探測包長可變的往返時延測量

肖宇峰，朱 鴿，張 釗

(西南科技大學a.信息工程學院;b.特殊環境機器人技術四川省重點實驗室，四川綿陽621010)

探測包長可變的往返時延測量

肖宇峰a，b，朱 鴿a，張 釗a

(西南科技大學a.信息工程學院;b.特殊環境機器人技術四川省重點實驗室，四川綿陽621010)

作為高清視頻傳輸領域的新型技術，巨幀傳輸加劇了網絡延遲動態性，使得傳統時延測量方法很難準確估計往返時間。提出了一種探測包長可變的往返時延測量方法:測量初期，確定保證超時定時器穩定工作的增益系數和偏差權重系數范圍;測量期間，根據包長動態設定這兩個系數。該方法使得超時定時器能反映時延的動態性，提高定時準確性，減少不必要的重傳。實驗表明該方法可在巨幀網絡中有效測量往返時延。

高清視頻傳輸;網絡測量;時延;超時;巨幀

網絡視頻對時延非常敏感，對其傳輸網絡的時延測量是部署視頻業務、保證服務質量的重要依據。影響端到端時延的因素有網絡節點的處理速度、網絡吞吐量、網絡節點處的擁塞狀況等，復雜的網絡結構和多變的網絡流量使得時延量化成為很難的問題。為能實時準確地了解網絡端到端時延，測量并分析時延成為量化時延的一種重要手段。時延測量在過去十多年里得到了廣泛研究，其方法根據探測程序的部署方式可分為主動時延測量和被動時延測量［1］。這里的主動時延測量是本文討論的重點，具有部署靈活、實現簡單的優勢，在網絡管理系統中得到了大量應用。端到端時延可分為單向時延和往返時延，前者只討論一端到另一端的延遲情況，而后者討論兩端雙向的延遲［2-4］。相對于單向時延面臨的時鐘同步難題，往返時延沒有時鐘精確性問題，實現更加簡單。常見的往返時延測量有:基于ICMP協議的網絡連通性測試工具，如Ping、Tracert;TCP協議中Jacobson算法的RTT測量［5］。在近年來的研究成果中，Ludwig和soandso針對無線網絡特點提出了測量RTT的Eifel算法［6］;Nunes采用FSE(Fixed Share Experts)提出了測量RTT的機器學習方法［7］。

盡管時延測量的研究取得了大量成果，而且一部分已經轉化為實際的網絡管理工具。但是，這些研究討論的網絡包最大尺寸在1 500 byte左右。隨著千兆以太網的快速發展，傳統的以太幀封裝方法正被大數據量應用挑戰，一些采用4 000 byte，8 000 byte的幀封裝技術正逐步被高清視頻傳輸、高速網絡存儲采納［8］。這樣一些超常規的數據包被稱為巨幀，最大長度可達9 018 byte。相比傳統以太幀，巨幀在通信質量很高的信道中會有更高的傳輸效率。這些巨型數據包給網絡時延帶來了很多變化，除了隨之而來的時延值增加外，網絡的時延抖動也更加劇烈。由于傳統網絡的包長小于2 000 byte，其時延測量方法很少考慮數據包長對時延的影響，不能適應巨幀給網絡帶來的變化［9］。

針對傳統時延測量在巨幀網絡中的不足，本文提出了一種探測包長可變的往返時延測量方法。在Jacobson算法基礎上，該方法可根據探測包長來設定超時定時器的控制量(增益系數和偏差權重系數)，使得超時定時器能反映時延的動態性，提高定時準確性，避免不必要的重傳。在具體測量時延之前，該方法還需要發現保證定時器穩定工作的控制量范圍。實驗證明，本文的方法能適應包長的變化，在巨幀出現時可有效測量往返時延。

1 探測包長可變的往返時延測量

1.1 時延測量與超時定時器

往返時延描述了數據包沿端到端路徑折返經歷時延的總和，其測量的基本過程為:首先，源端計算機向目的端主動發出探測包;其次，目的端收到該包后再向源端返回一個應答包;最后，計算這種往返式探測包發送時刻與返回時刻的時間差。由于探測包可能在路徑的中間結點處經歷丟失，為避免測量過程因等待丟失包而無窮等待或者計算錯誤，需要為探測過程設置超時定時器，具體使用方式為:發送探測包時啟動超時定時器;當超時發生時，放棄本次測試并發送下一個探測包。超時定時器應根據當前往返時延合理設定，過短的超時時間會增加測量開銷，過長的超時時延會帶來不必要的等待時間，二者都會導致低效的測量過程。本文根據經典的Jacobson算法給出了計算定時器超時時間的基本公式為

式中:Trto是超時時間;Tsrtt是當前時延測量值;Tsrtt=Tsrtt+ α·ΔT;Trttvar=Trttvar+β·(|ΔT|-Trttvar)，ΔT=Trtt-Tsrtt。

上述的Tsrtt是根據往返時延測量值得到的估計值，Trttvar是均值方差，α是增益系數，β是偏差權重系數。α取值0～1，其作用是平滑Tsrtt:該值越小，時延估計值受當前Trtt值的影響越小;該值越大，時延估計值受當前Trtt值的影響越大。β決定了Trto對Trtt變化的響應速度:該值越到小，響應越慢;該值越大，響應越快。

1.2 超時定時器的控制參數調整

圖1記錄了一個巨幀網絡中時延隨探測包長變化的情況，橫軸是探測包的長度，縱軸是時延抖動頻度。從該圖記錄的測試數據可以發現實際網絡的時延特性會隨著數據包長度的變化而變化，尤其是在存在巨幀的網絡:包長增加時，時延呈線性增長，而時延抖動也呈加劇趨勢;包長減小時，時延下降，而時延抖動趨于平緩。α和β在實際應用中一般固定為經驗值0.125和0.25，對普通數據包長比較合理(包長從幾十字節到1 000字節)。但網絡中出現巨幀這類長型數據包時，其取值往往會過濾巨幀帶來的時延特性變化，導致定時器的超時值不合理。

考慮到上述情況，根據包長調整定時器控制參數將使得超時時間更加合理，更能充分反映大型包對網絡時延帶來的變化。假設α取值［α1，α2］、β取值［β1，β2］時定時器工作比較穩定，網絡中數據包長l變化范圍為［l1，l2］字節。根據α和β與包長l的線性關系

圖1 不同探測包長的時延特性變化

有如下表達式

式(3)表明，在確定控制參數工作區間和包長范圍后，可根據包長調節α和β來適應時延的動態變化。

1.3 算法步驟

根據上述思路，本文設計如下的往返時延測量算法，具體步驟為:

第一步，初始化網絡參數，確定網絡數據包的長度范圍。對于巨幀網絡，包長超過了普通的1 500 byte，可達到4 000 byte，乃至9 000 byte。

第二步，探測超時定時器參數工作范圍。通過循環發出多組探測包，可確定保證定時器穩定工作的α和β取值區間。

第三步，設定動態的超時定時器控制參數。確定當前探測包長度l，根據式(3)計算α和β數值，并根據式(1)計算超時時間值Trto。

第四步，啟動往返時延測量過程:

1)發出探測包P，同時記錄下發送時刻T1，并啟動超時定時器;

2)如果超時發生，轉1);

3)如果探測包的應答包P'返回，記錄下接收該包的時刻T2，計算當前往返時延測量值Trtt=T2-T1;否則，轉2);

4)如果需要改變探測包長，轉第三步;如果需要結束探測過程，直接退出;否則，根據式(1)計算超時時間值Trto，轉1)發送下一探測包。

2 實驗

為驗證上述時延測量方法，本文安排了圖2所示的測試網絡:計算機A、B和C均安裝了配置巨幀的網卡，連接計算機的交換機D和E網口打開了巨幀設置。另外，網絡中安裝的高清相機以巨幀方式向計算機C發送視頻包，數據包長度從50～9 000 byte不等。時延測量程序部署在計算機A上，從該源端向目的端的計算機B發送往返探測包。為對比分析本文方法的有效性，計算機A上安裝了3種不同版本的時延測量程序:無超時定時器的測量程序、基于Jacobson算法的測量程序和探測包長可變的測量程序。

圖3給出了3組無超時定時器的往返時延測量數據，分別對應60 byte，1 000 byte和5 000 byte三種不同長度的探測包。由于未考慮丟包帶來的影響，一些時延測量值偏大，而且抖動很大。

圖2 實驗網絡

圖3 無超時定時器的時延測量

實驗發現α取值(0.01，0.125)、β取值(3.5，6)時定時器工作比較穩定，根據式(3)不難得出α和β的算式為

圖4～圖6分別對比了不同包長時基于Jacobson算法的測量程序和探測包長可變的測量程序的時延。

圖4 探測包長為60 byte時延測量

圖4中，探測包長為60 byte，Jacobson算法和本文方法測量結果沒有顯著區別，基礎時延跟圖3測量值基本吻合。圖5中，探測包增加到1 000 byte，圖3記錄的時延抖動明顯加劇;Jacobson算法的數據中出現了少數時延很大的包，但隨著測量繼續，時延抖動被明顯過濾掉了;本文方法的數據中出現了不少時延很大的包，而且重要的時延抖動被記錄下來。圖6中，探測包長為5 000 byte，圖3記錄的時延抖動更加顯著;Jacobson算法的數據中出現了部分時延很大的包，但隨著測量繼續，時延抖動也被過濾掉了;本文方法的數據保持了基礎時延穩定性，同時又體現了局部顯著的時延抖動。實驗對比可見，隨著探測包長度增加，Jacobson算法會過濾掉大量標度時延范圍內的準確時延，定時器因沒有適應網絡幀長變化而變得不準確;而本文方法能適應幀長變化帶來的時延動態性，較大時延和時延抖動均被記錄下來，保證定時器的準確工作。

圖5 探測包長為1 000 byte時延測量

圖6 探測包長為5 000 byte時延測量

3 小結

經典千兆以太網的最大幀長不超過1 518 byte，每秒支持80 000以上的數據包流經網絡。而在最大長度可達9 018 byte的巨型幀網絡中，不到14 000個數據包即可承載上述數據量。雖然巨幀有更高的傳輸效率，但增加了網絡時延，加劇了時延抖動，使得傳統的往返時延測量方法不再適用。本文提出的方法可根據探測包長來設定超時定時器控制量，使得超時定時器能反映時延的動態性，提高定時準確性，避免不必要的重傳。

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Round Trip Time M easurement Based on Probe Packetsw ith Dynam ic Size

XIAO Yufenga，b，ZHU Gea，ZHANG Zhaoa
(a.Information Engineering School;b.Special Environment Robot Technology Key Laboratory of Sichuan Province，Southwest University of Science and Technology，Sichuan Mianyang 621010，China)

As a new transmission technology of high-definition video，jumbo frame aggravates network delay dynamic condition andmakes traditional delaymeasurement difficult.A round trip timemeasurementmethod based on probe packetswith dynamic size is proposed:at initial phase，the gain coefficient and deviation coefficient ranges of timeout timer are calculated;then，these two coefficients are setwith packet size.Thismethod makes timeout timer catch the delay variance accurately，and the unnecessary retransmissions can be decreased.Experiment shows thismethod can work in network configured with jumbo frame efficiently.

high-definition video transmission;network measurement;delay;timeout;jumbo frame

TN92

A

?? 京

2014-04-11

【本文獻信息】肖宇峰，朱鴿，張釗.探測包長可變的往返時延測量［J］.電視技術，2014，38(23).

四川省教育廳重點項目(14ZA0091);四川省應用基礎研究計劃項目(2012JYZ003);核能開發科研項目(［2011］1137)

肖宇峰(1978—)，碩士生導師，主研計算機網絡通信;

朱 鴿(1991—)，碩士生，主研寬帶網絡技術;

張 釗(1988—)，碩士生，主研網絡測試。