數(shù)據(jù)傳輸丟包現(xiàn)象的研究與分析

韓強

摘要：針對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程中存在丟包的問題，構建模擬環(huán)境對丟包現(xiàn)象進行了具體分析，得出了線路接觸不良、網(wǎng)絡設備處理性能差和設備端口傳輸帶寬不足導致的數(shù)據(jù)丟包原因，丟包率過高會引起重要數(shù)據(jù)的丟失，導致數(shù)據(jù)傳輸失敗。通過對網(wǎng)絡設備處理性能進行研究，得出網(wǎng)絡設備會因不同的流量控制策略而產(chǎn)生丟包等結論，提出了流量控制措施需結合不同流量特性來確定的結論。

關鍵詞：流量控制；QoS；緩存；限速；令牌桶

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）24-60-4

0引言

當網(wǎng)絡設備需要與低速物理傳輸線路相連時，為確保關鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽浚枰渲帽匾牧髁靠刂拼胧?，網(wǎng)絡設備的流量控制措施包括流量監(jiān)管（Committed Access Rate，CAR）、流量整形（Generic Traffic Shaping，GTS）和端口限速（Line Rate，LR）3種，這3種流量控制措施都屬于速率限制類型，但實現(xiàn)原理和最終效果有較大差別，具體選擇哪一種流量控制措施需結合網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的流量特性來確定[1]。

1丟包原因排查

1.1丟包原因排查

數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)發(fā)送終端發(fā)出，依次經(jīng)接入交換機、匯聚交換機、防火墻、保密機、路由器、復分接器和Modem傳輸，數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示。

數(shù)據(jù)傳輸所經(jīng)過的接入交換機、匯聚交換機和路由器具備線速轉發(fā)能力，即數(shù)據(jù)由輸入端口按線路速率輸入時，經(jīng)設備處理后還可以從輸出端口按線路速率輸出，系統(tǒng)的處理性能不會影響數(shù)據(jù)的傳輸[2]。

1.2丟包位置排查

將經(jīng)路由器廣域網(wǎng)端口和匯聚交換機與防火墻相連端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏡像至監(jiān)視計算機，利用數(shù)據(jù)發(fā)送軟件的通信監(jiān)視功能，對數(shù)據(jù)傳輸過程進行實時監(jiān)視，通過對輸出數(shù)據(jù)包數(shù)、匯聚交換機輸出數(shù)據(jù)包數(shù)和路由器輸出數(shù)據(jù)包數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包發(fā)生在匯聚交換機與防火墻的互連端口至路由器廣域網(wǎng)端口之間的傳輸過程中[3]。

1.3丟包原因分析

為準確定位丟包位置并確定丟包的真正原因，對從匯聚交換機與防火墻互連端口的鏡像輸出的數(shù)據(jù)包以ms為單位進行數(shù)據(jù)傳輸速率分析，發(fā)現(xiàn)由數(shù)據(jù)發(fā)送終端發(fā)出的數(shù)據(jù)包存在明顯的突發(fā)現(xiàn)象，數(shù)據(jù)通常在發(fā)送周期的第1 ms內發(fā)送完畢，發(fā)送速度達到6～8包/ms，包長5 642 Byte。匯聚交換機輸入端口接收數(shù)據(jù)包情況分析如圖2所示。

在向數(shù)據(jù)發(fā)送終端發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，數(shù)據(jù)存在積累，假設每20 ms向數(shù)據(jù)發(fā)送終端發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，基帶接收大數(shù)據(jù)的速率為4 192 kbps，那么在20 ms的時間內積累數(shù)據(jù)為10 480 Byte，加上應用層的包頭，在網(wǎng)絡中需要封裝為4個IP數(shù)據(jù)包進行傳輸。另一方面，數(shù)據(jù)發(fā)送終端應用軟件的數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)多，數(shù)據(jù)發(fā)送過程并不能精確地控制數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率，也會引起數(shù)據(jù)突發(fā)。應用軟件將需發(fā)送的數(shù)據(jù)提交給操作系統(tǒng)，當系統(tǒng)繁忙時，數(shù)據(jù)將被緩存在操作系統(tǒng)的緩存中，當操作系統(tǒng)空閑時，就會將積累的數(shù)據(jù)包一次性地提交給網(wǎng)卡驅動程序，最終通過網(wǎng)卡硬件發(fā)送至傳輸線路上[4]。當網(wǎng)絡設備的輸出端口未進行流量控制時，所有數(shù)據(jù)直接轉發(fā)至接收設備。若網(wǎng)絡設備的輸出端口設置有流量控制策略，則會出現(xiàn)如圖3所示的數(shù)據(jù)包瞬間過載情況[4]。

對于包長為5 642 Byte的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡設備的源端接收速率可達22包/ms，當路由器出口限速為5 120 kbps時，路由器每ms可發(fā)送的數(shù)據(jù)為640 Byte，還不到一包，因此，由上游突發(fā)傳輸至路由器的數(shù)據(jù)包不能及時發(fā)送出去，當路由器不具備緩存功能或緩存容量不足時，數(shù)據(jù)包必然會被丟棄，從而導致丟包。

2網(wǎng)絡設備流量控制策略與數(shù)據(jù)傳輸特性

2.1流量控制措施的實現(xiàn)原理

2.1.1流量監(jiān)管

流量監(jiān)管（CAR）是通過監(jiān)督進入網(wǎng)絡的流量速率，對超出部分的流量進行“懲罰”，使進入的流量被限制在一個合理的范圍內，從而保護網(wǎng)絡資源和企業(yè)網(wǎng)用戶的利益。CAR技術沒有緩存隊列機制，所有超過限定速率的數(shù)據(jù)都會被丟棄，而TCP或IP的數(shù)據(jù)是經(jīng)常伴隨著突發(fā)流量的，導致數(shù)據(jù)經(jīng)常被丟棄，CAR技術對此做了一定的改進，即在某一時間間隔內如果有突發(fā)流量，則使用CBS的剩余令牌以及PBS的令牌傳輸一定的突發(fā)流量。

2.1.2流量整形

流量整形（GTS）是通過限制流量與突發(fā)來主動調整流量輸出速率，使報文以比較均勻的速率向外發(fā)送。GTS通過使用緩沖區(qū)和令牌桶來完成，報文發(fā)送速度過快時，在緩沖區(qū)先進行緩存，經(jīng)過令牌桶的控制，再均勻地發(fā)送被緩沖的報文。當下游設備接口速率小于上游設備接口速率或發(fā)生較大的突發(fā)流量時，下游設備接口處會出現(xiàn)流量擁塞的情況，用戶可以在上游設備配置GTS，將上游不規(guī)整的流量進行整形，輸出一條比較平整的流量以解決下游設備的擁塞問題。

2.1.3端口限速

GTS技術是對具體的流做限速，并且不同的流之間不可相互搶占服務帶寬。當用戶要求對某一接口發(fā)出的所有報文進行限速，而不區(qū)分流的類型時，就需要用到端口限量（LR）技術。當令牌桶中存有令牌時，允許報文的突發(fā)性傳輸；當令牌桶中沒有令牌時，報文必須等到桶中生成了新的令牌后才可以繼續(xù)發(fā)送。這就限制了報文的流量不能大于令牌生成的速度，既限制了流量，又達到允許突發(fā)流量通過的目的。LR對報文的處理在鏈路層進行，當用戶只要求對接口發(fā)出的所有報文進行限速時，使用LR比較簡單。ATM接口不能配置接口限速功能，LR功能只能在低速卡的出接口上進行配置[5]。

2.2流量控制措施形成的數(shù)據(jù)傳輸特性測試

2.2.1令牌桶工作參數(shù)測試原理

對于令牌桶工作參數(shù)測試來說，主要是驗證經(jīng)過設備QoS處理之后的流量是否降到了約定信息速率（Committed Information Rate，CIR），所限定的值，令牌桶的實際尺寸是否符合設備的配置，經(jīng)過重新標記的報文是否被正確標記，這些都和令牌桶的機制有關。

①輸入流量速率：應高于，且不超過設備的轉發(fā)性能。

②輸出流量速率的測試：統(tǒng)計輸出速率必須等待令牌桶第一次令牌耗盡之后，在此之前設備轉發(fā)的速率是高于的。

③令牌桶的大?。毫钆仆按笮〉臏y試以測試完成為前提。如果不準確，測得的令牌桶大小也將不準。以超過的速率發(fā)送報文并開始計時，令牌桶中的令牌以-的速率逐漸消耗掉。在1時刻第一次出現(xiàn)令牌不足，設備轉發(fā)報文的速率降至，直到發(fā)送結束時刻2。整個過程如圖4所示。

假定為接收到的報文總字節(jié)數(shù)，根據(jù)令牌桶的工作原理不難得出= -2×÷8。需要指出的是，有些QoS特性僅有報文IP頭以上部分消耗令牌，有些是鏈路層及以上部分均消耗令牌。通過比較實測的值和配置的值還可以判斷出以太網(wǎng)端口QoS工作在OSI參考模型的第幾層。因此，上述公式中令牌桶大小需要和在OSI參考模型的同一層上進行計算，否則會出現(xiàn)較大偏差[5]。

2.2.2緩存的測試原理

LR， CAR在輸入流量相同的條件下輸出波形相同，但由于LR有緩存而CAR沒有緩存，因此，在時刻1之后2之前LR還會有一段時間發(fā)送的是緩存隊列的數(shù)據(jù)。通過測試儀觀察不到這種差別，必須通過抓包軟件對1～間開頭部分報文的IP頭部ID進行逐個觀察，找到第一次報文ID不連續(xù)的時刻3，則在1～3之間所有ID連續(xù)的報文都是緩沖區(qū)中的報文，這些報文的字節(jié)數(shù)之和就是緩存隊列的大小。

3流量控制策略優(yōu)化

流量控制策略優(yōu)化方案包括發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送精確定時、源端數(shù)據(jù)輸出電路降速和網(wǎng)絡設備Qos策略優(yōu)化3種。

3.1數(shù)據(jù)發(fā)送精確定時

采用發(fā)送精確定時，可確保數(shù)據(jù)發(fā)送終端按設定的數(shù)據(jù)發(fā)送周期在規(guī)定的時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣即使數(shù)據(jù)發(fā)送終端數(shù)據(jù)輸出接口的線路速率再大，只是降低了數(shù)據(jù)發(fā)送所需要的時間，而不會在下游傳輸鏈路上形成數(shù)據(jù)瞬間突變。由于網(wǎng)絡設備不緩存數(shù)據(jù)，其接收數(shù)據(jù)包的能力與令牌桶大小相關。假設令牌桶大小為cbs，基帶大數(shù)據(jù)接收速率為，則數(shù)據(jù)發(fā)送周期≤（-）/，其中，為IP數(shù)據(jù)包頭的大小，包括IP協(xié)議頭和應用層協(xié)議頭。數(shù)據(jù)發(fā)送周期越小，令牌桶中能夠容量的數(shù)據(jù)包數(shù)量越多。

3.2源端數(shù)據(jù)輸出電路降速

數(shù)據(jù)發(fā)送終端與交換機之間互連電路的傳輸速率高達 1 000 Mbit/s，而數(shù)據(jù)傳輸鏈路上的衛(wèi)通電路的數(shù)據(jù)傳輸速率只有5 Mbit/s，遠低于數(shù)據(jù)發(fā)送終端與交換機之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。當采用仿真軟件發(fā)送數(shù)據(jù)時，匯聚交換機接收端口每毫秒接收到的數(shù)據(jù)包突發(fā)時達到8包，折算得到數(shù)據(jù)發(fā)送速率高達361 Mbit/s，遠遠高于路由器出口的限速。當這些數(shù)據(jù)包發(fā)送到路由器時，能夠順利轉發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)與令牌桶的大小cbs有關，而cbs不可隨意設置，需結合下游設備的數(shù)據(jù)傳輸能力進行設置。

由于網(wǎng)卡可以工作在100 Mbit/s和1 000 Mbit/s兩種速率，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送設備與網(wǎng)絡設備之間的電路速率降低為100 Mbit/s，此時，數(shù)據(jù)發(fā)送速率能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅珨?shù)據(jù)包突發(fā)能力大大降低，原來的傳輸電路在1 ms內可突發(fā)傳輸22包，降速后只能傳輸2.2包，因而對下游數(shù)據(jù)傳輸設備的沖擊影響將大大降低，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果可以確定，數(shù)據(jù)突發(fā)不超過4包/ms時，數(shù)據(jù)傳輸不會出現(xiàn)丟包，問題可以不依賴數(shù)據(jù)發(fā)送精確定時而解決。

3.3網(wǎng)絡設備Qos策略優(yōu)化

在接入交換機、匯聚交換機和路由器等部位部署Qos策略，匯聚交換機和接入交換機可設置令牌桶的大小，路由器不能設置令牌桶的大小，令牌桶越大，抗上游數(shù)據(jù)設備數(shù)據(jù)突發(fā)能力越強，但限速效果越差?？蛇x擇的限速策略包括流量監(jiān)管、流量整形和端口限速3種，其中，流量監(jiān)管無數(shù)據(jù)緩存能力，抗數(shù)據(jù)突發(fā)能力較弱；流量整形具備數(shù)據(jù)緩存能力，抗數(shù)據(jù)突發(fā)能力強；端口限速適用于對所有流量進行限速。無論采用何種策略，當上游設備的數(shù)據(jù)突發(fā)量超過設定的令牌桶容量和緩存大小時，都會發(fā)生數(shù)據(jù)丟包。令牌桶設置過大，雖然能夠承受上游設備的數(shù)據(jù)突發(fā)，但其輸出數(shù)據(jù)也會存在突發(fā)，勢必對下游設備產(chǎn)生影響，如果突發(fā)速率超過下游設備的承受能力，同樣會發(fā)生數(shù)據(jù)丟包[6]。

3.4流量控制策略優(yōu)化建議

對比上述3種流量控制策略優(yōu)化方案，數(shù)據(jù)發(fā)送精確定時需要解決操作系統(tǒng)與應用軟件的配合問題，難度較大。優(yōu)化調整Qos策略步驟復雜，需要計算和設置的參數(shù)較多，針對某條數(shù)據(jù)流的策略不能適用其他數(shù)據(jù)流。由于Qos策略可在數(shù)據(jù)傳輸鏈路上的所有設備中部署，在不同設備上部署會產(chǎn)生不同的流量控制效果，無法進行量化比較，而且，不同的網(wǎng)絡設備Qos參數(shù)的設置也不同。源端數(shù)據(jù)輸出電路降速策略可直接避免數(shù)據(jù)突發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生，且操作過程簡單，便于實施。

4結束語

為避免后續(xù)發(fā)生數(shù)據(jù)丟包問題，并且確保問題解決方案能夠適應不同數(shù)據(jù)類型，從數(shù)據(jù)發(fā)送源頭著手，采用源端數(shù)據(jù)輸出電路降速方案，輸出電路降速后，能夠有效控制網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)突發(fā)，從源頭上解決網(wǎng)絡數(shù)據(jù)丟包問題。

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