肖宇峰，朱 鸽，张 钊

(西南科技大学a.信息工程学院;b.特殊环境机器人技术四川省重点实验室，四川绵阳621010)

探测包长可变的往返时延测量

肖宇峰a，b，朱 鸽a，张 钊a

(西南科技大学a.信息工程学院;b.特殊环境机器人技术四川省重点实验室，四川绵阳621010)

作为高清视频传输领域的新型技术，巨帧传输加剧了网络延迟动态性，使得传统时延测量方法很难准确估计往返时间。提出了一种探测包长可变的往返时延测量方法:测量初期，确定保证超时定时器稳定工作的增益系数和偏差权重系数范围;测量期间，根据包长动态设定这两个系数。该方法使得超时定时器能反映时延的动态性，提高定时准确性，减少不必要的重传。实验表明该方法可在巨帧网络中有效测量往返时延。

高清视频传输;网络测量;时延;超时;巨帧

网络视频对时延非常敏感，对其传输网络的时延测量是部署视频业务、保证服务质量的重要依据。影响端到端时延的因素有网络节点的处理速度、网络吞吐量、网络节点处的拥塞状况等，复杂的网络结构和多变的网络流量使得时延量化成为很难的问题。为能实时准确地了解网络端到端时延，测量并分析时延成为量化时延的一种重要手段。时延测量在过去十多年里得到了广泛研究，其方法根据探测程序的部署方式可分为主动时延测量和被动时延测量［1］。这里的主动时延测量是本文讨论的重点，具有部署灵活、实现简单的优势，在网络管理系统中得到了大量应用。端到端时延可分为单向时延和往返时延，前者只讨论一端到另一端的延迟情况，而后者讨论两端双向的延迟［2-4］。相对于单向时延面临的时钟同步难题，往返时延没有时钟精确性问题，实现更加简单。常见的往返时延测量有:基于ICMP协议的网络连通性测试工具，如Ping、Tracert;TCP协议中Jacobson算法的RTT测量［5］。在近年来的研究成果中，Ludwig和soandso针对无线网络特点提出了测量RTT的Eifel算法［6］;Nunes采用FSE(Fixed Share Experts)提出了测量RTT的机器学习方法［7］。

尽管时延测量的研究取得了大量成果，而且一部分已经转化为实际的网络管理工具。但是，这些研究讨论的网络包最大尺寸在1 500 byte左右。随着千兆以太网的快速发展，传统的以太帧封装方法正被大数据量应用挑战，一些采用4 000 byte，8 000 byte的帧封装技术正逐步被高清视频传输、高速网络存储采纳［8］。这样一些超常规的数据包被称为巨帧，最大长度可达9 018 byte。相比传统以太帧，巨帧在通信质量很高的信道中会有更高的传输效率。这些巨型数据包给网络时延带来了很多变化，除了随之而来的时延值增加外，网络的时延抖动也更加剧烈。由于传统网络的包长小于2 000 byte，其时延测量方法很少考虑数据包长对时延的影响，不能适应巨帧给网络带来的变化［9］。

针对传统时延测量在巨帧网络中的不足，本文提出了一种探测包长可变的往返时延测量方法。在Jacobson算法基础上，该方法可根据探测包长来设定超时定时器的控制量(增益系数和偏差权重系数)，使得超时定时器能反映时延的动态性，提高定时准确性，避免不必要的重传。在具体测量时延之前，该方法还需要发现保证定时器稳定工作的控制量范围。实验证明，本文的方法能适应包长的变化，在巨帧出现时可有效测量往返时延。

1 探测包长可变的往返时延测量

1.1 时延测量与超时定时器

往返时延描述了数据包沿端到端路径折返经历时延的总和，其测量的基本过程为:首先，源端计算机向目的端主动发出探测包;其次，目的端收到该包后再向源端返回一个应答包;最后，计算这种往返式探测包发送时刻与返回时刻的时间差。由于探测包可能在路径的中间结点处经历丢失，为避免测量过程因等待丢失包而无穷等待或者计算错误，需要为探测过程设置超时定时器，具体使用方式为:发送探测包时启动超时定时器;当超时发生时，放弃本次测试并发送下一个探测包。超时定时器应根据当前往返时延合理设定，过短的超时时间会增加测量开销，过长的超时时延会带来不必要的等待时间，二者都会导致低效的测量过程。本文根据经典的Jacobson算法给出了计算定时器超时时间的基本公式为

式中:Trto是超时时间;Tsrtt是当前时延测量值;Tsrtt=Tsrtt+ α·ΔT;Trttvar=Trttvar+β·(|ΔT|-Trttvar)，ΔT=Trtt-Tsrtt。

上述的Tsrtt是根据往返时延测量值得到的估计值，Trttvar是均值方差，α是增益系数，β是偏差权重系数。α取值0～1，其作用是平滑Tsrtt:该值越小，时延估计值受当前Trtt值的影响越小;该值越大，时延估计值受当前Trtt值的影响越大。β决定了Trto对Trtt变化的响应速度:该值越到小，响应越慢;该值越大，响应越快。

1.2 超时定时器的控制参数调整

图1记录了一个巨帧网络中时延随探测包长变化的情况，横轴是探测包的长度，纵轴是时延抖动频度。从该图记录的测试数据可以发现实际网络的时延特性会随着数据包长度的变化而变化，尤其是在存在巨帧的网络:包长增加时，时延呈线性增长，而时延抖动也呈加剧趋势;包长减小时，时延下降，而时延抖动趋于平缓。α和β在实际应用中一般固定为经验值0.125和0.25，对普通数据包长比较合理(包长从几十字节到1 000字节)。但网络中出现巨帧这类长型数据包时，其取值往往会过滤巨帧带来的时延特性变化，导致定时器的超时值不合理。

考虑到上述情况，根据包长调整定时器控制参数将使得超时时间更加合理，更能充分反映大型包对网络时延带来的变化。假设α取值［α1，α2］、β取值［β1，β2］时定时器工作比较稳定，网络中数据包长l变化范围为［l1，l2］字节。根据α和β与包长l的线性关系

图1 不同探测包长的时延特性变化

有如下表达式

式(3)表明，在确定控制参数工作区间和包长范围后，可根据包长调节α和β来适应时延的动态变化。

1.3 算法步骤

根据上述思路，本文设计如下的往返时延测量算法，具体步骤为:

第一步，初始化网络参数，确定网络数据包的长度范围。对于巨帧网络，包长超过了普通的1 500 byte，可达到4 000 byte，乃至9 000 byte。

第二步，探测超时定时器参数工作范围。通过循环发出多组探测包，可确定保证定时器稳定工作的α和β取值区间。

第三步，设定动态的超时定时器控制参数。确定当前探测包长度l，根据式(3)计算α和β数值，并根据式(1)计算超时时间值Trto。

第四步，启动往返时延测量过程:

1)发出探测包P，同时记录下发送时刻T1，并启动超时定时器;

2)如果超时发生，转1);

3)如果探测包的应答包P'返回，记录下接收该包的时刻T2，计算当前往返时延测量值Trtt=T2-T1;否则，转2);

4)如果需要改变探测包长，转第三步;如果需要结束探测过程，直接退出;否则，根据式(1)计算超时时间值Trto，转1)发送下一探测包。

2 实验

为验证上述时延测量方法，本文安排了图2所示的测试网络:计算机A、B和C均安装了配置巨帧的网卡，连接计算机的交换机D和E网口打开了巨帧设置。另外，网络中安装的高清相机以巨帧方式向计算机C发送视频包，数据包长度从50～9 000 byte不等。时延测量程序部署在计算机A上，从该源端向目的端的计算机B发送往返探测包。为对比分析本文方法的有效性，计算机A上安装了3种不同版本的时延测量程序:无超时定时器的测量程序、基于Jacobson算法的测量程序和探测包长可变的测量程序。

图3给出了3组无超时定时器的往返时延测量数据，分别对应60 byte，1 000 byte和5 000 byte三种不同长度的探测包。由于未考虑丢包带来的影响，一些时延测量值偏大，而且抖动很大。

图2 实验网络

图3 无超时定时器的时延测量

实验发现α取值(0.01，0.125)、β取值(3.5，6)时定时器工作比较稳定，根据式(3)不难得出α和β的算式为

图4～图6分别对比了不同包长时基于Jacobson算法的测量程序和探测包长可变的测量程序的时延。

图4 探测包长为60 byte时延测量

图4中，探测包长为60 byte，Jacobson算法和本文方法测量结果没有显著区别，基础时延跟图3测量值基本吻合。图5中，探测包增加到1 000 byte，图3记录的时延抖动明显加剧;Jacobson算法的数据中出现了少数时延很大的包，但随着测量继续，时延抖动被明显过滤掉了;本文方法的数据中出现了不少时延很大的包，而且重要的时延抖动被记录下来。图6中，探测包长为5 000 byte，图3记录的时延抖动更加显著;Jacobson算法的数据中出现了部分时延很大的包，但随着测量继续，时延抖动也被过滤掉了;本文方法的数据保持了基础时延稳定性，同时又体现了局部显著的时延抖动。实验对比可见，随着探测包长度增加，Jacobson算法会过滤掉大量标度时延范围内的准确时延，定时器因没有适应网络帧长变化而变得不准确;而本文方法能适应帧长变化带来的时延动态性，较大时延和时延抖动均被记录下来，保证定时器的准确工作。

图5 探测包长为1 000 byte时延测量

图6 探测包长为5 000 byte时延测量

3 小结

经典千兆以太网的最大帧长不超过1 518 byte，每秒支持80 000以上的数据包流经网络。而在最大长度可达9 018 byte的巨型帧网络中，不到14 000个数据包即可承载上述数据量。虽然巨帧有更高的传输效率，但增加了网络时延，加剧了时延抖动，使得传统的往返时延测量方法不再适用。本文提出的方法可根据探测包长来设定超时定时器控制量，使得超时定时器能反映时延的动态性，提高定时准确性，避免不必要的重传。

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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

【本文献信息】肖宇峰，朱鸽，张钊.探测包长可变的往返时延测量［J］.电视技术，2014，38(23).

四川省教育厅重点项目(14ZA0091);四川省应用基础研究计划项目(2012JYZ003);核能开发科研项目(［2011］1137)

肖宇峰(1978—)，硕士生导师，主研计算机网络通信;

朱 鸽(1991—)，硕士生，主研宽带网络技术;

张 钊(1988—)，硕士生，主研网络测试。