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基于RTT相似度的网络延迟估测理论和方法

朱娜斐  
【摘要】:互联网络节点间的距离估测技术一直是网络测试领域的研究热点之一,在分布式系统得到越来越广泛应用的今天,越来越显示出其重要性,是确保应用与服务质量及对网络实施有效管理的基础。根据具体的应用,网络节点间的距离可以定义为节点间的延迟、带宽、跳数、丢包率等网络参数,距离估测根据有限的测量数据对任意两个节点间的距离进行估算,并向测试服务器提供估测结果,可以大大降低多个节点单独进行测量对网络造成的额外负荷。作为网络测试的重要参数之一,网络节点间的延迟因为得到普遍应用而受到广泛关注,成为网络测试领域的研究热点。 本论文对网络节点间延迟估测技术进行深入研究。在定义RTT相似度为两个网络源节点到同一个目标节点之间的RTT(Round-Trip Time往返延迟)值所具有的共同变化趋势的基础上,研究网络路径之间RTT相似度以及根据相似度关系估算网络节点间延迟的方法,系统建立了网络路径间RTT相似度关系,提出了基于RTT相似度关系对网络节点延迟进行估测的理论和方法。研究结果能够根据延迟估算精度要求对网络节点间的延迟动态进行测量和估算,并使用实际数据和实验数据对以上结果进行了验证。 本论文主要的研究成果和创新点如下: 1.基于方差分析理论,提出了分析两条路径的RTT相似度与路径长度之间关系的方法,对路径长度与RTT相似度的关系进行了系统分析,得出RTT相似度与路径长度的关系可以归结为RTT相似度与路径比例的关系,且随着路径比例的增大而增大。 RTT相似度与两条路径重合的公有部分及各自的私有部分的长度有关,定义路径长度为源节点到目的节点的跳数、路径长度比例为公有路径长度与较长私有路径长度之比。基于方差分析,通过提取不同特征的RTT相似度构成分析数组,发现在公有路径和较长私有路径保持不变的情况下,仅改变较短私有路径的长度,RTT相似度没有明显变化。在此基础上,进一步发现拥有相同路径长度比例的RTT相似度之间彼此接近,尤其当不考虑负载因素时,拥有相同路径比例的RTT相似度之间没有明显差异,且RTT相似度随路径比例的增大而增大。 2.提出了基于路径长度比例和负载比例计算RTT相似度的方法,对路径长度和路径负载对RTT相似度的影响进行了综合分析,构建了RTT相似度与路径长度比例和典型负载比例之间的数值对应关系。 定义负载比例为公有路径负载与较重私有路径负载之比,基于方差分析,得出RTT相似度与路径负载的关系可以归结为RTT相似度与负载比例的关系。在此基础上,综合路径长度比例及负载比例对RTT相似度的交互影响,发现RTT相似度由路径长度比例和负载比例共同决定。通过对负载比例进行因子分析发现比例为1是典型负载比例,且在典型负载比例条件下,拥有相同长度比例的RTT相似度之间没有显著差异,因此可用其平均值代表。从而将RTT相似度与路径长度和路径负载之间的关系建构为平均RTT相似度与路径长度比例和典型负载比例之间的数值对应关系。 3.提出了基于RTT相似度的RTT估算方法,利用一个源节点到目的节点的RTT测量值估算出另外一个源节点到相同目的节点的RTT值。 两列在时间上对应的RTT序列随着其相似度的增大呈现更加明显的线性关系。因此可以将两列RTT序列统一建模为线性关系,根据线性回归理论计算出不同路径组合和不同负载组合所对应的回归方程的斜率和截距。在对RTT值进行估算时,将使用长私有路径源节点的RTT测量值估算短私有路径源节点的RTT值称为正向估算,反之称为反向估算。分别研究了两种方向的估算中线性回归方程的斜率和截距与RTT相似度的关系。线性回归分析表明:两种方向的斜率和反向估算的截距与RTT相似度均呈现线性关系,从而可以实现与RTT相似度之间的线性转换。同时,根据RTT相似度与路径长度比例和网络负载的数值对应关系,可以得出斜率和截距与路径长度比例和网络负载对应的度量关系,从而构建出在不同路径长度比例和网络负载时的延迟估算方程,实现利用一个源节点到目的节点的RTT测量值估算出另外一个源节点到相同目的节点的RTT值的目的。通过使用真实的网络延迟数据对该方法进行验证和评估,得到提出的估测方法具有较高的精度。 4.提出了根据RTT相似度计算延迟估算精度的方法,并根据RTT相似度和估算精度的关系,设计了延迟动态估测算法。 用RTT估算值与测量值之间的相对误差表示精度,通过公式变换建立与RTT相似度的关系,得到估算精度。研究表明,估算精度与RTT相似度之间呈现线性关系。通过估算精度与RTT相似度之间的线性转换,根据RTT相似度与路径长度比例和网络负载的数值对应关系,得出估算精度与路径长度比例和网络负载之间的度量关系。最后,根据以上度量关系设计延迟动态估算及测量算法以实现根据不同估算精度要求动态选择检测点进行延迟估测的目的。通过对基于RTT相似度计算估算精度的方法和延迟动态估测算法进行实验,表明延迟动态估测算法的应用误差可以达到10%以内。


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