2002年第2期　　　　　　　　　　　　　　　2002年6月廣西通信技術　　　　　　　　　　　　　　Internet 網(wǎng)絡延時分析蔣　婕(桂林電子工業(yè)學院, 廣西　桂林　541004)摘　要:本文對I

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2002年6月廣西通信技術　　　　　　　　　　　　　　

Internet 網(wǎng)絡延時分析

蔣　婕

(桂林電子工業(yè)學院, 廣西　桂林　541004)

摘　要:本文對Internet 網(wǎng)絡延遲進行了較為全面的分析, 介紹了幾種減少網(wǎng)絡延遲的技術。然后提出一種新

的方法, 并用排隊論加以分析。

關鍵詞:網(wǎng)絡延遲; 延遲; 排隊論; W DM

中圖分類號:T N915103　　文獻標識碼:A 　　文章編號:1008-3545(2002) 02-0019-04

一、引　言

, , 發(fā)往初

) , 域名服務器根據(jù)解。域名服務器解析采用二步法:當初始服務器找不到該域名時, 則將詢問報文發(fā)往根服務器, 進行自頂向下的搜索(域名服務器組織成樹形層次結構) 。本地緩存區(qū)對域名請求的響應延遲是由CPU 、內存、外存速度決定的, 該延遲相對來說很小。域名服務器的響應與網(wǎng)絡負載、服務器的速度和負載有關。當需要從根服務器開始查找域名時, 傳輸延遲則成為LAN 上的延遲, 此延遲相對較大。

T CP 連接建立延遲指從傳輸服務用戶要求建立

Internet ,

其業(yè)務量呈爆炸式增長, , 業(yè)務量就會翻同, 為WWW (W orld Internet 卻被戲稱為“全球等待”(, W orld Wide Waiting ) 。原因是用戶數(shù)激增, 各種新業(yè)務層出不窮, 導致Internet 網(wǎng)上信息流量持續(xù)增加, 網(wǎng)絡變得擁擠不堪。網(wǎng)絡延遲不斷增加, 這也阻礙了Internet 的進一步發(fā)展。如何減少網(wǎng)絡延遲成為一個研究的熱點。

二、網(wǎng)絡延遲分析

對用戶來說, 網(wǎng)絡延遲是指用戶發(fā)出請求到遠端系統(tǒng)對該請求作出響應傳回給用戶的這一段時間。對基于T CP/IP 協(xié)議的Internet 來說, 對每一請求都要作如下處理:路由處理、ADU (用戶數(shù)據(jù)單元) 在網(wǎng)絡上傳輸以及服務器對請求進行處理, 這些過程都要引起延遲。

1. 路由延遲

連接到收到連接證實之間的時間, 它包括遠端傳輸層的處理工作時延。連接釋放延遲指從一端的傳輸層用戶發(fā)起釋放連接請求到另一端的釋放實際發(fā)生為止之間的時延。連接建立和釋放延遲與網(wǎng)絡負載及服務器負載有關。

T CP/IP 協(xié)議中, 每個IP 數(shù)據(jù)包是獨立尋徑的。IP 尋徑延遲指IP 數(shù)據(jù)包從源端到目的端的各個網(wǎng)

關上的尋徑延遲, 包括網(wǎng)關尋徑表處理延遲和地址解析延遲。網(wǎng)關地址解析由T CP/IP 提供的地址解析協(xié)議(ARP , Address Res olution Protocol ) 來完成。由于網(wǎng)關尋徑在本機內完成, 而地址解析也在本網(wǎng)內進行, 所以IP 尋徑延遲相對較小。

2. ADU 在網(wǎng)絡上的傳輸延遲

首先來看路由延遲。它包括域名請求延遲、T CP 連接建立延遲、T CP 連接釋放延遲和IP 在各

個網(wǎng)關上的尋徑延遲。

若用戶應用中使用的是對方主機的域名而不是IP 地址, 在應用程序通信之前應解析出對方的IP

位于應用層的用戶數(shù)據(jù)單元(ADU ) 在應用層協(xié)議調用下層協(xié)議提供的服務之后形成協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU ) , PDU 作為獨立的數(shù)據(jù)單元在網(wǎng)絡上傳輸。PDU 在網(wǎng)絡上的傳輸延遲由以下幾部分組成:

19

地址, 域名解析過程引起的延遲稱作域名請求延遲。應用程序將域名交給本地解析器軟件, 該軟件首先在本地緩存區(qū)中查找相應域名———地址聯(lián)編;

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打包延遲、傳送延遲、傳播延遲、排隊延遲及處理

延遲。

打包延遲是實時流應用獨有的延遲。實時流應用是指對基于時間的信息(比如視頻、音頻和動畫等) 進行實時傳送的應用。實時信息流是有時間性的, 按時間順序有規(guī)律地產(chǎn)生, 要等待信息流達到一定的數(shù)量以滿足PDU 有效負載才打包成PDU 。這段等待時間稱作打包延遲。打包延遲為Sp/K , 其中Sp 為PDU 有效負載長度, K 為應用的編碼速度。因此對于低速編碼器來說, 延遲比較大。例如, 一個IP 電話應用, 使用418kbit/s 編碼器將IP 數(shù)據(jù)包打包成48字節(jié)的有效負載, 需要約80ms 的打包延遲。

傳送延遲是指PDU 數(shù)據(jù)全部傳送到線路上的這段時延, 或者說PDU 隔。傳送延遲與PDU 速率有關, , 。例如, 利用1K 字節(jié)的PDU 需要0114s 。, 這是一個難以解決的問題。如果網(wǎng)絡使用存儲轉發(fā), 一個PDU 在網(wǎng)上傳輸將會產(chǎn)生多次傳送延遲, 即每次將PDU 存入緩存區(qū)后再轉發(fā)到下一跳都要引起一次傳送延遲。傳送延遲取決于每一跳轉發(fā)的速度。

傳播延遲是PDU 在介質中傳播所用的時間, 取決于信號穿過介質的速度。也就是說, 這個延遲由鏈路的物理特性決定, 與鏈路的業(yè)務量無關。信號在光纖中的傳播速度也就是光通過玻璃介質的速度。鏈路上的傳播延遲可用PDU 的第一個比特穿過鏈路所用的時間來定義。端到端的傳播延遲是各段線路上傳播時延的總和。顯然, 傳播延遲隨距離線性增加。電信號或光信號的傳播延遲介于313～5μs/km 之間。LAN 和MAN 中的傳播延遲只有50～200μs , 這并不是重要的延遲組成部分。而W AN 中的傳播延遲就變得比較重要了, 因為遠距離傳送使得傳播延遲可以達到幾十毫秒。

排隊延遲是分組交換網(wǎng)中的主要延遲。它指的是PDU 在傳輸路徑上每交換一次所引起的緩沖延遲的集合。若分組交換臨時過載, 每一個PDU 的目的輸出端口上可能有許多分組排隊。隊列中位于PDU 前的每一個分組都會產(chǎn)生一個等于傳送延遲的附加延遲。在先進先出(FIFO ) 隊列機制的交換20

中, 新到達的分組的排隊延遲等于已在該輸出端口上排隊的所有分組傳送延遲的總和。所以排隊延遲既與隊列前面的分組數(shù)量有關, 也與輸出端口的傳送速度有關。作為主要延遲的排隊延遲受當前網(wǎng)絡負載影響。它也是分組交換網(wǎng)中延遲變化的主要因素。由于Internet 主干網(wǎng)上每個路由器都有大量的數(shù)據(jù)包排隊, 排隊延遲也成為Internet 上的主要延遲。如若經(jīng)過10個路由器, 每個路由器平均有10個IP 數(shù)據(jù)包排隊, 在這條路徑上的排隊延遲能夠達到上百毫秒。

它不包括排, 處理延遲與排, 但在端點還是相當可, 。處理延遲由, 如要將PDU 拷貝至交換機的內存中(這種操作至少執(zhí)行一次, 甚至要反復多次) , 內存拷貝時間與數(shù)據(jù)包的長度成比例。通常處理延遲約為傳送延遲的10倍。例如, 用155Mbit/s 速率的交換機處理1K 字節(jié)的PDU 只需

要516μs 。如若PDU 要經(jīng)過10個交換機, 則總的處理延遲為5116ms 。

一個ADU 可能由一個或多個PDU 組成, ADU 的傳輸延遲從第一個PDU 開始傳送到最后一個PDU 傳到目的端為止。這其中由差錯引起的PDU 重傳也會引起ADU 延遲。

三、幾種減少網(wǎng)絡延遲的技術

隨著Internet 網(wǎng)絡規(guī)模和用戶數(shù)量的迅猛發(fā)展, 對網(wǎng)絡的要求越來越高。IP 網(wǎng)不僅要承載數(shù)據(jù)業(yè)務, 也要承載語音、視頻和多媒體等實時業(yè)務。這就要求網(wǎng)絡提供更多的帶寬和更好的服務質量(Q oS ) 以及更穩(wěn)定的網(wǎng)絡管理。對于實時業(yè)務而言, 減少網(wǎng)絡延遲才能更好的保證Q oS 。這方面的技術已發(fā)展起來的有幀中繼、AT M 以及位于應用層的Cache 技術。

1. 幀中繼

在X 125協(xié)議基礎上發(fā)展起來的幀中繼(FR , Frame Relay ) 是一種簡單的面向連接的虛電路快速分組交換技術。幀中繼以簡化方式交換和傳送可變長度的幀。幀中繼網(wǎng)把恢復差錯和擁塞的處理程

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序, 從網(wǎng)內移到網(wǎng)外設備或端系統(tǒng), 從而簡化了交

換過程, 使網(wǎng)內時延大幅度下降, 吞吐量大幅上升, 為現(xiàn)今的突發(fā)性業(yè)務流量提供顯著的性能優(yōu)勢。

2. ATM

異步傳輸模式(AT M , Asynchronous T rans fer M ode ) 是基于點到點交換結構的快速分組交換技術。它簡化了分組交換協(xié)議的處理, 把復雜的處理交給端點, 實行硬件交換和并行交換來提高交換速度; 以固定長度的信元為交換單位來簡化硬件設計和并行處理設計。AT M 的信元很短, 只有53字節(jié), 能夠更好的進行多路復用并減少排隊延遲和打包延遲。AT M 采用面向連接的分組交換, 通過事先建立好的虛路徑(Virtual Paths ) 和虛連接(Virtual C onnections ) 進行并行傳輸控制放到端點系統(tǒng), 制, 從而簡化了協(xié)議處理, 3. C ache 在應用層為減少網(wǎng)絡延遲, Cache 技術。Cache 技術就是在瀏覽器端設置一個緩存區(qū)域, 將每次從服務器上傳回的文檔(或稱作頁面) 按一定策略存放到緩存區(qū), 用戶請求首先由本地緩存區(qū)給予響應, 如不滿足則仍由源服務器來響應。如果Cache 命中則不需要進行網(wǎng)絡傳輸, 那就可大大降低延遲, 同時也降低了網(wǎng)絡流量和服務器負載, 由此使得整個網(wǎng)絡的延遲降低。

到達的平均速率, μ為服務員的平均服務速率。描述該隊列性能的參量主要有:平均隊列長度和平均時延

。

圖1　

簡單的排隊模型

圖2　獨立M/M/1隊列的平均隊長和平均延時

圖2中E (n ) 表示平均隊列長度, 它描述了

在系統(tǒng)中等待服務的數(shù)據(jù)包的平均數(shù)量, 可反映系統(tǒng)在有限隊列容量的情況下, 緩存區(qū)溢出的可能性, 這是產(chǎn)生丟失數(shù)據(jù)包的重要原因。E (T ) 表示平均時延, 它的大小反映了對用戶數(shù)據(jù)包響應的速度。如果該數(shù)值過大, 則實時業(yè)務, 如話音將會受損, 出現(xiàn)不連續(xù)或掉話等現(xiàn)象。橫坐標表示利用率ρ, 也是網(wǎng)絡的業(yè)務強度, 它等于網(wǎng)絡的平均到達率與輸出率之比, 是服務員忙的比例, 其數(shù)值范圍是:(0, 1) 。

很容易看到, 在0<ρ≤0. 75的范圍, E (n ) 和μcE (T ) 的數(shù)值都較小, 且變化不大。平均隊長僅為2～3個報文。這與現(xiàn)有設備的緩存區(qū)容量相比, 可以看成是無限隊列容量的情況。因此數(shù)據(jù)包在進行排隊操作時, 因設備內存占滿而被丟棄的概率就非常小, 也就從根本上改善了丟包方面的服務質量。同時, 數(shù)據(jù)包的平均時延也很小。我們還可以看出, 當ρ>018以后, E (T ) 和E (n ) 都變大, 且上升趨勢很快。

從以上分析可得出結論:采用“輕載荷網(wǎng)絡運行辦法”, 將網(wǎng)絡利用率控制在80或75以下, 就可大大減小數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡延遲, 從而自然改善Internet 服務質量。這是一種用帶寬換取服務質量的策略, 現(xiàn)在已獲得越來越多人的認同。

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四、一種新的減少網(wǎng)絡延遲的

方法及其分析

在Internet 上, 到達網(wǎng)絡源節(jié)點或中間節(jié)點的負載(IP 數(shù)據(jù)包) 首先都要在緩沖器中參加排隊(存儲) , 然后再送到連至下一節(jié)點的出向傳輸鏈路上去(轉發(fā)) 。分組在緩沖器中等待轉發(fā)的時間就是排隊延遲。它是端-端時延的一個重要組成部分。從第二部分的分析我們已知, 排隊延遲是In 2ternet 中的主要延遲。因此只要采取辦法減少IP 數(shù)據(jù)包的排隊延遲, 也就可以大大減少它的網(wǎng)絡延遲, 從而達到所需的服務質量。下面將用排隊論定量分析這個問題。

λ為分組我們用M/M/1模型進行簡單等效。

2002年第2期　　　　　　　　　　　　　　　2002年6月廣西通信技術　　　　　　　　　　　　　　近幾年, W DM 技術發(fā)展十分迅速, 每個波分

復用波長間的間隔不到1納米(nm ) , 達到密集波

分復用(DW DM ) 的程度。目前, 實用化的DW DM

速率已達到400G bit/s 以上; 實驗中單光纖單波長

上的傳輸速率可達320G bit/s , 單光纖上波分復用

波長數(shù)可達1022個, 單光纖上波分復用容量可達

614Tbit/s 。由此可見, 超大容量、超大帶寬將成

為下一代網(wǎng)絡的基本特征。這也給“輕載荷網(wǎng)絡運行辦法”的實施提供了有力的技術保障。五、小結Internet 高延遲是影響網(wǎng)絡服務質量的一個重要因素。本文分析了網(wǎng)絡延遲, 并提出一新的解決方法。相信隨著光纖通信技術, 尤其是W DM 技術的發(fā)展, 網(wǎng)絡延遲問題將會得到很好的解決。

參考資料

[1]Jean Walrand &Pravin Varaiya [美].高性能通信網(wǎng)絡[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2000.

[2]William S tallings [美].高速網(wǎng)絡[M].北京:電子工業(yè)出版社, 1999.

[3]魯士文. 計算機網(wǎng)絡原理與網(wǎng)絡計術[M].北京:, [4]陳鑫林. 現(xiàn)代通信中的排隊論[M].北京:電子工業(yè)出版社, I Delay

J IANGJie

(Institute of E lectronic T echnology , G uilin 　541004　China )

Abstract :This paper analyses roundly the netw ork delay of the Internet . It introduces several techniques to reduce

the netw ork delay . Then it presents a new s olution and analyses it with queueing theory .

K ey w ords :netw ork delay ; delay ; queueing theory ; W DM 收稿日期:2002-04-26

廣西通信業(yè)潛心打造行業(yè)誠信意識

廣西通信業(yè)堅持以誠信為著力點, 采取一系列措施, 開展一系列活動, 干部、群眾的文明程度明顯增強, 各電信運營企業(yè)的誠信意識明顯增強。近日, 在南寧召開的廣西通信行業(yè)“規(guī)范市場、改善服務、樹立行業(yè)新風”會議決定, 由電信監(jiān)管部門對電信、聯(lián)通、網(wǎng)通、移動、鐵通、吉通等六大電信運營企業(yè)實行服務評分, 以此推行誠信服務, 滿足用戶的知情權, 讓用戶明明白白放心消費。

近年來, 收費透明度不高、障礙修復不及時、裝機難等電信服務熱點問題越來越受到市民的關注。通過倡導企業(yè)自律, 同時實行依法監(jiān)管, 來切實解決市民反映強烈的電信服務熱點、難點問題, 是一項消費者、電信企業(yè)和國家三贏的善舉。

據(jù)悉, 該活動將由2002年5月至12月分四個階段進行。通過活動, 重點整頓和規(guī)范廣西電信市場秩序, 進一步減少亂收費、亂漲價或頻繁變動電信業(yè)務價格, 以及價格歧視、價格欺詐等現(xiàn)象的出現(xiàn), 使消費者的合法權益得到保障。在電信網(wǎng)間互聯(lián)互通方面, 各運營商之間要實現(xiàn)新的突破, 使各運營商之間的互聯(lián)更加通暢, 共同為用戶提供優(yōu)質的電信服務。在改善電信服務方面, 市民關注的熱點、難點問題要切實解決, 如話費透明度、電話裝機難、障礙修復不及時等問題。要鼓勵企業(yè)向用戶提供各類收費清單, 利用好法律、經(jīng)濟、輿論等多種手段有效監(jiān)督電信企業(yè)持續(xù)改善服務質量。

目前, 該活動已引起社會各界廣泛關注, 廣西各電信企業(yè)已做好充分準備, 希望通過此次活動不斷完善服務手段, 提高服務質量。

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