專利名稱：網絡瓶頸檢測方法
技術領域：
本發明涉及網絡技術領域，具體涉及一種網絡瓶頸檢測方法。
背景技術：
檢測網絡瓶頸并對結果進行分析，可以清楚地了解網絡中各個組件運行情況，同時可以將異常組件的運行狀況反映給用戶，在改進網絡性能、提高網絡服務質量方面為用戶提供依據和合理的建議。因此，對網絡瓶頸進行相關分析和研究在網絡性能管理的探索中扮演著愈發重要的角色，研究并創新網絡瓶頸分析算法對提高網絡整體性能的作用舉足輕重。在眾多性能特征中，帶寬、延遲和丟包率是網絡性能管理中最常用的三個重要指標， 也是產生網絡瓶頸的三個主要因素。所以現階段的網絡瓶頸研究主要集中在三個方面，分別是帶寬瓶頸測量、延遲瓶頸測量和鏈路丟包率的測量。下面分別介紹。1.帶寬瓶頸檢測技術帶寬瓶頸具體是指限制數據包在網絡鏈路中傳播的能力的帶寬大小，可以分為鏈路帶寬瓶頸測量和可用帶寬瓶頸測量，通常把對鏈路帶寬瓶頸的測量稱為瓶頸帶寬的測量。目前對于鏈路帶寬瓶頸的測量主要采用帶寬測量的方法，主要分為兩類一類是單包測量方法，基本思想是根據數據包大小與傳輸時延的線性關系而提出的可變包大小的測量方法進行測量，該方法主要利用不同大小的包的各種最小延遲求逐條鏈路的帶寬然后比較最小帶寬，其主要測量工具有I^athchaiNPchaiNClink和Bing等；另一類方法是包對測量方法，基本思想是利用基于背靠背的數據包對的時延間隔和帶寬關系而提出的包對測量方法(Packet Pair/Train Dispersion, PPTD)測量鏈路帶寬，該方法背靠背發送兩個或多個數據包，根據背靠背數據包由于排隊形成的間隔估計瓶頸帶寬，主要測量工具有Sprobe， Pathrate, TCPanaly 禾口 Nettimer0可用帶寬瓶頸的檢測技術主要分為兩類，即包速率方法PRM與包間隔方法PGM。 PRM是基于“自引入阻塞”概念的一個測量模型，基本思想是通過發送不同速率的數據包所成的線性關系推導出鏈路的可用帶寬，典型的測量工具為I^athload。PGM的基本思想是運用數據包隊列在瓶頸鏈路中傳播時間差值與數據包長度的比值來推斷可用帶寬，相關測量工具有SpruCe、IGI和Delphi。目前最新的可用帶寬瓶頸檢測技術是Cprobe，它通過傳輸較短的ICMP數據包隊列來估計可用帶寬。帶寬瓶頸檢測技術方面的專利技術中，申請號為200310113676. 3的中國專利申請公開了一種端到端的網絡瓶頸帶寬測量方法，包括下述步驟1.初步估算三個測量參數受測網絡路徑的環回時延RTT，帶寬測量精度范圍BIN和一個比真實值偏小的瓶頸帶寬左界值；2.發送端發送多組不同包長的測量數據包對，接收端收到測量數據包對后，記錄存儲測量數據，并發送確認應答；3.接收端分別按不同包長和不同序號把測量數據分組， 兩兩交織進行矩形呈現處理，獲得多幅測量樣值矩形分布圖，然后根據所有分布圖中峰的位置分布情況，利用挑峰和濾峰操作找出相對固定的成峰位置，得出瓶頸帶寬測量結果值。
2.延遲瓶頸檢測技術網絡延遲是網絡性能的重要屬性之一，它包括排隊延遲、傳輸延遲和傳播時延等三個部分。在端到端的測量中，數據包經過路由器節點構成的序列中最大延遲所在的路徑定位為端到端的延遲瓶頸，該鏈路的延遲的大小定位為延遲瓶頸的大小。對于延遲瓶頸，國內外的研究成果都比較少，但隨著語音通訊網絡、視頻流媒體網絡等實時性要求很高的應用的逐漸普及和流行，延遲瓶頸的研究會得到愈來越多的關注。 目前已有的主要研究如下J. C. Bolot利用周期性發送UDP包的方式測量往返延遲，分析了 Internet中的端到端的包延遲和丟失行為。S. B. Moon在1998年研究了在一個連續的媒體流中包延遲和包丟失之間的相關性。G. Almes等人在1999年分別對單向延遲和往返延遲概念和測量方法做了詳細的介紹。申請號為200710074656. 8的中國專利申請公開了一種多媒體終端音頻延遲的測定方法，可以發現音頻延遲瓶頸。具體步驟包括1.完成多媒體終端和與之互通的媒體設備的網絡部署后，設置所述多媒體終端內部的測試點以及外部的監測點；2.所述多媒體終端交互平穩后，提取出所述多媒體終端內部的各測試點以及外部的各監測點的音頻數據； 3.分別讀取所述多媒體終端內部的各測試點以及外部的各監測點的音頻數據，并且分別根據所述音頻數據做出音頻延遲估計。3.丟包率瓶頸檢測技術丟包率是體現網絡鏈路性能的重要因素，它直接關系到用戶對網絡使用的直觀感受。對丟包率的網絡瓶頸目前已經有了一定的研究，尤其是對于UDP網絡中的丟包率瓶頸檢測方面的研究有了很大的進展。目前檢測丟包率瓶頸的一種領先技術是由N. Sretty等人在2008年提出的利用數學規劃方法檢測網絡瓶頸。在已知每條鏈路的容量、網絡拓撲結構和路徑輸入速率的前提下，構造出幾何規劃形式的效用最大化問題，通過數學建模將瓶頸檢測問題轉化為可以求出唯一解的統籌規劃模型問題，定位丟包率瓶頸，該方法也適用于隨機輸入速率的網絡情況。下面介紹上述現有技術的缺陷。1.帶寬瓶頸和延遲瓶頸檢測技術的問題(1)在一定程度上對網絡造成負載對于帶寬和延遲的測量，現有技術例如申請號為200310113676. 3的專利申請需要在網絡中發送探測包，并通過在發送端和接收端進行相關探測才可得出結果數據。這就對網絡造成了不可避免的網絡負載，不僅對網絡運行造成影響，也會使測量結果產生偏差， 不能真實的反應網絡瓶頸情況。(2)實時性差帶寬瓶頸和延遲瓶頸的測量都需要耗費一定的測量持續時間，這個時間主要包括探測包發送和接收、處理的時間以及數據后分析處理的時間，例如申請號為 200710074656.8的專利申請。測量持續時間長會直接影響到測量結果的實時性。2.丟包率瓶頸檢測技術的問題(1)網絡環境考慮不全面網絡由網絡節點和網絡鏈路兩大部分構成，而現有的丟包率測量技術的適用模型將網絡單純地看作鏈路的集合，忽略了網絡節點在網絡中的關鍵作用，這樣片面的模型必然會導致測量結果與真實情況的偏差，使測量結果不理想。(2)缺乏實際應用丟包率作為一個比較新的瓶頸研究領域，當前該方面的技術只是在數學模型上進行實現與計算，并未在真實的網絡中實際應用。而實際中的網絡往往存在著許多理想之外的不確定因素。任何一種技術單單建立于純粹的數學基礎上是遠遠不夠的，只有應用于現實網絡中才能真正驗證它的正確性和可靠性，才能為方法改進提供更多的依據。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何提高網絡瓶頸檢測的準確度。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種網絡瓶頸檢測方法，包括以下步驟101、根據網絡拓撲結構建立數學模型；102、根據網絡效用最大化原則，確定幾何規劃問題的目標函數；103、判斷所有路徑的輸入速率是否都固定，如果是，則順序執行步驟104、107、 108 ；否則順序執行步驟105、106、107、108 ；104、按照所有路徑的輸入速率都固定時，流經每條鏈路的所有數據的速率總和不大于鏈路容量與交換節點內的排隊容量之和的原則，確定固定速率的約束條件；105、讀取所設置的保險程度值ε ；106、確定隨機速率的約束條件；107、求解幾何規劃問題，以得出每條鏈路的丟包率，其中，所述幾何規劃問題由所述目標函數與固定速率的或隨機速率的約束條件構成；108、根據所求出的每條鏈路的丟包率，確定網絡瓶頸。優選地，步驟101具體包括將所有鏈路丟包率集合記為Z = {/l5/2,...,/,},其中， L為鏈路總數，待測的鏈路i的丟包率為Ii,相應的鏈路i通過率為Ici ；將每條鏈路對應的鏈路容量集合記為5 = K^c2,...,;將鏈路起始端對應的網絡節點的容量集合記為 W = {W W2,...,WL} ,Wi表示鏈路i起始端對應的網絡節點的容量；以流量探測獲取網絡中的數據流，以路徑表示數據流從輸入節點到輸出節點經過的一組鏈路集；令R表示路徑的數目，r1; r2，. . .，rE表示這些路徑的初始輸入速率；將獲取到的數據表示為鏈路_路徑矩陣A =[ 」Χχκ，其中= m表示鏈路i是路徑j上從輸入節點算起的第m條鏈路。優選地，步驟102中，所確定的幾何規劃問題的目標函數如下Maximize [二眾廣‘其中，ki為鏈路i的通過率，α i為對應于鏈路i的參數，α ,的取值根據網絡拓撲及路徑確定，鏈路i在所有路徑中的位置越靠近起始端則對應的α i越大。優選地，確定所有鏈路i的參數α i的取值的步驟如下首先選定網絡中所有路徑的最上游鏈路中的一條，將這條鏈路的參數α i設為鏈路總數L，并移除這條鏈路，然后依次將L-l、L-2 —直遞減到1，所得的值依次賦予α ρ
優選地，步驟104中，所確定的固定速率的約束條件如下式所示
權利要求
1.一種網絡瓶頸檢測方法，其特征在于，包括以下步驟101、根據網絡拓撲結構建立數學模型；102、根據網絡效用最大化原則，確定幾何規劃問題的目標函數；103、判斷所有路徑的輸入速率是否都固定，如果是，則順序執行步驟104、107、108；否則順序執行步驟105、106、107、108 ；104、按照所有路徑的輸入速率都固定時，流經每條鏈路的所有數據的速率總和不大于鏈路容量與交換節點內的排隊容量之和的原則，確定固定速率的約束條件；105、讀取所設置的保險程度值ε；106、確定隨機速率的約束條件；107、求解幾何規劃問題，以得出每條鏈路的丟包率，其中，所述幾何規劃問題由所述目標函數與固定速率的或隨機速率的約束條件構成；108、根據所求出的每條鏈路的丟包率，確定網絡瓶頸。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟101具體包括將所有鏈路丟包率集合記為Σ = ...,/,},其中，L為鏈路總數，待測的鏈路i的丟包率為Ii,相應的鏈路i通過率為& ；將每條鏈路對應的鏈路容量集合記為5 =;將鏈路起始端對應的網絡節點的容量集合記為示巧} ,Wi表示鏈路i起始端對應的網絡節點的容量；以流量探測獲取網絡中的數據流，以路徑表示數據流從輸入節點到輸出節點經過的一組鏈路集； 令R表示路徑的數目，r2, . . . , !^表示這些路徑的初始輸入速率；將獲取到的數據表示為鏈路-路徑矩陣A = ^ijLxii，其中％ = m表示鏈路i是路徑j上從輸入節點算起的第 m條鏈路。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟102中，所確定的幾何規劃問題的目標函數如下
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，確定所有鏈路i的參數αi的取值的步驟如下首先選定網絡中所有路徑的最上游鏈路中的一條，將這條鏈路的參數α i設為鏈路總數 L，并移除這條鏈路，然后依次將L-I、L_2—直遞減到1，所得的值依次賦予ai。
5.如權利要求3或4所述的方法，其特征在于，步驟104中，所確定的固定速率的約束條件如下式所示
6.如權利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述保險程度值ε取值為0 1。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟106中，所確定的隨機速率的約束條件如下式所示
8.如權利要求1 4中任一項所述的方法，其特征在于，步驟107中，利用數學優化軟件求解幾何規劃問題，以得出每條鏈路的丟包率。
全文摘要
本發明涉及網絡技術領域，公開了一種網絡瓶頸檢測方法，包括步驟101、根據網絡拓撲結構建立數學模型；102、根據網絡效用最大化原則，確定幾何規劃問題的目標函數；103、判斷所有路徑的輸入速率是否都固定，如果是，則順序執行步驟104、107、108；否則順序執行步驟105～108；104、確定固定速率的約束條件；105、讀取所設置的保險程度值ε；106、確定隨機速率的約束條件；107、求解幾何規劃問題，以得出每條鏈路的丟包率，其中，所述幾何規劃問題由所述目標函數與固定速率的或隨機速率的約束條件構成；108、根據所求出的每條鏈路的丟包率，確定網絡瓶頸。本發明能提高網絡瓶頸檢測的準確度、降低網絡負載，并提高網絡管理的靈活度。
文檔編號H04L12/26GK102263676SQ20111019253
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月11日 優先權日2011年7月11日
發明者喬焰, 孟洛明, 李娟 , 熊翱, 王智立, 詹志強, 邱雪松 申請人:北京郵電大學