面向不同運營商的網絡時延性能分析

張 琪，李興華，姜 華

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.工業和信息化部電信研究院 信息網絡部，北京 100037）

互聯網是當代信息社會的重要基礎設施，通過對互聯網進行測量和分析，可以使行業管理者了解網絡運行狀況，及時發現和處理網絡重大安全事件，對網間的互聯互通方案進行設計和評價。

本文根據工業和信息化部電信研究院互聯網優化平臺項目所測量的相關數據，通過對大量網絡性能數據的統計分析，發現了網絡時延的性能特征和不同運營商的性能差異，以及網絡互聯互通存在的問題。

1 時延與時延抖動

1.1 時延

當數據包到達一個路由器，經過路由器的處理并發送到下一個路由器時，數據包經歷的時延由具體的4部分組成[1]：傳輸時延，傳播時延，處理時延，排隊時延。

1.2 時延抖動

當相同時間間隔發送數據包時，在目的端收到數據包會出現不同時間間隔，即為時延抖動。時延抖動受很多因素影響，由于網絡中的路由擁塞，并且瞬間擁塞的時間和長度變化，導致各分組數據包的處理時延不同[2]，TCP窗口行為的變化，時延抖動也是反映網絡負載特征的重要指標，網絡中存在的平均網絡負載周期性和非周期性變化會引起時延抖動，另外，路由更新也會引起時延抖動，即當路徑發生變化并收斂到新的路由路徑過程中，時延增加，會有大量的丟包，并伴隨劇烈的時延抖動。

評估時延抖動有多個方法[3]，有前后參考，首包參考，平均值參考。平均值參考不具有實時性，是在一段時間測量結束后計算完成，但是平均值參考使用簡單，具有一定的代表性和普遍性。本文采用平均參考結合方差的計算，通過測得的往返時延，平均每6 h計算時延抖動。

2 時延性能分析

2.1 數據準備

本文實驗的測量從全國范圍內的11個監測點向93個分布在各省的運營商Ping和Traceroute，從測量數據中選取24552條往返時延和路由跳數，再根據時延值計算時延抖動。對于自治域的統計信息是，位于各省市的11個監測點分別屬于AS4808，AS9808，AS23724，AS24400，AS17621，AS4812。我國向外公告196個AS，實驗能夠統計65個AS。

2.2 時延與跳數

2.2.1 往返時延統計分析

Baek-Young Choi[4]等通過對Sprint US IP骨干網的點到點時延分析發現，數據包經歷的最大時延并不能代表網絡的性能；對經常發生路徑變化和負載均衡的骨干網，時延的平均值和中值并不能很好的表示這方面的性能；最小時延在較小的時間內很穩定，最小時延的變化能夠表示最短路徑的變化。將時延統計數據做概率統計圖如圖1，并將時延指標值制表如表1。

圖1 往返時延概率分布圖

表1 往返時延指標值統計表（續）

從圖中可以看出，網絡時延狀況較好，大多集中在40 ms～70 ms之間，只有一小部分時延超過150 ms，對于時延值超過200 ms～300 ms 之間的路由，經過對逐條路由分析發現，這些路由多數發生在跨網，并且目的節點在西藏和新疆地區，這2地區的時延明顯大于其他地區，原因是由于我國西部的網絡狀況較其他地區差，實驗的監測點設置相對西部地區較遠。

由上表可以看出，各ISP內部的路由時延明顯小于各ISP之間的路由時延，A網和B網之間的路由時延表現尤為明顯，這2個ISP之間的時延方差值為63.34，時延波動較大，均值和中值分別為98.88 ms和78.83 ms，較其他跨網的時延指標值大。

2.2.2 跳數的分析

端到端的跳數是指測量的數據包從源點出發，到達目的地的過程中所經過的路由器個數[5]。跳數在一定程度上體現了某一路徑的路由效率和傳輸質量。跳數的大小和路由選擇策略以及物理距離有關，通常將跳數作為源點和目的點距離的一種體現。從測量數據中選擇24552個跳數數據。將其進行跳數概率分布統計如圖2。圖的橫坐標是跳數，縱坐標是跳數所占的比重概率。

圖2 ISP網內跳數概率分布對比圖

由于監測的目的點是分布在各省市的節點，因此ISP跳數之間的比較不存在距離遠近的問題，由圖2可知，最為Tier-1的A網和B網的選路策略較好，路由跳數集中在9跳和10跳，而C網內的路由跳數分布稍向后移，進一步對逐條路由分析發現，某些C網內的路由要經過A網或B網的骨干網節點進行傳輸，比如由上海C網監測點到北京C網目的點，中間需要經過B網骨干網節點進行轉發。從網內和網間的角度分析，在ISP內部的路由選擇策略較好，跳數集中在9跳～11跳，而在ISP之間的跳數則顯著增加，集中在12跳～14跳。同樣的，ISP內部和ISP之間的比較不存在物理距離的遠近，那么影響跳數整體變大的原因是路由選擇策略。對網絡跳數進行整體統計可以看出，對跳數分布的影響主要來自ISP之間，因此，對于提高全國網絡性能應加強各ISP之間的互聯互通，優化跨網的路由選擇策略。

2.2.3 跳數與時延相關性分析

路由是指數據包在網絡傳輸過程中經過的網絡節點的有序排列。路徑是數據包從源點到目的點的所有路由的集合。通常用跳數來衡量源端和目的端的距離，跳數大的一般情況下物理距離也大，延遲也會相應變化。Aiguo Fei[6]等人通過對UCLA的主機隨機選擇3000遍布全世界的主機進行測量往返延遲和跳數分析，實驗結果表明US內超過90%跳數是在18跳以內，90%的往返延遲小于153 ms，但是研究表明跳數和延遲之間沒有很強的相關性，盡管是平均時延大小會隨著跳數增加而增加。時延和跳數對比如圖3。

圖3 時延和跳數對比圖

圖3中的橫坐標是路由跳數，縱坐標是某一跳數的時延分布，從圖中可以看出，隨著跳數的增加，時延會變大，但并不是很強的相關性，在11跳到15跳之間，時延呈現很大的分布。圖中的紅點表示固定跳數時延的中位值，從16跳開始，中位值不再呈單調上升趨勢?；谝陨?點不能單純的由給定跳數來預測時延大小，時延大小不僅僅由跳數決定，還會依賴很多其他因素，包括物理距離，到骨干網的距離，鏈路容量和當時某一鏈路的流量狀況，這也體現了網絡的復雜性。

2.3 AS級往返時延的分析

分析目的是AS間路徑時延對整體時延的影響，由于平臺使用的工具是Traceroute，返回的數值是往返時延，因此，采用的數據是鏈路往返時延。將每條鏈路時延比重算出，做出概率分布圖如圖4。

圖4 AS間鏈路時延比重CDF圖（intra-ISP）

對于出現在intra-ISP的跨域鏈路時延比重，C網和B網的AS間鏈路時延比重并沒有占很多，在所有的路徑往返時延中，C網90%的跨域鏈路只占其所在路徑時延的不到10%，B網80%的跨域鏈路只占其所在路徑時延的不到10%，對這2個ISP，占整條路徑的大部分時延出現在自治域內部，逐條對路徑時延分析發現，路徑時延的主導時延鏈路大部分只有一條，也即端到端路徑中大部分只存在一條瓶頸鏈路，根據上述分析結論，可以推斷出瓶頸鏈路出現在AS內部。這符合過去的研究結論。對于A網，跨域的鏈路所占時延比重CDF圖近似為一條直線，表明跨域間鏈路和域內鏈路的時延貢獻值差不多，瓶頸鏈路不能武斷的判斷在AS內部[7]還是外部。

2.4 時延抖動的分析

統計只采用8點和14點的時延抖動值做比較，8點的時延抖動是從2～8點的往返時延方差值，14點的時延抖動是從8～14點的往返時延方差值，2個IPDV都非常有代表性。通過3天取值來得到平均值，統計結果如圖5。

由圖5可知，從時間上，8點比14點的IPDV要明顯小的多，這表明凌晨2點到上午8點的網絡負載較輕，時延變化不大，比較穩定，符合網絡的實際情況。而上午8點到下午14點的時延抖動值明顯變大，這時網絡負載較重，數據包往返時延不穩定，會經歷排隊時延，所以時延出現較大的波動。

圖5 8點-14點時延抖動比較

3 結束語

通過對不同運營商的網絡時延性能進行分析，從網內網間以及組成的整體性能等不同角度，對運營商之間的性能差異進行了評估。通過對時延性能進行深入的挖掘，發現和驗證了時延的一些特性，證明了互聯網發展的地域不平衡性。

[1]Jun-ya Kato, Atsuo Shimizu, Shigeki Goto. Active Measurement and Analysis of Delay Time in the Internet [C]. ICPP '99 Proceedings of the 1999 International Workshops on Parallel Processing, 1999.

[2]Pucha H, Zhang Y, Mao Z M, et al. understanding network delay changes caused by routing events [C]. In proceedings of the 2007 ACM SIGMETRICS international conference on measurement and modeling of computer systems, 2007.

[3]黎文偉，王俊峰，謝高崗，張大方. 基于包對采樣的IP網絡時延變化測量方法[J]. 計算機研究與發展，2004，41（8）：1352-1359.

[4]Baek-Young Choi, Sue Moon, Rene Cruz, Zhi-Li Zhang, Christophe Diot. Practical Delay Monitoring for ISPs [C]. Proceeding 2005 ACM Conference on Emerging network Experiment and Technology, Toulouse, France, Oct. 2005.

[5]馬建國，席明賢，等. 中國Internet路由級跳數測量與分析[J]. 計算機應用研究，2008, 25（7）：2112-2115.

[6]Aiguo Fei, Guangyu Pei, et al. Measurement on delay and hop-count of the internet[C]. IEEE GLOBECOM'98 - Internet Mini-Conference. 1998.

[7]畢經平，吳 起，李忠誠. Internet延遲瓶頸的測量與分析[J]. 計算機學報，2003，26（4）：406-416.