淺析網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量技術(shù)研究

程進(jìn)榮　錢(qián)俊杰

【摘 要】本文討論端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)和影響因素， 介紹了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的有關(guān)概念，基于ICMP、TCP、UDP等幾種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量技術(shù)，給出了幾種網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)測(cè)量；時(shí)延；測(cè)量技術(shù)

0 引言

隨著Internet的發(fā)展，其規(guī)模迅速擴(kuò)大、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不斷出現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。但具有開(kāi)放、分布式、不協(xié)作、異構(gòu)等特點(diǎn)的因特網(wǎng)有效管理和控制變得更難。人們致力于在各種情況下尋找和建立連接，主要關(guān)注分組向那里發(fā)送，而較少關(guān)注發(fā)送分組的時(shí)間。分組到達(dá)的時(shí)間時(shí)延大大影響了因特網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。要提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，就要找出存在問(wèn)題。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：時(shí)延、流量、丟包率、吞吐量（帶寬）等。其中網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是最重要、最常用的性能指標(biāo)。

1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的基本概念和時(shí)延測(cè)量原理

時(shí)延是指一個(gè)報(bào)文或分組從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一段傳送到另一端所需的時(shí)間。時(shí)延由發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延和處理時(shí)延組成。發(fā)送時(shí)延是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使數(shù)據(jù)塊從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入傳媒所需要時(shí)間，也就是數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)比特開(kāi)始發(fā)送算起，到最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需時(shí)間，也稱(chēng)為傳輸時(shí)延。處理時(shí)延是指數(shù)據(jù)在交換節(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行必要的處理所花費(fèi)時(shí)間。

2 時(shí)延測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)和影響因素

時(shí)延測(cè)量首先要消除測(cè)量中出現(xiàn)的隨機(jī)性。網(wǎng)絡(luò)分組的時(shí)延是一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)變量，由固定時(shí)延和可變時(shí)延兩部分構(gòu)成。固定時(shí)延是基本上不變的，它由傳輸時(shí)延和傳播時(shí)延構(gòu)成。傳輸時(shí)延由分組大小和鏈路的容量決定，一個(gè)分組的大小一旦固定，通過(guò)的鏈路容量便是固定的，其傳輸時(shí)延也是固定的。傳播時(shí)延由固定的物理傳輸介質(zhì)確定并且是固定的。分組時(shí)延中的可變時(shí)延是由很多因素造成的。它可以分成中間路由器處理時(shí)延和排隊(duì)等待時(shí)延兩部分。對(duì)于任何一個(gè)分組，中間路由器總要對(duì)其進(jìn)行路由查表以確定其轉(zhuǎn)發(fā)端口，這個(gè)時(shí)間可以看成是處理時(shí)間。同時(shí)，中間路由器繁忙可能導(dǎo)致分組排隊(duì)等待處理，也需要一段等待時(shí)間。處理和等待時(shí)間是不固定的，由路由器的具體性能以及鏈路的擁塞狀況而定，是一個(gè)隨機(jī)變量。所以如果鏈路不出現(xiàn)擁塞，一個(gè)分組的最小時(shí)延便與該分組的大小成線性關(guān)系。分組的時(shí)延具有突發(fā)性和偶然性，為了能夠使測(cè)量結(jié)果盡可能地反映網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)情況，可以采用低通濾波的方法來(lái)消除隨機(jī)性。

其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量，必須保證網(wǎng)絡(luò)入口點(diǎn)和出口點(diǎn)時(shí)鐘同步。如果時(shí)鐘不同步，則時(shí)延測(cè)量會(huì)有很大誤差。網(wǎng)絡(luò)中路徑往往是非對(duì)稱(chēng)的，或者即使路由是對(duì)稱(chēng)的但往返具有不同的性能特征。單向時(shí)延測(cè)量要求嚴(yán)格的時(shí)鐘同步。GPS時(shí)間同步技術(shù)是當(dāng)前比較成熟的并在國(guó)際上廣泛使用的時(shí)間同步技術(shù)。單向時(shí)延測(cè)量一般要求、成本比較高。在實(shí)際的測(cè)量中，測(cè)量精度不是主要問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延通常在數(shù)十到數(shù)百毫秒范圍內(nèi)，測(cè)量存在幾毫秒的誤差完全可以接受。因此測(cè)量方案都采用往返時(shí)延，可以避開(kāi)時(shí)鐘同步問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延總是隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況而不斷變化。通過(guò)分析，可將影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量的因素歸為兩類(lèi)：1）網(wǎng)絡(luò)本身的性能，即完全獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法、僅與網(wǎng)絡(luò)本身特性相關(guān)的部分；2）測(cè)量報(bào)文的特定性能，與網(wǎng)絡(luò)具體的測(cè)量方式密切相關(guān).

目前，基于端到端的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量方法，能達(dá)到快速準(zhǔn)確的目的。這種方法，不是單個(gè)設(shè)備的時(shí)延測(cè)量，而是某一段甚至某一跳之間鏈路的時(shí)延測(cè)量。端到端往返時(shí)延的計(jì)算時(shí)間都在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，不存在時(shí)間同步問(wèn)題，無(wú)需在測(cè)量的兩端都安裝測(cè)量軟件，只需要固定一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，另一個(gè)測(cè)量點(diǎn)可以任意選擇，使測(cè)量范圍擴(kuò)充到整個(gè)因特網(wǎng)。端到端傳輸優(yōu)點(diǎn)是鏈路建立后，發(fā)送端知道接收設(shè)備一定能收到，而且經(jīng)過(guò)中間交換設(shè)備時(shí)不需要進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，因此時(shí)延較小。端到端傳輸缺點(diǎn)是直到接收端收到數(shù)據(jù)為止，發(fā)送端設(shè)備一直要參與傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)時(shí)延很長(zhǎng)，那么對(duì)發(fā)送端設(shè)備造成很大浪費(fèi)。端到端傳輸?shù)牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)是如果接收設(shè)備關(guān)機(jī)或故障，那么端到端傳輸不可能實(shí)現(xiàn)。在端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量中，要降低這種缺點(diǎn)帶來(lái)的影響，就要選擇合理的測(cè)量時(shí)段、數(shù)據(jù)包字長(zhǎng)和測(cè)量樣本等。

3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量方法

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量其承載數(shù)據(jù)包的協(xié)議不同，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量方法可分為：基于ICMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量。Ping是基于ICMP請(qǐng)求應(yīng)答報(bào)文開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件，用來(lái)診斷網(wǎng)絡(luò)故障，也是用來(lái)測(cè)量往返時(shí)延最常用的工具。Ping工具通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)中特定地址發(fā)送ICMP echo報(bào)文，并監(jiān)聽(tīng)回應(yīng)報(bào)文，根據(jù)回應(yīng)報(bào)文的探測(cè)結(jié)果，來(lái)評(píng)估主機(jī)路徑的可靠性、往返時(shí)延大小等。將報(bào)文封裝在ICMP報(bào)文中是目前網(wǎng)絡(luò)測(cè)量工具最常用的方式，但是ICMP報(bào)文也是用來(lái)進(jìn)行DOS攻擊的主要方式，因此在許多ICMP協(xié)議都被過(guò)濾了，可能會(huì)完全被阻塞。路由器可以限制ICMP回復(fù)的速率來(lái)避免被消耗過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)帶寬和路由資源。這意味利用ICMP協(xié)議測(cè)量時(shí)延的結(jié)果是不可靠的?；赨DP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量。當(dāng)對(duì)方主機(jī)或者中間節(jié)點(diǎn)過(guò)濾掉ICMP報(bào)文后，可以使用UDP報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的往返時(shí)延測(cè)量。UDP報(bào)文的實(shí)現(xiàn)和ICMP報(bào)文較相似，都是無(wú)連接的。不同的是UDP協(xié)議需要指定一個(gè)端口，在實(shí)際使用時(shí)，可以任選一個(gè)端口，當(dāng)接收方該端口對(duì)應(yīng)的服務(wù)不存在時(shí)，會(huì)立即返回一個(gè)“端口不可到達(dá)”的IC-MP報(bào)文。因此，在使用UDP報(bào)文進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要注意發(fā)送方發(fā)送一個(gè)UDP報(bào)文，接收方反饋的不一定是UDP報(bào)文，也有可能是ICMP報(bào)文，這兩種返回的報(bào)文都可以用來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。此外，UDP協(xié)議在實(shí)現(xiàn)時(shí)要注意其最大報(bào)文長(zhǎng)度與ICMP報(bào)文不同，通常應(yīng)小于500 Byte。但是將報(bào)文封裝在UDP報(bào)文中也有疑問(wèn)。UDP沒(méi)有TCP協(xié)議所固有的擁塞控制算法，在UDP報(bào)文使用達(dá)到高峰時(shí)，為了減少對(duì)TCP流的影響，UDP報(bào)文的速率可能會(huì)受到限制。

基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量。針對(duì)防火墻設(shè)置，雖比較復(fù)雜，但可適用于測(cè)量某些前兩種方法不能工作的特定環(huán)境。除了選取合適的承載報(bào)文，TCP協(xié)議測(cè)量網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的難點(diǎn)包括TCP協(xié)議發(fā)送機(jī)制本身。TCP協(xié)議為提高傳輸效率，往往不是即時(shí)發(fā)送報(bào)文，而要收集足夠的數(shù)據(jù)后才發(fā)送，可能會(huì)產(chǎn)生發(fā)送方記錄的發(fā)送時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于時(shí)間發(fā)送時(shí)間，而使得測(cè)量的結(jié)果大于實(shí)際值的現(xiàn)象。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，要求在主動(dòng)測(cè)量時(shí)，不但要求發(fā)送方在承載的TCP報(bào)文中加入PSH標(biāo)志，此時(shí)將立即發(fā)送此數(shù)據(jù)報(bào)文而無(wú)需等待，同時(shí)也要求接收方在反饋該報(bào)文時(shí)，也必須帶PSH標(biāo)志。同理，在被動(dòng)測(cè)量時(shí)，要注意承載的報(bào)文必須是帶有PSH標(biāo)志的報(bào)文，并且對(duì)應(yīng)的反饋報(bào)文也必須同樣帶有PSH報(bào)文。也可以利用其它協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量。方法基本和UDP或TCP類(lèi)似，關(guān)鍵根據(jù)所在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的具體情況，靈活選擇承載報(bào)文，即能在發(fā)送方立即發(fā)送，而接收方收到后又能立即反饋的報(bào)文。

4 結(jié)論

本文闡述了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的相關(guān)概念，討論了影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量的各種因素。在實(shí)際測(cè)量中可根據(jù)具體情況靈活選擇合適的測(cè)量方法。當(dāng)前，利用端到端時(shí)延測(cè)量結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)斷層推測(cè)，是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的一個(gè)新興領(lǐng)域。隨著對(duì)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量研究的深入，人們將更加深刻了解網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)，讓網(wǎng)絡(luò)為人類(lèi)的生活提供更好的支持。

[責(zé)任編輯：謝慶云]