第六章網(wǎng)絡端到端性能測量課件

1、第六章 網(wǎng)絡端到端性能測量2226.1 概述兩個工作組：IETF的基準測試方法學工作組(Benchmarking Methodology Working Group，BMWG)BMWG主要關(guān)注在實驗室環(huán)境下測試IP性能，主要目標是對各種網(wǎng)絡互聯(lián)技術(shù)性能特征的測量方法給出建議，進而集中在基于這些技術(shù)的系統(tǒng)和服務上。IP性能度量指標工作組(IP Performance Metric，IPPM)IPPM工作組定義了一套用來定量表征互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送業(yè)務的質(zhì)量、性能和可靠性的一組標準度量。在其公布的RFC中給出了指標的定義、測量過程和結(jié)果描述方法。3測量指標定義必須遵守以下標準：（RFC2330）(1)測

2、量指標必須是具體和嚴格定義的；(2)對該指標的測量方法必須是可重復的；(3)測量指標必須是無偏的；(4)測量指標必須具有區(qū)分性；(5)測量指標對用戶和網(wǎng)絡運營商了解網(wǎng)絡性能必須是有用的；(6)測量指標必須是能避免人為影響的性能指標。34IPPM定義和正在定義的指標：(1)連通性(Connectivity，RFC2678)(2)單向時延(one-way delay，RFC2679)(3)往返時延(round-trip delay，RFC2681)(4)時延抖動(delay variation，RFC3393)(5)單向丟棄率(one-way loss，RFC2680)(6)雙向丟棄率(round

3、-trip loss)(7)丟棄模式(loss patterns，RFC3357)(8)數(shù)據(jù)包亂序(packet reordering，RFC4737)(9)單向數(shù)據(jù)包復制 (one-way packet duplication， RFC 5560, 2009.05, Standards Track，將會標準化的草案)(10)批量傳輸容量(bulk transfer capacity，RFC3148)45時延、帶寬、丟包率是最基本的三大指標。566.2 端到端時延測量意義：評估網(wǎng)絡服務質(zhì)量（QoS）研究有效的擁塞控制機制對于時延敏感型業(yè)務，如流媒體應用，可作為播放（Playout）控制、接入控

4、制的依據(jù)作為度量網(wǎng)絡路徑性能的指標（Metric），用以進行路由優(yōu)化和路由動態(tài)更新網(wǎng)絡優(yōu)化的依據(jù),據(jù)其制定負載均衡策略，同時能給新的網(wǎng)絡應用，如CDN（Contention Distribution Network）提供支持67CDNCDN技術(shù)是近年來在美國首先興起并迅速發(fā)展起來的一種解決互聯(lián)網(wǎng)性能不佳問題的有效手段。 其基本思路就是盡可能避開互聯(lián)網(wǎng)上有可能影響數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性的瓶頸和環(huán)節(jié)，使內(nèi)容傳輸?shù)母?、更穩(wěn)。通過在網(wǎng)絡各處放置節(jié)點服務器所構(gòu)成的在現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的一層智能虛擬網(wǎng)絡，cdn系統(tǒng)能夠?qū)崟r地根據(jù)網(wǎng)絡流量和各節(jié)點的連接、負載狀況以及到用戶的距離和響應時間等綜合信息將用戶的

5、請求重新導向離用戶最近的服務節(jié)點上。 86.2.1 時延的基本概念I(lǐng)ETF的IPPM工作組制訂：單向時延（One-way Delay，RFC 2679）雙向時延（Round-trip Delay，RFC2681）IP分組時延變化（IP Packet Delay Variation，RFC3393）896.2.1 時延的基本概念RFC2679定義單向時延的測量指標“Type-P-One-way-Delay”：對于實數(shù)dT，在T時刻從源主機Src到目的主機Dst的“Type-P-One-way-Delay”為dT是指Src在T時刻發(fā)送Type-P分組的第一個比特，而Dst在T+dT時刻收到該分組的

6、最后一個比特。RFC2679定義P型分組發(fā)送時間序列為泊松過程的單向時延“Type-P-One-way-Delay-Poission-Stream” ：特指進行多次測量時，測量數(shù)據(jù)包發(fā)送時間序列符合Poission過程（也就是說相鄰兩個測量時刻間隔時間服從指數(shù)分布），此時的參數(shù)有：源、目的地址，測量開始、結(jié)束時間，平均到達率。最終得到了序列對。9106.2.1 時延的基本概念對于得到的測量樣本，RFC2679也定義了幾個統(tǒng)計量：百分數(shù)（Type-P-One-way-Delay-Percentile）中值（Type-P-One-way-Delay-Median）最小值（Type-P-One-wa

7、y-Delay-Minimum）逆百分數(shù)（Type-P-One-way-Delay- Inverse- Percentile）10116.2.1 時延的基本概念RFC2681定義了往返時延的指標“Type-P-Round-trip-Delay”，測量時間序列是泊松過程指標“Type-P-Round-trip- Delay-Poisson-Stream”，以及幾個統(tǒng)計量：百分數(shù)（Type-P-Round-trip-Delay- Percentile）中值(Type-P-Round-trip-Delay-Median)最小值（Type-P-Round- trip-Delay- Minimum）逆百

8、分數(shù)（Type-P-Round-trip-Delay-Inverse- Percentile）。11126.2.1 時延的基本概念RFC3393定義了對于IP電話和視頻流等應用的指標單向時延抖動“Type-P-One-way-ipdv”，該指標中還考慮了時鐘之間的漂移（drift，時鐘偏差的二階導數(shù)），還定義了服從泊松分布的測試流單向時延變化指標“Type-P-one-way-ipdv-Poisson-stream”，以及幾個統(tǒng)計量：概率分布（ Type-P-One-way-ipdv-percentile ）百分數(shù)（Type-P-One-way-ipdv-percentile）逆百分數(shù)（Typ

9、e-P-One-way-ipdv-inverse-percentile）抖動（Type-P-One-way-ipdv-jitter）峰峰值（Type-P-One-way-peak-to-peak-ipdv）12136.2.2 時延測量方法往返時延的測試。不需同步，易于實現(xiàn)，常用的方法如ICMP echo/reply（ping）, TCP SYN/ACK等。問題：不對稱路徑。直接測量單向時延。問題：測試點往往位于不同的地點，收發(fā)主機時鐘同步問題。1314端到端時延傳輸時延（Transmission delay，Tt）指發(fā)送節(jié)點在傳輸鏈路上開始發(fā)送分組的第一個比特至發(fā)完該分組的最后一個比特所需的時

10、間。主要由連接速度或容量決定。對于每一個探測包，傳輸時延被認為是相同的。傳播時延（Propagation delay，Tg）發(fā)送節(jié)點在傳輸鏈路上發(fā)送第一個比特時刻至該比特到達接收節(jié)點的時間間隔。由電磁波通過通信鏈路的物理信道的傳播時間所決定。1415端到端時延排隊時延（Queuing delay，Tq）指分組在路由器的緩沖區(qū)中，傳輸或處理前的等待時間，由路由器中的交換結(jié)構(gòu)決定。若節(jié)點的傳輸隊列在節(jié)點的輸出端，排隊時延=T入隊列 - T傳輸。若節(jié)點的輸入端有一個等待隊列，排隊時延= T入隊列 - T處理。處理時延（Processing delay，Tp）分組到達一個節(jié)點的輸入端與該分組到達該節(jié)點

11、的輸出端之間的時延，指在交換網(wǎng)絡的時延。受每個節(jié)點的計算能力和可用的硬件的影響。1516端到端時延1 0 1 1 0 0 1發(fā)送器隊列在鏈路上產(chǎn)生傳播時延結(jié)點 B結(jié)點 A在發(fā)送器產(chǎn)生傳輸時延在隊列中產(chǎn)生排隊時延數(shù)據(jù)從結(jié)點 A 向結(jié)點 B 發(fā)送數(shù)據(jù)路徑在節(jié)點產(chǎn)生處理時延17舉例：對于一個H跳的鏈路，端到端時延：17分組在終端處的排隊時延分組在源端的傳播時延分組在源端的傳輸時延鏈路長度信號傳播速度分組長度鏈路帶寬處理時延18 端到端時延對端到端時延變化影響最大的是排隊時延，影響的主要因素有：鏈路的負荷情況、隊列管理機制、緩沖區(qū)管理機制、接口處理能力等。 19端到端時延實測結(jié)果 發(fā)送200字節(jié)長的1

12、000個數(shù)據(jù)包，時間間隔是200毫秒, 用UDP協(xié)議，從源主機（西電科大校園網(wǎng)）到目的主機（中國電信數(shù)據(jù)網(wǎng)）。 收發(fā)時鐘分別采用各自的時鐘，由于在源主機和目的主機之間時鐘不同步（存在頻差）的影響，測試的結(jié)果有一個線性的趨勢。 20端到端時延由于收發(fā)時鐘不同步，僅僅簡單地以分組到達接收主機時刻（讀取接收主機時間）減去分組離開發(fā)送主機的時刻（讀取接收主機時間）獲得端到端時延，常常誤差較大。單向時延測試最主要的問題是解決兩個待測節(jié)點之間本地時鐘的同步。搬鐘(clock transportation)時間同步法單向時間同步法雙向時間同步法21時鐘同步方法搬鐘(clock transportation)

13、時間同步法用一個標準鐘作搬鐘，首先讓系統(tǒng)的標準時鐘比對校準這個搬鐘，然后將系統(tǒng)中的其它時鐘與搬鐘同步比對，實現(xiàn)系統(tǒng)其它時鐘與系統(tǒng)統(tǒng)一標準時鐘同步。不能實時或近實時作時間同步，現(xiàn)在很少采用。單向時間同步法主站通過各種途徑將同步信息傳送給從站，從站根據(jù)這些同步信息采用一定的算法校正到主站的時間和頻率上。同步精度大部分只能達到微秒級別，設備相對簡單。22雙向時間同步法Step 1：Step 2：Step 3：由環(huán)境影響引起的誤差傳播時間 23雙向時間同步法可以消除共同的傳播路徑誤差，同步精度達到納秒級，系統(tǒng)設備相對于單向時間同步法較復雜，成本較高。主站的工作量特別大，可靠性差。“北斗一號”導航系統(tǒng)就

14、是采用此方法來實現(xiàn)定時和校頻的。24在已有的單向時延測量實驗中，大多數(shù)測量均借助于GPS接收機或NTP（Network Time Protocol）協(xié)議來實現(xiàn)同步。256.2.3 基于GPS授時的時鐘同步GPS的全稱是“授時與測距導航系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)”（ Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTAR/GPS）,是美國國防部為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高精度導航和定位而建立的新一代導航與定位系統(tǒng)。具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導航和定位能力，同時具有良好的抗干擾性和保密性，在軍事和民用

15、方面都得到了很大的應用，它于1978年開始可行性驗證，到1994年3月最終建成?；驹恚盒l(wèi)星不間斷的發(fā)射自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置、三維方向及運動速度和時間信息。26GPS定位和授時原理衛(wèi)星位置：用戶位置： 無線電波速度： C 用戶時鐘和GPS主時鐘標準時間的時差： 衛(wèi)星i上的原子鐘和GPS主時鐘標準時間的時差： 用戶測量得到的與第i個衛(wèi)星之間的偽距（時間量）： 27GPS基本組成：空間部分21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。海拔20200km。運行周期約為11小時58分。GPS衛(wèi)星在空間的配置

16、，保障了在地球上的任何地點、任何時刻都至少可以觀測到4顆衛(wèi)星，而且衛(wèi)星信號的傳播和接收不受天氣的影響。 2829GPS satelliteSatellite TasksReceive and save the ephemeris from control segmentGenerate GPS signal (code and carrier phase)Transmit the GPS signalAccept the control command to adjust the satellite statusCommunicationMain load on boardRadio tran

17、sceivers, atomic clock (CESIUM and/or RUBIDIUM), computerVarious ancillary (satellite antenna, solar panel, backup batteries, propulsion propulsion system, and etc.)30Satellite categoriesBlock I (4.5-y life , 19781985 launched, decommissioned)Block II (7.5-y life, only PRN15 active now)Block IIA (wi

18、th mutual communication capability)Block IIR (10-y life, communication and inter-satellite tracking)Block IIF (15-y life, inertial navigation systems and an augmented signal structure)Block III ( next generation of GPS satellite, after 2030)31GPS衛(wèi)星系列的主要技術(shù)參數(shù)及發(fā)射情況32GPS基本組成：GPS控制部分地面控制部分由1個主控站，5個全球監(jiān)測站和

19、3個地面注入（控制）站組成。監(jiān)測站（Monitor Station）將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，包括電離層和氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過初步處理后，傳送到主控站。主控站（Master Control Station）從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù)，然后將結(jié)果送到3個地面控制站。地面控制站（Ground Antenna）在每顆衛(wèi)星運行至上空時，把這些導航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。33GPS基本組成：用戶設備部分接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導航和定位工作。GPS接收機硬件一般由主機、天線和電源組成。GPS系統(tǒng)采用擴頻技術(shù)，GPS采用碼分多址來區(qū)分各個衛(wèi)星。

20、GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼, 一組稱為C/A碼( Coarse/Acquisition Code，1.023MHz) ；一組稱為P碼(Procise Code，10.23MHz) ，P碼因頻率較高，不易受干擾，定位精度高，因此受美國軍方管制，并設有密碼，一般民間無法解讀，主要為美國軍方服務。C/A 碼人為采取措施而刻意降低精度后，主要開放給民間使用。34GPS receiver types35GPS Users36GPS的軍事應用全時域的自主導航。各種作戰(zhàn)平臺的指揮監(jiān)控。精確制導和打擊效果評估。在近幾場高技術(shù)局部戰(zhàn)爭中，美軍使用精確制導導彈和炸彈的比例比海灣戰(zhàn)爭時增加了近100倍，而它們?nèi)炕虼蟛?/p>

21、分都依靠GPS制導。未來單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)保障。在科索沃戰(zhàn)爭中，美軍的F117隱形飛機被擊落后，由于飛行員攜帶配備了GPS接收機的呼救裝置，從而使美軍能搶在南聯(lián)盟軍隊之前，在7小時內(nèi)找到并救出飛行員。軍用數(shù)字通信網(wǎng)絡授時。37GPS面臨的問題GPS信號的抗干擾能力較弱。在一般情況下，從衛(wèi)星反饋到地面的信號很小，如果對方采取各種干擾措施，就會使GPS接收機無法正常工作，從而使其導航定位精度降低或產(chǎn)生誤導。在伊拉克戰(zhàn)爭中，伊軍在其境內(nèi)部署了一些GPS干擾裝置，結(jié)果使美軍的GPS制導武器大失水準，有部分導彈甚至飛到了伊朗、土耳其境內(nèi)。另據(jù)報道，俄羅斯目前已經(jīng)研制成功一種手持式GPS干擾器，可干擾150公里

22、范圍內(nèi)的GPS信號。38GPS面臨的問題各國目前都高度重視導航定位系統(tǒng)的發(fā)展。俄羅斯 “格魯納斯（GLONASS）”系統(tǒng)，24顆，定位精度10m左右，17顆衛(wèi)星在軌運行，軍民兩用。計劃2008年全部部署到位。中歐合作“伽利略（Galileo）”系統(tǒng)，30顆（其中3顆候補），3個軌道平面，定位精度小于1m，主要為民用，計劃2008年開通。中國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，2000年10月發(fā)射第一顆北斗導航衛(wèi)星，目前3顆（其中1顆備用）。軍民兩用 。39伽利略衛(wèi)星效果圖40Some Website/gps/index.html/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html.a

23、u/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm41GPS測時GPS采用獨立的時間系統(tǒng)作為導航定位計算的基礎(chǔ)，即GPS時間系統(tǒng)（GPST），它屬于原子時系統(tǒng)（Atomic Time，AT），其秒長采用原子時秒長，原點規(guī)定于1980年1月6日0時與協(xié)調(diào)世界時（Universal Time Coordinated，UTC）時刻一致，以后采用原子時秒長累計計時。42GPS測時單站測時法應用一臺GPS 接收機，在一已知坐標(或坐標未知但能收到4 顆以上衛(wèi)星) 觀測站上進行測時。共視測時法在兩個觀測站或多個觀測站各設一臺GPS 接收機，同步觀測同一顆衛(wèi)星來測定兩用戶時鐘的

24、相對偏差，從而達到高精度時間比對的目的。綜合法與單站多星測量模式相似，在各站觀測所有在視的衛(wèi)星，同時又像共視法同步觀測，交換兩站數(shù)據(jù)綜合處理。結(jié)果與共視法的精度相當，但提高了可靠性。43時間同步方法比較從理論上看，雙向時間同步法時鐘同步精度可以達到納秒級甚至亞納秒級，而單向時間同步法時鐘同步精度只能達到微秒級。用GPS實現(xiàn)的單向時間同步法時鐘同步精度經(jīng)過努力也可以達到納秒級，所以雙向法和用GPS實現(xiàn)的單向法同步精度相當。44時間同步方法比較在雙向時間同步中，常通過微波中繼、有線傳輸以及短波通信等途徑來建立通信鏈路。微波通信受視距限制站間距離較短，采用中繼接力可以增加通信距離，但這樣設備費用卻增

25、加了。有線傳輸架設的工程量大，且機動性差。短波通信易受電離層的擾動以致傳輸?shù)恼`碼率高，且易受到民用電臺的干擾。主站的原子頻標準要求高。利用GPS實現(xiàn)的時間同步系統(tǒng)各同步站只需要價格相對便宜的銣原子頻標(頻率準確度為量級10-11)就可以校正到10-12量級的頻率準確度。利用GPS的單向時間同步法與雙向時間同步法相比成本優(yōu)勢非常明顯。45GPS時間同步優(yōu)點同步精度相對較高。不需要發(fā)送設備，省去了需自配昂貴的高準確度原子頻率基準，成本相對較低?？梢栽谌魏螘r間任何地點任何天氣情況下都能接受到GPS信號?？煽啃暂^好。46基于GPS的時間同步系統(tǒng)GPS接收機不但可以輸出時間信息，還可以以一定精度輸出代表

26、GPS系統(tǒng)時的秒脈沖信號。若地面系統(tǒng)內(nèi)的所有站都同步于該秒脈沖（GPS系統(tǒng)時），則該系統(tǒng)就實現(xiàn)了時間同步。相當于GPS是一個高精度搬運標準原子鐘，而且可以全球性全天候全天時地發(fā)布時間標準信號進行時間比對同步。47基于GPS的時間同步系統(tǒng)但是GPS接收機輸出的秒脈沖不能被直接用于實現(xiàn)各站高精度同步。GPS接收機的時間標準和GPS衛(wèi)星的星載原子頻標的時間標準不同，GPS衛(wèi)星信號頻率在1200MHz 以上，極易被遮擋，有可能造成衛(wèi)星信號部分或全部失鎖。GPS信號要從20200km的高空傳到地球，中間要經(jīng)過惡劣的大氣環(huán)境的影響，很難建立精確的大氣誤差模型，同時接收機也存在系統(tǒng)誤差和隨機誤差，也使得接收

27、機輸出的秒脈沖也不可避免地和GPS系統(tǒng)時存在誤差。48基于GPS的時間同步系統(tǒng)49基于GPS的時間同步系統(tǒng)原子鐘：產(chǎn)生原始頻率信號，校正后可以達到更高頻率準確度的輸出頻率。同時產(chǎn)生高精度的秒脈沖信號，經(jīng)校準后作為同步系統(tǒng)的輸出。50基于GPS的時間同步系統(tǒng)GPS接收機：接收GPS信號，產(chǎn)生同GPS系統(tǒng)時有一隨機誤差的秒脈沖用于同步系統(tǒng)的定時和校頻。和微處理器通信，報告自己的狀態(tài)并接受微處理器的控制。51基于GPS的時間同步系統(tǒng)時間頻率測量：測量GPS接收機輸出的秒脈沖和原子鐘分頻產(chǎn)生的秒脈沖之間的沿差，測量GPS時鐘的原始頻率，并把這兩個測量數(shù)據(jù)輸出給微處理器進行處理。52基于GPS的時間同步

28、系統(tǒng)微處理器：接受測量模塊傳送的數(shù)據(jù)，然后對其進行處理并按一定的時序送給校正模塊；控制整個系統(tǒng)按時序協(xié)調(diào)工作；對系統(tǒng)進行自診斷檢查，給人機界面模塊送出狀態(tài)信息和報警信息。53基于GPS的時間同步系統(tǒng)時間和頻率校正：包括校正秒沿差模塊和校頻模塊，它們分別接受微處理器送過來的校正數(shù)據(jù)進行時間和頻率的校正。54基于GPS的時間同步系統(tǒng)人機界面：顯示微處理器給出的狀態(tài)信息并在系統(tǒng)工作異常時報警。556.2.4 基于NTP的時鐘同步方法1. NTP的基本原理網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP( Network Time Protocol)用來實現(xiàn)計算機時鐘與國家標準時間同步。目前最新版本是NTP版本4, 定義于RFC-

29、4330，稱為IPv4、IPv6和OSI的簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議(Simple Network Time Protocol，SNTP)版本4。在局域網(wǎng)上其準確度可達1-2毫秒，在廣域網(wǎng)上可達幾十毫秒。NTP協(xié)議是通過網(wǎng)絡實現(xiàn)計算機時鐘的同步，最典型的操作模式是客戶/服務器(client/server)模式。561. NTP的基本原理問題：由于時鐘同步是通過網(wǎng)絡實現(xiàn)的，而網(wǎng)絡傳輸是需要時間的。這樣客戶機接收到服務器返回報文中的時間戳，并不能代表服務器當前的準確時間，而是一段時間之前的時間信息，這一段時間就是網(wǎng)絡傳送所花費的時間。因此，要獲得準確的當前時間就必須考慮網(wǎng)絡延遲造成的影響。571. NTP的

30、基本原理T1是客戶機發(fā)送請求報文時客戶機的時鐘讀數(shù)（Originate Timestamp）T2是服務器接收到客戶機請求報文時服務器的時鐘讀數(shù)（Receive Timestamp）T3是服務器返回響應報文時服務器的時鐘讀數(shù)（Transmit Timestamp）T4是客戶機接收到服務器的響應報文時的客戶機時鐘讀數(shù)。581. NTP的基本原理假定從客戶到服務器和從服務器到客戶的時延相等，而且假定偏移量不隨時間變化，即不考慮兩者時鐘之間的頻差（skew）和抖動（jitter）?？蛻魴C和服務器之間的時間偏移量和報文在網(wǎng)絡的往返傳播延時D分別為：591. NTP的基本原理由于網(wǎng)絡傳輸?shù)耐德窂酵粚?/p>

31、稱，并且設備負荷的變化，一次測量通常不能得到準確的時間， NTP時間同步需要獲取多個服務器上的多個信息。影響NTP協(xié)議精確度最關(guān)鍵的原因在于隨機網(wǎng)絡延時導致時鐘偏移量計算不準確。60對稱模式NTP為了提高時間服務器的穩(wěn)健性，NTP協(xié)議還提供了另外一種操作模式對稱模式。運行在對稱模式的主機既可以同步對等方，又可以被對等方同步。這樣，即使是高層的時間服務器出現(xiàn)故障，或與該服務器的通信中斷時，底層的主機之間也可以相互同步起來。 612. NTP的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)模型NTP系統(tǒng)采用層次式時間分布模型，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包括主時間服務器、從時間服務器及客戶與節(jié)點間的傳輸路徑。主時間服務器與高精度同步時鐘源直接連接

32、 ，提供準確到100us或10us量級的同步到UTC的時間精度。從時間服務器經(jīng)由主服務器或其它從服務器獲得同步。在正常情況下，節(jié)點(包括從時間服務器及客戶)只用最可靠、最準確的服務器及傳輸路徑來進行同步，因此通常的同步路徑呈現(xiàn)為一個層次結(jié)構(gòu)。62NTP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)子網(wǎng)的時間服務器出錯路徑層號NTP將傳輸路徑區(qū)分為工作同步路徑(Active Synchronization Paths)與備份同步路徑(Backup Synchronization Paths)。兩者都進行時間消息包的傳輸，但節(jié)點只用工作同步路徑的數(shù)據(jù)進行同步處理。63NTP基本實現(xiàn)模型 發(fā)送進程收集數(shù)據(jù)庫信息，并把NTP消息發(fā)送到對端

33、機。 接收進程負責接收NTP消息，及其它協(xié)議的消息，以及來自直接相連的時鐘的信息。 更新進程是在接收到消息的情況下啟動。它處理來自各服務器的偏移數(shù)據(jù)，用時間選擇算法選擇最佳者。 本地時鐘進程是用來對更新過程產(chǎn)生的偏移數(shù)據(jù)進行操作。 643. NTP的體系結(jié)構(gòu)為了獲得時間服務的最大可靠性和準確性，客戶機通常要配置多個服務器以提供冗余，即要通過多條同步路徑來同步于根部的初級時間服務器。653. NTP的體系結(jié)構(gòu)時鐘濾波器算法選擇最好的抽樣值作為相對于該服務器的偏移量。663. NTP的體系結(jié)構(gòu)時鐘選擇算法檢測并丟棄時間誤差較大的服務器，可能會有多個符合要求的服務器。673. NTP的體系結(jié)構(gòu)時鐘合

34、成算法以同步距離為權(quán)值，將這些符合要求的服務器的偏移量進行極大似然平均，生成本地時鐘最終的相位校正值。683. NTP的體系結(jié)構(gòu)時鐘受控算法以時鐘合成算法輸出的校正值作為輸入，利用鎖相環(huán)原理來校正本地時鐘振蕩器的相位和頻率。694. NTP的報文格式Message digest（optional）（128）Key Identifier（optional）（32）Transmit Timestamp（64）Receive Timestamp（64）Originate Timestamp（64）Reference timestamp（64）Reference IdentifierRoot Disp

35、ersionRoot DelayPrecisionPollStratumModeVNLI1 2 5 8 16 24 32NTP協(xié)議屬于應用層協(xié)議，采用UDP協(xié)議傳輸，其端口號為123。70Some timestampsOriginate Timestamp：向服務器發(fā)出請求的數(shù)據(jù)包離開客戶機的時間，采用64位時間戳格式。 T1Receive Timestamp：請求數(shù)據(jù)包到達服務器的時間，采用64位時間戳格式。 T2Transmit Timestamp：對客戶機的應答數(shù)據(jù)包離開服務器的時間，采用64位時間戳格式。 T3715. NTP中的算法（1）時鐘濾波(Clock-Filter)算法時鐘濾

36、波算法主要用在網(wǎng)絡時間協(xié)議的服務器接口模塊，負責對接收到的服務器信息進行過濾，選出最佳信息。依據(jù)不同的規(guī)則，可以有不同的數(shù)據(jù)過濾算法。在網(wǎng)絡時間協(xié)議版本3中，采用最小時延準則。即在所有的數(shù)據(jù)中選取網(wǎng)絡傳輸時延最小的偏移量數(shù)據(jù)。72時延/偏移量實測結(jié)果結(jié)論:在網(wǎng)絡時延最小時可以獲得最優(yōu)的偏移量值。橫軸是網(wǎng)絡傳輸時延?？v軸是服務器和客戶機之間的時間偏移量（offset）。 735. NTP中的算法（2）時鐘選擇(Clock-Selection)算法時鐘選擇算法包括交集(Intersection)算法和群集(Clustering)算法，主要用在網(wǎng)絡時間協(xié)議的系統(tǒng)處理模塊的時鐘選擇部分，負責從一組時間

37、服務器中選擇出質(zhì)量最好的一組服務器。真正的偏移量 一定存在于所有正確時間服務器區(qū)間 的交集中。反過來，我們也可以通過這一結(jié)論來淘汰錯誤的服務器。74交集算法和群集算法Intersection算法就是通過交集運算求出僅僅包括正確時鐘的最大服務器集合，淘汰錯誤的時間服務器。Clustering算法則是通過對時間服務器的質(zhì)量信息進行排序，選出質(zhì)量最好的一組服務器?；陔x差。候選時鐘列表中時鐘服務器的數(shù)目 第i個候選服務器的偏移 控制因子，在NTP中不超過1/2 思想：丟棄具有最大離差的候選點，直至剩下指定數(shù)目的服務器(至少有一個)，得到質(zhì)量最優(yōu)的一組時間服務器。離差755. NTP中的算法（3）時鐘

38、合成(Clock-Combining)算法時鐘合成算法對經(jīng)過選擇的時間服務器提供的時間信息利用加權(quán)平均算法進行分析綜合，得出精確的當前時間信息。NTP采用同步距離的倒數(shù)作為每個服務器的時鐘偏移量i對最終偏移量的權(quán)值。位于同步子網(wǎng)絡中根服務器到主時鐘參考源（原子鐘，GPS等）的來回總延時 客戶端報文到相應服務器端的來回總延時 同步距離76（3）時鐘合成算法（續(xù)）根服務器的離差相對于同一個參考服務器時鐘的最大合法的同步更新間隔時間，單位s，NTP中為86400，即24h在NTP.MAXAGE間隔內(nèi)由本地時鐘漂移所引起的時鐘誤差，單位s， NTP中為1在NTP中客戶端收到響應報文時的本地時間客戶端上

39、一次被同步的時間77（3）時鐘合成算法（續(xù)）最終偏移量的合并算法公式：選擇算法之后剩余的候選服務器個數(shù)本地時鐘相對于第i個候選服務器的偏移量本地計算機相對于第i個服務器的距離785. NTP中的算法（4）本地時鐘校正分為線性相位調(diào)整和非線性相位調(diào)整。線性相位調(diào)整是對時鐘進行漸進的調(diào)整。小的時鐘調(diào)整間隔小的時鐘校正量非線性相位調(diào)整用于處理接收到時鐘矯正量較大的情況，這種情況一般認為本地時鐘是沒有同步的。796.2.5 基于時延特征的數(shù)學分析方法略806.3 端到端帶寬測量研究帶寬測量方法的意義：評估網(wǎng)絡性能。帶寬指標是衡量網(wǎng)絡性能行為的重要指標之一，便于運營商掌握網(wǎng)絡的運行狀況以及作為驗收網(wǎng)絡工

40、程的考查指標。網(wǎng)絡資源的合理配置。根據(jù)測量得到的每個鏈路的瓶頸帶寬、可用帶寬或利用率情況調(diào)配資源，以達到充分利用。路由優(yōu)化。利用實際測量得到的可用帶寬作為鏈路的“權(quán)值(weight)”指標，能用來進行路由的動態(tài)構(gòu)造，從而得到最優(yōu)路由。81研究帶寬測量方法的意義（續(xù)）：接入控制。對新的業(yè)務請求進行接入控制，一方面可以在網(wǎng)絡擁塞時防止網(wǎng)絡性能的進一步惡化，另一方面對于強調(diào)服務質(zhì)量的網(wǎng)絡應用來說，可以作為接入控制的依據(jù)。擁塞控制。通過準確地估計網(wǎng)絡帶寬，對視頻流的傳輸速率與網(wǎng)絡帶寬進行匹配可以防止擁塞的發(fā)生。故障診斷。網(wǎng)絡可用帶寬行為規(guī)律的奇異變化可給判斷網(wǎng)絡故障的發(fā)生、定位故障的位置、分析故障原因

41、以及消除故障提供思路和途徑。826.3.1 IP網(wǎng)絡端到端帶寬測量研究現(xiàn)狀瓶頸帶寬（Bottleneck Bandwidth）瓶頸鏈路能提供的最大分組傳輸速率，也即端到端最大分組傳輸速率，是網(wǎng)絡在沒有干擾業(yè)務（Cross Traffic）存在時能提供的最大傳輸速率。可用帶寬（Available Bandwidth）存在干擾業(yè)務時端到端路徑能提供的最大可用帶寬。標稱帶寬（Nominal Bandwidth）生產(chǎn)廠家提供的傳輸速率值。測量方法主動探測，被動收集網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，二者結(jié)合。83“Narrow” and “tight”Tight！84Tight！85Narrow！866.3.2 IP網(wǎng)絡端到端

42、瓶頸帶寬測量常用測試方法：單個分組（Single Packet）技術(shù)分組對（Packet Pair）技術(shù)分組束（Packet Bunch）技術(shù)分組鏈（Packet train）技術(shù)871. 單個分組技術(shù)單個分組技術(shù)通過發(fā)送不同長度的分組，探測一條端到端路徑上各節(jié)點與源節(jié)點之間的端到端時延（OWD，One Way Delay）或往返時延RTT，可以計算出分組在每一條鏈路（相鄰節(jié)點之間）的時延。由分組的大小和時延計算每條鏈路的帶寬，找出最小值即為瓶頸鏈路帶寬。若分組長度l，帶寬b可由下式計算：88C:Documents and Settingshptracert （西電-華商報網(wǎng)站）Tracing

43、 route to 59over a maximum of 30 hops: 1 1 ms 1 ms 1 ms 52 2 1 ms 1 ms 1 ms 3 1 ms 1 ms 1 ms 41 4 1 ms 1 ms 1 ms 5 1 ms 1 ms 1 ms 6 1 ms 1 ms date 當前日期: 2005-02-27 星期日 當前時間: 5:28:11.1489How does traceroute work?IP packets contain a time-to-live field that is initialized by the original sender then d

44、ecremented by one at each intermediate router. If the field is decremented to zero, the packet is discarded and an error indication packet (an ICMP “time exceeded”) is sent back to the original sender.The source address of the ICMP “time exceeded” identifies the router that discarded the data packet

45、. So if packets are sent to the final destination but with the ttl set to n, the router n hops along the path is forced to identify itself.90A model for per-hop forwarding time未考慮排隊時延di i-1到i個路由器之間的距離fi 處理時延 91A model for ICMP-time-exceeded往返時延RTT92Raw measured data for one hop93Min-filtered data fo

46、r the same hop測得的值減去最小值可近似看作排隊時延。進行擬和，如采用最小二乘法。94以pathchar為例Pathchar1Van Jacobson，pathchar a tool to infer characteristics of Internet paths. /pathchar/, 1997.The program works by sending packets of varying sizes and measuring their round trip time. It correlates the round trip times with the packet

47、 sizes to calculate bandwidth. It uses the results from earlier hops for calculations on father hops.the pathchar program uses an active algorithm that sends packets varying in size from 64 bytes to the path MTU with a stride of 32 bytes.95分組發(fā)送策略分組大小從64字節(jié)到路徑MTU，按32字節(jié)步進。所以不同大小的分組共：對于Ethernet，MTU為1500

48、 bytes，則s為45。每跳每種大小分組發(fā)送p次，缺省值 p = 32。收到每個分組的應答后，再發(fā)送下一個分組。96測量開銷概算（1）花費的時間設跳數(shù)為h，li為從發(fā)送端到第i跳路由器的往返時間，則pathchar的運行時間為：若h為10跳，平均RTT為10ms，pathchar需運行144秒！97測量開銷概算（2）占用帶寬設第i跳的往返時間為li，則占用帶寬為：對一跳的網(wǎng)絡，若往返時間為1ms，則占用帶寬為：6.02Mb/s?。ㄗ⒁釨yte與bit）98測量開銷概算（3）發(fā)送的總數(shù)據(jù)對10跳的以太網(wǎng)，pathchar發(fā)送10MB的數(shù)據(jù)！99問題：（1）若采用單向時延，收發(fā)端需要同步；（2）

49、若采用RTT，鏈路不對稱，并且增加了排隊的可能性，使測量誤差加大；（3）為尋找瓶頸鏈路需逐節(jié)點、逐鏈路測試時延，因此要發(fā)送大量分組，會給網(wǎng)絡造成較大負擔。不適于探測跳數(shù)較多的鏈路；（4）單個分組探測常常采用ICMP echo/reply消息，某些路由器出于網(wǎng)絡安全的考慮，給ICMP較低的服務級別，甚至直接丟棄，致使測量誤差較大或測量失敗；（5）cross traffic使分組在路由器處排隊時延隨機變化，對測量造成較大的誤差；（6）“不可見的節(jié)點”，指有時延而分辨不出的節(jié)點，如交換機不使TTL的值減1，但有處理時延和排隊時延。100算法改進的可能思路對于單分組技術(shù)，為克服cross traffi

50、c的影響，Dowley研究發(fā)現(xiàn)，不受干擾影響的測試，其時延是所有觀察到的最小值，即SORTT（Shortest Observed Round Trip Time）。為了避免ICMP受到的限制，采用UDP或TCP協(xié)議，如TCP SYN/TCP FIN, UDP echo等。1012. 分組對技術(shù)基本思想：在源端發(fā)送相同長度的分組，并假定這兩個分組只在瓶頸鏈路處排隊，而在此之前和之后不需排隊，則在接收端測得的兩個分組的接收間隔等于這兩個分組離開瓶頸鏈路時的間隔。1022. 分組對技術(shù)若分組長度為 l ，瓶頸帶寬為bB，令兩個分組到達目的端點的時刻分別為 ，則分組到達間隔為：瓶頸帶寬可估算為：103

51、幾種分組對技術(shù)基于接收方的分組對(Receiver-Based Packet Pair，RBPP)基于發(fā)送方的分組對(Sender-Based Packet Pair，SBPP)僅基于接收方的分組對(Receiver-Only Packet Pair，ROPP)，ROPP易于配置，其精度比RBPP相差約1%。104算法示意圖105比較RBPP t is measured at the receiver:SBPP uses round trip time:Filtering techniques can be used to reject incorrect estimatesRBPP is m

52、ore accurate but harder to deployROPP sacrifices a little accuracy for ease of deploymentai: arrival time of packet iri: arrival time of ACK of packet i1062. 分組對技術(shù)問題：經(jīng)過瓶頸鏈路后，由于背景流量的存在若第1個分組排隊時延大于第2個分組則分組到達間隔受到壓縮，導致過高估計；若第2分組排隊時延較大時，分組間隔擴大，導致估計過低。分組對技術(shù)要求節(jié)點隊列管理采取FIFO機制。亂序（out of order）傳送，使得測量失效。時鐘分辨率的

53、影響，接收端時鐘頻差導致測得的兩分組間隔不準確。測試過程中路由的變化會引起瓶頸鏈路的改變。107分組對算法改進的可能思路對于分組對算法，可以做以下改進：采用統(tǒng)計的算法，用不同長度的分組對進行探測，取平均值；分組對算法能探測到的帶寬受發(fā)端發(fā)送帶寬的限制，將發(fā)端發(fā)送帶寬稱為Potential Bandwidth。PBF（Potential Bandwidth Filtering）算法：若探測得到的帶寬大于Potential Bandwidth，則判斷為時間壓縮，丟棄；若探測得到的帶寬小于potential Bandwidth, 則可能是真實的帶寬。1083. 多分組技術(shù)發(fā)送3個或3個以上的分組的技

54、術(shù)稱為多分組技術(shù)，發(fā)送分組的長度可以相同，也可以不同，令第n個分組的長度為 ，此時瓶頸帶寬為：仍然存在背景流量的問題。109瓶頸帶寬常用工具1106.3.3 IP網(wǎng)絡端到端可用帶寬測量端到端可用帶寬是指一條端到端路徑（path）在不降低競爭業(yè)務（cross traffic）吞吐率的前提下能給一個新的流（flow）提供的最大吞吐率，即最大剩余帶寬。由于可用帶寬隨著Internet鏈路上突發(fā)性競爭業(yè)務的變化而快速變化，因此可用帶寬測量方法要求快速、準確，并且對網(wǎng)絡的負荷要輕。Sink tSourceC2C3C1A111研究可用帶寬的意義端到端接入控制基于速率的流媒體應用鏡像服務器選擇路由優(yōu)化擁塞控制服務質(zhì)量評估等112可用帶寬測量方法基于SNMP的方法基于競爭業(yè)務統(tǒng)計模型（