互联网时延测量与特性研究

The researches on end-to-end delay of Internet are the foundation and key point to the QoS guarantee of real-time application, the network planning and optimization. However, the poor accuracy and inconvenient deployment of those existing delay measurement methods, and the hierarchical structure of the major ISPs in China, make the measurements confined to a small area, and lacking the depth and comprehensive analysis. For the large and complex Internet in China, we launch a wide range of delay measurements from the terminal side, establish the delay datasets, and reveal the characteristics and laws of network delay initially. First, we adopt the end-to-end link measurement technology to solve the inconsistent path problem of measuring packet; then, study the IP geolocalization to solve related analysis of the link delay with its node location; finally, launch the delay measurements based on the large-scale probers to establish the delay datasets. Based on the data sets, we discuss the delay modeling method and characterize the network delay features from the two dimensions of time and space using Markov model and BA model. The expected results include the shareable delay datasets of Chinese Internet, and the analysis of network delay features, which can be used as scientific basis for the researches in network behavior, quality of service and application model.

研究互联网端到端时延，是实时业务QoS保障、资源优化和网络设计的基础和关键。然而现有时延测量手段精度不高、部署困难，以及中国网络拓扑的层次特性，使得测量工作局限于小范围，缺乏对全网时延的深入测量和分析。本项目的目标是针对庞大而复杂的中国互联网，从网络终端侧实施大范围时延测量，建立时延数据集，初步揭示互联网的时延特性与变化规律。研究端到端链路时延测量技术，解决测量数据包路径不一致问题；研究节点IP的地理位置定位技术，解决端到端时延节点地理位置关联分析问题；基于大规模探针开展时延数据采集并建立数据集，在此基础上，利用马尔科夫过程和BA模型，研究网络时延建模方法，从时间和空间域两个维度刻画网络时延特性。项目预期成果是提供可共享的中国互联网时延数据集，以及相关特性分析，为网络行为、服务质量和业务模式等研究提供科学数据和依据。

互联网端到端时延的研究与分析是网络实时业务QoS保障、资源优化配置的关键。本项目主要针对网络时延测量与分析较为困难的问题，研究从网络终端侧实施测量的关键技术。首先通过在较大范围部署测量节点，测量并收集时延数据以建立时延数据集，分布式的家庭网关平台和移动终端分别采集了300万和420万条数据。对时延数据的分析发现：(1)采用LAN接入技术的最后一公里时延均值为5.6ms，比采用ADSL技术的时延均值小3倍；(2)城域网的层次结构导致了城域网时延的概率分布曲线呈现出多个波峰的特征；(3)骨干网时延与物理距离呈现出弱相关，即节点之间的物理距离越远，并不一定骨干网时延越大。对于蜂窝网络，分析发现：(1)我国无线接入网时延占端到端总时延比例达到了70%-80%；(2)相对于国外移动互联网的扁平结构，中国运营商的网络具有更多的层级，从终端到出口网关的路由跳数有3-6跳；(3)区别于传统互联网，内容分发网络技术在移动互联网的部署并不能带来大的时延性能提升。基于时延数据分析，提出了基于统计网络演算理论的端到端多节点时延建模方法。分有线网和无线接入网两部分进行分析，其中有线网部分利用统计网络演算理论中的多节点分析框架，通过设定合适的到达和服务过程求解时延边界的表达式。对无线接入网部分的时延，采用两状态的马尔可夫信道模型描述其无线信道并求解其信道容量，结合矩母函数形式的统计网络演算理论求解时延边界。利用串联前馈网络中的输入输出特性将两部分时延界结合，建立起整个端到端时延分析模型。并通过真实数据验证了模型的有效性。本项目的研究结果可以用于实际的网络服务性能统计分析，并为网络中分析新业务的部署是否能够满足其服务质量要求提供理论分析依据。