基于端到端的主動測量的時延分析研究

馬宏艷　李娟

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)的發(fā)展，主動測量技術(shù)目前被推上了應(yīng)用的頂端。能否得到精確的時延數(shù)據(jù)是推測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，為分析端到端時延特性，用NS2軟件進(jìn)行建模仿真。

關(guān)鍵詞：端到端的測量；丟包率；網(wǎng)絡(luò)仿真軟件（NS2）

互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模越來越龐大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加，同時受被動測量技術(shù)的特點(diǎn)所限，主動測量技術(shù)目前被推上了應(yīng)用的頂端。能否得到精確的時延數(shù)據(jù)是推測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，為分析其時延特性，用NS2軟件進(jìn)行建模仿真。

1NS2仿真軟件

文中在在利用NS2軟件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，使用NS2進(jìn)行模擬，可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是使用已有的NS2網(wǎng)絡(luò)元素實(shí)現(xiàn)；另一種是基于C++和OTcl編程實(shí)現(xiàn)。NS2功能強(qiáng)大，模塊較為豐富，已實(shí)現(xiàn)的模塊主要有：業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器（Telnet、CEB、FTP、Web等）；網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（TCP、UDP等）；路由算法（Dijkstra等）等等。由于能夠近乎真實(shí)地模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并可以在各個層次上模擬網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程，故而成為目前網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域被人們所廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件之一。

2時延測量仿真分析

用NS2進(jìn)行建模仿真。整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由接入層、匯聚層和骨干網(wǎng)建成。模型中接入端點(diǎn)Source在每隔10s發(fā)出一個大小恒定的一般數(shù)據(jù)包。對DSLAM接入設(shè)備接入層主要用于匯聚接入流量。匯聚層網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器Access_R一般由具有優(yōu)勢的服務(wù)功能，選擇思科的自主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為匯聚層服務(wù)器交換機(jī)路由器，主要功能是實(shí)現(xiàn)DSLAM和骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)協(xié)議的最終完成之間的連接。Core_R是骨干路由器，路由器主要負(fù)責(zé)完成骨干網(wǎng)之間的業(yè)務(wù)溝通。骨干網(wǎng)是Core_Net，設(shè)其時延為10ms。

網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是關(guān)于Core_Net的兩邊對稱。仿真中的數(shù)據(jù)經(jīng)過實(shí)際的長得地理位置上的變化，可以認(rèn)為是鏈路之間的短距離的數(shù)據(jù)傳輸，因此鏈路傳播時延可忽略；為了使得測量值更接近實(shí)際值，預(yù)先輸入40%左右背景流量。

2.1時延分析

在網(wǎng)絡(luò)模型中，發(fā)送端Source發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小固定，都是1024B的TCP數(shù)據(jù)包，用NS-2進(jìn)行仿真，分析各部分時延的大小及所占整個端到端時延的比例，找出主要時延所在。仿真結(jié)果如圖1所示。顯示了每個部分的端到端延遲。因?yàn)槊總€鏈接有背景流量，延遲出現(xiàn)波動，即抖動；不使用任何QoS機(jī)制使用的模型，所以延遲比較大。圖1中帶菱形符號的是端到端延遲，平均是351ms，中間線源在DSLAM1平均延遲，174ms的大小，設(shè)置延時10msCore_Net；延遲曲線從DSLAM1到Core_Net是底部線重疊的部分，依次是平均10ms，5ms，1ms。時間延遲352ms的是接入網(wǎng)，總延遲占整個網(wǎng)絡(luò)延時的88.6%，而主網(wǎng)部分的時延占了整個網(wǎng)絡(luò)時延的4%左右。因此網(wǎng)絡(luò)的主要時延是有接入網(wǎng)部分造成的。

2.2時延與數(shù)據(jù)包大小的關(guān)系

實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中鏈路中傳播的數(shù)據(jù)可以是視頻、圖像、聲音等多種的媒體文件，媒體文件的數(shù)據(jù)量很大，在傳輸過程中需要分成多個數(shù)據(jù)包的傳輸。為了分析數(shù)據(jù)包的大小是否影響網(wǎng)絡(luò)的延時，通過源端發(fā)送大小不同的TCP數(shù)據(jù)包進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果如圖2所示。

32B的數(shù)據(jù)包的時延值是最小，1308B的數(shù)據(jù)包的時延值最大。即數(shù)據(jù)包越大平均的時延值越大，數(shù)據(jù)包和端到端的平均時延基本呈線性遞增的關(guān)系。因此，具體的被測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，應(yīng)用主動測量技術(shù)時發(fā)送的探測包的大小要考慮選擇合適的包大小，使得測得的時延結(jié)果的精度更高。

端到端網(wǎng)絡(luò)時延包括處理時延、排隊時延、傳輸時延和其它時延，大小不同的數(shù)據(jù)包的端到端時延的不同就是由于組成時延的這些不同部分所引起的。在仿真中發(fā)送端發(fā)送不同大小的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析數(shù)據(jù)包的大小與其排隊時延、處理時延、傳輸時延分別的關(guān)系，如圖3、圖4所示。

由于鏈路有背景流量，因此輸出隊列時延較大。發(fā)端每隔10s才發(fā)出一個數(shù)據(jù)包，所以，數(shù)據(jù)包在路由器的輸入隊列中不需要排隊等候，各種大小數(shù)據(jù)包的隊列時延都一樣。

分析圖3和圖4，主動測量中發(fā)送的數(shù)據(jù)包的越大，則處理時延和傳輸時延也隨著變大。數(shù)據(jù)包的大小和處理時延與傳輸時延之間大致呈線性遞增的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示數(shù)據(jù)包的大小與測量的延時有關(guān)，延時的增加會隨著數(shù)據(jù)包的增加而加大，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，數(shù)據(jù)包的增加也會使得路由器的處理時間也會改變。因此在實(shí)際測量中沒有研究。

背景流量的測量在速率一定的情況下，較小的測量數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔小，接收探測數(shù)據(jù)包的速率大，測量數(shù)據(jù)包和鏈接緩沖背景流并不激烈，如果測量包長度較大，然后測量數(shù)據(jù)包處理和傳輸占用更多的時間，和鏈接的背景流爭搶緩沖更強(qiáng)烈。因此應(yīng)該有一個合理的中間值，使背景流量測量流和鏈接不是激烈的緩沖區(qū)，即發(fā)送的探測流與背景的數(shù)據(jù)流之和不能超過鏈路的帶寬。綜合所述，對數(shù)據(jù)包大小的選取會對網(wǎng)絡(luò)性能的測量產(chǎn)生比較重要的影響，因而對數(shù)據(jù)包大小的選取是必須認(rèn)真考慮的因素之一。

3結(jié)語

主要對測量的端到端主動時延進(jìn)行分析，仿真得出主動測量技術(shù)中發(fā)送的探測數(shù)據(jù)包的大小對時延是有影響的，探測包與網(wǎng)絡(luò)的背景流結(jié)合后，時延值與探測包的大小大致呈線性關(guān)系遞增。所以在對用于測量網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬工具以及在主動測量技術(shù)中注入的探測包與背景數(shù)據(jù)流相結(jié)合后產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)流對網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響進(jìn)行分析研究，進(jìn)一步分析主動測量值時延誤差與網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬間的關(guān)系。