端到端的網絡鏈路時延的探討

摘 要：闡述了端到端的網絡的主要性能參數指標時延、丟包、帶寬等。影響服務質量的各種因素中網絡時延是主要的原因之一，本文就時延的產生及時鐘不同步對時延的影響進行深入的探討。

關鍵詞：時延；時鐘同步；帶寬；報文

隨著Internet的普及與發展其結構越來越復雜，但為了測量和管理網絡，必須要測到網絡內部的性能參數，如鏈路拓撲結構、丟包率及時延等，而時延是一個重要的性能指標，對于研究網絡服務質量、推斷網絡拓撲結構都有很重要的意義。時延的精確測量是長期以來研究的熱點，也是難點。其主要原因是：第一是組成網絡的各網站之間時間不同步；第二是攜帶經過網站的時間信息的信息包不能通過網絡協議。如果能解決以上兩個問題，那么根據接收到的信息包的就能精確確定信息網絡時間延遲。

1 端到端網絡鏈路時延

時延是指數據（一個報文或分組）從網絡的發送端到目的端的傳輸時間，包括路由器時延（處理時延、排隊時延和其它時延）、傳播時延、傳輸時延。傳輸、傳播和處理時延主要決定于硬件，屬于不變部分或確定部分；排隊時延是變化時延或隨機時延，是要測量的主要內容。時延測量中定義L：數據包的長度，Ci：第i條鏈路的帶寬，di：第i條鏈路的物理長度，Vi：第i條鏈路的傳播速率，pi：數據包在第i個路由器上的處理時延，qi：數據包在第i個路由器上的排隊時延，T表示時延。

用公式表示為：

2 端到端網絡鏈路時延測量

2.1 端到端網絡鏈路時延測量的方法

網絡鏈路時延的測量根據測量方式的不同有主動測量和被動測量兩種，主動測量是引入探測包測量網絡狀況，如網 絡 拓撲、包丟失率、延遲、接入帶寬、TTL等。但它不能提供特定節點的信息，并且加重了網絡負荷。被動測量是通過在網絡中的一個或多個網段上借助包捕獲器捕獲數據的方式記錄網絡流量信息（如流數、包數、字節數、協議等）并對流量進行分析，被動地獲知網絡行為狀況，但測量的范圍比較小，難以獲得對網絡的整體理解和網絡端到端行為的理解。因此當前性能測量趨向于采用主動與被動測量相結合的方法。

時延測量有單向時延測量和往返時延測量，目前時延的測量都是假設時鐘同步的情況下測量計算的，但實際各個主機間的時鐘是不同步的，并且一天之內微機還有幾秒鐘的時間漂 移，測量得到的時延是有誤差的。

2.2 時鐘不同步對時延的影響

端到端往返時延的測量一般有：基于ICMP協議的測量、基于UDP的測量和基于TCP的測量。由于往返時延是利用發送主機與目標主機的時間差計算得來的，因此時鐘是否同步對其結果影響不大。但是在實際的應用中由于路由設備基于QoS的考慮，ICMP數據包比一般TCP/UDP數據包的優先級低，因此有更大的排隊時延使測量結果不準確。對于對網絡時延精確度要求高的網絡不能滿足。另外，基于UDP的測量和基于TCP的測量還需要有目的主機的參與或配合。

單向時延的測量依賴于源主機和目的主機的時鐘同步，而NTP協議的精度無法達到要求。目前大都依賴外部進行時鐘同步，如GPS等，精度高，成本大；或利用一定的算法進行本地時鐘誤差消除，如多次測量，基于最優化理論確定下延直線等，成本低，但精度低。

Sue B.Moon提出的時鐘同步的方法是目前常用的方法，它消除了源主機和目的主機之間時鐘的頻率差，但是沒有解決收發時鐘的頻率差和初始相位差引起的時間偏移的問題。對實驗測得的網絡時延數據進行分析，利用對反向鏈路的測量，可以解 決收發時鐘的頻率差和初始相位差引起的時間偏移的問題，提高端到端時延測量的精度。

設源主機的時鐘初始相位為t0s（此時的標準時間為S0），頻率為λs，連續發送n個數據包依次是S1，S2，…Sn。發送時的標準時間為ts，源主機的時鐘函數Ts（ts）為：

設目的主機時鐘的初始相位為t0ι（此時的標準時間為Sι），頻率為λι，在ι1，ι2，…ιn時間接受接收時的標準時間為tι，目的主機的時鐘函數TL（tι）為：

用dt表示時延，則真實時延為dt=tι-ts，測量時延為：

假設以源主機的時鐘為標準，初始相位和標準時間為0，則可得到收發時鐘的偏差，然后互換測量角色測量反向時延，以源主機的時鐘為標準，同時假設被測的往返鏈路的傳播和處理時延和是相等的則可估算出源主機和目標主機的頻差。但實際往返鏈路是不對稱的，因此傳播和處理時延的和不相等，并且網絡的環境即背景流量也是時時變化的，因此測量的結果有誤差。

要滿足信息時代各行業對于“高時間約束”時間用戶的需求，解決好網絡授時的服務精度問題，主要是要解決好信息的網絡時間延遲的消除的問題。文獻[2]提出了信息包對網站信息攜帶可采用兩種方法：（1）修改通信協議，在通信協議中設置時間字以記錄數據包經過的主機的時間信息，從而得到精確的時間延遲；（2）增加路由輔助設備，給路由器增加定時的輔助設備， 記錄數據包經過路由器端口的時間，并將該時間打包隨信息包一起發往目標主機，則目標主機就獲得了精確的時間信息。

修改通信協議避免了要求計算機時間同步帶來的工作上的麻煩。而且這種方法是對現有通信網、互聯網的一個帶全局性的革新改造的方法，技術上沒有多大難度，且其成本也并不高。在路由器端口采集時間，應該說這是一個成熟的電子技術，只不過沒有把它應用到網絡授時和網絡通信技術中。

3 結論

端到端網絡鏈路時延的測量對于網絡性能的估算和評價是可行的，它對時延精度的要求不是很高，但是對于“高時間約束”的用戶其誤差還是存在的，要滿足他們的要求還是不夠的，需要對當前的網絡進行革新，達到高精度的網絡授時。

[參考文獻]

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