網絡的端到端特性的非幹擾測量的製作方法
2023-10-27 20:04:17 1
專利名稱：網絡的端到端特性的非幹擾測量的製作方法
技術領域：
本發明涉及網絡測試，特別涉及一種對通過網絡的數據傳輸的端到端特性進行非幹擾測量的方法和設備。
網絡為數據傳輸提供單向的虛擬或物理通路或通道。網絡流是通過網絡的一段時間的數據傳輸。在一個網絡流中，數據單元從網絡的入口流到出口。例如，網絡是IP網，ATM網和諸如電話網的電路交換網。數據單元是IP信息包，ATM信元和數據字節。為簡單起見，下面描述的是在IP網的環境中，所以IP網，IP虛擬通道，IP信息包和信息包流這些術語被使用。
一個信息包流的端到端特性可以通過幾個量來測量，例如吞吐量，端到端延時，信息包丟失等等。測量這些量有兩種方式。一種是主動方式，另一種是被動方式。
在主動方式中，用於檢測，具有特殊標識和時標的信息包被注入信息包流的入口。在出口處這些特殊的監測信息包被識別出來，從信息包流中除去，並加上時標。像端到端延時和信息包丟失這樣的量可以通過分析已接收的監測信息包測量。主動方式的優點是直接簡單，既可用於在線也可用於離線。主要缺點是在線使用時，無論被注入的監測信息包流多麼小，這些監測信息包流總會干擾工作信息包流。而且，既然網絡狀態是動態的，離線測量可能不會反映信息包流的實際特性。
在被動方式中，沒有監測信息包被注入待測量的信息包流中。而是在信息包流的入口和出口截取操作數據信息包，不幹擾信息包流本身，這樣用於每個數據信息包的測量信息包被產生。來自於兩端點的測量信息包具有相關性，從而獲得端到端特性的量度。與主動方式相比較，被動方式是非幹擾的。它不會以任何形式幹擾工作信息包流。這種好處的代價是被動方式更複雜，更難實現。由於依靠工作信息包流，被動方式在網絡實際工作之前不會評定網絡通道的端到端特性。
一種用於ATM網絡的監測系統是由紐西蘭Waitato大學提出的WAND方案，這個方案公布在網址http://atm.cs.waikato.ac.nz/wand.WAND集中於ATM網的時延測量，特別將CRC用於數據相關(ATM信元的匹配)，使入口的一個信元和出口的信元表相匹配。
所希望的是獲得一種有效地監測端到端特性的非幹擾方法。
因此，本發明相應地為使用被動方式非幹擾地測量網絡流量的端到端特性提供了一種方法和設備。當數據單元通過網絡進入網絡通道時，一個入口監測器非幹擾地截取數據單元。同樣當它們離開這條網絡通道時，一個出口監測器截取同樣的數據單元。每個監測器使用同步時鐘為每個截取的數據單元產生時標，為每個數據單元獲得唯一的標識，以便同一個數據單元在入口和在出口有同樣的標識。另外入口和出口監測器分別計算從網絡流中獲得的信息包數。標識，時標和信息包計數值形成一個記錄項，被保存在每個監測器的記錄項隊列裡。數據相關器連接到一個帶外網絡上，同時監測器也連接到這個網絡上，數據相關器周期性地從每個監測器上抽取記錄項表，通過匹配標識使記錄項表相關。來自於兩個表中有同樣標識的記錄項的時標經處理後得到這個網絡通道的端到端延時，在一給定時間段中計數值的差值提供了端到端信息包丟失的測量。
下面的詳細說明中描述了本發明的目的，優點和其他的新性能。讀詳細說明時可以結合附加權利要求和附圖。
圖1是根據本發明的對網絡通道的端到端特性進行非幹擾監測的系統的結構視圖。
圖2是根據本發明的對網絡通道的端到端特性進行非幹擾監測的方法的流程圖。
圖1表示用於監測網絡通道端到端特性的非幹擾方法的總的結構。為測量端到端特性，在通過網絡16的信息包流14的入口12和出口22處分別放置監測器10,20。這兩個監測器10,20通過帶外網絡24連接到數據相關器18，帶外網絡24獨立於被監測的信息包流14，不會造成幹擾。監測器10,20和數據相關器18有同步時鐘26。在兩端點12,22的監測器10,20從被監測的網絡流中截取信息包，計算已獲得信息包的數量，並從這些信息包中抽取測量數據，給測量數據加上時標。數據相關器18從監測器10,20中抽取測量數據，使它們相關聯，以確認來自於兩個監測器的數據屬於同一信息包，從而得到測量結果。
在入口12的監測器10以非幹擾的方式實時截取所有流入通道14的數據信息包。當來自於數據信息包流14的一個數據信息包被截獲時，監測器10產生一個時標，抽取數據信息包的一個標識。監測器10也保存已獲得信息包的計數。信息包標識是一種信息，用於區別所研究的信息包和在同一信息包流14中的其他信息包。在大多數情況下，循環冗餘校驗的特殊形式可用作信息包標識，例如，數據信息包中的全幀CRC(隨每次跳躍而改變的IP信息包頭中的CRC除外)。其他信息，比如數據信息包頭中的某些幀，可以在需要時抽取。因此對於每個數據信息包監測器產生一條包括標識，時標，計數的記錄項，即信息包標識，時標和已獲得信息包的計數。監測器10保存一個按時標遞增順序排列最近記錄項的隊列，用於數據恢復和數據相關器10的處理。準確地說，多長時間的記錄項被保存取決於幾個因素，比如，端到端信息包流的延時，帶寬和在數據相關器18和監測器10,20之間的帶外網絡的延時。
在出口22的監測器20對從出口流出的數據信息包作與入口12的監測器10同樣的處理。
數據相關器18對端到端特性的測量數據進行周期地抽樣。經過抽樣，數據相關器18從監測器10,20分別抽取一個記錄項表，使兩表相關，得到端到端信息包流特性的測量值。數據相關器18將兩個表中的信息包標識(s-i；s-e)匹配直到一表的子集和另一表的子集相匹配，從而使兩表相關。做相關運算時，如果一表中的記錄項和另一表中的記錄項相匹配，那麼這兩個記錄項包含同樣的信息包標識，並被認為是同一個數據信息包(P-l)的測量值。當數據信息包進入信息包流時，入口監測器10中的記錄項(P-i-l:S-i-l,T-i-l,C-i-l)包含時標(T-i-l)。當這個數據信息包離開信息包流時，出口監測器20中的記錄項(P-e-l:S-e-l,T-e-l,C-e-l)包含時標(T-e-l)。這時，S-i-l=S-e-l。兩個時標的差值就是數據信息包流流過網絡通道的端到端延時。數據相關器從監控器10,20中抽取數據的頻率和每次抽取的數據量取決於使用的特定配置，帶外網絡24的可利用帶寬和其他相關因素。
在稍後的間隔n，數據相關器18識別另一對匹配記錄項(P-i-n:S-i-n,T-i-n,C-i-n),(P-e-n:S-e-n,T-e-n,C-e-n)，此時S-i-n=S-e-n。((C-i-n-C-i-l)-(C-e-n-C-e-l))是P-l和P-n之間信息包丟失的數量。信息包丟失比是((C-i-n-C-i-l)-(Ce-n-C-e-l))/(C-i-n-C-i-l)-(C-e-n-C-e-l)，信息包丟失率是((C-i-n-C-i-l)-(C-e-n-C-e-l))/(T-i-n-T-i-l)。
下面進一步說明測量數據相關。假設在時刻T數據相關器18從監視器10，20中抽取Ts到T時刻的所有記錄項，此時Ts＜T。來自於入口監視器10的表是List-i:(Pi-l:S-i-l,T-i-l,C-i-l,…,P-i-m:S-i-m,T-i-m,C-i-m)此時，(P-i-l:S-i-l,T-i-l,C-i-l)是一個信息包標識為S-i-l，時標為C-i-l，計數為C-i-l的記錄項。來自於出口監視器的表是List-e:(P-e-l:S-e-l,T-e-l,C-e-l,…，P-e-n:S-e-n,T-e-n,C-e-n)。假設表i的子表(p-i-x1,…,P-i-xk)與表e的子表(P-e-yl,…,P-e-yk)相匹配，即S-i-xj=S-e-yj,j從l到k。這樣S-i-xj和S-e-yj被認為是同一數據信息包P-j的信息包標識，T-i-xj和T-e-yj是數據信息包P-j分別通過入口12和出口22的時刻。那麼T-e-yj-T-i-xj是數據信息包流過網絡通道14的端到端延時。通過計算匹配子表中所有數據信息包的測量數據，得到一組延時測量值。
同樣，任何兩個數據信息包之間的信息包丟失，如上所述，可以通過它們的信息包計數值來計算。
上述處理中產生的單個信息包的延時測量可用於分析網絡流量的各種短期和長期延時。經過一段長時間的延時測量抽樣可用於產生統計量，比如，百分比圖，柱狀圖和分布圖，以分析網絡流量延時的長期分布和趨勢。數據相關器18得到的每個延時測量表都經過一段短的時間，可用於獲得短期延時抖動。通過對延時測量表周期取樣，也可分析延時抖動的趨勢。
同樣根據單個信息包丟失測量值，也可分析短期和長期信息包丟失特性。
上述討論中，為了說明的方便，假定數據相關器周期地從入口監測器10和出口監測器20抽取測量信息包表。而在實際應用中入口監測器10和出口監測器20可以將測量信息包壓棧進入到數據相關器18中。實際上壓棧模型在一些情況下更為有效。
圖1的結構是理論上的。實際實現時，為降低對帶外網絡24的帶寬要求，數據相關器18的功能可被置於監測器10,20中的一個。組合的數據處理器和監測器的實現至少有兩個優點(a)降低對網絡帶寬的要求；(b)可以實現數據相關器18從常駐的監測器10,20中得到更長的數據表，這增加了數據相關時的搜索範圍。另一方面物理上分離的數據相關器18可以容易地被監測不同信息包流的多對監測器10,20共享。在大量信息包流同時被監測時，可能需要不止一個數據相關器18分配它們的工作量。
當監測器10,20，帶外網絡24或數據處理器18不能捕獲，傳輸或處理信息包流中所有數據信息包的測量數據時，對測量信息包進行二次抽樣是必要的。對測量信息包進行二次抽樣時，監測器10,20對所有信息包計數，但僅僅對信息包流中數據信息包的一個可選擇子集產生測量數據，端到端特性從數據信息包的這個子集的測量數據中得到。二次抽樣方案必須滿足兩個要求。一個要求是入口監測器10和出口監測器20選擇數據信息包的同一個子集。否則，如果來自於兩個端點12,22的兩個測量數據表對應於數據信息包中的不同部分，那麼就不可能獲得網絡的端到端特性。另一個要求是抽樣是周期加權或基於某種統計分布的隨機加權。標識位遮蔽是滿足這兩個要求的二次取樣方案。使用標識位遮蔽，一個數據信息包只有當它的標識位中最無代表性的部分有明確的給定值時才被選擇。例如對數據信息包的八分之一進行二次取樣，僅僅選擇那些標識位的最有效的三比特是000的數據信息包。如果數據信息包被入口監測器10選擇，它也會被出口監測器20選擇，因為信息包標識不會在信息包流14中改變。當CRC用作標識時，因為CRC被很好地隨機化，標識位掩蔽成為一種很好的幾何抽樣的形式。在幾何抽樣中，信息包被以固定概率選擇，它是一種隨機加權抽樣的形式。
信息包標識的唯一性影響數據相關器18所作的數據相關的可靠性。不同的數據信息包可能有相同的內容，因而有相同的CRC。甚至內容不同的數據信息包也可能有相同的CRC。信息包標識的不唯一性引入表相關的多義性。謹慎地選擇用於信息包標識的特殊CRC所包括的域有助於提高唯一性。例如，因為IP信息包頭的信息包標識域包含一個計數器的值，主機每發送一個IP信息包，這個計數器的值通常加一，在信息包標識CRC中包括這個域可使多個信息包的信息包標識唯一，即使它們包含相同的淨荷。可能有這樣的情況，來自於兩個監測器10,20的數據表互相匹配的方式不止一種。如果這種多義性產生，就無法可靠地判斷哪一個匹配是正確的。因此從所研究的兩張表中不可能得到延時測量值。增加從監測器10,20中抽取的測量數據表中記錄項的數量有助於降低多義性的概率，但要求帶外網絡24更多的帶寬。
IP網絡的一些特性使得數據相關更為複雜。IP信息包不僅會被丟失，而且會被網絡16複製或分片。它們也會被無序的傳送。這些問題中的一些可能會不存在，這取決於網絡16的配置。
本發明應用於ATM網絡時，某種形式的CRC仍用於信元標識。應用於電路交換網時，這時數據單元是字節，整個字節本身可被用來代替它的標識。
這樣，本發明為網絡流的端到端特性提供了非幹擾測量的方法。這種方法對被測量的網絡流入口和出口中的數據信息包進行抽樣，為每個信息包分配一個唯一的標識，一個使用同一系統時鐘的時標和已收到信息包的計數。根據唯一的標識，將來自於入口和出口的信息包表相關，對在入口和出口的同一信息包使用時標和計數值，從而獲得所希望的對這個網絡流端到端特性的測量。
權利要求
1．一種對網絡流的端到端特性進行非幹擾測量的方法，網絡流是從網絡通道的入口流到出口的一段數據單元，此方法包含以下步驟用入口監測器對入口的數據單元進行抽樣；為入口監測器中的每個抽樣數據產生唯一標識和輸入測量數據；用出口監測器對出口處網絡流的數據單元進行抽樣；為出口監測器中的每個抽樣數據產生唯一標識和輸出測量數據；使分別來自於入口和出口監測器的記錄項相關，記錄項在每個監測器中是一張表的形式，每個記錄項對應於每個數據單元有唯一標識和相關的測量數據，使兩個表中記錄項的唯一標識相匹配；以及根據匹配記錄項的輸入和輸出測量數據確定網絡流的端到端特性。
2．根據權利要求1的方法，其中輸入和輸出測量數據是通過同步時鐘得到的時標，分別表示入口和出口監測器接收到數據單元的時刻。
3．根據權利要求1或2的方法，其中輸入和輸出測量數據是入口和出口監測器已獲得的數據單元數量的計數。
4．根據權利要求1的方法，進一步包含在產生步驟之前對數據單元二次抽樣的步驟，以便於入口和出口監測器選擇相同的具有隨機加權分布的二次抽樣數據單元。
5．根據權利要求4的方法，其中二次抽樣的步驟包括遮蔽唯一標識的步驟，以便於只有當唯一標識的最無代表性的部分具有給定值時，此數據單元才被入口和出口監測器選擇。
6．一個對網絡流的端到端特性進行非幹擾測量的系統包括用於截取流過網絡通道的數據單元，並連接到網絡流入口的入口監測器，這個入口監測器為每個數據單元確定一個唯一標識並產生輸入測量數據；用於截取流過網絡通道的數據單元，並連接到網絡流出口的出口監測器，這個出口監測器為每個數據單元確定一個唯一標識並產生輸出測量數據；連接到同時與入口和出口監測器相連的帶外網絡上的數據相關器，從入口和出口監測器中抽取記錄項表的數據處理器，為每個數據單元包含唯一標識和測量數據的記錄項，使基於唯一標識的記錄項表相關，從具有相同唯一標識的數據單元的輸入和輸出測量數據中確定網絡流的端到端特性。
7．根據權利要求6的系統，其中輸入和輸出測量數據是基於同步時鐘得到的數據單元的時標，分別表示數據單元到達入口和出口監測器的時刻。
8．根據權利要求5或6的系統，其中輸入和輸出測量數據分別是入口和出口監測器已獲得的數據單元數量的計數。
9．根據權利要求5的系統，其中在產生測量數據單元之前入口和出口監測器對數據單元進行二次抽樣，在入口和出口監測器中被選擇的數據單元是同樣的，具有隨機加權分布。
10．根據權利要求9的系統，其中數據單元被二次抽樣是基於唯一標識中最無代表性的部分的一個給定值。
全文摘要
一種採用被動方式對網絡流的端到端特性進行非幹擾測量的方法和設備,網絡通道輸入端的數據單元被入口監測器抽樣,識別每個具有唯一標識的數據單元,產生測量數據,同一數據單元在出口被出口監測器抽樣,識別每個具有唯一標識的數據單元,產生測量數據,數據相關器分別從入口和出口監測器中抽取記錄項表,每個記錄項包括與數據單元對應的唯一標識和測量數據,將兩個數據表相關,從兩張表中找到具有相同唯一標識的記錄項,通過具有相同唯一標識的兩張表中對應數據單元的測量數據,確定網絡流的端到端特性。
文檔編號H04L12/24GK1324162SQ0111787
公開日2001年11月28日 申請日期2001年2月28日 優先權日2000年3月1日
發明者S·岑 申請人:特克特朗尼克公司