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摘要隨著網絡應用的不斷增加，對應用的實時性提出更高要求，而應用實時性的改善有賴于網絡帶寬資源的測量與分配，因此動態、快速、準確地測量端到端路徑可用帶寬對于網絡實時應用的性能優化具有重要的意義。

關鍵詞：可用帶寬測量，探測包串，單向延時

1引言

近年來網絡規模不斷擴大，網絡流量急劇增長，尤其是實時業務和多媒體應用等新業務的不斷增加，例如遠程教學，視頻會議、視頻點播，視頻監控等QoS敏感的網絡應用，這些應用對網絡傳輸提出了一組性能度量的要求，主要包括帶寬、延遲、丟包率等。為了向用戶提供可靠的端到端(End-to-end)服務質量保證，網絡應用必須得到實時的網絡性能來評估當前網絡對應用的支持程度。網絡測量是開展服務質量(QoS)敏感應用、提供服務質量(QoS)保證的前提條件。然而，目前對網絡測量技術的研究明顯滯后于網絡及其應用的快速發展。研究網絡性能測量技術是了解網絡行為、進行網絡控制、實施服務質量(QoS)保證、提高網絡性能的基礎和重要環節，因此具有十分重要的意義。

2帶寬測量技術分類

依據不同的劃分標準，可對帶寬測量技術進行如下分類：按照是否向網絡內部注入探測包，可分為主動測量(ActiveMeasurement)和被動測量(PassiveMeasurement)；按測量過程是否需要節點路由器的協作，帶寬測量技術分為鏈路帶寬測量和端到端的路徑帶寬測量方式；按照不同的測度，帶寬測量可分為鏈路帶寬(LinkCapacity)、路徑帶寬(PathCapacity)和鏈路可用帶寬(AvailableBandwidth)測量技術。

3面向實時應用的自適應可用帶寬測量算法：AABw

(1)AABw算法基本思想

AABw發送UDP探測包串進行端到端可用帶寬進行估測，采用探測包速率模型的思想分析探測包串單向延時的變化趨勢，直到轉折點出現，將上次迭代的探測包串發送速率作為可用帶寬估測值。理想條件下，探測包串的輸出速率不會超過探測包串的輸入速率，當輸入速率大于可用帶寬時，輸出速率小于輸入速率，而且大于可用帶寬。大部分迭代探測算法從小到大調整探測包串發送速率，在考慮背景流量突發特性的基礎上，對其進行了改進，AABw通過輸出速率從大到小調節下一次迭代的輸入速率。

(2)探測包串發送速率的調節算法

探測包串速率調整考慮兩個因素，其一是背景流量突發性影響，其二是盡快逼近可用帶寬真實值，提高算法迭代速度。由于背景流量的突發性，即使在探測包串的發送速率小于可用帶寬的情況下，也可能發生阻塞，使探測的結果發生偏差。

AABw調整探測包串發送速率算法步驟如下：

①確定探測包串初始速率。如果已知瓶頸鏈路帶寬，則探測包串初始速率為瓶頸鏈路帶寬，如果瓶頸鏈路帶寬未知，則探測包串初始速率為發送端鏈路帶寬，即發送背靠背(back-to-back)報文。

②調節迭代速率。迭代的探測包串的輸出速率經過調整后作為迭代輸入速率，即Rm=Rout/adjusted_val，0<adjusted_val<1，adjusted_val對于不同的背景流量到達過程，應該設為不同的值。背景流量到達過程為泊松分布的情況下可設為0.96。在實際網絡中，雖然背景流量為自相似的，但到達網絡核心節點的速率仍然符合泊松分布。假設瓶頸鏈路位于網絡的核心，可以假定背景流量的到達過程為泊松分布。因此，可設置adjusted_val初始值為0.96。adjusted_val對每次測量過程來說是固定的，默認值為0.96。

4基于緩沖估測的單端可用帶寬測量算法

4.1瓶頸鏈路的緩沖長度測量算法

(1)緩沖大小有限對可用帶寬測量的影響分析

目前經典的可用帶寬測量算法都假設路由器緩沖是無限大的，然而，在網絡實際過程中，路由器的緩沖容量是有限的，而且是未知的，當緩沖的數據超過瓶頸鏈路路由器緩沖的最大容量，就會發生丟包現象。丟包現象有兩種情形：

①棄的是其他背景流量的數據包。

在緩沖隊列溢出之前，其他到達的背景流量在緩沖隊列里排隊，當緩沖滿的時候，丟包的策略將被應用到后續到達的背景流量上，因此，后續到達的探測包的排隊延時將維持在傳輸緩沖數據的大概時間。丟包會抑制探測包單向延時的增長。此外網絡中TCP流發生丟包會引起重傳，造成網絡資源不必要的浪費和服務質量降低。

②棄的是探測包。

在這種情況下，延時間隔的結構就被破壞了，則接收主機無法接收到所有的探測包，這給測量帶來了困難。接收主機需要分析采集到的數據信息，提取出一串完整探測包串(探測包連續，中間沒有探測包丟失)，然后進行可用帶寬的計算。當報文丟失現象很嚴重時，會給測量帶來很惡劣的影響，延時間隔比率的轉折點會發生偏移。當緩沖比較小時，則延時間隔比率會偏移比較嚴重，如果緩沖比較大時，延時間隔比值的轉折點會在保持在一定位置。為了檢測出轉折點，則探測流量會大于可用帶寬，即總體流量會超過路徑的最大容量。新晨

4.2基于TCP的單端可用帶寬測量算法

算法SEAM的基本思想

測量過程分成兩個階段。

第一個階段，基于AQI_BM緩沖測量方法，在建立連接時，通過慢啟動的過程，估測端到端路徑瓶頸鏈路的緩沖。AQI_BM方法不會給網絡帶來負擔，由于采用了AQI慢啟動算法，這種慢啟動和傳統的指數慢啟動算法相比，持續時間更短，吞吐率更高，而且小時間尺度網絡擁塞概率和丟包數量都遠遠小于指數算法。

第二個階段，可用帶寬估測階段。估測算法思想和AABw方法類似，唯一的區別就是AABw通過可控的UDP探測流進行測量，而SEAM是探測端基于對方發送TCP數據包進行測量。具體方法是探測端接收到對方發送的數據包后，并不立即發送響應報文給對方，而是暫時將ACKs報文緩存在自己的緩沖區里，當ACK包的數目達到N時，再以一定速率向對方發送一串相同時間間隔的ACK報文，ACK報文串發送的速率是由探測端控制的，對方每接收到一個ACK，就發送一個數據包給探測方，一由于ACKs之間的時間間隔是平均的，因此，對方發送的TCP數據包的時間問隔也是平均的，相當于AABw算法中發送的UCP探測包串。這就需要假設兩個條件：一是對方基于TCP／IP協議，收到ACK響應報文后，立即發送一個數據包給探測方；二是ACK報文很小，ACK之間的間隔在傳送過程中不會改變。這兩個假設條件是合理的。目前網絡中大多數計算機都支持TCP／IP協議。

5小結

可用帶寬是最重要的網絡資源之一，是網絡傳輸性能的決定因素。對可用帶寬的實時精確測量，則是保證有效利用網絡帶寬資源，提高網絡服務質量的手段。計算機網絡可用帶寬測量技術在需要實時傳輸數據的視頻會議、遠程教學等QoS敏感的網絡應用、擁塞控制、路由協議等很多方面都有很廣泛的應用前景。