王躍輝， 魏 芳

(①上海交通大學(xué)，上海 200240；②上海貝爾股份有限公司，上海 201206)

0 引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)寬帶網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展壯大，網(wǎng)民人數(shù)的不斷增加，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中涌現(xiàn)出了種類繁多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以滿足用戶的多方面的需求，如門(mén)戶、論壇、社交網(wǎng)絡(luò)(SNS，Social Network Service）社區(qū)、電子商務(wù)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P，Peer to Peer）下載、在線視頻、即時(shí)通信以及網(wǎng)絡(luò)游戲等。這些應(yīng)用帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸性增長(zhǎng)，但同時(shí)由于不同種類的應(yīng)用其流量特征差異巨大且增長(zhǎng)迅速，因此也為網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維管理帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)游戲是上述諸多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，用戶黏性最強(qiáng)的應(yīng)用之一，網(wǎng)游產(chǎn)業(yè)在當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中占有很大的份額，根據(jù)CNNIC最新發(fā)布的《第 27 次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》[1]，截止到2010年12月，我國(guó)的網(wǎng)游用戶達(dá)到了3.04億，用戶使用率達(dá)到66.5%，顯示出非常強(qiáng)的用戶黏性。

與其他類型的應(yīng)用相比，網(wǎng)絡(luò)游戲的流量特征非常明顯，主要表現(xiàn)為：?jiǎn)蝹€(gè)數(shù)據(jù)包小、數(shù)據(jù)傳輸頻繁、整體應(yīng)用帶寬占用很小、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求非常高等方面。由于現(xiàn)有條件下我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較復(fù)雜，在一些網(wǎng)絡(luò)使用的高峰時(shí)段時(shí)有出現(xiàn)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不佳而產(chǎn)生的游戲卡殼、掉線等現(xiàn)象，影響到用戶玩網(wǎng)游時(shí)的體驗(yàn)，嚴(yán)重時(shí)還引起用戶的投訴。為了保證網(wǎng)游用戶的使用體驗(yàn)，非常有必要對(duì)這一類的應(yīng)用做有針對(duì)性的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 影響網(wǎng)游通信的因素和現(xiàn)有方案

如前所述，網(wǎng)絡(luò)游戲的數(shù)據(jù)對(duì)于傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求很高，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于包括大型多人在線角色扮演、即時(shí)戰(zhàn)略、在線競(jìng)技/休閑等大型網(wǎng)游來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)包的延時(shí)需要保持在200 ms左右，丟包率接近0，才能支持用戶的流暢使用。從網(wǎng)絡(luò)的角度講，會(huì)導(dǎo)致用戶丟包和延遲增加的位置主要在從用戶到網(wǎng)游服務(wù)器的網(wǎng)路中，網(wǎng)絡(luò)資源相對(duì)有限的位置，比如網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（ISP, Internet Service Provider）的互聯(lián)互通的接口位置和從網(wǎng)絡(luò)邊緣接入到核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)匯聚位置等。目前，網(wǎng)游加速的解決方案多是從路由優(yōu)化或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備改造2個(gè)角度來(lái)入手。

以迅游為代表的游戲加速軟件提供商，主要采取前一種的方式對(duì)游戲進(jìn)行加速。這類方案假設(shè)在同一運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)資源是很充裕的，但是跨ISP則會(huì)遇到瓶頸，因此需要針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行路由優(yōu)化。用戶在使用時(shí)，需要首先在客戶端安裝加速軟件，游戲啟動(dòng)后，加速軟件會(huì)將游戲產(chǎn)生的通信數(shù)據(jù)全部重新定向到部署在多線機(jī)房的加速服務(wù)節(jié)點(diǎn)，借此繞開(kāi)大型運(yùn)營(yíng)商（電信骨干網(wǎng)（CTNET）、聯(lián)通骨干網(wǎng)（CUNET）、教育網(wǎng)等）的互聯(lián)互通接口，提升游戲數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，實(shí)現(xiàn)“跨網(wǎng)絡(luò)”的游戲加速，整個(gè)“加速”過(guò)程只需要選擇合適的數(shù)據(jù)中心（IDC，Internet Data Center）機(jī)房位置，不需要運(yùn)營(yíng)商支持。對(duì)于電信、聯(lián)通這類大型運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，一方面絕大部分網(wǎng)游服務(wù)器都部署在他們的網(wǎng)絡(luò)中，另一方面他們的多線機(jī)房很多，容易部署加速節(jié)點(diǎn)，因此加速效果非常明顯。但是對(duì)于并不具備這些優(yōu)勢(shì)的中小型 ISP的用戶來(lái)說(shuō)，這一方案則很難奏效。

以TP-link ER5110為代表的硬件產(chǎn)品[2]則著眼于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)游戲加速功能：首先，通過(guò)端口、深度包檢測(cè)（DPI，Deep Packet Inspection）或者深度流檢測(cè)（DFI，Deep Flow Inspection）[3-4]等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲數(shù)據(jù)的識(shí)別和判斷；然后通過(guò)優(yōu)先算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)于疑似游戲數(shù)據(jù)包的“優(yōu)先”轉(zhuǎn)發(fā)。這一方案在使用時(shí)，用戶無(wú)需在客戶端做任何操作，所有數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備判斷和引導(dǎo)。然而，這一方案仍然有其局限性：首先，網(wǎng)絡(luò)游戲更新速度非?？?，通過(guò)硬件升級(jí)的方式進(jìn)行游戲特征更新的方案操作起來(lái)相對(duì)較慢；其次，DPI或DFI識(shí)別不能做到100%的數(shù)據(jù)包識(shí)別，有可能導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)包不能被加速；最后，這種處理方法要求檢測(cè)所有通過(guò)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)包，而其中游戲數(shù)據(jù)包可能只占了總數(shù)據(jù)量的5%，而使用DPI或者DFI會(huì)大量消耗硬件資源，導(dǎo)致系統(tǒng)容量很難大幅度增加。目前市面上的主流產(chǎn)品通常只能支持100 Mb/s量級(jí)的出口帶寬，多應(yīng)用于網(wǎng)吧等較小規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 適合中小運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)游加速方案

為了設(shè)計(jì)一種既經(jīng)濟(jì)又有效的針對(duì)中小ISP的游戲加速方案，為此，這里提出一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)較小的代價(jià)來(lái)對(duì)用戶的游戲加速數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化的效果。整個(gè)方案的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 游戲加速網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

①在用戶的個(gè)人電腦上加裝游戲加速客戶端軟件，該軟件可以有效提取出用戶的個(gè)人通信數(shù)據(jù)，將其重定向到中小運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)內(nèi)的一臺(tái)加速服務(wù)器上；

②加速服務(wù)器將用戶發(fā)過(guò)來(lái)的上行數(shù)據(jù)包的源IP地址換成加速服務(wù)器本地地址后，繼續(xù)向游戲服務(wù)器（在大運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中）轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；

③發(fā)往游戲服務(wù)器的數(shù)據(jù)包必須經(jīng)過(guò)小運(yùn)營(yíng)商和大運(yùn)營(yíng)商相連通的交換機(jī)，在該交換機(jī)上設(shè)置優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)源IP和目的IP為加速服務(wù)器IP的數(shù)據(jù)包[5-6]；

④由于大運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)資源充裕，則數(shù)據(jù)傳輸流程中沒(méi)有新的瓶頸，可以迅速轉(zhuǎn)發(fā)到游戲服務(wù)器中；

⑤從游戲服務(wù)器的角度來(lái)看，用戶是從小運(yùn)營(yíng)商的加速服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包過(guò)來(lái)的，因此，游戲服務(wù)器的回包地址指向加速服務(wù)器；

⑥在經(jīng)過(guò)互聯(lián)互通的交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)目的IP為加速服務(wù)器的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)可以以最快速度回到加速服務(wù)器；

⑦加速服務(wù)器將數(shù)據(jù)包返回用戶PC，并由PC上的加速軟件處理后，返回給網(wǎng)游主程序。

3 方案驗(yàn)證

為了確認(rèn)所提出的方案確實(shí)有效，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。為真實(shí)模擬現(xiàn)網(wǎng)中遇到的情況，測(cè)試需要滿足以下條件：

①有兩個(gè)相連通的網(wǎng)絡(luò)；

②兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接處為帶寬瓶頸；

③可通過(guò)其他設(shè)備調(diào)節(jié)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接處的帶寬使用率（從幾乎空閑到滿負(fù)荷）；

④兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接處的設(shè)備可以優(yōu)先傳送特定的IP數(shù)據(jù)包；

⑤用來(lái)模擬小運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)中，至少有一臺(tái)可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的，且必須安裝window操作系統(tǒng)的PC，以測(cè)試真實(shí)的游戲加速效果（魔獸世界有專門(mén)開(kāi)發(fā)的游戲延時(shí)測(cè)試工具，這里使用魔獸世界作為網(wǎng)游質(zhì)量檢測(cè)工具）。

3.1 測(cè)試設(shè)備和測(cè)試環(huán)境

根據(jù)前述的實(shí)驗(yàn)前提設(shè)計(jì)了測(cè)試環(huán)境。測(cè)試時(shí)用到的設(shè)備如表1中所列，測(cè)試環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接和網(wǎng)絡(luò)配置情況如圖2所示。

表1 測(cè)試設(shè)備列表

圖2 測(cè)試環(huán)境——網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)配置

如圖 2所示，測(cè)試環(huán)境分為 2個(gè)網(wǎng)段，分別為192.168.0.0/24和192.168.8.0/24：前者用來(lái)模擬小型ISP，安裝了魔獸世界客戶端的筆記本電腦和加速服務(wù)器，1臺(tái)流量產(chǎn)生服務(wù)器，三層交換機(jī)的 vlan121以及連接服務(wù)器的 eth0網(wǎng)卡都連接在這個(gè)網(wǎng)段；后者用來(lái)模擬大型ISP，包括三層交換機(jī)的vlan122、百兆路由器和另一臺(tái)流量產(chǎn)生服務(wù)器。由于百兆路由器和千兆交換機(jī)之間的連接為100 M，而千兆交換機(jī)內(nèi)部的連接可以保持千兆，因此可以籍此模擬內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資源充分而出口流量擁堵的情況。

如圖3所示，左右兩側(cè)的紅色服務(wù)器為流量產(chǎn)生服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器使用FreeBSD操作系統(tǒng)，安裝web-polygraph[5]軟件。該軟件分為server端和client端，在server端可以隨機(jī)生成WEB頁(yè)面，并由client端訪問(wèn)，以生成HTTP網(wǎng)絡(luò)流量。通過(guò)設(shè)置client端的并發(fā)session和每個(gè)WEB頁(yè)面的大小，可以精細(xì)調(diào)整兩臺(tái)服務(wù)器之間的流量大小?？紤]到對(duì)于圖 2中的小ISP網(wǎng)絡(luò)用戶而言，絕大部分資源都在大ISP中，所以在本次測(cè)試中，以192.168.0.0/24網(wǎng)段的服務(wù)器為client端，以192.168.8.0/24網(wǎng)段的服務(wù)器為server端進(jìn)行流量的模擬。

3.2 測(cè)試結(jié)果和分析

（1）使用web-polygraph軟件模擬互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)流量

測(cè)試時(shí)，首先單純啟動(dòng)web-polygraph軟件模擬互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)流量。Web-polygraph軟件是一款http流量模擬仿真軟件，分為客戶端（client-side）和服務(wù)器端（server-side）2部分，詳細(xì)的配置和使用說(shuō)明可以在參考文獻(xiàn)[7]中查詢。當(dāng) client和server都啟動(dòng)后，在server端會(huì)按照配置好的頁(yè)面大小隨機(jī)生成訪問(wèn)頁(yè)面，同時(shí)響應(yīng)client發(fā)來(lái)的http請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)http訪問(wèn)的模擬。Client端的請(qǐng)求發(fā)生頻數(shù)是可以調(diào)節(jié)的，在本次測(cè)試中可以使用平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)（MOPS，Mean Object Per Second）來(lái)表征每秒種發(fā)出的請(qǐng)求個(gè)數(shù)。由于在server端已經(jīng)配置好隨機(jī)生成的目標(biāo)文件大小的分布，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源充分的前提下，可以籍此估算出實(shí)際的下行平均流量：

下行平均流量速率=平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)×平均頁(yè)面大小。

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中保持平均頁(yè)面大小不變，改變 client端的平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)，同時(shí)通過(guò)FreeBSD自帶的命令監(jiān)控網(wǎng)卡上的網(wǎng)絡(luò)流量，獲得響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)和網(wǎng)卡流量之間的關(guān)系

如圖3所示，當(dāng)網(wǎng)卡流量在70 Mb/s以下的時(shí)候（對(duì)應(yīng)平均目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)在550以下時(shí)），網(wǎng)絡(luò)流量和平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)直接保持了良好的線性關(guān)系（對(duì)這段數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果表明，其線性相關(guān)度好于99%）。但是當(dāng)請(qǐng)求繼續(xù)增加是，網(wǎng)卡上的流量不再線性增長(zhǎng)，意味著此時(shí)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始發(fā)生擁堵。

由此可知，通過(guò)在client端增加平均目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)的方式，確實(shí)可以人為模擬出網(wǎng)絡(luò)擁堵的測(cè)試條件。

（2）在流量擁堵的情況下ping包的延時(shí)變化

在通過(guò)web-polygraph模擬出網(wǎng)絡(luò)擁堵環(huán)境后，首先通過(guò)ping包的延時(shí)變化來(lái)觀察隨著網(wǎng)絡(luò)流量的增長(zhǎng)，包傳輸?shù)难訒r(shí)變化情況。測(cè)試時(shí)保持如（1）中的平均頁(yè)面大小不變，改變平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)大小，同時(shí)持續(xù)從 client服務(wù)器向server服務(wù)器發(fā)送ping包，記錄結(jié)果，并取500次的測(cè)試結(jié)果做平均，作為該平均目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)對(duì)應(yīng)的ping包延時(shí)，得到如圖5的響應(yīng)曲線。

從圖4中可以看出，隨之平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)的增加，也即網(wǎng)絡(luò)流量的不斷增長(zhǎng)，ping包的延時(shí)起初沒(méi)有顯著的變化，但是當(dāng)流量開(kāi)始趨向于占滿全部網(wǎng)絡(luò)資源的時(shí)候，ping包的延時(shí)有了顯著的增長(zhǎng)，拐點(diǎn)發(fā)生的位置和圖4中所示的網(wǎng)絡(luò)資源趨于飽和的位置重疊，均為550到600之間。

由此可見(jiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始擁堵的時(shí)候，ping包的延時(shí)會(huì)有顯著的增加。網(wǎng)游的通訊數(shù)據(jù)過(guò)程比ping協(xié)議要復(fù)雜得多，當(dāng)擁堵發(fā)生的時(shí)候，其通訊質(zhì)量很可能會(huì)受到更大的影響。進(jìn)一步的，對(duì)游戲通訊的數(shù)據(jù)受網(wǎng)絡(luò)擁堵環(huán)境的影響這個(gè)問(wèn)題作了測(cè)試，同時(shí)也對(duì)于啟動(dòng)游戲加速服務(wù)以后的游戲通訊質(zhì)量改善情況做了測(cè)試。

圖4 ping包延時(shí)隨著平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)變化的情況

（3）啟用加速服務(wù)和不啟用加速服務(wù)的游戲效果對(duì)比

為了量化測(cè)試游戲數(shù)據(jù)通訊的效果，這里采用經(jīng)典的魔獸世界網(wǎng)絡(luò)游戲的通訊測(cè)試工具來(lái)測(cè)試網(wǎng)游客戶端和游戲客戶端之間的通訊延時(shí)。測(cè)試選取工作日的上午 9:00-11:00,網(wǎng)游服務(wù)器相對(duì)空閑的時(shí)段進(jìn)行。測(cè)試時(shí)盡量保持基本類似的網(wǎng)游動(dòng)作，以避免通訊數(shù)據(jù)包之間的差異過(guò)大。

測(cè)試首先不開(kāi)啟游戲加速服務(wù)，直接通過(guò)筆記本電腦接入192.168.8.0/24網(wǎng)段，打開(kāi)魔獸游戲，登錄游戲服務(wù)器，一面改變web-polygraph的平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)，一面記錄魔獸世界的游戲通訊延時(shí)情況。

之后再開(kāi)啟游戲加速服務(wù)，重新接入與之前相同的服務(wù)器，并做同樣的測(cè)試。如前所述，游戲加速服務(wù)分成2部分：

①使用自行編寫(xiě)的游戲加速客戶端和服務(wù)器端軟件，在客戶端，通過(guò)在 Windows XP系統(tǒng)的 LSP(Layered Service Provider)層[8]直接對(duì)魔獸世界進(jìn)程對(duì)外通訊數(shù)據(jù)的流入流出進(jìn)行修改操作，將發(fā)出的數(shù)據(jù)包重定向到加速服務(wù)器端，同時(shí)接收加速服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)給游戲進(jìn)程；在服務(wù)器端，將發(fā)給網(wǎng)游服務(wù)器的數(shù)據(jù)包源IP修改為加速服務(wù)器自己的IP地址，同時(shí)將網(wǎng)游服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)包發(fā)還給游戲加速客戶端軟件。

②在思科3750交換機(jī)和TP-link路由器上對(duì)于源地址和目標(biāo)地址為游戲加速服務(wù)器地址的數(shù)據(jù)包均配置1 Mb/s的優(yōu)先帶寬保障，確保來(lái)自和發(fā)往游戲加速服務(wù)器的數(shù)據(jù)包會(huì)被優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

測(cè)試得到的隨著平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)的增加，游戲延時(shí)的變化情況如圖5所示。

從圖5中可以清楚看到，在不啟用游戲加速服務(wù)的前提下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接近擁堵的時(shí)候（平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)550左右），游戲通訊延時(shí)突然迅速增加直至掉線，無(wú)法繼續(xù)使用；而當(dāng)游戲加速啟動(dòng)后，游戲的延時(shí)狀態(tài)穩(wěn)定在200 ms左右，這表明該游戲加速解決方案能夠在不增加瓶頸點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)資源的情況下，保證網(wǎng)絡(luò)游戲的用戶即使在網(wǎng)絡(luò)出口擁堵的狀態(tài)下使用體驗(yàn)也不會(huì)下降。

圖5 啟動(dòng)和未啟動(dòng)游戲加速情況下，隨著平均每秒目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)增加，魔獸世界網(wǎng)游通訊數(shù)據(jù)包的延時(shí)變化情況

4 結(jié)語(yǔ)

文中首先提出了網(wǎng)絡(luò)條件對(duì)于用戶使用網(wǎng)游等對(duì)延時(shí)、丟包等QoS指標(biāo)非常敏感的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體驗(yàn)的影響，分析了當(dāng)前主流的2種解決方案及這兩類方案在中小型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的局限性；針對(duì)這一局限，提出一個(gè)新的網(wǎng)游加速解決方案，并通過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明該方案可以在不額外增加出口網(wǎng)絡(luò)資源的前提下，保證網(wǎng)游等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的用戶體驗(yàn)。這一方案可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他類似的應(yīng)用上，從而使得網(wǎng)絡(luò)使用效率大大提升。

[1]CNNIC報(bào)告.第27次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[EB/OL].（2011-01-09）[2011-02-26]. http://www.cnnic.net.cn/dtygg/dtgg/201101/P020110119 3289601922 87.pdf.

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