2002年第2期　　　　　　　　　　　　　　　2002年6月廣西通信技術(shù)　　　　　　　　　　　　　　Internet 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分析蔣　婕(桂林電子工業(yè)學(xué)院, 廣西　桂林　541004)摘　要:本文對(duì)I

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2002年6月廣西通信技術(shù)　　　　　　　　　　　　　　

Internet 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分析

蔣　婕

(桂林電子工業(yè)學(xué)院, 廣西　桂林　541004)

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

的方法, 并用排隊(duì)論加以分析。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)延遲; 延遲; 排隊(duì)論; W DM

中圖分類號(hào):T N915103　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 　　文章編號(hào):1008-3545(2002) 02-0019-04

一、引　言

, , 發(fā)往初

) , 域名服務(wù)器根據(jù)解。域名服務(wù)器解析采用二步法:當(dāng)初始服務(wù)器找不到該域名時(shí), 則將詢問報(bào)文發(fā)往根服務(wù)器, 進(jìn)行自頂向下的搜索(域名服務(wù)器組織成樹形層次結(jié)構(gòu)) 。本地緩存區(qū)對(duì)域名請(qǐng)求的響應(yīng)延遲是由CPU 、內(nèi)存、外存速度決定的, 該延遲相對(duì)來(lái)說很小。域名服務(wù)器的響應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、服務(wù)器的速度和負(fù)載有關(guān)。當(dāng)需要從根服務(wù)器開始查找域名時(shí), 傳輸延遲則成為L(zhǎng)AN 上的延遲, 此延遲相對(duì)較大。

T CP 連接建立延遲指從傳輸服務(wù)用戶要求建立

Internet ,

其業(yè)務(wù)量呈爆炸式增長(zhǎng), , 業(yè)務(wù)量就會(huì)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(wù)層出不窮, 導(dǎo)致Internet 網(wǎng)上信息流量持續(xù)增加, 網(wǎng)絡(luò)變得擁擠不堪。網(wǎng)絡(luò)延遲不斷增加, 這也阻礙了Internet 的進(jìn)一步發(fā)展。如何減少網(wǎng)絡(luò)延遲成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

二、網(wǎng)絡(luò)延遲分析

對(duì)用戶來(lái)說, 網(wǎng)絡(luò)延遲是指用戶發(fā)出請(qǐng)求到遠(yuǎn)端系統(tǒng)對(duì)該請(qǐng)求作出響應(yīng)傳回給用戶的這一段時(shí)間。對(duì)基于T CP/IP 協(xié)議的Internet 來(lái)說, 對(duì)每一請(qǐng)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(luò)上傳輸以及服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求進(jìn)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(shí)之間的時(shí)間, 它包括遠(yuǎn)端傳輸層的處理工作時(shí)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(qǐng)求到另一端的釋放實(shí)際發(fā)生為止之間的時(shí)延。連接建立和釋放延遲與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及服務(wù)器負(fù)載有關(guān)。

T CP/IP 協(xié)議中, 每個(gè)IP 數(shù)據(jù)包是獨(dú)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(gè)網(wǎng)

關(guān)上的尋徑延遲, 包括網(wǎng)關(guān)尋徑表處理延遲和地址解析延遲。網(wǎng)關(guān)地址解析由T CP/IP 提供的地址解析協(xié)議(ARP , Address Res olution Protocol ) 來(lái)完成。由于網(wǎng)關(guān)尋徑在本機(jī)內(nèi)完成, 而地址解析也在本網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行, 所以IP 尋徑延遲相對(duì)較小。

2. ADU 在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸延遲

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

個(gè)網(wǎng)關(guān)上的尋徑延遲。

若用戶應(yīng)用中使用的是對(duì)方主機(jī)的域名而不是IP 地址, 在應(yīng)用程序通信之前應(yīng)解析出對(duì)方的IP

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

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地址, 域名解析過程引起的延遲稱作域名請(qǐng)求延遲。應(yīng)用程序?qū)⒂蛎唤o本地解析器軟件, 該軟件首先在本地緩存區(qū)中查找相應(yīng)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(duì)延遲及處理

延遲。

打包延遲是實(shí)時(shí)流應(yīng)用獨(dú)有的延遲。實(shí)時(shí)流應(yīng)用是指對(duì)基于時(shí)間的信息(比如視頻、音頻和動(dòng)畫等) 進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送的應(yīng)用。實(shí)時(shí)信息流是有時(shí)間性的, 按時(shí)間順序有規(guī)律地產(chǎn)生, 要等待信息流達(dá)到一定的數(shù)量以滿足PDU 有效負(fù)載才打包成PDU 。這段等待時(shí)間稱作打包延遲。打包延遲為Sp/K , 其中Sp 為PDU 有效負(fù)載長(zhǎng)度, K 為應(yīng)用的編碼速度。因此對(duì)于低速編碼器來(lái)說, 延遲比較大。例如, 一個(gè)IP 電話應(yīng)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(fù)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(shí)延, 或者說PDU 隔。傳送延遲與PDU 速率有關(guān), , 。例如, 利用1K 字節(jié)的PDU 需要0114s 。, 這是一個(gè)難以解決的問題。如果網(wǎng)絡(luò)使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā), 一個(gè)PDU 在網(wǎng)上傳輸將會(huì)產(chǎn)生多次傳送延遲, 即每次將PDU 存入緩存區(qū)后再轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)的速度。

傳播延遲是PDU 在介質(zhì)中傳播所用的時(shí)間, 取決于信號(hào)穿過介質(zhì)的速度。也就是說, 這個(gè)延遲由鏈路的物理特性決定, 與鏈路的業(yè)務(wù)量無(wú)關(guān)。信號(hào)在光纖中的傳播速度也就是光通過玻璃介質(zhì)的速度。鏈路上的傳播延遲可用PDU 的第一個(gè)比特穿過鏈路所用的時(shí)間來(lái)定義。端到端的傳播延遲是各段線路上傳播時(shí)延的總和。顯然, 傳播延遲隨距離線性增加。電信號(hào)或光信號(hào)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?yàn)檫h(yuǎn)距離傳送使得傳播延遲可以達(dá)到幾十毫秒。

排隊(duì)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(shí)過載, 每一個(gè)PDU 的目的輸出端口上可能有許多分組排隊(duì)。隊(duì)列中位于PDU 前的每一個(gè)分組都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)等于傳送延遲的附加延遲。在先進(jìn)先出(FIFO ) 隊(duì)列機(jī)制的交換20

中, 新到達(dá)的分組的排隊(duì)延遲等于已在該輸出端口上排隊(duì)的所有分組傳送延遲的總和。所以排隊(duì)延遲既與隊(duì)列前面的分組數(shù)量有關(guān), 也與輸出端口的傳送速度有關(guān)。作為主要延遲的排隊(duì)延遲受當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(gè)路由器都有大量的數(shù)據(jù)包排隊(duì), 排隊(duì)延遲也成為Internet 上的主要延遲。如若經(jīng)過10個(gè)路由器, 每個(gè)路由器平均有10個(gè)IP 數(shù)據(jù)包排隊(duì), 在這條路徑上的排隊(duì)延遲能夠達(dá)到上百毫秒。

它不包括排, 處理延遲與排, 但在端點(diǎn)還是相當(dāng)可, 。處理延遲由, 如要將PDU 拷貝至交換機(jī)的內(nèi)存中(這種操作至少執(zhí)行一次, 甚至要反復(fù)多次) , 內(nèi)存拷貝時(shí)間與數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)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(jī)處理1K 字節(jié)的PDU 只需

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

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

三、幾種減少網(wǎng)絡(luò)延遲的技術(shù)

隨著Internet 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶數(shù)量的迅猛發(fā)展, 對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求越來(lái)越高。IP 網(wǎng)不僅要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù), 也要承載語(yǔ)音、視頻和多媒體等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。這就要求網(wǎng)絡(luò)提供更多的帶寬和更好的服務(wù)質(zhì)量(Q oS ) 以及更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)管理。對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)而言, 減少網(wǎng)絡(luò)延遲才能更好的保證Q oS 。這方面的技術(shù)已發(fā)展起來(lái)的有幀中繼、AT M 以及位于應(yīng)用層的Cache 技術(shù)。

1. 幀中繼

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

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序, 從網(wǎng)內(nèi)移到網(wǎng)外設(shè)備或端系統(tǒng), 從而簡(jiǎn)化了交

換過程, 使網(wǎng)內(nèi)時(shí)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(wù)流量提供顯著的性能優(yōu)勢(shì)。

2. ATM

異步傳輸模式(AT M , Asynchronous T rans fer M ode ) 是基于點(diǎn)到點(diǎn)交換結(jié)構(gòu)的快速分組交換技術(shù)。它簡(jiǎn)化了分組交換協(xié)議的處理, 把復(fù)雜的處理交給端點(diǎn), 實(shí)行硬件交換和并行交換來(lái)提高交換速度; 以固定長(zhǎng)度的信元為交換單位來(lái)簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)和并行處理設(shè)計(jì)。AT M 的信元很短, 只有53字節(jié), 能夠更好的進(jìn)行多路復(fù)用并減少排隊(duì)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(jìn)行并行傳輸控制放到端點(diǎn)系統(tǒng), 制, 從而簡(jiǎn)化了協(xié)議處理, 3. C ache 在應(yīng)用層為減少網(wǎng)絡(luò)延遲, Cache 技術(shù)。Cache 技術(shù)就是在瀏覽器端設(shè)置一個(gè)緩存區(qū)域, 將每次從服務(wù)器上傳回的文檔(或稱作頁(yè)面) 按一定策略存放到緩存區(qū), 用戶請(qǐng)求首先由本地緩存區(qū)給予響應(yīng), 如不滿足則仍由源服務(wù)器來(lái)響應(yīng)。如果Cache 命中則不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸, 那就可大大降低延遲, 同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)器負(fù)載, 由此使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延遲降低。

到達(dá)的平均速率, μ為服務(wù)員的平均服務(wù)速率。描述該隊(duì)列性能的參量主要有:平均隊(duì)列長(zhǎng)度和平均時(shí)延

。

圖1　

簡(jiǎn)單的排隊(duì)模型

圖2　獨(dú)立M/M/1隊(duì)列的平均隊(duì)長(zhǎng)和平均延時(shí)

圖2中E (n ) 表示平均隊(duì)列長(zhǎng)度, 它描述了

在系統(tǒng)中等待服務(wù)的數(shù)據(jù)包的平均數(shù)量, 可反映系統(tǒng)在有限隊(duì)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(shí)延, 它的大小反映了對(duì)用戶數(shù)據(jù)包響應(yīng)的速度。如果該數(shù)值過大, 則實(shí)時(shí)業(yè)務(wù), 如話音將會(huì)受損, 出現(xiàn)不連續(xù)或掉話等現(xiàn)象。橫坐標(biāo)表示利用率ρ, 也是網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)強(qiáng)度, 它等于網(wǎng)絡(luò)的平均到達(dá)率與輸出率之比, 是服務(wù)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(duì)長(zhǎng)僅為2～3個(gè)報(bào)文。這與現(xiàn)有設(shè)備的緩存區(qū)容量相比, 可以看成是無(wú)限隊(duì)列容量的情況。因此數(shù)據(jù)包在進(jìn)行排隊(duì)操作時(shí), 因設(shè)備內(nèi)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(wù)質(zhì)量。同時(shí), 數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延也很小。我們還可以看出, 當(dāng)ρ>018以后, E (T ) 和E (n ) 都變大, 且上升趨勢(shì)很快。

從以上分析可得出結(jié)論:采用“輕載荷網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行辦法”, 將網(wǎng)絡(luò)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(luò)延遲, 從而自然改善Internet 服務(wù)質(zhì)量。這是一種用帶寬換取服務(wù)質(zhì)量的策略, 現(xiàn)在已獲得越來(lái)越多人的認(rèn)同。

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四、一種新的減少網(wǎng)絡(luò)延遲的

方法及其分析

在Internet 上, 到達(dá)網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)的負(fù)載(IP 數(shù)據(jù)包) 首先都要在緩沖器中參加排隊(duì)(存儲(chǔ)) , 然后再送到連至下一節(jié)點(diǎn)的出向傳輸鏈路上去(轉(zhuǎn)發(fā)) 。分組在緩沖器中等待轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間就是排隊(duì)延遲。它是端-端時(shí)延的一個(gè)重要組成部分。從第二部分的分析我們已知, 排隊(duì)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(duì)延遲, 也就可以大大減少它的網(wǎng)絡(luò)延遲, 從而達(dá)到所需的服務(wù)質(zhì)量。下面將用排隊(duì)論定量分析這個(gè)問題。

λ為分組我們用M/M/1模型進(jìn)行簡(jiǎn)單等效。

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

復(fù)用波長(zhǎng)間的間隔不到1納米(nm ) , 達(dá)到密集波

分復(fù)用(DW DM ) 的程度。目前, 實(shí)用化的DW DM

速率已達(dá)到400G bit/s 以上; 實(shí)驗(yàn)中單光纖單波長(zhǎng)

上的傳輸速率可達(dá)320G bit/s , 單光纖上波分復(fù)用

波長(zhǎng)數(shù)可達(dá)1022個(gè), 單光纖上波分復(fù)用容量可達(dá)

614Tbit/s 。由此可見, 超大容量、超大帶寬將成

為下一代網(wǎng)絡(luò)的基本特征。這也給“輕載荷網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行辦法”的實(shí)施提供了有力的技術(shù)保障。五、小結(jié)Internet 高延遲是影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。本文分析了網(wǎng)絡(luò)延遲, 并提出一新的解決方法。相信隨著光纖通信技術(shù), 尤其是W DM 技術(shù)的發(fā)展, 網(wǎng)絡(luò)延遲問題將會(huì)得到很好的解決。

參考資料

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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(chéng)信意識(shí)

廣西通信業(yè)堅(jiān)持以誠(chéng)信為著力點(diǎn), 采取一系列措施, 開展一系列活動(dòng), 干部、群眾的文明程度明顯增強(qiáng), 各電信運(yùn)營(yíng)企業(yè)的誠(chéng)信意識(shí)明顯增強(qiáng)。近日, 在南寧召開的廣西通信行業(yè)“規(guī)范市場(chǎng)、改善服務(wù)、樹立行業(yè)新風(fēng)”會(huì)議決定, 由電信監(jiān)管部門對(duì)電信、聯(lián)通、網(wǎng)通、移動(dòng)、鐵通、吉通等六大電信運(yùn)營(yíng)企業(yè)實(shí)行服務(wù)評(píng)分, 以此推行誠(chéng)信服務(wù), 滿足用戶的知情權(quán), 讓用戶明明白白放心消費(fèi)。

近年來(lái), 收費(fèi)透明度不高、障礙修復(fù)不及時(shí)、裝機(jī)難等電信服務(wù)熱點(diǎn)問題越來(lái)越受到市民的關(guān)注。通過倡導(dǎo)企業(yè)自律, 同時(shí)實(shí)行依法監(jiān)管, 來(lái)切實(shí)解決市民反映強(qiáng)烈的電信服務(wù)熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題, 是一項(xiàng)消費(fèi)者、電信企業(yè)和國(guó)家三贏的善舉。

據(jù)悉, 該活動(dòng)將由2002年5月至12月分四個(gè)階段進(jìn)行。通過活動(dòng), 重點(diǎn)整頓和規(guī)范廣西電信市場(chǎng)秩序, 進(jìn)一步減少亂收費(fèi)、亂漲價(jià)或頻繁變動(dòng)電信業(yè)務(wù)價(jià)格, 以及價(jià)格歧視、價(jià)格欺詐等現(xiàn)象的出現(xiàn), 使消費(fèi)者的合法權(quán)益得到保障。在電信網(wǎng)間互聯(lián)互通方面, 各運(yùn)營(yíng)商之間要實(shí)現(xiàn)新的突破, 使各運(yùn)營(yíng)商之間的互聯(lián)更加通暢, 共同為用戶提供優(yōu)質(zhì)的電信服務(wù)。在改善電信服務(wù)方面, 市民關(guān)注的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題要切實(shí)解決, 如話費(fèi)透明度、電話裝機(jī)難、障礙修復(fù)不及時(shí)等問題。要鼓勵(lì)企業(yè)向用戶提供各類收費(fèi)清單, 利用好法律、經(jīng)濟(jì)、輿論等多種手段有效監(jiān)督電信企業(yè)持續(xù)改善服務(wù)質(zhì)量。

目前, 該活動(dòng)已引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注, 廣西各電信企業(yè)已做好充分準(zhǔn)備, 希望通過此次活動(dòng)不斷完善服務(wù)手段, 提高服務(wù)質(zhì)量。

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