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    基于通用PC的單向時(shí)延測(cè)量方法

    2013-07-25 02:27:46劉愛(ài)東張永輝
    關(guān)鍵詞:時(shí)間差單向接收端

    劉愛(ài)東,黃 彬,張永輝

    (1.海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系,山東煙臺(tái)264001;2.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì),山東煙臺(tái)264001)

    0 引言

    網(wǎng)絡(luò)性能代表了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施向上層應(yīng)用提供的服務(wù)質(zhì)量,單向時(shí)延是評(píng)價(jià)互聯(lián)網(wǎng)性能的重要參數(shù)之一。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,許多應(yīng)用對(duì)不同方向上的時(shí)延指標(biāo)具有不同的要求,測(cè)量單向時(shí)延指標(biāo)可以比較準(zhǔn)確的反映網(wǎng)絡(luò)向應(yīng)用實(shí)際提供的服務(wù)水平[1]。單向時(shí)延也是測(cè)量時(shí)延抖動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)帶寬等性能指標(biāo)的基礎(chǔ),能夠應(yīng)用于SLA(service level agreement)和QoS(quality of service)的管理,也在網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)行為分析、擁塞控制算法研究等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

    采用主動(dòng)測(cè)量方法進(jìn)行單向時(shí)延測(cè)量,在無(wú)端到端時(shí)鐘同步機(jī)制時(shí),時(shí)鐘不同步是時(shí)延測(cè)量中誤差的主要來(lái)源,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)單向時(shí)延測(cè)量問(wèn)題做了大量研究,提出了基于軟件算法的方法或基于外部時(shí)鐘源的方法來(lái)消除時(shí)鐘不同步的影響?;谲浖惴ǖ臏y(cè)量方法主要有基于模式識(shí)別時(shí)鐘重置檢測(cè)算法、基于漂移補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間同步方法、基于擬合偏差法、分段最小優(yōu)化法、最小面積法、基于凸集的優(yōu)化法等[2-7]。這些方法均側(cè)重于對(duì)時(shí)鐘偏差 (clock skew)的糾正,并未解決時(shí)鐘偏移 (clock offset)的影響。且由于互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的、分布的、不協(xié)作、異質(zhì)的復(fù)雜巨系統(tǒng),具有諸多不確定因素,這些算法因計(jì)算復(fù)雜,難以實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)延的變化,缺乏實(shí)用性?;谕獠繒r(shí)鐘源的方法主要是采用全球定位系統(tǒng)GPS與專用于分組捕獲的DAG卡配合進(jìn)行端到端時(shí)延測(cè)量。但是這種測(cè)量方式所需設(shè)備價(jià)格昂貴,且部署位置有限,不能得到大規(guī)模應(yīng)用。

    本文旨在找到一種基于通用PC架構(gòu)的,不依賴于外部時(shí)間源且計(jì)算簡(jiǎn)單,能夠?qū)崟r(shí)追蹤端到端時(shí)延變化,避免時(shí)鐘不同步帶來(lái)的影響的單向時(shí)延測(cè)量方法。

    1 單向時(shí)延分析

    1.1 單向時(shí)延定義

    在RFC 2679中將單向時(shí)延指標(biāo)分為單次測(cè)量單向時(shí)延指標(biāo)和多次抽樣統(tǒng)計(jì)測(cè)量時(shí)延指標(biāo)兩種[8]。本文主要研究單向時(shí)延指標(biāo),其定義為:在T時(shí)刻從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)量分組的第一位,在T+dT時(shí)刻目的節(jié)點(diǎn)收到測(cè)量分組的最后一位,則從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻T的單向時(shí)延為dT。

    1.2 單向時(shí)延的構(gòu)成

    當(dāng)測(cè)量分組從發(fā)送主機(jī)生成到接收主機(jī)接收到完整分組的過(guò)程中,經(jīng)歷的時(shí)延主要有以下幾個(gè)時(shí)延組成:

    (1)傳輸時(shí)延

    傳輸時(shí)延是把測(cè)量分組發(fā)送到鏈路上的時(shí)間,即從分組的第一位直至最后一位到達(dá)鏈路的時(shí)間,設(shè)分組的大小為L(zhǎng),鏈路的容量為C,則傳輸時(shí)延為L(zhǎng)/C。

    (2)傳播時(shí)延

    傳播時(shí)延是一個(gè)測(cè)量分組從鏈路的一端傳播到鏈路的另一端,主要取決于鏈路的電氣特性。對(duì)于一個(gè)鏈路,如果其物理長(zhǎng)度為d,信號(hào)傳播速度為v,則傳播時(shí)延為d/v。

    (3)路由器時(shí)延

    當(dāng)一個(gè)測(cè)量分組到達(dá)路由器后,路由器處理分組的時(shí)間稱為處理時(shí)延。

    由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的突發(fā)性,當(dāng)一個(gè)分組到達(dá)路由器時(shí)并不能立即得到處理而被放入緩沖隊(duì)列等待處理的時(shí)間稱為排隊(duì)時(shí)延。

    由上所述,包含n跳的單向時(shí)延可以表示為

    式中:L——測(cè)量分組的長(zhǎng)度,Ci——第i跳鏈路的帶寬,di——第i跳鏈路的物理長(zhǎng)度,vi——第i跳鏈路的傳播速率,pi——測(cè)量分組在第i個(gè)路由器上的處理時(shí)延,qi——測(cè)量分組在第i個(gè)路由器上的排隊(duì)時(shí)延。

    1.3 單向時(shí)延性質(zhì)分析

    當(dāng)鏈路在測(cè)量期間保持穩(wěn)定且測(cè)量分組長(zhǎng)度一致時(shí),傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延和處理時(shí)延是不變的,而排隊(duì)時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況的變化而不同,則式 (1)可以改寫(xiě)為

    并且有

    研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)路徑還是路由器,短時(shí)間內(nèi)測(cè)量到其最小單向時(shí)延的概率非常大[9],所以,間隔時(shí)間T發(fā)出兩個(gè)測(cè)量分組到達(dá)接收端時(shí)均沒(méi)有經(jīng)歷排隊(duì)時(shí)延的概率也非常大,該結(jié)論在下文中將被使用。

    1.4 單向時(shí)延的測(cè)量

    采用主動(dòng)測(cè)量方法時(shí),通用方法是在測(cè)量分組中打上發(fā)送端發(fā)送分組時(shí)的時(shí)間戳,在接收端記錄接收測(cè)量分組時(shí)的時(shí)間戳,通過(guò)比較兩個(gè)時(shí)間戳得到單向時(shí)延值。如上所述,時(shí)鐘不同步對(duì)單項(xiàng)時(shí)延的測(cè)量帶來(lái)了很大影響,如圖1所示,時(shí)鐘的不同步造成時(shí)延測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了隨時(shí)間推移而增加的趨勢(shì)。

    圖1 時(shí)鐘不同步時(shí)單向時(shí)延測(cè)量結(jié)果

    2 使用時(shí)間戳計(jì)數(shù)器測(cè)量單向時(shí)延分析

    2.1 時(shí)間源的選擇

    2.1.1 時(shí)間戳計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)介

    時(shí)間戳計(jì)數(shù)器 (time stamp counter,TSC)是 Intel自Pentium系列CPU以來(lái)提供的一個(gè)部件,它以64位無(wú)符號(hào)整型數(shù)的方式,記錄了自CPU上電以來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)鐘周期數(shù),并且提供了一條RDTSC匯編指令供應(yīng)用程序讀取其值。為敘述方便,下文均稱時(shí)間戳計(jì)數(shù)器為T(mén)SC。

    2.1.2 采用TSC值作為時(shí)間源分析

    (1)時(shí)間分辨率

    采用TSC值作為時(shí)間源,其分辨率取決于CPU頻率,若CPU頻率為H,則TSC分辨率為1/H。目前,主流通用PC主機(jī)CPU頻率已經(jīng)超過(guò)2GHz,則以TSC值為時(shí)鐘源,可以達(dá)到納秒級(jí)的時(shí)鐘分辨率,且只需一條匯編指令就能讀取其值,相較于其他計(jì)時(shí)方式開(kāi)銷更小。

    (2)計(jì)時(shí)穩(wěn)定性

    文獻(xiàn)[10]中,比較了采用TSC值作為時(shí)間源與采用操作系統(tǒng)時(shí)鐘作為時(shí)間源,這兩種方法的開(kāi)銷大小,穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,證明前者要優(yōu)于后者。由此,采用TSC值作為時(shí)間源是完全可行的。

    2.2 時(shí)間戳分析

    設(shè)參考時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,測(cè)量分組的發(fā)送端與接收端主機(jī)的時(shí)間源采用其TSC值,發(fā)送主機(jī)CPU上電的時(shí)刻為ts0,CPU頻率為hs,ts為發(fā)送時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻,則發(fā)送端主機(jī)的時(shí)間戳函數(shù)為

    同理,設(shè)接收端時(shí)鐘的初始值為tr0,CPU頻率為hr,tr為接收的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻,則接收端主機(jī)的時(shí)間戳函數(shù)為

    2.3 測(cè)量方法分析

    設(shè)第i次測(cè)量中,真實(shí)時(shí)間時(shí)刻S時(shí)發(fā)送端發(fā)出測(cè)量分組,則由式 (4),發(fā)送時(shí)間為

    同理,設(shè)真實(shí)時(shí)間時(shí)刻R時(shí)接收端收到測(cè)量分組,則由式 (5),接收時(shí)間為

    而探測(cè)到的單向時(shí)延值ti為

    聯(lián)立 (6)、(7)、(8)整理得到

    以接收端主機(jī)CPU頻率為參考,有

    由式 (10)改寫(xiě)式 (9)得到

    令θ=tr0-ts0,則θ表示的含義為接收端和發(fā)送端主機(jī)CPU上電時(shí)間差。

    綜上 (11)式可寫(xiě)為

    分析式 (12),設(shè)相鄰兩次測(cè)量值分別為

    則有

    由式 (15)可以看出,相鄰兩項(xiàng)測(cè)量值之間的差值,當(dāng)主機(jī)CPU頻率測(cè)量準(zhǔn)確且測(cè)量分組沒(méi)有經(jīng)過(guò)排隊(duì)時(shí)延時(shí),其值為零,當(dāng)主機(jī)CPU頻率測(cè)量不準(zhǔn)確時(shí),其值為一個(gè)不為零的常數(shù),測(cè)量得到的單向時(shí)延值表現(xiàn)為一條有斜率的直線。

    至此,按照式 (12)可以采用TSC值作為時(shí)間源進(jìn)行單向時(shí)延的測(cè)量,所需量為雙端主機(jī)的CPU上電時(shí)間差,接收端主機(jī)CPU頻率,及收發(fā)雙方收發(fā)測(cè)量分組時(shí)的時(shí)間。

    綜上所述,采用TSC值作為時(shí)間源測(cè)量單向時(shí)延時(shí),其影響主要來(lái)自雙端主機(jī)CPU頻率的不一致,接收主機(jī)CPU頻率值的準(zhǔn)確與否和雙端主機(jī)CPU的上電時(shí)間差測(cè)量準(zhǔn)確與否,測(cè)量值理論分析結(jié)果如圖2所示。如何測(cè)量到真實(shí)時(shí)延值的關(guān)鍵就在于消除上述3種影響帶來(lái)的誤差。

    圖2 測(cè)量值理論分析

    2.4 各量測(cè)量方法與糾斜處理

    2.4.1 CPU頻率的測(cè)量

    (1)利用NTP服務(wù)器測(cè)量CPU頻率

    NTP(Network Time Protocol)是一個(gè)基于TCP/IP的、跨越廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)的復(fù)雜的同步時(shí)間協(xié)議,通??色@得毫秒級(jí)的同步精度。網(wǎng)絡(luò)中的NTP服務(wù)器之間采用GPS全球同步授時(shí),同步精度可以達(dá)到微秒級(jí),因此可以認(rèn)為NTP服務(wù)器的時(shí)間即為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

    文獻(xiàn)[10]中提出了利用NTP服務(wù)器,周期向其請(qǐng)求時(shí)間戳,通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)TSC增加的值來(lái)推算CPU主頻的方法。這種方法能夠比較準(zhǔn)確的測(cè)量出CPU主頻,但是并不是所有主機(jī)都支持NTP協(xié)議,也不是所有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境都有NTP服務(wù)器或者標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間服務(wù)器,因此文獻(xiàn) [10]提出的測(cè)量主頻的方法并不能得到廣泛應(yīng)用。

    (2)利用系統(tǒng)時(shí)間估算CPU頻率

    利用操作系統(tǒng)的時(shí)間為參考時(shí)間,可以估算出CPU頻率。例如,在以操作系統(tǒng)時(shí)間為參考的1s內(nèi),TCS值增加的數(shù)值即為CPU主頻。

    由于系統(tǒng)負(fù)載的影響,系統(tǒng)時(shí)間計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng),導(dǎo)致測(cè)量得到的結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)小范圍波動(dòng),因此,采用這種方式估算CPU頻率時(shí)應(yīng)當(dāng)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的所有測(cè)得的CPU頻率值,取其統(tǒng)計(jì)平均值,這樣測(cè)量結(jié)果隨著測(cè)量時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定。

    由于調(diào)用系統(tǒng)計(jì)時(shí)也需要一定的時(shí)間開(kāi)銷,導(dǎo)致TSC寄存器增加的值偏大,即測(cè)得的CPU頻率大于實(shí)際CPU頻率,在測(cè)量單向時(shí)延時(shí)會(huì)導(dǎo)致 (15)式的值不為零,所以在進(jìn)行單向時(shí)延測(cè)量值的計(jì)算與處理時(shí)要有糾斜處理,關(guān)于糾斜的方法將在下文闡述。

    2.4.2 發(fā)送端與接收端的CPU頻率差測(cè)量

    所以得到

    由上文,間隔時(shí)間T發(fā)出兩個(gè)測(cè)量分組到達(dá)接收端時(shí)沒(méi)有經(jīng)歷排隊(duì)時(shí)延的概率很大,即取最小的概率

    很大,則在多次測(cè)量中必然能夠測(cè)量到準(zhǔn)確的α值,且

    2.4.3 CPU上電時(shí)間差的測(cè)量

    設(shè)測(cè)量分組的發(fā)送端與接收端主機(jī)分別為A機(jī)與B機(jī),測(cè)量時(shí),測(cè)量分組在A、B間往返均為同一條鏈路。定義從A機(jī)到B機(jī)的鏈路為前向路徑,對(duì)應(yīng)的單向時(shí)延為前向時(shí)延,設(shè)其最小值為tAB,同樣的定義從B機(jī)到A機(jī)的鏈路為后向路徑,對(duì)應(yīng)的單向時(shí)延為后向時(shí)延,設(shè)其最小值為tBA,如圖3所示。

    由上文分析可得,在測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí),前向時(shí)延和后向時(shí)延均能取得最小值,即tAB、tBA,則由圖有

    設(shè)A機(jī)CPU頻率為hs,其CPU上電時(shí)刻為ts0,t1時(shí)刻TSC寄存器值為N1,t4時(shí)刻TSC寄存器值為N4,同理,設(shè)B機(jī)CPU頻率為hr,其CPU上電時(shí)刻為tr0,t2時(shí)刻TSC寄存器值為N2,t3時(shí)刻TSC寄存器值為N3。

    結(jié)合 (6)、(7)、(8)、(9)得到

    又θ=tr0-ts0,hs=αhr,且往返均為同一條鏈路,有tAB=tBA,結(jié)合式 (18)、(19),得到

    則在已測(cè)得hr和α的基礎(chǔ)上,按照式 (22)可以計(jì)算出θ的大小,其準(zhǔn)確度取決于hr測(cè)量的準(zhǔn)確與否。

    2.4.4 糾斜處理

    由上文可知,采用利用操作系統(tǒng)時(shí)間計(jì)算CPU頻率時(shí),得到的接收端頻率估值大于實(shí)際值,造成實(shí)際測(cè)量結(jié)果近似為一條有斜率的直線,明顯不符合實(shí)際情況,為了得到正確的單向時(shí)延測(cè)量值需要做進(jìn)一步的糾斜處理。

    圖3 CPU上電時(shí)間差測(cè)量

    設(shè)在相鄰測(cè)量分組沒(méi)有經(jīng)歷排隊(duì)時(shí)延且接收端CPU頻率估計(jì)不準(zhǔn)的情況下,按照式 (15)令

    則對(duì)任意的相鄰測(cè)量分組之間,有

    得到

    其中n表示測(cè)量的次數(shù),整理得

    結(jié)合式 (12),在實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí),對(duì)測(cè)量得到的時(shí)延值進(jìn)行糾斜處理,有

    3 測(cè)量實(shí)例

    3.1 測(cè)量分組與鏈路選擇

    測(cè)量分組選用UDP分組,以發(fā)送端主機(jī)系統(tǒng)時(shí)間為參考,間隔1s周期發(fā)送測(cè)量分組,分組包含的內(nèi)容為發(fā)送時(shí)刻發(fā)送主機(jī)的TSC寄存器值,即發(fā)送端的時(shí)間戳,分組大小為100字節(jié)。

    測(cè)量選擇的鏈路為:從山東煙臺(tái)的某電信接入點(diǎn)到山東煙臺(tái)的某聯(lián)通接入點(diǎn),測(cè)量期間使用用Trace Route工具進(jìn)行追蹤,結(jié)果顯示測(cè)量期間鏈路保持穩(wěn)定,且往返鏈路為同一條,所經(jīng)路由IP地址如表1所示。

    表1 測(cè)量實(shí)例鏈路包含路由的IP地址

    3.2 測(cè)量結(jié)果和說(shuō)明

    接收端主機(jī)CPU頻率測(cè)量采用利用系統(tǒng)時(shí)間估算CPU頻率的方式,其測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

    圖4 利用系統(tǒng)時(shí)間測(cè)量CPU頻率的結(jié)果

    在單向時(shí)延測(cè)量開(kāi)始前,雙方主機(jī)協(xié)作發(fā)送測(cè)量分組,按照上文所述方法進(jìn)行了CPU上電時(shí)間差的測(cè)量,測(cè)量得到雙端主機(jī)CPU上電時(shí)間差為238.5126 s。

    圖5左圖中的是經(jīng)過(guò)測(cè)量得到的t'i值,未消除CPU上電時(shí)間差的影響,右圖中的是消除CPU上電時(shí)間差影響之后的測(cè)量值。由圖5可以發(fā)現(xiàn)由于接收端主機(jī)CPU頻率在測(cè)量時(shí)不準(zhǔn)確,造成單向時(shí)延測(cè)量值表現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

    圖5 消除CPU上電時(shí)間差前后對(duì)比

    圖6 中是對(duì)已消除CPU上電時(shí)間差影響的測(cè)量值進(jìn)行糾斜處理的結(jié)果。

    圖6 糾斜前后對(duì)比

    圖7 顯示是的對(duì)原始測(cè)量值進(jìn)行各步糾正,并得到最終結(jié)果的效果圖。

    圖7 各步糾正效果對(duì)比

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文首次采用時(shí)間戳計(jì)數(shù)器值作為時(shí)間戳來(lái)源,應(yīng)用到單向時(shí)延測(cè)量的方法中。通過(guò)理論推導(dǎo),證明了該方法測(cè)量單向時(shí)延的可行性,并且闡述了消除誤差的理論方法,通過(guò)測(cè)量CPU頻率差,雙端主機(jī)協(xié)作測(cè)量CPU上電時(shí)間差及對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行糾斜的方式得到可信的測(cè)量結(jié)果。由于采用時(shí)間戳計(jì)數(shù)器值取代操作系統(tǒng)時(shí)間,避免了目前各種單向時(shí)延測(cè)量方法所要面對(duì)的時(shí)鐘偏差和時(shí)鐘偏移的問(wèn)題,并且通過(guò)實(shí)例測(cè)量,驗(yàn)證了該方法的有效性。

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