浅析网络时延测量技术研究

【 摘 要ｌ 本文讨论端到端网络 时延测量 的关键技 术和 影响 因素， 介 绍 了网络 时延的有关概念， 基于Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ 、 Ｔ Ｃ Ｐ 、 Ｕ Ｄ Ｐ等几种 网络通信协议
的 网络 时 延 测 量 技 术 ， 给 出 了几 种 网 络 时延 测量 的 实现 方 法。
【 关键词】 网络测量 ； 时延； 测量技 术
Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
第０ ５期
山东 工 业 技 术
２ ０ １ ４ 正
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
浅析网络时延测量技术研究
程 进荣 钱 俊杰
（ 中国人民解放军 ９ １ ６ ０ ４部队， 山东 龙 口 ２ ６ ５ ７ ０ ０ ）
输 缺点是 直到接收端收到数据为止。 发送端设备一直要参 与传输。如 果 网络 时延很 长。 那么对发送端设备造成很大浪 费。端 到端传输的另 随着 Ｉ ｎ ｔ ｅ ｍｅ ｔ 的发展． 其规模迅 速扩大 、 网络业务 不断 出现 、 网络 个缺点是如果接收设备关机或故 障， 那么端 到端传 输不可能实现 。 拓扑结构 日 益复杂。但具有开放 、 分布式 、 不 协作 、 异构等特点的因特 在端到端 网络时延测量 中要 降低这种缺点带来的影响， 就要选择合理 网有效管理和控制变得更难 。 人们致力于在各种情况 下寻找 和建立连 的测量 时段 、 数据包字长和测量样本等。 接， 主要关注分组 向那里发送， 而较少关注发送分组的时间。分组到达 的时间时延大大影响 了因特 网的服务 质量 。要提高网络服务质量． 就 ３ 网络 时延 测 量 方 法 要 找出存 在问题 。当前 的网络性能测 量评 价指标 包括： 时延 、 流量 、 丢 根 据网络时延测量其承载数据包 的协议不 同。 网络时延测量方 法 包率 、 吞吐量（ 带 宽１ 等。其中网络时延是最重要 、 最常用 的性能指标 。 可分为： 基于 Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ 协议 的网络时延测量。Ｐ ｉ ｎ ｇ 是基于 Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ请求应答 报文开发的应用 软件． 用来诊断 网络故障， 也是用来测量往返 时延最 常 １ 网络 时延 的基 本 概 念 和 时 延 测量 原 理 用的工具 。Ｐ ｉ ｎ ｇ 工具通 过向网络中特定地址发送 Ｉ Ｃ ＭＰ ｅ ｃ ｈ ｏ 报 文， 并 时延是指一个报文或分组从—个网络的一段传送到另一端所需的时 监听 回应报文． 根据 回应报文 的探测结 果． 来评估 主机路径 的可靠 性 、 间。 时延 由发送时延、 传播时延和处理时延组成 。 发送时延是节点在发送数 往返时延大小等 。 将报 文封装在 Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ 报文 中是 目前 网络测量工具最 据时使数据块从节点进入传媒所需要时间， 也就是数据块的第—个比特开 常用的方式． 但是 Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ报文也 是用来进行 Ｄ Ｏ Ｓ 攻击 的主要方式， 因此 始发送算起 到最后一个比特发送完毕所需时间也 称为传输时延 。处理时 在许多 Ｉ Ｃ ＭＰ协议都被 过滤了。可能会完全被阻塞 。路 由器 可 以限制 延是指数据在交换节点为存储转发而进行必要的处理所花费时间。 Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ回复 的速率来避免被消耗 过多的网络带宽 和路 由资源。这意味 利用 Ｉ Ｃ ＭＰ协议测量时延的结果是不可靠 的。 基 于 ＵＤ Ｐ协议 的网络时 ２ 时延测量 中的关键技术和影响 因素 延测量 。 当对方主机或者 中间节点过滤掉 Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ 报 文后 ， 可以使用 Ｕ Ｄ Ｐ 时延测量首先要 消除测 量中出现 的随机性 。 网络分组的时延是一 报 文来实现 网络 的往返时延测量。 Ｕ Ｄ Ｐ报文 的实现和 Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ 报文较相 个随时间变化 的随机 变量， 由固定时延和可变时延两部分构 成。固定 似 ， 都是无连接 的。 不 同的是 Ｕ Ｄ Ｐ协议需 要指定 一个端 口， 在实 际使用 时延是基本上不 变的． 它由传输时延和传播时延构成 。传输 时延由分 时． 可以任选一个端 口． 当接收方该 端 口对应 的服务不存 在时 ， 会立 即 组大小和链路的容量决定， 一个分组 的大小一旦 固定， 通过的链路容量 返 回一个 “ 端Ｅ ｌ 不可到达” 的Ｉ Ｃ — Ｍ Ｐ 报文 。 因此． 在使用 Ｕ Ｄ Ｐ 报 文进行 便是 固定 的’ 其传输 时延也是 固 定 的。传播时延 由固定 的物理传输介 测 量时 要注意发送 方发送一个 Ｕ Ｄ Ｐ 报 文， 接收 方反馈 的不一定是 质确定并且是 固定的。分组时延中的可变时延是 由很多因素造成 的。 Ｕ Ｄ Ｐ报文． 也有可能是 Ｉ Ｃ ＭＰ报文 ， 这两种 返回的报文都可 以用来计算 它可 以分成 中间路 由器处理时延和排队等待时延两部分 。 对 于任何一 网络的时延。 此外 。 Ｕ Ｄ Ｐ 协议在实现时要注意其最大报文长度 与 Ｉ Ｃ Ｍ Ｐ 个分组， 中间路 由器总要对其进行路由查 表以确定其转发端 口。 这个 时 报文不 同， 通常应小于 ５ ０ ０ Ｂ ｙ ｔ ｅ 。但是将报文封装在 Ｕ Ｄ Ｐ 报文 中也有 间可 以看 成是 处理时间 。同时。 中间路 由器繁忙 可能导致分组排 队等 疑问。 Ｕ Ｄ Ｐ 没有 Ｔ Ｃ Ｐ协议所 固有 的拥塞控制算法。 在Ｕ Ｄ Ｐ报文使用达 待处理， 也需要一段等待时间 。处理和等待时间是不 固定 的。 由路 由器 到高峰时．为了减少对 Ｔ Ｃ Ｐ流的影响， Ｕ Ｄ Ｐ报文的速率可能会受 到限 的具体性 能以及链路的拥塞状况而定。 是一个 随机变量。所以如果链 制 。 路 不出现拥塞，一个分组的最小时延便 与该 分组 的大小成线性关 系。 基于 Ｔ Ｃ Ｐ协议 的网络时延测量。针对防火墙设置． 虽 比较复杂， 但 分 组的时延具有突发性和偶然性。 为了能够使 测量结果尽可能地反 映 可适用于测量某 些前两种方法不能工作的特定环境。 除了选取合适的 网络的真实情况 ． 可 以采用低通滤波 的方法来消除随机性。 承载 报文。 Ｔ Ｃ Ｐ协议 测量 网络时 延的难点 包括 Ｔ Ｃ Ｐ 协 议发 送机制 本 其次 ， 对 网络时延 的测量。必须保证 网络入 口点 和出口点 时钟 同 身。Ｔ Ｃ Ｐ 协议为提高传输效率， 往往不是 即时发送报文 ， 而要 收集足够 步。 如果时钟不 同步， 则时延测量会有很大误 差。 网络中路径往往 是非 的数据后才发送， 可能会 产生发送方记录 的发送时 间远远早 于时间发 对称的威 者 即使路 由是对称 的但 往返 具有不同 的性能特征 。单 向时 送时间， 而使得测量的结果 大于实 际值 的现象 。为避免此 现象的发生， 延测量要 求严格 的时钟 同步 。 Ｇ Ｐ Ｓ 时 间同步技术是 当前 比较成熟的并 要求在 主动测量时 ． 不 但要 求发送方在 承载的 Ｔ Ｃ Ｐ报文 中加入 Ｐ Ｓ Ｈ 在国际 上广泛使 用的时间同步技术 。单 向时延测量一般要 求 、 成本 比 标志。 此时将立即发送此数据报文 而无需等待同 时也 要求接收方在反 较高。 在实际的测量 中坝 量精度不是主要 问题。 网络时延通常在数十 馈该报文时， 也必须带 Ｐ Ｓ Ｈ标 志。 同理， 在被动测量时 ， 要注意承载 的报 到数百毫秒范 围内， 测量 存在几毫秒的误差完全可 以接受 。因此测量 文必须是带有 Ｐ Ｓ Ｈ标志的报文， 并且对应 的反馈 报文也必须 同样带有 方案都采用往返时延． 可以避 开时钟 同步 问题 。 Ｐ Ｓ Ｈ报文 。也可以利用其 它协议 实现 网络 时延的测量 。方法基本 和 网络时延总是随着 网络的运行状况而不断变化 。通过分 析． 可将 Ｕ Ｄ Ｐ 或Ｔ Ｃ Ｐ 类似 关键根据所在 网络设置 的具体情况 ， 灵活 选择承 载 影响 网络 时延测量 的因素归为两 类 ： １ ） 网络本 身 的性 能． 即完 全独立 报文． 即能在发送方立即发送． 而接收方收到后 又能立 即反馈 的报文 。 于网络测量方 法 、 仅与 网络本 身特性相关 的部分 ； ２ ） 测量报 文的特定 ４ 结论 性能’ 与网络具体的测量方式密切相关 ． 目前 基于端 到端的 网络 时延测量方法， 能达到快速准 确的 耳的 。 本 文阐述了网络时延的相关概念． 讨论 了影 响网络时延测量 的各 这种方法， 不是单个设备的时延测量。 而是某一 段甚至某一跳之间链路 种因素。在实际测量中可根据具体情况灵 活选择合适 的测量方法 。当 的时延测量 。端 到端往返时延的计算时 间都在 同一 台计 算机上． 不存 前． 利用端 到端时延测量结果进行 网络断层推测。 是 网络测量 的一个 新 在时间 同步问题， 无需在测量的两端都安装测量软件， 只需要 固定一 个 兴领域 。随着对 网络测量研究 的深入， 人们将更加深刻 了解 网络的本 测量点 ． 另一个测 量点可 以任意选择 ， 使测量 范围扩充到整个 因特 网。 ， 让 网 络 为 人 类 的 生 活 提 供 更 好 的 支 持 。 ｅ 端到端传输优点是链路建立后， 发送端知道接收设备一定能 收到． 而 且 质 经过 中间交换设��