鄭利民，劉 軍，歐陽(yáng)雁，莫燧華

（中國(guó)電信股份有限公司東莞分公司 東莞 523000）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和客戶需求的不斷增加，業(yè)務(wù)的種類也不斷發(fā)展和變化著，從傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)到圖像和視頻業(yè)務(wù)，從基礎(chǔ)的視聽服務(wù)到各種各樣的增值業(yè)務(wù)，從64 kbit/s的基礎(chǔ)服務(wù)到2.5 Gbit/s/10 Gbit/s的專線業(yè)務(wù)，各種業(yè)務(wù)層出不窮。不同的業(yè)務(wù)都有不同的帶寬需求、不同的服務(wù)需求。

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及各種增值業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，客戶網(wǎng)絡(luò)要求的帶寬也越來越大。傳統(tǒng)的測(cè)速平臺(tái)及方法功能單一，可測(cè)速帶寬小，不能滿足政企客戶日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，加上國(guó)內(nèi)對(duì)“假帶寬”質(zhì)疑的聲音此起彼伏，因此，如何精確地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的帶寬具有重大的戰(zhàn)略意義。

2 帶寬測(cè)量現(xiàn)狀

依據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)帶寬測(cè)量技術(shù)進(jìn)行如下分類：按照是否向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部注入探測(cè)分組，可分為主動(dòng)測(cè)量(active measurement)和被動(dòng)測(cè)量(passive measurement)。

2.1 主動(dòng)測(cè)量法

主動(dòng)測(cè)量法是指發(fā)送端通過發(fā)送測(cè)量分組獲取網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。主動(dòng)測(cè)量可以獲得用戶感興趣的端到端的網(wǎng)絡(luò)狀況和網(wǎng)絡(luò)行為，具有靈活方便、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

主動(dòng)測(cè)量通過主動(dòng)分析探測(cè)數(shù)據(jù)分組和響應(yīng)數(shù)據(jù)分組獲取相應(yīng)的性能參數(shù)，只需要在發(fā)送端運(yùn)行客戶端軟件或Web頁(yè)面即可，適用范圍廣。

傳統(tǒng)的主動(dòng)測(cè)量法主要用到的測(cè)量工具：10000測(cè)速軟件、第三方測(cè)速軟件、FTP軟件和下載軟件等。

2.2 被動(dòng)測(cè)量法

被動(dòng)測(cè)量法是指使用接入網(wǎng)絡(luò)的探針記錄和統(tǒng)計(jì)鏈路上數(shù)據(jù)分組的網(wǎng)絡(luò)特性。被動(dòng)測(cè)量不必發(fā)送主動(dòng)測(cè)量分組，也不會(huì)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響較小，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

被動(dòng)測(cè)量利用網(wǎng)絡(luò)的探針測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的鏈路，這樣必然要有大量的現(xiàn)實(shí)測(cè)量工具以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的權(quán)限，容易對(duì)網(wǎng)絡(luò)的安全造成風(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)的被動(dòng)測(cè)量法主要是用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控工具，如：SolarWinds、MRTG、PRTG等軟件。

2.3 幾種測(cè)量方法的比較

由于對(duì)于帶寬的各種指標(biāo)國(guó)際上還沒有統(tǒng)一的定義，各種文獻(xiàn)中提到的也不盡相同，因此有必要先對(duì)各種指標(biāo)給予說明。

大帶寬指物理鏈路傳輸數(shù)據(jù)的速率能夠達(dá)到100 Mbit/s以上。

大帶寬業(yè)務(wù)指的是MSTP、SDH、DDN、FR、城域網(wǎng)、EPON等專線型業(yè)務(wù)，從組網(wǎng)方式上來說又可分為傳輸網(wǎng)業(yè)務(wù)（MSTP、SDH）和數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)（DDN、FR、城域網(wǎng)、EPON、GPON）。

對(duì)幾種傳統(tǒng)的帶寬測(cè)量工具進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 幾種傳統(tǒng)測(cè)量工具對(duì)比

通過研究分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的帶寬測(cè)量方法存在著以下的問題。

·傳統(tǒng)的帶寬測(cè)量方法在大帶寬測(cè)量準(zhǔn)確性上明顯不足，對(duì)于帶寬大于100 Mbit/s的高速網(wǎng)絡(luò)無(wú)法精確地測(cè)量出實(shí)際的帶寬。

·傳統(tǒng)的帶寬測(cè)量方法只是針對(duì)傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于政企客戶大帶寬業(yè)務(wù)沒有統(tǒng)一的測(cè)試工具和方法。

·在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量方面，傳統(tǒng)的測(cè)量方法缺乏準(zhǔn)確和有效的監(jiān)控及測(cè)量方法。

·在網(wǎng)絡(luò)安全方面，傳統(tǒng)的測(cè)量方法都偏低，網(wǎng)絡(luò)的安全性無(wú)法得到保證。

因此傳統(tǒng)的測(cè)量工具和方法不能滿足政企客戶日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，一種精確度更高、涵蓋網(wǎng)絡(luò)范圍廣、安全性更好的帶寬測(cè)量方法有待提出。

3 構(gòu)建基于IGI2的政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)

3.1 IGI2算法及實(shí)現(xiàn)

PGM（probe gap model）是指通過分析兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)分組到達(dá)接收端的時(shí)間間隔以測(cè)量可利用帶寬。它假設(shè)窄鏈路和緊鏈路在同一位置，數(shù)據(jù)分組發(fā)送時(shí)的初始時(shí)間間隔受網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)流插分組的影響，這個(gè)間隔會(huì)變大，從而數(shù)據(jù)分組到達(dá)接收端時(shí)的時(shí)間間隔可以用一個(gè)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)流的函數(shù)表示，可以據(jù)此測(cè)量可利用帶寬。

IGI2算法（improvement of initial gap increasing algorithm）基于PGM模型，可進(jìn)一步提高大帶寬網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的準(zhǔn)確率及最大程度地減少測(cè)試背景流噪音。IGI2是一種主動(dòng)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬的測(cè)量方法，其基本原理是：在發(fā)送端以某一時(shí)間間隔快速連續(xù)發(fā)送探測(cè)分組對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分組，接收端測(cè)量經(jīng)過一個(gè)路由器后數(shù)據(jù)分組之間的時(shí)間間隔，以此來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬。

如圖1所示，探測(cè)分組對(duì)數(shù)據(jù)分組和背景流數(shù)據(jù)分組是通過同一路由器的，tin是探測(cè)分組對(duì)數(shù)據(jù)分組的初始間隔，tbo是探測(cè)分組對(duì)數(shù)據(jù)分組在瓶頸鏈路上的間隔，tou是探測(cè)分組對(duì)數(shù)據(jù)分組在背景流影響后的間隔，Bc是背景流的吞吐量，Bo為瓶頸鏈路的容量，ti+、ti-、ti=表示增加、減小和不變的分組對(duì)間隔，M、N和K分別表示探測(cè)分組對(duì)數(shù)據(jù)分組隊(duì)列中分組對(duì)間隔增加、減小和不變的情況。則有：

圖1 IGI2模型

假定第一個(gè)探測(cè)分組到達(dá)和離開路由器期間，滿足相應(yīng)的隊(duì)列非空的條件，那么tou就是第二個(gè)探測(cè)分組和在tin時(shí)間內(nèi)進(jìn)入隊(duì)列中的競(jìng)爭(zhēng)流通過該瓶頸鏈路所用的時(shí)間，根據(jù)以上的式子，可用帶寬為：

為提高測(cè)量準(zhǔn)確性，需要多次重復(fù)測(cè)量，求出統(tǒng)計(jì)平均值。在重復(fù)的測(cè)量過程中需要不斷發(fā)送分組測(cè)試對(duì)，不同的分組對(duì)先后到達(dá)呈泊松分布,以盡量減小探測(cè)分組對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。

3.2 構(gòu)建政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)

在基于IGI2的基礎(chǔ)上，構(gòu)建政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)，響應(yīng)“寬帶中國(guó)·光網(wǎng)城市”國(guó)家戰(zhàn)略，全面實(shí)現(xiàn)政企客戶大帶寬業(yè)務(wù)涵蓋多種網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和管理，提供大帶寬測(cè)速和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等性能指標(biāo)等功能，保障網(wǎng)絡(luò)的安全性，支撐政企業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，有效提升客戶網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，極大地提高電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率。

政企客戶大帶寬平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，整體的設(shè)計(jì)思想包括：

（1）設(shè)計(jì)政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)的硬件模塊，包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及存儲(chǔ)設(shè)備。

10萬(wàn)人、12萬(wàn)人、30萬(wàn)至40萬(wàn)人，這是北京市每年月嫂、育嬰師、養(yǎng)老及住家保姆的需求人數(shù)。同為特大城市的天津，也頻現(xiàn)“保姆荒”。

（2）基于IGI2算法，開發(fā)大帶寬測(cè)速功能模塊，涵蓋政企客戶大帶寬業(yè)務(wù)的多種不同網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（MSTP、SDH、DDN、FR、城域網(wǎng)）的大帶寬測(cè)速及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測(cè)試單元。

（3）開發(fā)云管理模塊，包括賬號(hào)、權(quán)限、角色和功能等管理單元，通過集中式管理系統(tǒng)建立完善的數(shù)據(jù)體系和信息共享機(jī)制，通過嚴(yán)密的權(quán)限管理和安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息管理。

（4）開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建云存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理，通過集群、分布式文件系統(tǒng)和網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備間的協(xié)同；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)加密采用AES算法，提高平臺(tái)安全性。

（5）設(shè)計(jì)政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)至數(shù)據(jù)網(wǎng)及傳輸網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，使測(cè)速平臺(tái)和數(shù)據(jù)網(wǎng)及傳輸網(wǎng)以云的狀態(tài)呈現(xiàn)。

（6）根據(jù)面向政企客戶對(duì)象的設(shè)計(jì)思想（object oriented，OO），開發(fā)大帶寬測(cè)速軟件服務(wù)器端及客戶端軟件，開發(fā)基于Web方式顯示的圖形用戶處理界面。

圖2 政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證IGI2算法的精確性和政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)的實(shí)用性，可以通過實(shí)驗(yàn)的方法來進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)試拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試拓?fù)?/p>

4.1 大帶寬測(cè)量準(zhǔn)確性

通過圖4可以看出：傳統(tǒng)的測(cè)速工具在帶寬較小的時(shí)候，測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確，接近鏈路的實(shí)際帶寬；當(dāng)帶寬超過100 Mbit/s的時(shí)候，測(cè)試結(jié)果誤差比較大?；贗GI2算法的政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果和鏈路的實(shí)際帶寬吻合，大帶寬測(cè)量的準(zhǔn)確性高。

圖4 帶寬測(cè)量準(zhǔn)確性效果

4.2 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及安全性

通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分別從網(wǎng)絡(luò)的往返時(shí)延、分組丟失率、吞吐量、鏈路利用率、設(shè)備性能分析、流量監(jiān)控等性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并且通過網(wǎng)絡(luò)嗅探工具進(jìn)行數(shù)據(jù)捕捉以進(jìn)行安全性分析，得到傳統(tǒng)的測(cè)速工具（10000測(cè)速軟件）和政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)的對(duì)比結(jié)果，見表2。

表2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果對(duì)比可知：傳統(tǒng)的測(cè)速工具在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的測(cè)量方面存在不足，且安全性不高；基于IGI2算法的政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)則能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，而且安全性高。

5 結(jié)束語(yǔ)

在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，中國(guó)電信股份有限公司東莞分公司政企客戶支撐中心通過持續(xù)學(xué)習(xí)，勇于創(chuàng)新，進(jìn)一步提升業(yè)務(wù)能力和技術(shù)水平，強(qiáng)化市場(chǎng)化思想，通過信息應(yīng)用的價(jià)值填充以提升中國(guó)電信的市場(chǎng)占有率。在基于IGI2算法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建政企客戶大帶寬測(cè)速平臺(tái)，全面實(shí)現(xiàn)政企客戶大帶寬業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的大帶寬測(cè)速和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量性能指標(biāo)測(cè)試等功能，保障了網(wǎng)絡(luò)的安全性，為企業(yè)的市場(chǎng)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了機(jī)遇。

1 Jain M,Dovrolis C.PathLoad:a measurement tool for end-to-end available bandwidth.Proceedings of Passive and Active Measurements(PAM),Fort Collins,Colorado,USA,March,2002:14～25

2 Strauss J,Katabi D,Kaashoek F.A measurement study of available bandwidth estimation tools.Proceedings of ACM Internet Measurement Conference(IMC),Miami Beach,Florida,2003

3 Banerjee S,Agrawala A.Estimating available capacity of a network connection.Proceedings of IEEE Int’1 Conference on Networks,Singapore,Sept 2000:131～138

4 劉敏,耿玉水,趙榮芳等.Internet網(wǎng)絡(luò)測(cè)量概述.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2009(9)

5 劉星成,何莉,余順爭(zhēng).網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的高精度測(cè)量算法.電子學(xué)報(bào),2007,35(1)