，錯誤的網(wǎng)絡(luò)接線或配置導(dǎo)致報文不可達，網(wǎng)絡(luò)攻擊引起網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降或癱瘓。

ΤCP報文傳輸?shù)囊粋€重要特征就是傳輸過程中的序號，報文的IP首部和ΤCP首部分別有ID號和序號，正常順序到達的報文ID號和序號應(yīng)該是非遞減的，當?shù)竭_的報文序號沒有按照非遞減方式出現(xiàn)時，那么網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)亂序，一定程度上的亂序會導(dǎo)致接收端認為報文丟失，引起擁塞窗口的調(diào)整和快速重傳，從而可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)或者應(yīng)用程序的性能下降。當發(fā)送端接收到多個重復(fù)ACK或者出現(xiàn)定時器超時，發(fā)送端會認為報文在傳輸中丟失，重傳該報文，同樣會引起擁塞窗口的調(diào)整而影響網(wǎng)絡(luò)性能。

當網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)丟包時，只有定位出丟包位置才能尋找丟包原因以解決丟包問題。所以，定位出丟包發(fā)生的位置以及推算丟包率將有利于網(wǎng)絡(luò)管理的進行。眾多學者提出各種不同的研究方法，最常見的是通過ping來分析，此類基于主動測量的方法向網(wǎng)絡(luò)中注入流量，可能會增加網(wǎng)絡(luò)負載甚至對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，不適合于經(jīng)常性的網(wǎng)絡(luò)管理和維護；Sommers等人通過在發(fā)送端主動發(fā)送探測包，在接收端查看探測包抵達的數(shù)目以推測端到端的丟包率[1]；Benko和Veres提出基于ΤCP報文序號的被動測量丟包率方法，它將測量點布置在核心或邊界路由器上，把端到端路徑分成兩部分，通過觀測ΤCP序號來定位丟包及推算丟包率[2]，Ohta和Miyazaki利用兩個測量點通過被動測量對報文進行哈希辨別來推算丟包率[3]，F(xiàn)riedl等人通過對比兩個測量點的流信息來計算丟包率[4]，Jaiswal等人對Sprint骨干鏈路上的ΤCP連接進行分析，對失序的報文進行分類，其中包括對丟失報文的定位和推算[5]，Allman等人通過觀測發(fā)送端的重傳報文來推算丟包率[6]，Nguyen等人構(gòu)建了一種叫HSMM的模型來對報文丟包進行分析[7]，Zhang等人從入口的隨機性和報文丟包入手，對丟包、時延、帶寬進行分析[8]。

上述基于被動測量研究丟包率及丟包定位的方法多數(shù)僅從ΤCP序號的角度考慮，沒有結(jié)合報文超時來分析丟包，因為三個重復(fù)ACK或發(fā)送端超時均會導(dǎo)致報文丟包。也有學者通過分析往返報文來研究丟包，這樣對丟包率的推算會更為精確，但由于網(wǎng)絡(luò)多路徑或負載平衡問題，同一個測量點不一定能完全監(jiān)測到往返報文。因此本文從序號和時間角度綜合考慮，研究單向ΤCP報文流，提出一種基于單點被動測量的報文丟包分段檢測方法（Half Path Detection of Packet Loss，HPDPL），測量點可選擇在核心或邊界路由器上，它將端到端路徑分成兩部分，通過對網(wǎng)絡(luò)中的ΤCP報文進行組流和過濾分析以定位丟包位置及推算測量點之前和之后鏈路的丟包率。利用本文提出的方法，ISP可通過二分法定位到出現(xiàn)異常的網(wǎng)絡(luò)，將異常點縮小到小范圍，并且此方法可在日常網(wǎng)絡(luò)管理中實時觀測鏈路丟包情況。

2 測度定義

既然報文丟包會降低網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序的性能，那么定義相關(guān)的測度來描述和分析丟包是非常必要的。假定ID[i]為接收端接收到報文的ID首部ID號，Seq[i]為接收端接收到報文的ΤCP首部序號，其中i、j=0，1，…，n，且j＜i。T(i，j)為接收端接收到的第i個報文和第j個報文的時間間隔，RTO為發(fā)送端計時器的超時重傳時間。

定義下面四個條件式：

2.1 亂序率

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，各種新興技術(shù)被應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)中，如多路由技術(shù)、并行處理技術(shù)、鏈路層重傳技術(shù)等。這些技術(shù)在提升互聯(lián)網(wǎng)性能的同時，也導(dǎo)致了傳輸層報文亂序的出現(xiàn)。大量研究表明，報文亂序是互聯(lián)網(wǎng)中普遍存在的現(xiàn)象[6]，隨著端到端報文延遲的降低和網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的增快，報文亂序出現(xiàn)的比例同時也呈增長趨勢[9]。

RFC4737[10]中定義了11個報文亂序測度，包括基于延遲的亂序比例，亂序范圍等，RFC5236[11]深層次地對亂序測度進行定義，提出亂序密度RD（Reorder Density）和亂序緩沖區(qū)使用密度RBD（Reorder Buffer-occupancy Density）兩個測度。

若報文按正常順序到達，則報文的ΤCP首部序號應(yīng)該呈非遞減出現(xiàn)，即Seq[i]≥Seq[j]，當?shù)竭_的報文沒有按非遞減方式出現(xiàn)，即Seq[i]＜Seq[j]，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)亂序，定義序號為Seq[i]的報文為亂序報文，亂序率定義為：

亂序率=亂序報文個數(shù)/報文總個數(shù)

亂序率在一定程度上影響著丟包率，特別在骨干鏈路，部分亂序甚至會引起吞吐量的嚴重下降[7]。

2.2 丟包率

RFC2680[12]給出了IP報文單個丟包事件的測度，RFC3357[13]進一步給出了丟包模式的測度，包括基本定義以及基本定義之上的測度序列和測度統(tǒng)計值。方法提出測量點之前的丟包率和測量點之后的丟包率，以下簡稱“前丟包率”和“后丟包率”。測量點可選擇在核心或邊界路由器上，它將端到端路徑分成前后兩部分，如圖1所示。位于網(wǎng)絡(luò)B中的客戶端從位于網(wǎng)絡(luò)A中的服務(wù)器下載文件，那么客戶端和服務(wù)器建立了ΤCP連接，ΤCP報文從發(fā)送端發(fā)送后到各自網(wǎng)絡(luò)邊界，再經(jīng)過測量點抵達接收端。

圖1 測量點的布置

由于多路由等原因，發(fā)送端發(fā)送報文至接收端和接收端回復(fù)ACK至發(fā)送端的路徑可能是不同路徑，所以本文選擇基于單向報文的IP首部ID號、ΤCP首部序號以及報文間的時間間隔來推算丟包率。

2.2.1 前丟包率

若報文在測量點之前丟失，如圖2所示，序號為1的報文在抵達測量點前丟失，測量點將看不到序號為1的報文經(jīng)過，發(fā)送端接收到三個重復(fù)ACK后，發(fā)送端會重傳序號為1的報文，此時測量點監(jiān)測到該報文的重傳，即序號為1的報文在測量點之前丟包表現(xiàn)為亂序報文的出現(xiàn)。

圖2 測量點之前丟包

當報文使得條件式Aand（CorD）為真時，可判斷該報文在測量點之前發(fā)生丟失，條件式A代表報文出現(xiàn)亂序，條件式C代表報文出現(xiàn)超時，條件式D代表報文i與報文j間距大于3。前丟包率定義為：

前丟包率=測量點之前的丟包個數(shù)/報文總個數(shù)

2.2.2 后丟包率

若報文在測量點之后丟失，如圖3所示，序號為1的報文在抵達測量點后丟失，測量點監(jiān)測到序號為1的報文經(jīng)過，發(fā)送端接收到三個重復(fù)ACK后，發(fā)送端會重傳序號為1的報文，此時測量點再次監(jiān)測到該報文的重傳，即序號為1的報文在測量點之后丟包表現(xiàn)為重復(fù)報文的出現(xiàn)。

圖3 測量點之后丟包

當報文使得條件式Band（CorD）為真時，可判斷該報文在測量點之后發(fā)生丟失，條件式B代表報文為重復(fù)報文，條件式C代表報文出現(xiàn)超時，條件式D代表報文i與報文j間距大于3。后丟包率定義為：

后丟包率=測量點之后的丟包個數(shù)/報文總個數(shù)

3 報文丟包分段檢測算法

3.1 算法描述

算法主要分為五個模塊，如圖4所示，分別是：預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)維護、計算及輸出模塊。預(yù)處理模塊負責報文到達后的預(yù)處理，對報文進行過濾并提取ΤCP報文交給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊對報文按照五元組（源IP、目的IP、源端口、目的端口、協(xié)議號）進行組流，同時記錄報文的IP首部ID號、ΤCP首部序號、報文到達時間等相關(guān)參數(shù)信息；組流的同時，狀態(tài)維護模塊對流信息進行維護，比如維護丟包推算的窗口及超時流信息更新等事務(wù)；在前三個模塊工作的同時，計算和輸出模塊利用維護的流信息進行亂序率和丟包率的推算及輸出。

圖4 算法框圖

算法的核心是計算模塊，即亂序率和丟包率的推算部分，算法如圖5所示。

第一行是對新報文的獲取，第三和四行是對RTT、RTO進行計算，根據(jù)報文的到達時間提取相鄰兩個發(fā)送輪次之間的間隙，進而推算RTT以及計算RTO，第六到第十一行是統(tǒng)計符合條件的亂序報文數(shù)和測量點之前的丟包個數(shù)，第十二和十三行是統(tǒng)計測量點之后的丟包個數(shù)，其中T[i，j]＞RTO和ID[i]-ID[j]≥3起到互相補充的作用，主要是考慮到極少數(shù)報文的ID號可能不是遞增出現(xiàn)，利用時間信息對它進行補充。最后的第十四、十五、十六行是對亂序率、前丟包率、后丟包率進行計算。

圖5 算法偽代碼

3.2 性能分析

對于該算法來說，算法的計算時間主要花費在ΤCP流信息的維護以及亂序和丟包個數(shù)的統(tǒng)計上，對于一個ΤCP流信息需要維護所屬報文的ID、Seq、時間間隔信息，對4.2節(jié)的CERNEΤ實驗數(shù)據(jù)進行前、后丟包率推算的同時，對所需維護報文的個數(shù)（窗口大?。┻M行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示，橫軸是窗口大小的統(tǒng)計值，縱軸是出現(xiàn)窗口大小的累積比例。

圖6 窗口大小累積比例曲線

觀察圖6可得知：

（1）丟包報文與重傳報文之間距離出現(xiàn)頻率最高的是3，所占比例達59.62%－28.18%=31.433%，也驗證了收到三個重復(fù)ack觸發(fā)快速重傳的控制機制；

（2）91.373%的丟包報文與重傳報文的距離小于等于5；

（3）丟包報文個數(shù)從距離6開始出現(xiàn)了驟減，驟減過程一直持續(xù)到25；

（4）僅需維護25個報文信息，就可觀測到100%的丟包，即維護的窗口大小為25。

出于全面性考慮，窗口大小選擇為比25稍大的值，資源上也不會占用過多，算法的精確度更高。流信息維護過程的時間復(fù)雜度是一個常量，即O（1），對于計算模塊來說，計算RTT和RTO的時間復(fù)雜度也是一個常量，即O（1）。對于n個報文來說，總的時間復(fù)雜度為O（n），完全符合在線實時報文分析的實際情況。

3.3 算法中數(shù)據(jù)集的選取

網(wǎng)絡(luò)中報文丟失情況錯綜復(fù)雜，由于需要做的是推算丟包率，而不是準確計算丟失報文的個數(shù)，所以對部分未知情況不應(yīng)考慮在推算丟包率的報文數(shù)據(jù)集之內(nèi)，只需選擇能準確估計丟包率的數(shù)據(jù)進行推算，數(shù)據(jù)集通過測量點采集報文構(gòu)成，對于那些不能確定丟包的報文排除在數(shù)據(jù)集之外，包括以下幾種情況：

（1）沒有數(shù)據(jù)內(nèi)容的ΤCP控制報文：沒有數(shù)據(jù)內(nèi)容的ΤCP控制報文僅由ΤCP首部組成，這些ΤCP控制報文首部的序號為固定值，在傳輸過程中不變，也就是說當丟包發(fā)生時，中間測量點將無法感知到丟包。所以對于沒有數(shù)據(jù)內(nèi)容的ΤCP控制報文排除在數(shù)據(jù)集之外。

（2）特殊的超時：由于網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致往返時間突然增大，即使沒有報文丟失出現(xiàn)，發(fā)送端也可能出現(xiàn)超時，發(fā)送端會重傳報文并等待接收端的ACK，此時當?shù)谝淮伟l(fā)送的報文抵達接收端，接收端發(fā)送ACK，發(fā)送端可能會重傳丟失報文之后發(fā)送的所有報文，那么這些重傳的報文不應(yīng)該認為是丟失的報文。所以當連續(xù)丟包的報文個數(shù)超過3個時，這些報文排除在數(shù)據(jù)集之外。

（3）環(huán)路：環(huán)路是由于網(wǎng)絡(luò)配置失誤或其他因素，導(dǎo)致報文找不到正確的路徑，一直在網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)發(fā)送。為了推算的準確性，環(huán)路報文排除在數(shù)據(jù)集之外。

3.4 幾種影響推算精度的情況

（1）特殊的IP首部ID號：IP首部的ID字段在絕大多數(shù)操作系統(tǒng)下隨著報文的發(fā)送呈遞增變化，這些操作系統(tǒng)包括Windows 95/98/NΤ/2000/XP、多數(shù)的linux、FreeBSD、Solaris。隨著報文的不斷發(fā)送，當ID號出現(xiàn)不規(guī)整的情況時，ID號不能作為丟包的判斷條件之一。

（2）同一報文出現(xiàn)大于兩次的丟包：當報文丟失時，發(fā)送端會對它進行重傳，若重傳的報文又丟失了，發(fā)送端會再重傳，在中間測量點監(jiān)測到重傳報文時，無法辨別該報文是一次還是兩次丟包進行的重傳，該算法將這種情況認為是對一次丟包進行的重傳。

（3）不同報文的連續(xù)丟包：若報文i發(fā)生丟包，緊接的報文i+1也發(fā)生丟包，計時器超時后，發(fā)送端重傳報文i、i+1，此時，測量點通過超時可判斷報文i發(fā)生丟失，但報文i+1是正常到達還是重傳到達，中間測量點無法辨別。

（4）序號回轉(zhuǎn)：IP首部的ID長度為2字節(jié)，ID的范圍是從0到0xffff，當ID到達0xffff后從0開始回轉(zhuǎn)。ΤCP頭的Seq長度為4字節(jié)，Seq的范圍從0到0xffffffff，首部的Seq長度為4字節(jié)，范圍是從0到0xffffffff，當Seq到達0xffffffff后也從0開始回轉(zhuǎn)。那么在算法計算過程中可能由于反轉(zhuǎn)報文的出現(xiàn)，導(dǎo)致丟包判斷出現(xiàn)錯誤。對于兩個臨近的沒有出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的序號，其差值不可能超過序號范圍的一半，所以對于ID來說，差值不會超過0x7fff；對于Seq來說，差值不會超過0x7fffffff。

4 實驗分析

搭建的實驗環(huán)境分為兩種，一種是仿真實驗環(huán)境，另一種是真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于需要對算法計算的前、后丟包率進行驗證，僅通過單個測量點無法做到，所以通過搭建仿真實驗環(huán)境解決此問題，在仿真環(huán)境中可采集到發(fā)送端、中間測量點、接收端共三個點的報文數(shù)據(jù)，通過對比三點采集到的報文可以計算出實際的前丟包率和后丟包率，再結(jié)合算法推算出的前、后丟包率，可以對算法的準確性進行驗證。

4.1 仿真實驗

為驗證算法對前、后丟包率推算的準確性，搭建仿真環(huán)境具體布置如圖7所示。

圖7 實驗場景

表1 準確性實驗結(jié)果

在fedora14操作系統(tǒng)上安裝五臺fedora8的虛擬機，使用Zebra來實現(xiàn)路由器功能，用Netem對路由器端口進行丟包控制。在主機A給主機B傳送文件時，對路由器1、3的eth2端口進行丟包控制，同時在路由器1、2、3上進行被動測量，可通過對比路由器1、2、3的測量數(shù)據(jù)計算出真實前、后丟包率，再利用測量點M（路由器2）上的測量數(shù)據(jù)，運用算法對前、后丟包率進行推算，具體結(jié)果如表1所示，前三列是前丟包率的實際值、推算值、誤差，后三列是后丟包率的實際值、推算值、誤差，其中誤差計算公式為：|實際值－推算值|/實際值，它反映了推算值的準確度，誤差越小，準確度越高。

從表1的實驗結(jié)果可得知，推算的前丟包率平均誤差為0.069，推算的后丟包率平均誤差為0.035，推算值與實際丟包率比較接近，具有不錯的準確性。其中推算的后丟包率誤差小于前丟包率誤差，這是因為推算后丟包率的判斷條件明確，僅需要出現(xiàn)重復(fù)報文且超時或間隔大于等于3，而推算前丟包率的判斷條件相對沒那么明確，有可能存在丟包交錯等特殊情況影響精度。另一方面，實際的丟包率越小，推算的丟包率越精確，反之當實際的丟包率越大時，丟包情況可能更復(fù)雜，推算的丟包率精度會存在一定程度的下降。

4.2 CERNET網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

實驗數(shù)據(jù)是CERNEΤ華東（北）地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中心在不同時間段采集的trace，其采集點位于江蘇省教育網(wǎng)邊界路由到國家主干路由之間。本文對2010年4月12日23：55：16、2010年4月20日13：55：16和2010年4月21日15：55：16為開始時間的5 min trace進行分析。把trace中的ΤCP報文按照五元組（源IP、目的IP、源端口、目的端口、協(xié)議號）進行組流，相同五元組的報文出現(xiàn)時間間隔超過16 s定義為超時，超時后重新組新流。一個流包含兩個方向交互的流，從江蘇省網(wǎng)到國家主干網(wǎng)的流量方向定義為正向，反之為反向。正向流的源IP、目的IP等于反向流的目的IP、源IP，正向流的源端口、目的端口等于反向流的目的端口、源端口。三次測量的實驗數(shù)據(jù)信息如表2所示，由于后兩次測量數(shù)據(jù)的測量時間選在下午，所以流量明顯高于第一次測量的流量。

表2 trace信息統(tǒng)計表

由于報文個數(shù)太少會影響計算的準確性，所以采用算法對報文個數(shù)大于300的流進行分析，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示，大約80%數(shù)據(jù)量的流滿足統(tǒng)計條件。對于正向流來說，三次測量的前丟包率都小于后丟包率，這也驗證了正向流在省網(wǎng)內(nèi)的丟包率小于國家主干網(wǎng)丟包率的事實。

表3 流信息統(tǒng)計表

5 總結(jié)

從報文丟失的成因進行分析，提出一種基于單點被動測量的報文丟包分段檢測方法來研究ΤCP報文丟包，并搭建實驗環(huán)境對算法的準確性及性能進行評估分析。最后對CERNEΤ華東北地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中心采集的數(shù)據(jù)進行組流分析，并推算亂序率及前后丟包率。

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GAO Zhongyao1,CHENG Guang2

1.School of Computer Science&Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China
2.Τhe Key Lab of Computer Network and Information Integration（Southeast University）,Ministry of Education,Nanjing 211189,China

Packet loss may cause the degradation of network and application performance.Detecting packet loss location will help network management.Τhis paper proposes a method called HPDPL to analyse ΤCP packet loss based on single point’s passive measurement.Τhis method can locate loss position and infer loss rates based on IP header’s ID field,ΤCP header’s sequence and packets’s interval.It builds a testbed to evaluate the accuracy and performance of the algorithm,and analyzes reordering rates and loss rates based on the trace collected from CERNEΤ.

passive measurement;Τransmission Control Protocol（ΤCP）packet reordering;packet loss;locate;retransmit

ΤCP報文丟失會影響網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用程序的性能，檢測出丟包發(fā)生的位置范圍將有利于網(wǎng)絡(luò)管理，因此，提出一種基于單點被動測量的報文丟包分段檢測方法（Half Path Detection of Packet Loss，HPDPL），該方法通過監(jiān)測IP的ID號、ΤCP的序號以及報文間隔時間來定位報文丟包位置，并推算出測量點前后網(wǎng)絡(luò)的丟包率，搭建實驗環(huán)境對算法的準確性及性能進行評估，利用CERNEΤ主干鏈路測量到的數(shù)據(jù)進行亂序率和丟包率分析。

被動測量；傳輸控制協(xié)議（ΤCP）報文亂序；丟包；定位；重傳

A

ΤP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1203-0502

GAO Zhongyao,CHENG Guang.Locating TCP packet loss.Computer Engineering and Applications,2013,49（15）：70-74.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）（No.2009CB320505）；國家自然科學基金（No.60973123）；江蘇省科技支撐計劃（No.BE2011173）。

高中耀（1982—），男，碩士研究生，研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)安全與管理；程光（1973—），男，教授，博導(dǎo)，研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)安全與管理。E-mail：zhygao@njnet.edu.cn

2012-03-22

2012-06-08

1002-8331（2013）15-0070-05

CNKI出版日期：2012-07-16 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.ΤP.20120716.1500.017.html