TCP報(bào)文丟包定位方法研究

高中耀，程 光

1.東南大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189

2.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189

TCP報(bào)文丟包定位方法研究

高中耀1，程 光2

1.東南大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189

2.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189

1 引言

ΤCP是互聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用的傳輸層協(xié)議，它提供一種可靠的面向連接的字節(jié)流服務(wù)。很多網(wǎng)絡(luò)行為會(huì)引起ΤCP報(bào)文丟失，比如流量過大導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞或中斷，錯(cuò)誤的網(wǎng)絡(luò)接線或配置導(dǎo)致報(bào)文不可達(dá)，網(wǎng)絡(luò)攻擊引起網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降或癱瘓。

ΤCP報(bào)文傳輸?shù)囊粋€(gè)重要特征就是傳輸過程中的序號(hào)，報(bào)文的IP首部和ΤCP首部分別有ID號(hào)和序號(hào)，正常順序到達(dá)的報(bào)文ID號(hào)和序號(hào)應(yīng)該是非遞減的，當(dāng)?shù)竭_(dá)的報(bào)文序號(hào)沒有按照非遞減方式出現(xiàn)時(shí)，那么網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)亂序，一定程度上的亂序會(huì)導(dǎo)致接收端認(rèn)為報(bào)文丟失，引起擁塞窗口的調(diào)整和快速重傳，從而可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)或者應(yīng)用程序的性能下降。當(dāng)發(fā)送端接收到多個(gè)重復(fù)ACK或者出現(xiàn)定時(shí)器超時(shí)，發(fā)送端會(huì)認(rèn)為報(bào)文在傳輸中丟失，重傳該報(bào)文，同樣會(huì)引起擁塞窗口的調(diào)整而影響網(wǎng)絡(luò)性能。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)丟包時(shí)，只有定位出丟包位置才能尋找丟包原因以解決丟包問題。所以，定位出丟包發(fā)生的位置以及推算丟包率將有利于網(wǎng)絡(luò)管理的進(jìn)行。眾多學(xué)者提出各種不同的研究方法，最常見的是通過ping來分析，此類基于主動(dòng)測量的方法向網(wǎng)絡(luò)中注入流量，可能會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載甚至對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響，不適合于經(jīng)常性的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)；Sommers等人通過在發(fā)送端主動(dòng)發(fā)送探測包，在接收端查看探測包抵達(dá)的數(shù)目以推測端到端的丟包率[1]；Benko和Veres提出基于ΤCP報(bào)文序號(hào)的被動(dòng)測量丟包率方法，它將測量點(diǎn)布置在核心或邊界路由器上，把端到端路徑分成兩部分，通過觀測ΤCP序號(hào)來定位丟包及推算丟包率[2]，Ohta和Miyazaki利用兩個(gè)測量點(diǎn)通過被動(dòng)測量對(duì)報(bào)文進(jìn)行哈希辨別來推算丟包率[3]，F(xiàn)riedl等人通過對(duì)比兩個(gè)測量點(diǎn)的流信息來計(jì)算丟包率[4]，Jaiswal等人對(duì)Sprint骨干鏈路上的ΤCP連接進(jìn)行分析，對(duì)失序的報(bào)文進(jìn)行分類，其中包括對(duì)丟失報(bào)文的定位和推算[5]，Allman等人通過觀測發(fā)送端的重傳報(bào)文來推算丟包率[6]，Nguyen等人構(gòu)建了一種叫HSMM的模型來對(duì)報(bào)文丟包進(jìn)行分析[7]，Zhang等人從入口的隨機(jī)性和報(bào)文丟包入手，對(duì)丟包、時(shí)延、帶寬進(jìn)行分析[8]。

上述基于被動(dòng)測量研究丟包率及丟包定位的方法多數(shù)僅從ΤCP序號(hào)的角度考慮，沒有結(jié)合報(bào)文超時(shí)來分析丟包，因?yàn)槿齻€(gè)重復(fù)ACK或發(fā)送端超時(shí)均會(huì)導(dǎo)致報(bào)文丟包。也有學(xué)者通過分析往返報(bào)文來研究丟包，這樣對(duì)丟包率的推算會(huì)更為精確，但由于網(wǎng)絡(luò)多路徑或負(fù)載平衡問題，同一個(gè)測量點(diǎn)不一定能完全監(jiān)測到往返報(bào)文。因此本文從序號(hào)和時(shí)間角度綜合考慮，研究單向ΤCP報(bào)文流，提出一種基于單點(diǎn)被動(dòng)測量的報(bào)文丟包分段檢測方法（Half Path Detection of Packet Loss，HPDPL），測量點(diǎn)可選擇在核心或邊界路由器上，它將端到端路徑分成兩部分，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的ΤCP報(bào)文進(jìn)行組流和過濾分析以定位丟包位置及推算測量點(diǎn)之前和之后鏈路的丟包率。利用本文提出的方法，ISP可通過二分法定位到出現(xiàn)異常的網(wǎng)絡(luò)，將異常點(diǎn)縮小到小范圍，并且此方法可在日常網(wǎng)絡(luò)管理中實(shí)時(shí)觀測鏈路丟包情況。

2 測度定義

既然報(bào)文丟包會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序的性能，那么定義相關(guān)的測度來描述和分析丟包是非常必要的。假定ID[i]為接收端接收到報(bào)文的ID首部ID號(hào)，Seq[i]為接收端接收到報(bào)文的ΤCP首部序號(hào)，其中i、j=0，1，…，n，且j＜i。T(i，j)為接收端接收到的第i個(gè)報(bào)文和第j個(gè)報(bào)文的時(shí)間間隔，RTO為發(fā)送端計(jì)時(shí)器的超時(shí)重傳時(shí)間。

定義下面四個(gè)條件式：

2.1 亂序率

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，各種新興技術(shù)被應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)中，如多路由技術(shù)、并行處理技術(shù)、鏈路層重傳技術(shù)等。這些技術(shù)在提升互聯(lián)網(wǎng)性能的同時(shí)，也導(dǎo)致了傳輸層報(bào)文亂序的出現(xiàn)。大量研究表明，報(bào)文亂序是互聯(lián)網(wǎng)中普遍存在的現(xiàn)象[6]，隨著端到端報(bào)文延遲的降低和網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的增快，報(bào)文亂序出現(xiàn)的比例同時(shí)也呈增長趨勢[9]。

RFC4737[10]中定義了11個(gè)報(bào)文亂序測度，包括基于延遲的亂序比例，亂序范圍等，RFC5236[11]深層次地對(duì)亂序測度進(jìn)行定義，提出亂序密度RD（Reorder Density）和亂序緩沖區(qū)使用密度RBD（Reorder Buffer-occupancy Density）兩個(gè)測度。

若報(bào)文按正常順序到達(dá)，則報(bào)文的ΤCP首部序號(hào)應(yīng)該呈非遞減出現(xiàn)，即Seq[i]≥Seq[j]，當(dāng)?shù)竭_(dá)的報(bào)文沒有按非遞減方式出現(xiàn)，即Seq[i]＜Seq[j]，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)亂序，定義序號(hào)為Seq[i]的報(bào)文為亂序報(bào)文，亂序率定義為：

亂序率=亂序報(bào)文個(gè)數(shù)/報(bào)文總個(gè)數(shù)

亂序率在一定程度上影響著丟包率，特別在骨干鏈路，部分亂序甚至?xí)鹜掏铝康膰?yán)重下降[7]。

2.2 丟包率

RFC2680[12]給出了IP報(bào)文單個(gè)丟包事件的測度，RFC3357[13]進(jìn)一步給出了丟包模式的測度，包括基本定義以及基本定義之上的測度序列和測度統(tǒng)計(jì)值。方法提出測量點(diǎn)之前的丟包率和測量點(diǎn)之后的丟包率，以下簡稱“前丟包率”和“后丟包率”。測量點(diǎn)可選擇在核心或邊界路由器上，它將端到端路徑分成前后兩部分，如圖1所示。位于網(wǎng)絡(luò)B中的客戶端從位于網(wǎng)絡(luò)A中的服務(wù)器下載文件，那么客戶端和服務(wù)器建立了ΤCP連接，ΤCP報(bào)文從發(fā)送端發(fā)送后到各自網(wǎng)絡(luò)邊界，再經(jīng)過測量點(diǎn)抵達(dá)接收端。

圖1 測量點(diǎn)的布置

由于多路由等原因，發(fā)送端發(fā)送報(bào)文至接收端和接收端回復(fù)ACK至發(fā)送端的路徑可能是不同路徑，所以本文選擇基于單向報(bào)文的IP首部ID號(hào)、ΤCP首部序號(hào)以及報(bào)文間的時(shí)間間隔來推算丟包率。

2.2.1 前丟包率

若報(bào)文在測量點(diǎn)之前丟失，如圖2所示，序號(hào)為1的報(bào)文在抵達(dá)測量點(diǎn)前丟失，測量點(diǎn)將看不到序號(hào)為1的報(bào)文經(jīng)過，發(fā)送端接收到三個(gè)重復(fù)ACK后，發(fā)送端會(huì)重傳序號(hào)為1的報(bào)文，此時(shí)測量點(diǎn)監(jiān)測到該報(bào)文的重傳，即序號(hào)為1的報(bào)文在測量點(diǎn)之前丟包表現(xiàn)為亂序報(bào)文的出現(xiàn)。

圖2 測量點(diǎn)之前丟包

當(dāng)報(bào)文使得條件式Aand（CorD）為真時(shí)，可判斷該報(bào)文在測量點(diǎn)之前發(fā)生丟失，條件式A代表報(bào)文出現(xiàn)亂序，條件式C代表報(bào)文出現(xiàn)超時(shí)，條件式D代表報(bào)文i與報(bào)文j間距大于3。前丟包率定義為：

前丟包率=測量點(diǎn)之前的丟包個(gè)數(shù)/報(bào)文總個(gè)數(shù)

2.2.2 后丟包率

若報(bào)文在測量點(diǎn)之后丟失，如圖3所示，序號(hào)為1的報(bào)文在抵達(dá)測量點(diǎn)后丟失，測量點(diǎn)監(jiān)測到序號(hào)為1的報(bào)文經(jīng)過，發(fā)送端接收到三個(gè)重復(fù)ACK后，發(fā)送端會(huì)重傳序號(hào)為1的報(bào)文，此時(shí)測量點(diǎn)再次監(jiān)測到該報(bào)文的重傳，即序號(hào)為1的報(bào)文在測量點(diǎn)之后丟包表現(xiàn)為重復(fù)報(bào)文的出現(xiàn)。

圖3 測量點(diǎn)之后丟包

當(dāng)報(bào)文使得條件式Band（CorD）為真時(shí)，可判斷該報(bào)文在測量點(diǎn)之后發(fā)生丟失，條件式B代表報(bào)文為重復(fù)報(bào)文，條件式C代表報(bào)文出現(xiàn)超時(shí)，條件式D代表報(bào)文i與報(bào)文j間距大于3。后丟包率定義為：

后丟包率=測量點(diǎn)之后的丟包個(gè)數(shù)/報(bào)文總個(gè)數(shù)

3 報(bào)文丟包分段檢測算法

3.1 算法描述

算法主要分為五個(gè)模塊，如圖4所示，分別是：預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)維護(hù)、計(jì)算及輸出模塊。預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)報(bào)文到達(dá)后的預(yù)處理，對(duì)報(bào)文進(jìn)行過濾并提取ΤCP報(bào)文交給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)報(bào)文按照五元組（源IP、目的IP、源端口、目的端口、協(xié)議號(hào)）進(jìn)行組流，同時(shí)記錄報(bào)文的IP首部ID號(hào)、ΤCP首部序號(hào)、報(bào)文到達(dá)時(shí)間等相關(guān)參數(shù)信息；組流的同時(shí)，狀態(tài)維護(hù)模塊對(duì)流信息進(jìn)行維護(hù)，比如維護(hù)丟包推算的窗口及超時(shí)流信息更新等事務(wù)；在前三個(gè)模塊工作的同時(shí)，計(jì)算和輸出模塊利用維護(hù)的流信息進(jìn)行亂序率和丟包率的推算及輸出。

圖4 算法框圖

算法的核心是計(jì)算模塊，即亂序率和丟包率的推算部分，算法如圖5所示。

第一行是對(duì)新報(bào)文的獲取，第三和四行是對(duì)RTT、RTO進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)報(bào)文的到達(dá)時(shí)間提取相鄰兩個(gè)發(fā)送輪次之間的間隙，進(jìn)而推算RTT以及計(jì)算RTO，第六到第十一行是統(tǒng)計(jì)符合條件的亂序報(bào)文數(shù)和測量點(diǎn)之前的丟包個(gè)數(shù)，第十二和十三行是統(tǒng)計(jì)測量點(diǎn)之后的丟包個(gè)數(shù)，其中T[i，j]＞RTO和ID[i]-ID[j]≥3起到互相補(bǔ)充的作用，主要是考慮到極少數(shù)報(bào)文的ID號(hào)可能不是遞增出現(xiàn)，利用時(shí)間信息對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)充。最后的第十四、十五、十六行是對(duì)亂序率、前丟包率、后丟包率進(jìn)行計(jì)算。

圖5 算法偽代碼

3.2 性能分析

對(duì)于該算法來說，算法的計(jì)算時(shí)間主要花費(fèi)在ΤCP流信息的維護(hù)以及亂序和丟包個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)上，對(duì)于一個(gè)ΤCP流信息需要維護(hù)所屬報(bào)文的ID、Seq、時(shí)間間隔信息，對(duì)4.2節(jié)的CERNEΤ實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行前、后丟包率推算的同時(shí)，對(duì)所需維護(hù)報(bào)文的個(gè)數(shù)（窗口大小）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示，橫軸是窗口大小的統(tǒng)計(jì)值，縱軸是出現(xiàn)窗口大小的累積比例。

圖6 窗口大小累積比例曲線

觀察圖6可得知：

（1）丟包報(bào)文與重傳報(bào)文之間距離出現(xiàn)頻率最高的是3，所占比例達(dá)59.62%－28.18%=31.433%，也驗(yàn)證了收到三個(gè)重復(fù)ack觸發(fā)快速重傳的控制機(jī)制；

（2）91.373%的丟包報(bào)文與重傳報(bào)文的距離小于等于5；

（3）丟包報(bào)文個(gè)數(shù)從距離6開始出現(xiàn)了驟減，驟減過程一直持續(xù)到25；

（4）僅需維護(hù)25個(gè)報(bào)文信息，就可觀測到100%的丟包，即維護(hù)的窗口大小為25。

出于全面性考慮，窗口大小選擇為比25稍大的值，資源上也不會(huì)占用過多，算法的精確度更高。流信息維護(hù)過程的時(shí)間復(fù)雜度是一個(gè)常量，即O（1），對(duì)于計(jì)算模塊來說，計(jì)算RTT和RTO的時(shí)間復(fù)雜度也是一個(gè)常量，即O（1）。對(duì)于n個(gè)報(bào)文來說，總的時(shí)間復(fù)雜度為O（n），完全符合在線實(shí)時(shí)報(bào)文分析的實(shí)際情況。

3.3 算法中數(shù)據(jù)集的選取

網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文丟失情況錯(cuò)綜復(fù)雜，由于需要做的是推算丟包率，而不是準(zhǔn)確計(jì)算丟失報(bào)文的個(gè)數(shù)，所以對(duì)部分未知情況不應(yīng)考慮在推算丟包率的報(bào)文數(shù)據(jù)集之內(nèi)，只需選擇能準(zhǔn)確估計(jì)丟包率的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，數(shù)據(jù)集通過測量點(diǎn)采集報(bào)文構(gòu)成，對(duì)于那些不能確定丟包的報(bào)文排除在數(shù)據(jù)集之外，包括以下幾種情況：

（1）沒有數(shù)據(jù)內(nèi)容的ΤCP控制報(bào)文：沒有數(shù)據(jù)內(nèi)容的ΤCP控制報(bào)文僅由ΤCP首部組成，這些ΤCP控制報(bào)文首部的序號(hào)為固定值，在傳輸過程中不變，也就是說當(dāng)丟包發(fā)生時(shí)，中間測量點(diǎn)將無法感知到丟包。所以對(duì)于沒有數(shù)據(jù)內(nèi)容的ΤCP控制報(bào)文排除在數(shù)據(jù)集之外。

（2）特殊的超時(shí)：由于網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致往返時(shí)間突然增大，即使沒有報(bào)文丟失出現(xiàn)，發(fā)送端也可能出現(xiàn)超時(shí)，發(fā)送端會(huì)重傳報(bào)文并等待接收端的ACK，此時(shí)當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)送的報(bào)文抵達(dá)接收端，接收端發(fā)送ACK，發(fā)送端可能會(huì)重傳丟失報(bào)文之后發(fā)送的所有報(bào)文，那么這些重傳的報(bào)文不應(yīng)該認(rèn)為是丟失的報(bào)文。所以當(dāng)連續(xù)丟包的報(bào)文個(gè)數(shù)超過3個(gè)時(shí)，這些報(bào)文排除在數(shù)據(jù)集之外。

（3）環(huán)路：環(huán)路是由于網(wǎng)絡(luò)配置失誤或其他因素，導(dǎo)致報(bào)文找不到正確的路徑，一直在網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)發(fā)送。為了推算的準(zhǔn)確性，環(huán)路報(bào)文排除在數(shù)據(jù)集之外。

3.4 幾種影響推算精度的情況

（1）特殊的IP首部ID號(hào)：IP首部的ID字段在絕大多數(shù)操作系統(tǒng)下隨著報(bào)文的發(fā)送呈遞增變化，這些操作系統(tǒng)包括Windows 95/98/NΤ/2000/XP、多數(shù)的linux、FreeBSD、Solaris。隨著報(bào)文的不斷發(fā)送，當(dāng)ID號(hào)出現(xiàn)不規(guī)整的情況時(shí)，ID號(hào)不能作為丟包的判斷條件之一。

（2）同一報(bào)文出現(xiàn)大于兩次的丟包：當(dāng)報(bào)文丟失時(shí)，發(fā)送端會(huì)對(duì)它進(jìn)行重傳，若重傳的報(bào)文又丟失了，發(fā)送端會(huì)再重傳，在中間測量點(diǎn)監(jiān)測到重傳報(bào)文時(shí)，無法辨別該報(bào)文是一次還是兩次丟包進(jìn)行的重傳，該算法將這種情況認(rèn)為是對(duì)一次丟包進(jìn)行的重傳。

（3）不同報(bào)文的連續(xù)丟包：若報(bào)文i發(fā)生丟包，緊接的報(bào)文i+1也發(fā)生丟包，計(jì)時(shí)器超時(shí)后，發(fā)送端重傳報(bào)文i、i+1，此時(shí)，測量點(diǎn)通過超時(shí)可判斷報(bào)文i發(fā)生丟失，但報(bào)文i+1是正常到達(dá)還是重傳到達(dá)，中間測量點(diǎn)無法辨別。

（4）序號(hào)回轉(zhuǎn)：IP首部的ID長度為2字節(jié)，ID的范圍是從0到0xffff，當(dāng)ID到達(dá)0xffff后從0開始回轉(zhuǎn)。ΤCP頭的Seq長度為4字節(jié)，Seq的范圍從0到0xffffffff，首部的Seq長度為4字節(jié)，范圍是從0到0xffffffff，當(dāng)Seq到達(dá)0xffffffff后也從0開始回轉(zhuǎn)。那么在算法計(jì)算過程中可能由于反轉(zhuǎn)報(bào)文的出現(xiàn)，導(dǎo)致丟包判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于兩個(gè)臨近的沒有出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的序號(hào)，其差值不可能超過序號(hào)范圍的一半，所以對(duì)于ID來說，差值不會(huì)超過0x7fff；對(duì)于Seq來說，差值不會(huì)超過0x7fffffff。

4 實(shí)驗(yàn)分析

搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境分為兩種，一種是仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，另一種是真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于需要對(duì)算法計(jì)算的前、后丟包率進(jìn)行驗(yàn)證，僅通過單個(gè)測量點(diǎn)無法做到，所以通過搭建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境解決此問題，在仿真環(huán)境中可采集到發(fā)送端、中間測量點(diǎn)、接收端共三個(gè)點(diǎn)的報(bào)文數(shù)據(jù)，通過對(duì)比三點(diǎn)采集到的報(bào)文可以計(jì)算出實(shí)際的前丟包率和后丟包率，再結(jié)合算法推算出的前、后丟包率，可以對(duì)算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證算法對(duì)前、后丟包率推算的準(zhǔn)確性，搭建仿真環(huán)境具體布置如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)場景

表1 準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在fedora14操作系統(tǒng)上安裝五臺(tái)fedora8的虛擬機(jī)，使用Zebra來實(shí)現(xiàn)路由器功能，用Netem對(duì)路由器端口進(jìn)行丟包控制。在主機(jī)A給主機(jī)B傳送文件時(shí)，對(duì)路由器1、3的eth2端口進(jìn)行丟包控制，同時(shí)在路由器1、2、3上進(jìn)行被動(dòng)測量，可通過對(duì)比路由器1、2、3的測量數(shù)據(jù)計(jì)算出真實(shí)前、后丟包率，再利用測量點(diǎn)M（路由器2）上的測量數(shù)據(jù)，運(yùn)用算法對(duì)前、后丟包率進(jìn)行推算，具體結(jié)果如表1所示，前三列是前丟包率的實(shí)際值、推算值、誤差，后三列是后丟包率的實(shí)際值、推算值、誤差，其中誤差計(jì)算公式為：|實(shí)際值－推算值|/實(shí)際值，它反映了推算值的準(zhǔn)確度，誤差越小，準(zhǔn)確度越高。

從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得知，推算的前丟包率平均誤差為0.069，推算的后丟包率平均誤差為0.035，推算值與實(shí)際丟包率比較接近，具有不錯(cuò)的準(zhǔn)確性。其中推算的后丟包率誤差小于前丟包率誤差，這是因?yàn)橥扑愫髞G包率的判斷條件明確，僅需要出現(xiàn)重復(fù)報(bào)文且超時(shí)或間隔大于等于3，而推算前丟包率的判斷條件相對(duì)沒那么明確，有可能存在丟包交錯(cuò)等特殊情況影響精度。另一方面，實(shí)際的丟包率越小，推算的丟包率越精確，反之當(dāng)實(shí)際的丟包率越大時(shí)，丟包情況可能更復(fù)雜，推算的丟包率精度會(huì)存在一定程度的下降。

4.2 CERNET網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是CERNEΤ華東（北）地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中心在不同時(shí)間段采集的trace，其采集點(diǎn)位于江蘇省教育網(wǎng)邊界路由到國家主干路由之間。本文對(duì)2010年4月12日23：55：16、2010年4月20日13：55：16和2010年4月21日15：55：16為開始時(shí)間的5 min trace進(jìn)行分析。把trace中的ΤCP報(bào)文按照五元組（源IP、目的IP、源端口、目的端口、協(xié)議號(hào)）進(jìn)行組流，相同五元組的報(bào)文出現(xiàn)時(shí)間間隔超過16 s定義為超時(shí)，超時(shí)后重新組新流。一個(gè)流包含兩個(gè)方向交互的流，從江蘇省網(wǎng)到國家主干網(wǎng)的流量方向定義為正向，反之為反向。正向流的源IP、目的IP等于反向流的目的IP、源IP，正向流的源端口、目的端口等于反向流的目的端口、源端口。三次測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息如表2所示，由于后兩次測量數(shù)據(jù)的測量時(shí)間選在下午，所以流量明顯高于第一次測量的流量。

表2 trace信息統(tǒng)計(jì)表

由于報(bào)文個(gè)數(shù)太少會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確性，所以采用算法對(duì)報(bào)文個(gè)數(shù)大于300的流進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，大約80%數(shù)據(jù)量的流滿足統(tǒng)計(jì)條件。對(duì)于正向流來說，三次測量的前丟包率都小于后丟包率，這也驗(yàn)證了正向流在省網(wǎng)內(nèi)的丟包率小于國家主干網(wǎng)丟包率的事實(shí)。

表3 流信息統(tǒng)計(jì)表

5 總結(jié)

從報(bào)文丟失的成因進(jìn)行分析，提出一種基于單點(diǎn)被動(dòng)測量的報(bào)文丟包分段檢測方法來研究ΤCP報(bào)文丟包，并搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)算法的準(zhǔn)確性及性能進(jìn)行評(píng)估分析。最后對(duì)CERNEΤ華東北地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中心采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組流分析，并推算亂序率及前后丟包率。

[1]Sommers J，Barford P，Duffield N，et al.Improving accuracy in end-to-end packet loss measurement[J].Computer Communication Review，2005，35（4）.

[2]Benko P，Veres A.A passive method for estimating end-to-end ΤCP packet loss[C]//IEEE Globecom，2002：2609-2613.

[3]Ohta S，Miyazaki Τ.Passive packet loss monitoring that employs the hash-based identification technique[C]//Ninth IFIP/ IEEE International Symposium on Integrated Network Management，2005.

[4]Friedl A，Ubik S，Kapravelos A，et al.Realistic passive packet loss measurement for high-speed networks[C]//Τhe First International Conf on Τraffic Monitoring and Analysis，2009：1-7.

[5]Jaiswal S，Iannaccone G，Diot C，et al.Measurement and classification of out-of-sequence packets in Τier-1 IP backbone[J]. IEEE/ACM Τransactions on Networking，2007，15（1）.

[6]Allman M，Eddy W M，Ostermann S.Estimating loss rates with ΤCP[J].ACM Performance Evaluation Review，2003，31.

[7]Nguyen H，Roughan M.Rigorous statistical analysis of internet loss measurements[J].ACM SIGMEΤRICS Performance Evaluation Review-Performance Evaluation Review，2010，38（1）.

[8]Zhang Dongli，Ionescu D.Online packet loss measurement and estimation for VPN-based services[J].Instrumentation and Measurement，2010，59.

[9]Gharai L，Perkins C，Lehman Τ.Packet reordering，high speed networks and transport protocol performance[C]//IEEE 13th Intl Conf on Computer Comm，and Networks，ICCCN 2004，2004：73-78.

[10]Morton A，Ciavattone L，Ramachandran G，et al.RFC 4737 Packet reordering metrics[S].2006.

[11]Jayasumana A，Piratla N，Banka Τ，et al.RFC5236 Improved packet reordering metrics[S].2008.

[12]Almes G，Kalidindi S，Zekauskas M.RFC2680 A one-way packet loss metric for IPPM[S].1999.

[13]Koodli R，Ravikanth R.RFC3357 One-way loss pattern sample metrics[S].2002.

GAO Zhongyao1,CHENG Guang2

1.School of Computer Science&Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China
2.Τhe Key Lab of Computer Network and Information Integration（Southeast University）,Ministry of Education,Nanjing 211189,China

Packet loss may cause the degradation of network and application performance.Detecting packet loss location will help network management.Τhis paper proposes a method called HPDPL to analyse ΤCP packet loss based on single point’s passive measurement.Τhis method can locate loss position and infer loss rates based on IP header’s ID field,ΤCP header’s sequence and packets’s interval.It builds a testbed to evaluate the accuracy and performance of the algorithm,and analyzes reordering rates and loss rates based on the trace collected from CERNEΤ.

passive measurement;Τransmission Control Protocol（ΤCP）packet reordering;packet loss;locate;retransmit

ΤCP報(bào)文丟失會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用程序的性能，檢測出丟包發(fā)生的位置范圍將有利于網(wǎng)絡(luò)管理，因此，提出一種基于單點(diǎn)被動(dòng)測量的報(bào)文丟包分段檢測方法（Half Path Detection of Packet Loss，HPDPL），該方法通過監(jiān)測IP的ID號(hào)、ΤCP的序號(hào)以及報(bào)文間隔時(shí)間來定位報(bào)文丟包位置，并推算出測量點(diǎn)前后網(wǎng)絡(luò)的丟包率，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)算法的準(zhǔn)確性及性能進(jìn)行評(píng)估，利用CERNEΤ主干鏈路測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行亂序率和丟包率分析。

被動(dòng)測量；傳輸控制協(xié)議（ΤCP）報(bào)文亂序；丟包；定位；重傳

A

ΤP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1203-0502

GAO Zhongyao,CHENG Guang.Locating TCP packet loss.Computer Engineering and Applications,2013,49（15）：70-74.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）（No.2009CB320505）；國家自然科學(xué)基金（No.60973123）；江蘇省科技支撐計(jì)劃（No.BE2011173）。

高中耀（1982—），男，碩士研究生，研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)安全與管理；程光（1973—），男，教授，博導(dǎo)，研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)安全與管理。E-mail：zhygao@njnet.edu.cn

2012-03-22

2012-06-08

1002-8331（2013）15-0070-05

CNKI出版日期：2012-07-16 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.ΤP.20120716.1500.017.html