一种基于TCP的网络性能测量诊断方法及系统

摘要

本申请公开了一种基于TCP的网络性能测量诊断方法，包括：接收客户端发送的测试请求和目标性能参数；依据所述测试请求向所述客户端发送探测流量，进行TCP网络性能测量并捕获背景数据包对所述TCP网络性能测量的结果进行校对；依据TCP性能模型和所述目标性能参数，分析所述经过校对的TCP网络性能测量结果；汇总所述TCP网络性能测量过程中的测量数据及所述TCP网络性能测量分析结果，生成TCP网络性能测量的诊断报告。本申请实施例提供的基于TCP网络性能测量诊断方法及系统，有效解决了TCP隐藏底层错误、错误症状与往返时间成比例的问题；降低了探测流量对网络背景流量的干扰，显著提高了对于本地链路错误的敏感度。

说明书

技术领域

本申请涉及计算机网络流量监测分析技术领域，特别是涉及一种基于TCP的网络性能测量诊断方法及系统。

背景技术

目前网络带宽的不断增加，但是网络性能却没有同步提升，随着网络技术的发展，用户对于网络速度的要求不断提高，性能问题逐渐变的越来越严重。TCP承载了Internet中绝大多数的流量，它自适应的重传机制为上层应用提供方便的同时也隐藏了下层协议的错误，并且滑动窗口的特性也容易引起错误症状缩放的问题。快速、有效地定位TCP性能瓶颈是解决网络性能问题的关键。因此，如何针对TCP性能瓶颈进行测量分析是一个迫切需要解决的问题。目前所采用的性能测量方法主要包括以下两类：

主动测量：测量系统产生探测数据包并注入网络中，观测探测数据包的行为和到达时间，估计网络性能指标。主动测量使用方便，比较适合端到端的网络性能测量。由于该方法不涉及用户的网络信息，所以对用户而言是很安全的。

被动测量：直接采集通过交换机/路由器上的端口镜像、物理光纤链路上的分光或者是特定设备导出所得到的流量数据，而不需要将任何附加的流量送入到被测网络中。被动测量是非入侵式的，对网络造成的影响很小。

发明人经过对现有主动测量和被动测量的研究发现，主动测量在测量过程中增加了网络的潜在负载，对网络造成较大影响；主动测量容易引起Heisenberg效应，即额外的流量可能会干扰网络，并使结果分析产生偏差；而被动测量则容易捕获敏感流量，侵犯用户的安全和隐私；并且被动测量只能获得网络局部数据，无法了解网络的整体情况；因此亟需一种网络性能的测量诊断方法来解决现有技术中主动测量与被动测量过程中存在的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种基于TCP的网络性能测量诊断方法及系统，有效的解决了现有技术中主动测量与被动测量过程中存在的问题。

技术方案如下：

一种基于TCP的网络性能测量诊断方法，包括：

接收客户端发送的测试请求和目标性能参数；

依据所述测试请求向所述客户端发送探测流量，进行TCP网络性能测量并捕获背景数据包对所述TCP网络性能测量的结果进行校对；

依据TCP性能模型和所述目标性能参数，分析所述经过校对的TCP网络性能测量结果；

汇总所述TCP网络性能测量过程中的测量数据及所述TCP网络性能测量分析结果，生成TCP网络性能测量的诊断报告。

上述的方法，优选的，在所述接收客户端发送的测试请求和目标性能参数前，还包括：

所述客户端建立进行TCP性能测量的通信信道，所述通信信道包括：控制信道和测试信道。

上述的方法，优选的，所述客户端通过控制信道发送测试请求和目标性能参数；通过所述测试通道接收探测流量。

上述的方法，优选的，所述TCP网络性能测量包括：初始扫描过程、丢包率测量过程和瓶颈队列测量过程；

所述初始扫描过程是寻找排队开始和拥塞出现时对应的滑动窗口的过程；

所述丢包率测量过程是测量排队开始前丢包率的过程；

所述瓶颈队列测量过程是在最大滑动窗口附近进行细粒度扫描，准确的确定拥塞出现时的滑动窗口大小。

上述的方法，优选的，所述分析经过校对的TCP网络性能测量结果的过程包括：分析客户端主机配置、分析网络路径瓶颈和分析测试一致性。

上述的方法，优选的，所述诊断报告包括测试环境的描述、目标性能参数与测试性能参数的对比评估，客户端和网络路径瓶颈的诊断结果与相应诊断原因解释。

一种基于TCP的网络性能测量诊断系统，包括：

接收单元、测量单元、校对单元、分析单元和诊断报告生成单元；

其中：所述接收单元用于接收客户端发送的测试请求和目标性能参数；

所述测量单元用于依据所述接收单元接收的测试请求向所述客户端发送探测流量，进行TCP网络性能测量；

所述校对单元用于捕获背景数据包，对所述测量单元测量的结果进行校对；

所述分析单元用于依据TCP性能模型和所述接收单元接收的目标性能参数，分析经过所述校对单元校对的TCP网络性能测量结果；

所述诊断报告生成单元用于汇总所述测量单元进行TCP网络性能测量过程中的测量数据及所述分析单元对TCP网络性能测量结果进行分析得到的分析结果，生成TCP网络性能测量的诊断报告。

上述的系统，优选的，所述测量单元包括：初始扫描子单元、丢包率测量子单元和瓶颈队列测量子单元；

所述初始扫描子单元用于寻找排队开始和拥塞出现时对应的滑动窗口；

所述丢包率测量子单元用于测量排队开始前的丢包率；

所述瓶颈队列测量子单元用于在最大滑动窗口附近进行细粒度扫描，确定准确的拥塞出现时的滑动窗口大小。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本发明提供的基于TCP的网络性能测量诊断方法及系统，能够测量网络中重要的TCP性能指标：数据速率、往返时间和丢包率，并根据设定的目标性能，参考TCP模型，对网络中基于TCP的流量性能进行深入分析和诊断，给出性能优化建议以及诊断报告。本申请实施例提供的基于TCP网络性能测量诊断方法及系统，有效解决了TCP隐藏底层错误、错误症状与往返时间成比例的问题；降低了探测流量对网络背景流量的干扰，显著提高了对于本地链路错误的敏感度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于TCP的网络性能测量诊断方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的基于TCP的网络性能测量诊断方法的一详细流程图；

图3为本申请实施例提供的TCP网络性能测量的工作流程图；

图4为本申请实施例提供的TCP性能分析的工作流程图；

图5为本申请实施例提供的基于TCP的网络性能测量诊断系统；

图6为本申请实施例提供的基于TCP的网络性能测量诊断系统的一详细结构流程图；

图7为本申请实施例提供的基于TCP的网络性能测量诊断系统的一实例示意图；

图8为本申请实施例提供的初始扫描的工作流程图；

图9为本申请实施例提供的丢包率测量和瓶颈队列测量的工作流程图；

图10为本申请实施例提供的采样过程的工作流程图；

图11为本申请实施例提供的客户端主机配置分析流程图；

图12为本申请实施例提供的丢包率分析流程图；

图13为本申请实施例提供的瓶颈队列分析流程图；

图14为本申请实施例提供的测试一致性检验流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

首先对本申请实施例中所需要的术语进行定义，如下：

数据速率：指一段扫描时间内发送方成功地向接收方传输的字节数，也成为吞吐量。

往返时间(RTT)：从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。

丢包率：指丢失的数据包与发送的数据包总数的比值。

瓶颈队列：指网络路径上的瓶颈处(路由器或交换机)用来维持排队数据包的缓存空间。

滑动窗口：在任意时刻，发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时，接收方也维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为接收窗口；为了清楚的表述测量过程，本发明中的滑动窗口特指发送窗口。

最大滑动窗口：本发明把网络拥塞出现时对应的窗口大小定义为滑动窗口的最大值，即最大滑动窗口。

步长：在每个扫描周期，滑动窗口增加的数据包数据称为步长。根据频率的增长，可以分为可变步长和固定步长。

TCP性能模型：Mathis于1999年提出了TCP性能模型，它采用周期丢包模型进行推导，得到带宽与时延及丢包率的关系等式：

$\mathrm{BW}=\frac{\mathrm{MSS}}{\mathrm{RTT}}*\frac{C}{\sqrt{p}}$

其中C为常量，一般情况下小于1。在很多网络环境下，关系等式可以作为一个阈值来使用。TCP性能模型可以用来预测TCP如何共享Internet带宽。同时也可以预测TCP性能对于Internet的影响，表现为一个时延、丢包率和带宽的平衡过程。

本申请实施例提供的基于TCP的网络性能测量诊断方法的流程图如图1所示，包括：

步骤S101：接收客户端发送的测试请求和目标性能参数；

步骤S102：依据所述测试请求向所述客户端发送探测流量，进行TCP网络性能测量并捕获背景数据包对所述TCP网络性能测量的结果进行校对；

向客户端主动发送探测流量，进行TCP网络性能指标的测量，同时被动捕获背景数据包，用来校准主动测量的结果；

在主动测量过程中，需要同时进行性能指标的计算和发送窗口的调整；

采用滑动窗口的测量方法，主被动结合测量数据速率、往返时间和丢包率进行网络性能的测量；测量过程分为三个阶段：初始扫描阶段、丢包率测量阶段和瓶颈队列测量阶段；

步骤S103：依据TCP性能模型和所述目标性能参数，分析所述经过校对的TCP网络性能测量结果；

依据测量过程中产生的性能指标和性能参数：数据速率和往返时间，基于TCP性能模型和TCP慢启动、拥塞控制等机制，对TCP网络性能测量结果进行分析；分析过程从客户端主机配置、网络路径瓶颈依据测试一致性三个方面进行；

步骤S104：汇总所述TCP网络性能测量过程中的测量数据及所述TCP网络性能测量分析结果，生成TCP网络性能测量的诊断报告；

根据分析得到的分析结果，生成诊断报告；诊断报告首先描述测试环境，包括目标端和测试端的IP地址、目标性能参数、测量得到的往返时间和最大报文段长度；还包括打开客户端配置方框，显示TCP扩展选项是否开启以及接收窗口的诊断结构；然后打开客户端网络路径方框，包括数据速率测试、丢包率测试和瓶颈队列测试三个子部分；最后打开测试一致性方框，报告测试端是否成为性能瓶颈。报告中的诊断结果分为三种状态：通过、失败和警告，根据状态不同，结果的显示颜色也有所区别，分别对应绿色、红色和黄色。

在执行以上方法前，还包括建立测量需要的通信信道的过程，如图2所示，包括：

步骤S001：客户端建立进行TCP性能测量的通信信道，所述通信信道包括：控制信道和测试信道。

建立通信信道是进行TCP性能测量的基础，首先客户端通过浏览器或者命令行与服务器之间建立TCP控制信道。然后，客户端向服务器发送测试请求和目标性能参数，经过服务器端的验证之后返回测试信道的端口号。最后，客户端在服务器端返回的端口上建立测试信道，完成TCP三次握手。

本申请实施例提供的TCP网络性能测量的工作流程图如图3所示，主要包括初始扫描阶段和丢包率及瓶颈队列测量阶段，其中：

初始扫描是寻找排队开始和拥塞出现时对应的滑动窗口的过程。它采用可变步长扫描器进行滑动窗口扫描，通过不断增大滑动窗口来寻找排队开始和拥塞出现。初始扫描阶段主要确定这两个重要的窗口大小，从而用来在以下两个阶段确定扫描的窗口范围。

丢包率测量主要测量排队开始之前的丢包率，目的是反映比特错误和其它不涉及网络拥塞的路径丢失。为了尽量减小主动探测数据包对于背景流量的影响，根据初始扫描阶段得出的排队开始时的窗口大小，采用固定步长扫描的方法进行窗口递减的扫描。

瓶颈队列测量主要在最大窗口附近进行细粒度扫描，从而确定出准确的拥塞出现时的窗口大小。由于初始扫描是可变步长的粗粒度扫描，所以初始扫描得到的最大窗口只起到指示的作用，为了得到精确的瓶颈队列长度，就要在拥塞信号附近进行固定步长的单步扫描。

本申请实施例提供的TCP性能分析的工作流程图如图4所示，其中：

客户端主机配置测试是测试客户端的TCP协议实现版本以及TCP接收缓冲是否足够的过程。该步骤主要检测TCP协议中的扩展选项，包括窗口扩大选项、选择性重传选项和时间戳选项，同时需要测试TCP接收缓冲区是否比通告的接收窗口小。

网络路径瓶颈主要分析三个路径参数：最大数据速率、背景丢包率和瓶颈队列长度。其中数据速率测试主要根据测量得到的最大数据速率与目标数据速率比较，并分析速率下降的原因。丢包率测试使用测量得到的数据速率和丢包率代入TCP性能模型中，就可以检测出当前路径是否符合目标性能参数，从而决定测试是否通过。瓶颈队列测量阶段得到的瓶颈队列的长度用来进行瓶颈队列的测试。

测试端一致性主要检验服务器端是否成为性能瓶颈。首先从内核中读取系统配置，然后计算最大发送窗口，最后通过与带宽-时延积比较得出分析结果。

对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

针对以上方法实施例，本申请实施例还提供了一种基于TCP的网络性能测量诊断系统如图5所示，包括：

接收单元201、测量单元202、校对单元203、分析单元204和诊断报告生成单元205；

其中：接收单元201用于接收客户端发送的测试请求和目标性能参数；

测量单元202用于依据所述接收单元201接收的测试请求向所述客户端发送探测流量，进行TCP网络性能测量；

校对单元203用于捕获背景数据包，对所述测量单元202测量的结果进行校对；

分析单元204用于依据TCP性能模型和所述接收单元201接收的目标性能参数，分析经过所述校对单元204校对的TCP网络性能测量结果；

诊断报告生成单元205用于汇总所述测量单元202进行TCP网络性能测量过程中的测量数据及所述分析单元204对TCP网络性能测量结果进行分析得到的分析结果，生成TCP网络性能测量的诊断报告。

本申请实施例提供的基于TCP网络性能测量诊断系统的一详细结构示意图如图6所示，其中测量单元202包括：初始扫描子单元301、丢包率测量子单元302和瓶颈队列测量子单元303；

初始扫描子单元301用于寻找排队开始和拥塞出现时对应的滑动窗口；

丢包率测量子单元302用于测量排队开始前的丢包率；

瓶颈队列测量子单元303用于在最大滑动窗口附近进行细粒度扫描，确定准确的拥塞出现时的滑动窗口大小。

针对以上方法及系统实施例，本申请实施例为了更加清楚的对基于TCP的网络性能测量诊断方法及系统进行描述，提供一详细实例如图6所示，以下针对该实例进行描述：如图6所示，

客户端通过浏览器访问服务器的测试页面，其控制端口号为8001。然后输入目标性能参数：数据速率和往返时间；如果用户不知道被测网络的指标，就会默认采用适合大多数网络的性能参数(100Mbps和20ms)；接着客户端发起测试请求，并将参数传递给服务器端，等待验证。服务器端会检验参数的合法性之后返回测试端口号8003，客户端在该端口号建立测试信道。经过三次握手，测试信道建立完成，准备开始测量。

服务器端向客户端发送探测流量进行主动测量，同时服务器端的流量捕获器被动捕获背景数据包，用来校准测量结果。测量过程一共分为三个阶段：初始扫描、丢包率测量和瓶颈队列测量。

初始扫描是寻找排队开始和拥塞出现时对应的滑动窗口的过程。其主要流程图如图8所示，在该过程中，采用的是可变步长的扫描器。首先进行预扫描，预扫描主要用来获取所测路径的基本信息，包括最大报文段长度(MSS)、最大传输单元(MTU)、最小往返时间(RTT)等。然后根据用户设定的目标性能参数以及路径基本信息初始化测量参数，包括滑动窗口初始值、步长初始值、瓶颈队列目标值和最大窗口的估计值。

当测量参数初始完毕之后，开始进入快速扫描阶段。快速扫描由若干次的采样周期组成，根据两次采样结果计算一条直线的斜率，横轴和纵轴分别是窗口大小和数据速率，根据斜率是否大于1判断网络上是否开始排队，从而确定排队开始时的滑动窗口大小。一旦排队开始，则进入收敛扫描阶段，需要启动计数器来帮助调整步长的变化。当采样次数超出计数器范围，则重置计数器，步长加倍；否则步长不变，进入一个采样周期。在每次采样过程中，需要检查是否出现拥塞信号，如果连续三次出现拥塞信号，则可以确定最大滑动窗口。

丢包率测量是测量排队开始前网络丢包率的过程。其主要流程图如图9所示，在该步骤中，采用的是固定步长扫描器。首先根据初始扫描得到的排队开始时对应的滑动窗口大小初始化扫描窗口，固定步长为单步；然后开始单步递减的定时基本扫描，基本扫描由若干个采样周期组成；如果扫描结束未出现四个以上丢包信号，则进入补充扫描；补充扫描固定步长为10个数据包，每次周期为10秒，进行丢包率的采样扫描；为了节省测量时延，补充扫描一共不会超过20秒。

瓶颈队列测量是细粒度的寻找拥塞出现的扫描过程。该步骤主要在初始扫描确定的最大滑动窗口附近进行。瓶颈队列的测量扫描采用固定步长为1的扫描器，扫描过程由若干采样周期组成。该步骤的流程图与丢包率测量类似，也如附图9所示。

采样过程结合主被动测量方式进行测量结果的校准。其中主动测量获取的结果为Web100MIB数据集。根据采样周期内探测包的个数分为若干小间隔，在每个小间隔内通过被动测量统计背景数据包的个数，同时更新主动测量得到的性能指标。在周期结束时，通过被动测量与主动测量监测得到的数据之间的似然比，校准主动测量的结果，得到无偏的测量结果。采样模块的流程图如附图10所示。测量结果的校准具体细节如下：

主被动结合测量的校准公式为：

$M_Y(m,\tau )=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}Y\left(j\right)\rho (j,\tau )$

其中M_Y(m，τ)表示用户数据包性能指标的均值，Y(j)(j＝1，2，...，m)表示在时间S_j主动探测包性能指标的测量结果，探测包间隔s_j+1-s_j和间隔δ(s_j)都看作常量τ；假设在间隔[s_j，s_j+1)内用户数据包个数为ρ(j，τ)，且测量周期内总共数据包个数为假设τ足够短，则ρ_X(s_j，δ)＝ρ(j，τ)，ρ_Y(s_j，δ)＝1，δ(s_j)＝τ。

测量完成之后，服务器端的分析器开始进入TCP性能分析阶段。分析内容主要包括目标端主机配置、网络路径瓶颈和测试端一致性。

目标端主机配置测试主要用来确认被测端的TCP设置是否适合用户输入的目标参数。测试内容包括TCP接收缓冲区以及TCP建立连接时SYN和SYN-ACK会话阶段通告的TCP可选项，比如窗口扩大选项、选择性确认选项和时间戳选项。因为很多当前的主流操作系统都自适应调整它们的接收缓冲区，所以在测量过程中的极值点(最大数据速率或窗口大小)检查通告的接收窗口非常必要。有以下两种情况需要考虑：

第一种情况：如果流量被接收窗口所限制，整个过程中观察到得最大接收窗口就会小于目标窗口，那么接收端就不会通告路径拥有充足的缓冲区，造成缓冲区太小。

第二种情况：如果接收端在极值点减小它的窗口，那么接收速度就不够快。

通常情况下，目标端在瓶颈队列测试阶段通告有充足的接收窗口，并且开启了窗口扩大选项就表示有足够的接收缓冲区。其整体工作流程如附图11所示。

网络路径分析主要分析三个路径参数：最大数据速率、背景丢包率和瓶颈队列长度。

数据速率测试失败的原因有几种情况：测试路径太长，用户输入错的路径参数，存在严重问题(比如多媒体应用失败)。如果RTT很小，TCP可以检测出大多数错误，而性能只会稍微降低。因此，当路径足够短的时候，大多数错误都不会掩盖其它错误，所以一次简单的测试会检测出多个错误。

在丢包率测量阶段，滑动窗口略小于排队开始的窗口，因此可以尽量减小主动探测流量的影响，从而准确的测量背景流量的丢包率。使用测量得到的数据速率和丢包率代入TCP性能模型中，就可以检测出当前路径是否符合用户输入的参数，从而决定测试是否通过。其整体工作流程如附图12所示。

瓶颈队列测量阶段得到的瓶颈队列的长度用来进行瓶颈队列的测试。当瓶颈队列小于当前路径的带宽-时延乘积时，测试会产生警告。由于该测试不能确定较小的缓冲空间是否会造成性能的明显降低，所以只是引发警告。这个测试反映了传统的全速BDP法则——用来为TCP设置路由器缓冲区大小。其整体工作流程如附图13所示。

测试端一致性检验主要测试服务器是否成为性能瓶颈。首先读取内核中的系统配置，然后计算发送窗口，与带宽-时延乘积比较，最后得出诊断结果。其整体工作流程如附图14所示。

TCP性能模型：

Mathis于1999年提出了TCP性能模型，它采用周期丢包模型进行推导，得到带宽与时延及丢包率的关系等式：

$\mathrm{BW}=\frac{\mathrm{MSS}}{\mathrm{RTT}}*\frac{C}{\sqrt{p}}$

其中C为常量，一般情况下小于1。在很多网络环境下，带宽与时延及丢包率的关系等式可以作为一个阈值来使用。TCP性能模型可以用来预测TCP如何共享Internet带宽。同时也可以预测TCP性能对于Internet的影响，表现为一个时延、丢包率和带宽的平衡过程。

根据分析阶段的分析结果，可以生成一份全面的诊断报告。包括测试环境、目标性能参数、目标端主机配置分析结果、网络路径分析结果和测试端一致性检验结果。服务器将生成的诊断报告通过浏览器返回给客户端，可以为普通用户和专业用户提供被测网络的TCP性能诊断和优化的意见。

根据以上论述可知，本申请实施例提供的基于TCP的网络性能测量诊断方法及系统具有以下显著效果：

(1)本发明解决了TCP重传机制与滑动窗口特性带来的“错误隐藏”和“症状缩放”问题。使用该发明可以有效地提升对于本地路径上的TCP性能瓶颈的检测率。可以保障网络安全，防范大规模网络攻击，从而为用户提供可靠的端到端服务质量保证。

(2)本发明的使用大大降低了TCP性能测量对于背景网络的干扰性和依赖性，比传统的性能测量工具开销减少了60％，同时测量精度保持稳定性和一致性。这将大大地降低网络性能监测系统的实施成本，在相同的性能监测需求下，使用本发明的成本更低，诊断分析更加全面有效。

(3)本发明基于B/S模式的开发方式，可以提供分布式的测量服务，不需要客户端进行复杂的安装和部署。不需要用户的任何协同操作，全部测量分析的操作都在服务器端完成。生成的报告明确、易懂，可同时适用于普通用户和专业用户。本发明的应用范围广泛，并且具有分布式、可扩展、零维护的优点，能够大幅提高网络性能监测的效率，为实施自适应QoS策略提供依据，保证应用的性能。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。