有線寬帶接入質(zhì)量指標(biāo)探討

王昕，楊克光，劉雅麗

有線寬帶接入質(zhì)量指標(biāo)探討

王昕，楊克光，劉雅麗

（云南師范大學(xué)文理學(xué)院信息工程學(xué)院，昆明 650222）

有線寬帶接入是目前電信運(yùn)營(yíng)商主要的業(yè)務(wù)收入來(lái)源，而有線寬帶接入質(zhì)量的測(cè)量目前主要通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行，也只有下載速率這么一個(gè)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)TCP/IP協(xié)議涉及到的一些網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析有助于測(cè)量寬帶接入質(zhì)量。

寬帶；接入網(wǎng)；TCP/IP；WinShark

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類(lèi)的增多，互聯(lián)網(wǎng)上流動(dòng)的數(shù)據(jù)逐漸從非實(shí)時(shí)性的字符類(lèi)數(shù)據(jù)演進(jìn)成為具有實(shí)時(shí)性的圖片乃至視頻數(shù)據(jù)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)接入質(zhì)量的要求越來(lái)越高。寬帶接入水平已成為衡量國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)當(dāng)中，寬帶接入質(zhì)量卻難以用速率這個(gè)單一指標(biāo)來(lái)衡量，如何進(jìn)行常態(tài)下寬帶接入質(zhì)量的測(cè)量，成為了用戶(hù)和運(yùn)營(yíng)商雙方關(guān)注的焦點(diǎn)。接下來(lái)本文將就接入質(zhì)量的測(cè)量思路和方法進(jìn)行探討。

1 寬帶接入測(cè)試簡(jiǎn)介

寬帶網(wǎng)絡(luò)主要分為接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)幾個(gè)層面，如圖1所示：從圖中可以看出從寬帶網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以看到，用戶(hù)在訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)，可能跨越網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)部分。用戶(hù)所認(rèn)為的寬帶速率，其實(shí)包含了寬帶接入速率和端到端體驗(yàn)速率兩個(gè)概念。

寬帶接入速率是指從用戶(hù)終端到BRAS（Broad?band Remote Access Server，寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器）設(shè)備之間的接入網(wǎng)部分用戶(hù)所能達(dá)到的傳輸速率，即為用戶(hù)與寬帶運(yùn)營(yíng)商簽約時(shí)所指的接入速率，這一部分的速率由寬帶運(yùn)營(yíng)商的全程管控；而端到端體驗(yàn)速率是指用戶(hù)在使用寬帶應(yīng)用時(shí)，從用戶(hù)終端到所訪問(wèn)應(yīng)用的服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，這一部分速率涉及到寬帶運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)站、CDN服務(wù)器等，并不由運(yùn)營(yíng)商全程管控。因此在討論接入速率的測(cè)試時(shí)，有必要對(duì)這兩者進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。

圖1 寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 常用測(cè)試方法

在固定寬帶接入測(cè)試方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]中，要求采用的基準(zhǔn)測(cè)試方法是在BRAS處接入測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示。并提供了客戶(hù)端測(cè)速、普通網(wǎng)頁(yè)測(cè)速和控件網(wǎng)頁(yè)測(cè)速三種模型。由用戶(hù)通過(guò)瀏覽器打開(kāi)測(cè)速頁(yè)面或使用測(cè)速客戶(hù)端軟件主動(dòng)發(fā)起請(qǐng)求，通過(guò)HTTP從接入速率測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行文件下載，并根據(jù)發(fā)送的文件大中v為接入速率，單位為Byte/s，L為文件長(zhǎng)度，單位為Byte，T為下載時(shí)長(zhǎng)，單位為s。

圖2 寬帶接入速率測(cè)試示意圖

在用戶(hù)上網(wǎng)體驗(yàn)測(cè)試方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]中，將用戶(hù)上網(wǎng)體驗(yàn)分為上網(wǎng)瀏覽業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)下載業(yè)務(wù)三種模型。上網(wǎng)瀏覽業(yè)務(wù)測(cè)試指標(biāo)為首屏響應(yīng)時(shí)間、首頁(yè)響應(yīng)時(shí)間、首頁(yè)下載速率；網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)測(cè)試指標(biāo)為視頻平均下載速率、停頓率、緩沖時(shí)間占比；網(wǎng)絡(luò)下載業(yè)務(wù)測(cè)試指標(biāo)為峰值下載速率、可用下載速率。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)首屏響應(yīng)時(shí)間、首頁(yè)響應(yīng)時(shí)間、首頁(yè)下載速率所提出的測(cè)試方法均為在網(wǎng)站頁(yè)面中嵌入標(biāo)志代碼，根據(jù)下載標(biāo)志代碼之間的元素的花費(fèi)的時(shí)間可得到首屏響應(yīng)時(shí)間和首頁(yè)響應(yīng)時(shí)間，再通過(guò)類(lèi)似于公式①的方法計(jì)算出首頁(yè)下載速率。

這些方法比較直觀、簡(jiǎn)單，不需要太復(fù)雜的設(shè)備即可完成，但上述測(cè)試是基于測(cè)試平臺(tái)的端到端測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與測(cè)試平臺(tái)的工作狀況有很大關(guān)系，與用戶(hù)實(shí)際使用寬帶時(shí)的業(yè)務(wù)環(huán)境有較大區(qū)別。

3 測(cè)試新思路

鑒于上述測(cè)試方法的不完善，本文提出一種針對(duì)固定寬帶接入的測(cè)試新思路，希望能在一定程度上與現(xiàn)有方法實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。

考慮到目前電信網(wǎng)絡(luò)基本完成向IP化的轉(zhuǎn)變，本文的出發(fā)點(diǎn)是基于IP協(xié)議的接入網(wǎng)概念。ITU-T的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Y.1231[3]所定義的接入網(wǎng)指的是位于IP核心網(wǎng)和用戶(hù)駐地網(wǎng)之間的部分，即圖3所示的“IP Access Network”部分。TCP/IP協(xié)議族目前已經(jīng)是互聯(lián)網(wǎng)事實(shí)上的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此可以采用該協(xié)議族中的一些指標(biāo)來(lái)對(duì)接入質(zhì)量進(jìn)行衡量。

圖3 通用IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮到TCP/UDP指標(biāo)中的報(bào)文數(shù)量、報(bào)文長(zhǎng)度、窗口大小、重發(fā)次數(shù)與接入速率有較強(qiáng)的相關(guān)性，故采用上述指標(biāo)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型衡量接入質(zhì)量，上述指標(biāo)的采集點(diǎn)位于圖2中的BRAS處，其目的有二：一是保證數(shù)據(jù)的真實(shí)，避免路由器的處理時(shí)延對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響；二是便于對(duì)同一BRAS下的多個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，為診斷故障點(diǎn)提供依據(jù)；后者對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

實(shí)驗(yàn)方案如下：通過(guò)與電信運(yùn)營(yíng)商的合作，在現(xiàn)網(wǎng)的三個(gè)BRAS處安裝探針，并設(shè)置抓包服務(wù)器，抓包服務(wù)器上安裝WinShark2.1.1.0，用于抓取現(xiàn)網(wǎng)用戶(hù)的原始TCP報(bào)文。因?yàn)槭亲ト〉默F(xiàn)網(wǎng)用戶(hù)數(shù)據(jù)，可以保證數(shù)據(jù)的隨機(jī)性。同時(shí)在這些BRAS下配置一些線路質(zhì)量較差的接入測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比使用不同質(zhì)量線路的終端之間的測(cè)試數(shù)據(jù)得到并分析指標(biāo)差異來(lái)得到結(jié)論。定義報(bào)文數(shù)據(jù)四元組（源地址、目的地址、源端口、目的端口），以每一用戶(hù)的IP地址為單位統(tǒng)計(jì)測(cè)試時(shí)間內(nèi)的報(bào)文數(shù)量、報(bào)文長(zhǎng)度、窗口大小、重發(fā)次數(shù)、連接數(shù)。抓包持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度48小時(shí)。定義如下指標(biāo)：

TCP報(bào)文重發(fā)包數(shù)TCPR：統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)每小時(shí)重發(fā)的包數(shù)。

每秒的TCP包數(shù)據(jù)量則由每秒鐘TCP包總數(shù)(個(gè))*TCPL（Byte）得到。

每秒的TCP包數(shù)據(jù)量則由每秒鐘TCP包總數(shù)(個(gè))*TCPL（Byte）得到。

此測(cè)試共進(jìn)行兩次各48小時(shí)，一次為工作日周一08：00 至周三 07：59，一次為周五晚 19：00 至周日晚18：59。為的是盡量減小平時(shí)與周末由于用戶(hù)使用習(xí)慣的不同而導(dǎo)致的測(cè)試數(shù)據(jù)差異。

通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如表1、表2。

通過(guò)觀察測(cè)試數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在線路質(zhì)量不佳的情況下單位時(shí)間內(nèi)的TCP包總數(shù)大大下降，單位時(shí)間內(nèi)重發(fā)的TCP包數(shù)則基本不變，因此單位時(shí)間內(nèi)重發(fā)的TCP包數(shù)占總TCP包數(shù)的比例大大上升。進(jìn)一步分析TCP包的傳輸機(jī)制，可知道在通信質(zhì)量下降的情況下，TCP是通過(guò)減小窗口大小的方式來(lái)降低誤碼率的，這一點(diǎn)從對(duì)窗口大小的數(shù)據(jù)采集可以得到印證。正因?yàn)榫€路質(zhì)量不佳時(shí)窗口減小，從而導(dǎo)致了單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)腡CP包數(shù)大大下降。

綜上所述，單位時(shí)間內(nèi)的TCP包數(shù)和窗口大小可作為衡量其寬帶業(yè)務(wù)繁忙程度和接入質(zhì)量的指標(biāo)?？紤]到每一用戶(hù)使用互聯(lián)網(wǎng)的習(xí)慣基本固定，因此可在日常維護(hù)中，對(duì)每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行連續(xù)一周的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采集其接入到BRAS的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)（單位時(shí)間的TCP包數(shù)、TCP報(bào)文平均長(zhǎng)度、TCP報(bào)文窗口平均大小、TCP報(bào)文重發(fā)包數(shù)TCPR，以單位時(shí)間的TCP包數(shù)和窗口大小為主，其他指標(biāo)為輔），建立起每個(gè)端局、每個(gè)BRAS端口以至每個(gè)用戶(hù)在各個(gè)時(shí)間段的指標(biāo)“標(biāo)準(zhǔn)值”數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)發(fā)生用戶(hù)投訴的時(shí)候，通過(guò)對(duì)同一端局下不同BRAS間，或同一BRAS下不同用戶(hù)間，或同一用戶(hù)不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而盡快定位可能發(fā)生故障的區(qū)段，進(jìn)行有針對(duì)性的維修。

4 改進(jìn)

該測(cè)試方法通過(guò)對(duì)大量單個(gè)TCP報(bào)文的指標(biāo)進(jìn)行分析，得出了一些指標(biāo)與接入質(zhì)量之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)不同用戶(hù)同一時(shí)段或相同用戶(hù)不同時(shí)段的指標(biāo)進(jìn)行比較，可以在一定程度上對(duì)接入質(zhì)量是否達(dá)到承諾做出判斷，也可以對(duì)接入質(zhì)量達(dá)不到要求的原因提供分析依據(jù)。該方法通過(guò)用戶(hù)選取隨機(jī)化，并統(tǒng)計(jì)了大量的主機(jī)數(shù)據(jù)，用平均值計(jì)算來(lái)減小用戶(hù)上網(wǎng)習(xí)慣對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與大部分有線寬帶接入場(chǎng)景一致，因此得到的測(cè)試數(shù)據(jù)具有較大的參考價(jià)值。另外，本文所涉及的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是基于用戶(hù)的，而進(jìn)行更細(xì)粒度的統(tǒng)計(jì)，可以得到基于業(yè)務(wù)的指標(biāo)模型，從而為實(shí)現(xiàn)更深層次的網(wǎng)絡(luò)管理提供更多的決策依據(jù)。但該測(cè)試方法也有一定局限性：

（1）因?yàn)槭乾F(xiàn)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，所以沒(méi)有辦法使被測(cè)試對(duì)象（包括終端、線路、交換設(shè)備等）處于滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)，故極限狀態(tài)的指標(biāo)難以采集?？梢钥紤]用測(cè)試終端替代部分現(xiàn)網(wǎng)用戶(hù)提供測(cè)試數(shù)據(jù)，但其業(yè)務(wù)的隨機(jī)性又容易被破壞，而且測(cè)試終端的數(shù)量要求也比較龐大；

（2）目前互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)流中，TCP流只占約30%，大量的是UDP流[4]，而UDP與TCP的通信機(jī)制有很大不同，因此基于TCP報(bào)文采集得到的結(jié)論是否能夠用于UDP，還需要進(jìn)一步探討。

表1 周一08：00-周二07：59網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 周五19：00-周六18：59網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究有線寬帶接入網(wǎng)中常見(jiàn)的幾個(gè)指標(biāo)，指出了一種判斷有線寬帶接入質(zhì)量是否正常的思路，為運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)快速定位寬帶接入質(zhì)量瓶頸提供了一個(gè)判斷方法，能夠部分解決寬帶接入中故障定位困難、責(zé)任劃分不清的問(wèn)題，也能為運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行設(shè)備的擴(kuò)容升級(jí)提供一定的借鑒。

[1]中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YDB 2400-2012.寬帶速率測(cè)試方法-固定寬帶接入[S].北京：工業(yè)與信息化部，2012.11.

[2]中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YDB 118-2012.寬帶速率測(cè)試方法-用戶(hù)上網(wǎng)體驗(yàn)[S].北京：工業(yè)與信息化部，2012.11.

[3]ITU-T Recommendation Y.1231.IP Access Network Architecture[S].Telecommunication Standardization Sector of ITU-T,2000.11.

[4]張藝瀕，張志斌，趙詠，郭莉.TCP與UDP網(wǎng)絡(luò)流量對(duì)比分析研究[A].成都：計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010.6

Discussion of the Quality about Wired-Broadband Access Index

WANG Xin，YANG Ke-guang，LIU Ya-li
（Institute of Information Engineering,College of Arts and Sciences,Yunnan Normal University，Kunming 650222）

Wired-Broadband business supplies much income to communications carriers.Now,access network tests based on special measurement platform mainly refers point to point download rate.There is another effective way to evaluate access quality that using statistics referring to TCP/IP of the access network.

Broadband;Access Network;TCP/IP;WinShark

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（No.2015Y523）

1007-1423（2017）24-0012-04 DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2017.24.003

王昕（1975-），男，云南昆明人，講師，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)

楊克光（1977-），男，云南鳳慶人，講師，碩士，研究方向?yàn)檐浖こ?/p>

劉雅麗（1980-），女，河南許昌人，講師，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

2017-05-11

2017-08-10