基于端到端的主动测量的时延分析研究

马宏艳　李娟

摘要：随着网络测量技术的发展，主动测量技术目前被推上了应用的顶端。能否得到精确的时延数据是推测网络结构的关键，为分析端到端时延特性，用NS2软件进行建模仿真。

关键词：端到端的测量；丢包率；网络仿真软件（NS2）

互联网的规模越来越庞大，结构越来越复杂，及网络负荷的增加，同时受被动测量技术的特点所限，主动测量技术目前被推上了应用的顶端。能否得到精确的时延数据是推测网络结构的关键，为分析其时延特性，用NS2软件进行建模仿真。

1NS2仿真软件

文中在在利用NS2软件构建网络模拟环境，使用NS2进行模拟，可通过两种方式实现，一种是使用已有的NS2网络元素实现；另一种是基于C++和OTcl编程实现。NS2功能强大，模块较为丰富，已实现的模块主要有：业务源流量产生器（Telnet、CEB、FTP、Web等）；网络传输协议（TCP、UDP等）；路由算法（Dijkstra等）等等。由于能够近乎真实地模拟网络环境，并可以在各个层次上模拟网络的运行过程，故而成为目前网络研究领域被人们所广泛应用的网络仿真软件之一。

2时延测量仿真分析

用NS2进行建模仿真。整个网络结构由接入层、汇聚层和骨干网建成。模型中接入端点Source在每隔10s发出一个大小恒定的一般数据包。对DSLAM接入设备接入层主要用于汇聚接入流量。汇聚层网络接入服务器Access_R一般由具有优势的服务功能，选择思科的自主网络系统作为汇聚层服务器交换机路由器，主要功能是实现DSLAM和骨干网和接入网协议的最终完成之间的连接。Core_R是骨干路由器，路由器主要负责完成骨干网之间的业务沟通。骨干网是Core_Net，设其时延为10ms。

网络的结构是关于Core_Net的两边对称。仿真中的数据经过实际的长得地理位置上的变化，可以认为是链路之间的短距离的数据传输，因此链路传播时延可忽略；为了使得测量值更接近实际值，预先输入40%左右背景流量。

2.1时延分析

在网络模型中，发送端Source发送的数据包大小固定，都是1024B的TCP数据包，用NS-2进行仿真，分析各部分时延的大小及所占整个端到端时延的比例，找出主要时延所在。仿真结果如图1所示。显示了每个部分的端到端延迟。因为每个链接有背景流量，延迟出现波动，即抖动；不使用任何QoS机制使用的模型，所以延迟比较大。图1中带菱形符号的是端到端延迟，平均是351ms，中间线源在DSLAM1平均延迟，174ms的大小，设置延时10msCore_Net；延迟曲线从DSLAM1到Core_Net是底部线重叠的部分，依次是平均10ms，5ms，1ms。时间延迟352ms的是接入网，总延迟占整个网络延时的88.6%，而主网部分的时延占了整个网络时延的4%左右。因此网络的主要时延是有接入网部分造成的。

2.2时延与数据包大小的关系

实际的网络中链路中传播的数据可以是视频、图像、声音等多种的媒体文件，媒体文件的数据量很大，在传输过程中需要分成多个数据包的传输。为了分析数据包的大小是否影响网络的延时，通过源端发送大小不同的TCP数据包进行仿真，仿真的结果如图2所示。

32B的数据包的时延值是最小，1308B的数据包的时延值最大。即数据包越大平均的时延值越大，数据包和端到端的平均时延基本呈线性递增的关系。因此，具体的被测网络系统中，应用主动测量技术时发送的探测包的大小要考虑选择合适的包大小，使得测得的时延结果的精度更高。

端到端网络时延包括处理时延、排队时延、传输时延和其它时延，大小不同的数据包的端到端时延的不同就是由于组成时延的这些不同部分所引起的。在仿真中发送端发送不同大小的数据包进行分析数据包的大小与其排队时延、处理时延、传输时延分别的关系，如图3、图4所示。

由于链路有背景流量，因此输出队列时延较大。发端每隔10s才发出一个数据包，所以，数据包在路由器的输入队列中不需要排队等候，各种大小数据包的队列时延都一样。

分析图3和图4，主动测量中发送的数据包的越大，则处理时延和传输时延也随着变大。数据包的大小和处理时延与传输时延之间大致呈线性递增的关系。

实验结果显示数据包的大小与测量的延时有关，延时的增加会随着数据包的增加而加大，但是实验结果还显示，数据包的增加也会使得路由器的处理时间也会改变。因此在实际测量中没有研究。

背景流量的测量在速率一定的情况下，较小的测量数据包，数据包到达间隔小，接收探测数据包的速率大，测量数据包和链接缓冲背景流并不激烈，如果测量包长度较大，然后测量数据包处理和传输占用更多的时间，和链接的背景流争抢缓冲更强烈。因此应该有一个合理的中间值，使背景流量测量流和链接不是激烈的缓冲区，即发送的探测流与背景的数据流之和不能超过链路的带宽。综合所述，对数据包大小的选取会对网络性能的测量产生比较重要的影响，因而对数据包大小的选取是必须认真考虑的因素之一。

3结语

主要对测量的端到端主动时延进行分析，仿真得出主动测量技术中发送的探测数据包的大小对时延是有影响的，探测包与网络的背景流结合后，时延值与探测包的大小大致呈线性关系递增。所以在对用于测量网络链路的带宽工具以及在主动测量技术中注入的探测包与背景数据流相结合后产生的新的数据流对网络带宽的影响进行分析研究，进一步分析主动测量值时延误差与网络链路带宽间的关系。