第３０卷第９期２００８年９月
电子与信息学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．３０Ｎｏ．９
Ｓｅｐｔ．２００８一种新的ＩＰｖ６网络带宽测量方法
李智涛山徐雅静∞刘利宏②徐惠民∞
…ｆ北京邮电大学电信工程学院北京１００８７６）
…（总装备部工程设计研究总院总体室北京１０００２８）
摘要ｌ该文提出一种新的应用于ＩＰｖ６网络的带宽测量方法ＰＴＴＳ（ＰａｃｋｅｔＴｒａｉｎＴｉｍｅＳｔａｍｐ）。源端主动向网络发送报文序列（Ｍｈ＿Ｌ—Ｍ‘ｐａｃｋｅｔｓｔｒａｉｎ），序列中负载报文反应网络流量特征，测试报文带有ＩＰｖ６时间戳扩展报文头，逐跳记录路由器的当前时间，获得报文序列通过链路所花费时间，得到可用带宽。同时利用ＩＰｖ６基本报文头中流标签字段定 义测试流，确保报文列中测试报文和负载报文路径一致；利用流量类型字段，增设用于网络测量的测试级消除其与背景业务的相互影响。仿真证明，报文设计合理，测量方法可行。
关键词：ＩＰｖ６网络；可用带宽；报文序列；ＩＰｖ６；时间戳
中图分类号：ＴＰ３９３．０６文献标识码：Ａ文章编号：１００９—５８９６（２００８）０９．２２８３—０４ＡｎＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＡｖａｉｌａｂｌｅＢａｎｄｗｉｄｔｈＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎＩＰｖ６Ｎｅｔｗｏｒｋｓ
ＬｉＺｈｉ—ｔａｏ①ＸｕＹａ－ｊｉｎｇ①ＬｉｕＬｉ—ｈｏｎｇ②ＸｕＨｕｉ—ｍｉｎ①
变压器容量选择
①（丁ｅｌｅｃＤ仃ｚ丌。ｕｎｉｃ口ｔｉｏ礼Ｅｎｇｉ佗ｅｅｒｉｎ夕ＳｃｈＤｏｆ７Ｂｅｉｊｉｎ９Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ可ｏｒＢｏｓｔｓ口ｎｄＴｅｌｅｃｏ仃Ｌｍ乱ｎｉｃｏｔｉＤ佗，Ｂｅｉｊｉｎ夕１００８７６，Ｃｈｉ几ｏ）
②（ＢｅｉｊｉｎｇＳｐｅｃｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎａｐｐｒｏａｃｈｔｏａｖａｉｌａｂｌｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎＩＰｖ６ｎｅｔｗｏｒｋｓｃａｌｌｅｄＰａｃｋｅｔＴｒａｉｎＴｉｍｅＳｔａ
ｍｐ（ＰＴＴＳ）ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＡＤｅｗｐａｃｋｅｔｔｒａｉｎ（Ｍｈ＿Ｌ—Ｍ‘）ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐａｃｋｅｔｓｈａｖｅｔｈｅＩＰｖ６ｔｉｍｅｓｔａｍｐｅｘｔｅｎｓｉｏｎｈｅａｄｅｒａｎｄｔｈｅｌｏａｄｐａｃｋｅｔｓｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｅｓｏｕｒｃｅｓｅｎｄｓｐｒｏｂｅｐａｃｋｅｔｔｒａｉｎ（Ｍｈ＿Ｌ—Ｍ‘）Ｉｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｒｏｕｔｅｒｔｉｍｅｉｓｒｅｃｏｒｄｅｄｉｎｅａｃｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐａｃｋｅｔｓ．Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｈｅｓｅｔｉｍｅｓｔａｍｐｂｙｔｈｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｖａｌｕｅｏｆａｖａｉｌａｂｌｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｉｓａｃｑｕｉｒｅｄ．ＵｓｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｌａｂｅｌａｎｄｔｒａｆｆｉｃｃｌａｓｓｆｉｅｌｄｓｉｎｔｈｅＩＰｖ６ｈｅａｄｅｒ．ｔｈｅｔｅｓｔｃｌａｓｓａｎｄｓｔｒｅａｍｉＳｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｒｏｓｓｔｒａｆｆｉｃ．Ｔｈｉｓａｐｐｒｏａｃｈｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＰｖ６ｎｅｔｗｏｒｋ；Ａｖａｉｌａｂｌｅｂａｎｄｗｉｄｔｈ；Ｐａｃｋｅｔｔｒａｉｎ；ＩＰｖ６；Ｔｉｍｅｓｔａｍｐ
１引言
网络中的传输路径由从数据源到目的地一系列存储转发链路组成。带宽是指网络上数据报文的最大传输速率。瓶颈带宽指源节点到目的节点之间处理能力最低的链路所能达到的最大数据传输速率。然而，业务流很少能独占一条路径，经常是和其他业务流共享网络，此时业务流所能得到的带宽就是通常所说的可用带宽。
近年来人们设计了大量的带宽测试算法和测试系统【１＿７１。算法从广义上主要有两类，一是数据包对（Ｐａｃｋｅｔｐａｉｒ）算法，衍生算法有ｂｐｒｏｂｅ改进算法，ＴＯＰＰ算法，（改进型）ＰｏｔｅｎｔｉａｌＢａｎｄｗｉｄｔｈＦｉｌｔｅｒｉｎｇ（ＰＢＦ）算法，ＰａｃｋｅｔＴａｉｌｇａｔｉｎｇ（ＰＴ）算法，ＰＢＭ算法等；二是Ｐａｔｈｃｈａｒ算法，衍生的有非对称链路算法。
本文提出的测量方法是应用于ＩＰｖ６体系类属于数据包对算法的路由器协作主动测量方法——报文序列时间戳方法（ＰＴＴＳ）。本方法中源端背靠背地向网络发送由测试报文
２００７－０３－０５收到，２００７—０７－３１改回
国家８６３计划项目（２００６ＡＡ０１２２３５）和国家自然科学基金（９０６０４０１９）资助课题和负载报文组成的探测报文序列（Ｍｈ－Ｌ．Ｍ‘）。利用时间戳机制记录测试报文（Ｍ“和Ｍ‘）通过路由器的时间，间接获得每个报文序列通过链路的时间，最终得到链路带宽。在测量过程中利用
ＩＰｖ６报头中的流标签和业务流字段，设计专门的测试流和测试级，保证探测报文序列路径一致并且不被其它竞争流量分离。本文安排如下，第２节介绍ＰＴＴＳ方法的设计思想，第３节提出带宽统计算法，第４节是仿真验证，最后一节给出结论。
２ＩＰｖ６中ＰＴＴＳ带宽测量方法设计
２．１基本概念与数学模型
传送过程中分组ｋ经过链路ｉ经历排队时延（盘嘶），传播时延（‰，，），传输时延（《蚵）和处理时延‰即
互‘＝喀。ｅｉ＋盘０ｐｉ＋ｔ：。丑ｉ＋ｔｐ兰ｏ。（１）定位板
ｔ‘＝∑（ｔ‰萌＋筇ｋ。，。＋ｔ：叫）（２）
ｌ＝ｌ
其中砰表示分组南经过链路ｉ的时间，ｔ‘是分组克经过整个路径的时间。当测试分组序列的发送间隔满足一定要求，可以求出链路可用带宽且。
Ｂ：—ＬＥ—Ｎ（３）
万方数据
电子与信息学报第３０卷
其中ＬＥＮ表示探测分组序列长度，△Ｔ表示序列在链路的
分离时间。
包对法测量就是通过测量报文的分离时间获得可用带
宽，在测量过程中做如下假设：
（１）路由器对于到达的数据包采用先进先出（ＦＩＦＯ）的方
式调度、转发；
（２）探测序列中的所有分组路径一致。
本文提出的方法类属于包对法测量，设计了全新的测试
报文序列，增设了测试级和测试流解决包对法固有的测量假
设问题。同时采用离散化滤波方法对测量的样本空间进行处
理，获得链路的可用带宽。
２．２测试报文序列的设计2-氯-5-甲基吡啶
为了更好地反映网络真实情况，ＰＴＴＳ方法不发送等长
探测报文，而是发送探测报文序列。其结构如图１所示。序
列由测试报文（Ｍ“，ＭＴ）和负载报文（ＬＯＡＤ）两部分组成。其
中负载报文用于反映网络的流量特性㈣。文献『８１介绍ＩＰ网络
中，４０ｂｙｔｅ的数据包约占５０％，５５２或者５７６ｂｙｔｅ的数据包
占２０％，１５００ｂｙｔｅ的数据包占１０％。ＰＴＴＳ方法中负载报文
干旱区研究
符合上述分布情况。测试报文采用带有时间戳扩展头的ＴＣＰ
／ＵＤＰＩＰｖ６报文，每跳路由器将当前时间记录在扩展报头
中，目的端负责提取报文的时间戳序列。通过时间戳序列获
得探测报文经过每跳链路的分离时间，对其做统计处理得到
路径可用带宽。那么如何获得报文每一跳的时间戳呢？
ＲＦＣ７８１中定义了ＩＰｖ４的时间戳选项，目前对于ＩＰｖ６无相
关定义，本文设计一种新的ＩＰｖ６时间戳扩展报文来记录报
文通过路由器的时间。
尾部删试撤丈负载撒文
头部测试报丈
圆圆卫二亟［囡圈
图１测试报文序列的结构
ＩＰｖ６扩展头通过ＩＰｖ６头中“下一报头”字段标识。根据国际组织ＩＡＮＡ所给出的“ＰｒｏｔｏｃｏｌＮｕｍｂｅｒ”列表，目前未指派的编号是１３８—２５２。对于时间戳扩展头，使用１３８来标识。根据ＲＦＣ２４６０［９Ｊ规定的格式，ＩＰｖ６时间戳选项扩展头格式如图２。其中：下一报头（ｎｅｘｔｈｅａｄｅｒ）：占用ｌｂｙｔｅ。所有ＩＰｖ６扩展头均包含此字段，用于标识下一头类型。
扩展头长度（ＨｄｒＥｘｔＬｅｎ）：占用ｌｂｙｔｅ，用以标识时间戳选项扩展头的长度，该长度以８ｂｙｔｅ为单位，不包含扩展头第一个８ｂｙｔｅ，如果扩展头只有８ｂｙｔｅ长，该字段为０。此
！！主剑笪鲨区止当型唑竺
Ｄａｔａ（６４）
图２ＩＰｖ６时间戳选项报文格式字段限制了扩展头最多为２０４８ｂｙｔｅ。
类型（ｔｙｐｅ）．占用ｌｂｙｔｅ，标识时间戳选项头的类型。根据ＲＦＣ２４６０建议，Ｔｙｐｅ字段的高两位值为００，表示“若ＩＰｖ６节点不支持该选项类型，则跳过本扩展头处理下一个扩展
头”，本文以４表示“逐跳路由器时间戳”，故Ｔｙｐｅ字段为０００００１００。
数据指针（ｄａｔａｐｏｉｎｔｅｒ）：占用１ｂｙｔｅ，标识当前已经记录的时间戳数量，同时表明下一个时间戳存放在扩展头中的位置。Ｄａｔａｐｏｉｎｔｅｒ初始值是０，当带有时间戳扩展头的ＩＰｖ６报文经过路由器时，路由器在“ｄａｔａ”字段写入当前时间，同时将Ｄａｔａｐｏｉｎｔｅｒ值加ｌ，除非“ｄａｔａｐｏｉｎｔ值已经是２５５”超过可记载最大时间戳数量。路由器记录时间戳的位置计算方法如下：该位置的真实地址是从时间戳扩展报文头的首部算起第（８Ｘｄａｔａｐｏｉｎｔｅｒ＋１）个字节。
填充（ＰＡＤＳ）：占用４ｂｙｔｅ，仅用于填充，保证时间戳报文头在去除“ｄａｔａ”字段后长度是８ｂｙｔｅ的整数倍。
数据（ｄａｔａ）：扩展头中数据，记录报文通过路由器的具体时间（时间戳）。每个时间戳占用８ｂｙｔｅ。时间戳是从ＵＴＣ午夜开始到当前时间所经过的微秒数。受“ＨｄｒＥｘｔＬｅｎ”限制，最多记２５５个时间戳。
２．３ＩＰｖ６中测试流和测试级的设计
多数包对法测量方法中，都不能很好地解决２．１节中假设条件第（２）点。原因在于：（１）测试
报文和背景流量具有相同优先级，当测试报文序列被首尾相连地发送时，并不能像事先设想的那样被分开，即第一个和最后一个报文到达目的地的时间间隔并不能很好地反应带宽的情况：（２）所有测试报文转发过程中选择的路径并非一致。
本文利用ＩＰｖ６报文头中的流标签和流量类型字段来解决此问题。ＩＰｖ６包头中定义了２０ｂｉｔ的流标签字段和８ｂｉｔ的流量类型字段吼流标签字段用于标识ＩＰｖ６路由器需要特殊处理的包序列。ＰＴＴＳ方法将探测报文序列中所有报文的流标签字段定义为统一值，这样保证序列中所有报文在转发过程中选择固定且唯一的路径。为了解决报文相互影响问题，利用ＩＰｖ６报头中流量类型字段，增加特殊的测试流级别（简称测试级）。测试级被定义为ＩＰｖ６报文中的最低优先级，源节点和转发路由器只有在没有其他数据进行处理时才会处理测试报文。这样测试报文不会对网上已有的业务产生影响。因此，测试时可以很小的间隔发送大量测试报文序列得到测试结果，提高测试效率。
３带宽统计算法
探测报文序列中第ｋ个头部测试报文劈获得的时间戳序列为Ｔ小＝｛矿，矿，…，ｔ２｝，第七个尾部测试报文只‘的时间戳序列为ＴＡ＝｛ｔＰ，矿，…，￡嚣），其中Ｍ为被测路径的链路数。
Ｇ０：ＴＡ—Ｔ船（４）
万方数据
第９期李智涛等：一种新的ＩＰｖ６网络带宽测量方法２２８５
∞是长度ｋ纠＝Ｌｅｎｌｏａｄ＋Ｎ×Ｌｅｎ。。报文经过测试路径中每跳所花费的时间序列（由时间戳增加的报文长度忽略不计），Ⅳ表示头部测试报文数目，亦即尾部测试报文数目。砖＝等＝监挚ｔ．，ｖＭ
ｕ盯
（５）嘞为第ｋ个头部与尾部测试报文探测得到的通路中每跳链路的可用带宽序列。
在Ⅳ时间内，以频率，对链路进行探测，得到每跳链路
带宽的样本数为仃＝ＷｆＮ，对ｎ个样本进行滤波处理，最终得到链路的可用带宽。本方法中采用离散化低通滤波器，滤波公式为鼠弘％＋（１＋ａｋ）挚（６）
其中ａ女＝（２Ｔ—Ａｋ）／（２ｒ＋Ａｋ）；７．为滤波器的取样周期；
Ａｋ为时间差：反一，为卜１时刻滤波处理后得到的带宽统计值，ｋ，ｂｋ一，分别为ｋ，卜１时刻带宽样本值。离散化低通滤波器能有效地将突发的干扰流量滤除，利用相邻测量结果的相关性，收敛速度快，计算量较小。能够很好地满足ＰＴＴＳ方法对测量实时性、算法运算量和收敛速度等各方面要求。
４仿真及分析
仿真配置环境如图３（ａ），３（ｂ）所示，图３（ａ）中背景流量为单跳背景流。Ｘ，ｙ＇Ｚ链路容量分别是８０Ｍｂｐｓ，５０Ｍｂｐｓ，８０Ｍｂｐｓ；Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３代表背景流量，分别流经链路Ｘ，ｙ和Ｚ。图３（ｂ）中背景流量为路径背景流（非单跳）。本文首先考察在链路利用率为２０％，８０％，５０％时包对法的测量结果。
图５给出了实际可用带宽值在０Ｍ，５Ｍ，１０Ｍ，１５Ｍ，２０Ｍ，２５Ｍ，３０Ｍ，３５Ｍ，４０Ｍ，４５Ｍ，５０Ｍ的测量结果。可以看出ＰＴＴＳ方法在两种网络模型均能够测量出链路可用带宽的真实值。
图４包对列（＾ｋ３）仿真结果
。
图５ＰＴＴＳ方法的测量结果
（ｎ）译跳背景流（ｂ）路径背璇流
图３仿真配置图蝉５结束语
～３ＫＪ
孵化器
一
本文提出一种适用于ＩＰｖ６网络的可用带宽测量方法
对于本文提出的方法，从源端向目的端发送带有ＩＰｖ６时间戳选项的ＩＣＭＰｖ６ＥｃｈｏＲｅｑｕｅｓｔ报文，目的端接收此报文后，生成ＩＣＭＰＥｃｈｏ（请求回显）报文，并将原报文中的ＩＰｖ６扩展报文头中数据复制到回显报文中，发回源端。发送间隔为ｌＯｉｎｓ，背景流量为ｐａｒｅｔｏ分布（ａ＝１．９），考察在不同可用带宽下的测量结果。
图４为包对列法（＾ｋ３）在图３（ａ）配置情况下３种链路利用率下１５００次试验中结果分布情况。图中横坐标表示有效带宽，纵坐标表示１５００次试验中每种带宽值的统计数量。可以看出包对列法测量结果逐渐收敛，集中在文献【１］中提到的ＡＤＲ（ＡｓｙｍｐｔｏｔｉｃＤｉｓｐｅｒｓ
ｉｏｎＲａｔｅ）附近。但是，无论链路的负载情况如何，包对列法无法测出可用带宽。ＰＴＴＳ。该方法需要路由器支持ＩＰｖ６时间戳扩展报文。此方法克服了已有带宽测量方法所固有的测量时间长，对网络中已有业务流影响大的缺点。因此可以适用于无线网络等低带宽的网络环境中。仿真验证探测报文序列设计合理，测量方法可行。
在未来的工作中将考虑能否将这种思想推广到支持区分服务的网络环境中，以解决更多测量问题。
参考文献
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ＩＥＴＦ．
ＭｅｌａｎｄｅｒＢ，ＢｊｏｒｋｍａｎＭ，ａｎｄＧｕｎｎｉｎｇｂｅｒｇＰ．Ａｎｅｗ
ｅｎｄ．－ｔｏ・・ｅｎｄｐｒｏｂｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｆｏｒｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ
ｂａｎｄｗｉｄｔｈｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓ．ＩｎｔｈｅｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩＥＥＥ
ＧＬＯＢＥＣＯＭ，ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ，２０００：４１５—４２０．
李智涛：
徐雅静：
刘利宏：
徐惠民：
女，１９７８年生，博士生，研究方向为ＩＰ网络测量和行
为测量及ＱｏＳ管理．
女，１９７７年生，讲师，研究方向为无线宽带接入技术．
男，１９７８年生，工程师．研究方向为数值计算与仿真．
男，１９４１年生，教授，博士生导师，研究方向为宽带网
络通信．
万方数据
豫公网安备41160202000603
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