IP网络分组时延的测量

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北京交通大学电子信息工程学院   林芳  冯玉珉

IP网络分组的时延是指从发送分组到接收分组之间的时间差。基于以下原因认为时延的测量对于IP网络的拥塞控制以及网络的服务质量都十分重要：首先，某些应用会因端到端时延过大而不能很好地执行，甚至不能执行；其次，时延不确定的变化使得网络对很多交互式实时应用的支持变得很困难；最后，时延值越大传输层协议对于高带宽应用的支持就越困难。网络运营商为了向用户提供优质的服务和对网络进行优化，需要了解IP网络的当前情况，则很有必要测量网络分组的时延。而且，IP网络性能中的其他一些指标的测量也是以时延测量为基础的，比如时延变化（有时候也称为抖动）的测量、分组丢失率的测量（因为分组丢失的定义要求区分分组是时延很大还是真正丢失）都需要测量分组时延。分组时延对于反映一个网络的运行情况具有重要意义，分组时延取得最小值时表示传输路径轻负载，分组时延大于最小值时表明路径存在拥塞。

一、分组时延测量的基本概念

要从整体上了解IP网络的时延情况，需要收集有关网络时延的一个无偏样本，然后对样本进行统计分析，从中得出想要了解的统计指标。这些统计指标一般包括时延百分点、时延中值、时延最小值等。

下面的例子可以说明分组环路时延的概念：假设源主机在时刻T发送某分组，目的主机收到该分组后立即发送一个响应分组到源主机；假设源主机接收到响应分组的时刻为T+dT，则从源主机到目的主机的分组在T时刻的分组环路时延就为dT；如果源主机发送一个分组到目的主机后没有收到响应分组，则认为从源主机到目的主机的分组在T时刻的分组环路时延不确定（有时候认为是无穷大，也就是分组丢失）。类似的方法也可以说明单向时延的概念。

分组时延的样本是一个泊松流，其定义如下：给定T0、Tf和λ，确定一个在T0或之前开始、平均到达速率为λ、在Tf或之后到达的伪随机泊松过程，选择那些大于等于T0且小于等于Tf的时间值。在这个过程中的每一个时间点，我们获得这个时间的时延值（环路时延或单向时延的一个个体）。样本值就是由所得的<time、delay>对组成的序列。

二、分组时延的测量方法

从以上概念可以看出，统计结果取决于样本，而样本由个体组成，因此只需重点研究个体的测量方法。

在讨论测量方法之前，还必须认识到时延和分组的类型有关，不同大小或者优先级的分组其通过同一路径的时延是不一样的。为此引入分组类型的概念：P型分组（Packets of Type P）简单地说是指分组的协议（UDP或TCP）、端口号、分组大小或者特别处理（比如IP优先级）。测量本身可能对不同类型的分组感兴趣，因此测量前必须要确定P型分组。相应地，时延度量应该确切地称为P型分组的时延度量。对于给定的P型分组，环路时延的测试方法如下。

（1）选择源和目的IP地址并以此生成一个P型测试分组。分组的任何“填充”部分都只是为了使得测试分组有一个固定的长度。这些填充部分应该填充为随机比特位，以避免所测量出来的时延低于路径中采用了压缩技术后的时延。测试分组必须带有一些标识信息使得源端在收到响应时能标识出来是哪个测试分组的响应。（2）目的主机处接收并响应测试分组。在源主机处接收相应的响应分组。（3）在源主机处，记下开始时间戳，然后将准备好的P型分组发送到目的处。要注意的是时间戳可能会放到分组内或者独立存放，只要分组包含标识符能使接收时间戳与发送时间戳比较即可。（4）到达目的端，那么尽快从目的端返回一个相应的响应分组到源端。（5）如果响应分组在一个合理的时期内到达，在接收测试分组时尽快记下一个结束时间戳。通过这两个时间戳的相减就可以计算出环路时延值。（6）如果分组不能在一个合理的时期内到达，则认为单向时延值不确定。

对于给定的P型分组，单向时延的测试方法如下。

（1）先应该使源端和目的端同步，即要两个时钟紧密同步并且和真实时间非常接近；（2）在源端通过填充随机比特位生成一个具有固定长度的P型测试分组；（3）在目的端准备接收分组；（4）在源端给P型分组打下一个时间戳，然后将分组发往目的端；（5）如果分组在一个合理的时期内到达，在接收分组时应该尽可能最快地打下一个时戳，通过这两个时戳的相减就可得到单向时延值；（6）如果分组不能在一个合理的时期内到达，那么就认为单向时延值不确定。

通常不能将两个P型分组单向时延值相加来得到P型分组环路时延值。要生成P型分组环路时延值，返回分组必须要由源端分组的接收来触发。这里需要注意以下问题。

（1）时延测量时刻的时间戳T值应该相当准确；（2）在测量中还必须确定一个时延值是无穷大还是仅仅是非常大（分组最终还是到达了目的端），对于许多应用来说，将大时延作为无穷来对待的害处会很小或者根本就无害，如果分组沿着一条路径（或者多条路径）被复制，从而有多个完好的副本到达目的端，那么认为分组被接收，并使用第一个副本到达时间来确定该分组的时延；（3）如果分组分片或者由于某种原因分组重组没有进行，那么认为该分组丢失。

三、误差/不确定性以及校准

和时延度量相关的误差/不确定性的具体来源有以下几个：第一，由于源主机时钟的不确定因素而导致的误差/不确定性；第二，由于“线时”和“主机时间”的差别而导致的误差/不确定性（线时和主机时间的概念将在后文介绍）；第三，对于环路时延来说，还存在由于目的主机接收来自源主机的分组以及返回相应的响应分组所需的时间而导致的误差/不确定性；最后，丢包门限可能会影响测试结果。下面我们将分别讨论。

（一）与时钟相关的误差/不确定性

对于环路测量，称测量分组何时从源主机发出的时钟为源时钟，用Tinitial表示分组以源时钟发送时的观察时间，用Tfinal表示源端接收响应分组时的观察。对于单向测量，称测量分组何时从源主机发出的时钟为源时钟，而称测量分组何时被目的主机接收的时钟为目的时钟，用Tsource表示分组以源时钟发送时的观察时间，Tdest表示分组以目的时钟接收时的观察时间。

1．时钟同步的影响

若两个时钟彼此是“准确的”（它们的相对偏移是零），则认为这个时钟对是“同步”的。环路测试时存在自同步问题，即在测试分组发送时的源时钟和响应分组接收时的源时钟之间的同步。理论上，频偏（时钟间频率的差异）严重的情况下会影响到自同步。实践中，更大的威胁来自于打下初始时间戳的时刻与打下终止时间戳时刻之间的任何引起源时钟不稳定的因素。

在单向时延测量中源时钟和目的时钟之间同步的任何误差都会导致时延测量的误差。如果源时钟比目的时钟快Tsynch，则称源时钟和目的时钟有一个Tsynch的同步误差；如果能准确地知道Tsynch，就可以通过将不正确的Tdest-Tsource的值加上Tsynch来校准时钟同步。Tsynch本身是时间的函数，可以记为Tsynch(t)。

2．时钟准确度的影响

时钟的准确度（瞬时时钟与真实时间偏离的大小）只是在标识特定的时延测试时才重要。准确度本身对时延测试的准确度来说并不重要。

3．时钟分辨率的影响

时钟分辨率是时钟时间更新的最小单位，它给出了时钟不确定性的下限。时钟分辨率会增加测量中的不确定性。比如，源时钟的分辨率为10毫秒，那么它会为其所测量的任何时间都带来10毫秒的不确定性。在环路时延测量中，称源时钟的分辨率为Rsource。综合考虑上述这些问题，Tfinal – Tinitial的简单计算会有2 * Rsource的偏差。在单向时延测量中，分别称源时钟和目的时钟的分辨率为Rsource和Rdest。和环路测量不同，单向时延测量还要考虑源时钟和目的时钟的同步误差Tsynch。经过一段时间后，Tsynch(t)可以近似为一个线性函数加上一些高阶项。这样，就可以选择使用线性组件的知识去校准时钟。使用这种方法后，尽管剩余的Tsynch很小，但还是一个必须考虑的不确定性源。这里用函数Esynch(t)表示同步不确定性的上限，则有|Tsynch(t)| <= Esynch(t)。综合考虑上述因素，Tdest – Tsource的简单计算可能会有Tsynch(t) ±(Rsource + Rdest)的偏离。应用Esynch(t)后，这些和时钟相关的问题会引入Esynch(t)+ Rsource + Rdest的总不确定性。

（二）与线时与主机时间相关的误差/不确定性

在测量时延时，需要确定测量分组何时离开源主机的网络接口以及相应的响应分组何时（全部）到达源主机的网络接口之间的时间差，这被称为“线时”。如果时间本身是通过源主机的软件获取的，而这些软件只能直接测量源主机何时在发送测试分组前获取时间戳与何时在收到响应测试分组后获取时间戳之间的时间差，这被称为“主机时间”。

如果能准确知道线时和主机时间之间的差别，就可以用来校准主机时间的测量，校准值也能更准确地估计所期望的（线时）度量。反之，在特定测试方法的分析中就必须考虑这种不确定性。

对于环路时延测量中，将源主机发送测试分组的线时与主机时间的差别上限称为Hinitial，将源主机接收响应分组的线时与主机时间的差别上限称为Hfinal，它们引入的总不确定性为Hinitial + Hfinal；对于单向时延测量，将线时和源主机上的主机时间的差别称为Hsource，将线时和目的主机上的主机时间的差别称为Hdest，它们引入的总不确定性为Hsource + Hdest。

（三）与目的主机生成响应相关的误差和不确定性

环路时延测量由于需要目的主机生成响应分组还存在相关的误差和不确定性问题。这个误差相当于分组的目的端接收第一个比特的线时与目的端发送响应分组的第一个比特的线时之间的差。如果这个差能准确知道，那么所知的值就能用于校准度量。反之，在误差分析时就必须考虑这个不确定性，表示为Hrefl。

（四）校准

一般来说，测量值是真值、系统误差与随机误差三者的和。如果系统误差（测量值中的常f数偏差）可以确定，可以在报告结果中得到补偿。

校准的目标是尽可能详细地确定出测量仪器本身产生的系统和随机误差，至少应该找出一个界限（e），从而可以得出至少有95%的报告值在范围（真值－e）到（真值＋e）之内。这里将“e”称为测量的校准误差，它代表了测量仪器所产生的值的可复验程度。

通过上面的讨论，测量误差可以通过确定所有独立的不确定性来界定，把这些不确定性加起来，对于环路时延测试有：2xRsource + Hinitial + Hfinal + Hrefl，对于单向时延测量有：Esynch(t) + Rsource + Rdest + Hsource + Hdest。

（五）样本测量的误差/不确定性

对于样本测量，除了分析与个体值的测量方法有关的误差和不确定性源之外，还必须注意分析与发送测试分组的线时有关的泊松过程的准确性。其目标是确保测试分组的发送能“十分接近”泊松过程，避免周期性的行为。此过程中可能会出现由于使用了生成泊松到达过程的伪随机数字技术以及线时与主机时间的差值抖动引起的一些问题。

与单向时延测试相比，环路时延测试有以下弱点：第一，在目前的Internet上，从源到目的端的路径可能会不同于从目的端到源端的路径，那么环路测试实际上测量了两条不同路径的共同性能。而对每一条路径的独立测试则强调了两条路径之间的性能差异，这两条路径可能穿越了不同的ISP，甚至完全不同的网络类型（如研究网和商用网，或者是ATM和packet-over-SONET）。第二，在两条路径对称的情况下，它们也会因为不对称的排队情况而导致不同的性能特征。第三，应用的性能可能主要取决于一个方向的性能情况。如采用TCP的文件传送可能主要取决于数据流的方向的性能，而不是确认方向的性能。第四，在具有QoS功能的网络里，在一个方向上提供的资源可能会和反向提供的资源完全不同，从而QoS的保证也不同，独立地的测试路径可以验证每个方向的QoS保证。另一方面环路时延测试有两个特定的优点：容易部署和容易解析。环路时延测试不需要在目的端安装特定测试软件，可以避免由于采用组合单向测量以及目的端的处理时间的方法来推断环路时间所造成的偏差。在实际应用中，网络运营商或者其他测量单位可以根据需求和代价具体衡量测量何种时延度量。