高速 IP 网络的轻负荷和快速仿真(一)
高速 IP 网络的轻负荷和快速仿真
摘要：
网络路由实现模拟有两个重要的因素，大小不一的文件和传输控制协议，他们分布于会话层。整合两者的源操作面临着两个主要的可测量性问题，其中每个来源所必需的计算资源限制了可被模拟来源的数量，以大容量网络为内容的离散事件数量导致了过长的模拟时间。我们介绍一种轻巧的路由来源。从统计上来看，它产生的路由类似实际来源产生的路由。与实际来源相类似，它产生很多分布在会话层的文件。然而，它的传送操作建立于近似传输控制协议的假的传输控制协议上。P-TCP的稀疏编码使LWTS相对于现实的路由来源少了50倍。为了解决第二个可量测性问题,我们在传输层介绍新奇的抽象化技术: 我们把小包送给一整窗户传输控制协议包的当做一大包。这抽象化造成不连续事件的减少可达到28倍的更快速的模拟。
关键词语：轻负荷业务源，可测量仿真方法论，大范围可靠性
1介绍
计算机模拟的目标是尽可能的模仿现实。然而，很重要的是为了研究一些特定的系统特点，并且不仅要仔细考虑现实细节，还要用现有的计算资源，在合理的时间内完成模拟。在大多数情况下，两个目标在相反的两端。仿真模拟需要特殊的、昂贵的硬件，要求长时间提供稳定的结果。另一方面，任何解决实际限制的承诺一般都要考虑牺牲一些模型的实际细节。
互联网路由是大范围的，这是由它自身性质决定的。LRD在路由工程和网络计算的问题上有很深的影响，从数学的角度看，它意味着路由表明大范围时间内的相关性，除此之外，特定协议机制和壅塞控制机制提高了在小范围时间表内复杂结构道具的性能，这是不同于大时间缩放的行为，从观察的表现要点来看，这些相关结构的最大反映是排队行为，这巨大的不同于产生于Poisson货物记忆处理的古典行为结果。因此，在通信网络仿真的路由中实现大时间和小时间的相关性是很重要的。
LRD 主要地被归因于会话特性, 或使用者-行为。每个使用者被模拟为开关源，那开状态表现使用者的下载活动, 而且关状态表现它的想-时间。开时间是冗长分布的，是因为冗长的网页造成的。多个不规则碎片在小的时间刻度的结构主要地被归因于传输控制协议记录。作者介绍的HTTP-TCP的来源包括这些因素，它包括完全落实传输控制协议传送冗长分布于会话层的文件。
然而以实用的方式模拟低速度网络是有可能的，在高速网络模拟方法学面对两个主要可测量问题。如高速的网络携带大量路由，因此,很多的路由来源必须模拟在这样一个系统上。每个来源对计算机的资源都要求。因此,有限可得的计算机资源限制能被模拟的来源数量。其次，每个来源在模拟的过程中产生若干的不连续的事件。时间越多，模拟的时间越长。这些是与高速网络的离散事件模拟学密切相关的两个重要实际的限制。
可量测性议题对HTTP-TCP来源甚至是更严重的，它包括一个客户–服务器的传输控制协议对为传输控制协议连接：两者都占据存储空间而且产生路由。事件被产生用于从服务器到客户端的数据流同样用于相反方向的路由确认．大量的不连续的事件减慢模拟。举例来说,在一个４ＧＢ随机存取储存器和一个 1.5Ｇ赫兹处理器的机器上，一总共1.5 Gbps 的路由需要2 – 3个秒的现实路由。同样，HTTP-TCP来源占据约２０kBytes的模拟器的内存空间。现在的稳定 Linux 核心能存取将近４ＧＢ的存储器。1 GBytes的存储空间被用于核心，组件等。因此，我们在剩余的 3 GBytes 存储器上能最多模拟 150,000来源。当调谐的模拟一个典型的网路使用者，每个来源生产约12 kbps的路由。然后模拟器的能力不超越路由的1.8 Gbps 的模拟。提供这些实际的限制, 现实的小包级的高速网络的模拟出现被当做一不可能的任务。因此, 一新类型的路由来源要求不仅产生现实的互联网路由而且解决那有关的可量测性问题。
我们介绍一个新类型的路由来源，它在统计上来看类似被产生的路由被一真正的HTTP-TCP来源产生。我们叫它轻便路由源。就像HTTP-TCP来源，LWTS 是一个开关源。在会话层，它有和HTTP-TCP来源一样准确相同的结构。因此，它生产和HTTP-TCP来源是完全相似的 LRD 路由。二个来源之间的不同是二个来源传送数据的方法。我们为网络模拟的范围引进一新的传送模型。我们叫他假- 传输控制协议.(P-传输控制协议)。这类似于包括真正的占优势特性TCP传输协议。举例来说慢启动行为，壅塞避免，快速重传送和恢复，和一大约的指数背面行为也提到如 Karn's 的运算法则。它合并机制，估计来回时间 (RTT) 分配，这在路由特性中扮演重要角色。它的稀疏编码的实现主要成份是两存储-当作数据库使用的地图。一个数据库跟踪包损失，每当他们失去一个它直接地被写入缓冲。
另一个跟踪端到端得抱延时。P-TCP阅读这两张图而且因此反应, 也就是,它随着网络状态改变自身状态，形成弹性路由。我们将会在下面的部分解释它的完整行为以及和真正的TCP显著的不同。一些技术已经用来加速模拟，他们被分成三组，计算能力，模拟技术和模拟模型。较快速的处理器产生跟强的计算能力。更好的和改良的模拟运算法则改善模拟速度等，重启动系统装置探究罕见事件。第三方式是使用较高的层抽象化, 举例来说,包序列模拟技术模拟了一群紧密地排列得包作为一单独的包序列，另一种方法是流畅的模拟方法。一个相等的不连续的包模拟器跟踪所有路由源和网络序列在物理层的变化，流畅的模拟器处理一组大块流动包。网络路由在连续不断的流之间是被处理过的，一组平常的差别平衡数字的被解决，获得依赖时间网络行为的估计，流模拟器的过头处理远低于报水平的模拟器是很自然的，因此直接导致更快的模拟，然而，很明显可以看到，加速模拟是以牺牲细节标准为代价的。
我们采用一个完全新的抽象化策略。我们在传输层作抽象，以便能更早修改将大块数据当作一整窗包来传送的P-TCP协议，将一整窗当作一小包降低了负载计划引擎的负载，加速了模拟。这种在窗口水平的抽象世介于包水平和流水平之间的，它不仅合并了会话层的冗长分布文件特性，也保持了TCP协议的关键功能。不能推测在建立队伍后跟着发生包丢失或延时。这种抽象的代价是我们要放弃包水平的细节，在窗水平上模拟，我们相信我们的抽象测率在保证模拟仿真的同时也想留模拟一样取得了明显增速。我们将在模拟的帮助下论证这种技术的效用。
我们做了两项研究。在第一项研究中，我们比较LWTS的离散包版本来源和HTTP-TCP来源。我们将测量和显示关键路由统计的好的匹配，如吞吐量，变化系数，独立协方差，赫斯特参数。在第二项研究中，我们比较来源的抽象版本和现实来源的产生的路由，我们表示那主要部份路由特性和离散包水平路由的吞吐量，赫斯特参数和平均包延时的良好匹配。这种模拟是实际的到目前为止也是更快的，更轻巧的。
以HTTP-TCP路由为来源的用户行为模式在第二部分和第三部分已经给出，我们揭示了LWTS 的工作方式和如何处理以上提到的可测量性问题。在第四部分，我们讨论模拟建立和结果。
2 HTTP-TCP的来源
我们简要的讨论了HTTP-TCP的来源的细节。让我们描述网页服务器上连贯的网页用户请求到搭建的时间，HTTP协议在会话层取得申请的网页然后传送到TCP上。让 V代表网页服务器产生的平决文件的大小，让 Z代表梅耶对象的平均数目。如果 F 表示平均的网页然后按规定尺寸制作 F= V Z. TCP 传送网页从服务器到用户。平均网页传输以平均的开时间在会话层被完成。网页下载之后，用户在下个申请之前，在平均关闭时间内保持不活动，每个网络用户循环经历着开和关的行为。
HTTP-1.1 被考虑在会议层是因为它的流行。他通过持久稳固的连接传送文件，这意味着一个单一连接用于传送一个网页的所有文件。类似连接的做法在这里不再举例。在传输层，TCP首先通过三次握手建立服务器和客户之间的连接，然后传送实际数据，从一包开始，TCP保持在一窗中加倍，直到达到它的极限或有包丢失。前者他会转到CA阶段。对于TCP，接连的两个创之间的时间是rtt。如果没有包丢失，连接将会开启最大壅塞窗，然后维持这窗直到整个的文件传完。如果有损失传输控制协议将会转变到其他的阶段。
如果互联网路由的主要成分主要由弱的tcp传输或“老鼠”， 公平的是只有传输控制协议的SS 极限状态足够搬运网络路由的大部分。这是HTTP-TCP模型的基础。这个模型将会更紧密地模拟现实。然而，模拟的结果表明，这种近四实际上不坏，我们发现中的大部分遵循互联网络路由中的现有统计资料。
可以推测，适当大小的网络在极限状态时有不可避免的包丢失，作者将在下面阐述HTTP-TCP路由得tp.
N 是必需传送的一个大小为 F 的平均网页 RTTs 的平均数字。清楚地来源准时到达
3轻负荷路由来源
为了保持LWTS和HTTP-TCP来源的密切性，在会话层我们准确使用用户行为，两种来源在传输方式上是不一致的。早些时候P-TCP已经介绍了，它的细节将在下面给出。
象早些时候阐述的那样，每个用户请求造成tcp传输的网页产生。Tcp是有确认锁的。新的报文只有在得到确认响应后才发出。每个包引发一个向相反方向的确认包。这是tcp反馈环的一个主要功能。反馈环另一个主要功能是提供rtt的估计。两功能都取决于网络条件。
我们减少反馈环的包确认，用两个基于软件的反馈环代替补充相同功能，同时，语音多样性对ASR系统的进展仍然有很大的影响。在以易变为特征的因素中，词性和口音是最重要的。前者已经被AD模型所包含。然而，还是有相对较少的关于带口音的语音识别的研究正在进行，尤其是对那些虽有同样母语，但由于人们方言的不同而发生了区域性口音变化的语音的研究。
我们减少反馈环的包确认，用两个基于软件的反馈环代替来补充相同功能，我们用两个存储地图做数据库，一个跟踪包丢失，它叫plm，另一个跟踪e2e包延时，它叫e2e延时地图。Plm在队列丢失包时被直接写入缓冲。E2EDM被客户写入接收包。
每个客户计算E2E延迟并且把它写入地图。在接下来的部分我们将指出LWTS和HTTP-TCP来源的不同之处。
3.1 连接打开和结束
TCP经过三次握手完成连接打开阶段的两个方面（1）40个位信号包（2）从客户到服务器的网页请求。第一方面差不多包括在模型中。一个40字节的信号包在连接开始时被送出，他的成功投递被数据库PLM确认，在完成一个rtt间隔后，如果包丢失，他将会在RTT间隔之后重新发送和重新检查是否成功投递。如果包成功投递，连接将进入ss阶段。
第二个方面我们只是从负指数级的网页传送间功能性的移到一个随机关闭的服务器，这关闭时间的分布的平均价值设置以平均思考时间和关闭时间为准。
我们通过设置最后一个数据报的RST位模拟TCP连接关闭阶段，通知客户端数据传输的结束。
3.2暂停和三倍-副本
在P-TCP中没有定时器，这极大的简化了协议的执行，这些定时器的基本功能使评估重传延时，或协议推测包丢失以及将会采取的去处这种情况必须步骤所需的时间。对于P-TCP包丢失直接写入PLM，信息被协议读出。这也去除了告诉协议包丢失需重传的三倍副本机制的需求。
3.3 P- TCP阶段
P- TCP由SS,CA,FRR和Exp-BO阶段，和TCP思想一致。从SS阶段开始，在第一个RTT内传送一独立数据包，如果没有损失，协议将在一个RTT内加倍壅塞窗，直到窗达到极限，这就是指数创增长。然后协议将转向CA阶段，在这一阶段，CWND将在窗成功发送或丢失后被一部分填充。这是线性增长。这种增长将一直持续直到达到最大壅塞窗，通常是65,535个字节。如果没有损失，将一直保持知道网页传送终止。
如果没有包损失，失去包的缓冲将把丢失写入PLM。在协议发送一窗新的信息包之前，他将读取数据库的于特定连接相关的损失。他的两个操作基于这个信息：(1)一定传送容量=传送量+包丢失，网页量将被重新传送，(2) 决定下一阶段。遵循集中出现的可能：如果再SS中由单一的损失，那下一状态将是SS,这是个近似。实际的TCP，例如，如果丢失检测TD机制允许FRR，TCP-RENO将可避免激烈的从SS重复开始的测量，因此将进入CA阶段
如果在阶段有包损失，Wssth 和 CWND将被减少到正在运转的CWND的一半最小值是二，下一阶段CA。这是FRR的近似。
如果在CA阶段有多种损失，那下一阶段是SS。这是严重拥堵的迹象，因此，P-tcp协议将会彻底降低从SS开始的几率。
如果在SS阶段有多种损失，下一阶段是Exp-BO。这是几种壅塞的迹象。
因为它在相关高损失条件下诱导伪自我模拟的重要性所以包括Exp- BO 阶段是确定的。真正的传输控制协议把一包并在Karn's 的运算法则决定的RTO内等待确认。如果包传送不成功，RTO将加倍然后再一次传这包。协议保持加倍的RTO知道她达到64倍的第一个RTO。这又将包传送丢失造成的伪自我迷你的几率降低一半的作用。
我们的执行用确定的RTO来近似。在P-tcp的Exp-BO中，以RTO= 5 * RTT 来计算。这是因为当取道平均rtt值的标准背离rtt.做一个简单的假设rtt是负指数分布，我们将设
3.4 RTT估算
当客户受到数据包，会用一种简单的方法计算E2E延迟，即现有系统的时间与数据包被产生的时间差 ，将这个延迟加倍所以可以估计RTT将这个延迟写入E2EDM。P-TCP将应用相同的 估计函数应用在真实的TCP-IP协议中。P-TCP读取数据库中的内容再调整下次发送的滑动窗口。
3.5 数据提取战略
数据的提取在运输层完成， 不是发送离散的数据包在每个时间周期，P-TCP将一整个数据包在一个滑动窗口中一起发送。优点是明显的：提取的数据会被清晰地在日程表上显示，因为它将给每个数据包间日程表而不是一G包在每个数据周期。
然而我们将指出一个重要的细节：因为在传输层传输，因为拥塞，数据队列会遗失整个滑动窗口，但离散的数据包不会！这样看起来很极端，我们指出数据包的丢失是相关的。 在丢弃结尾数据类型的路由器中，当滑动窗口中以数据包丢失后，剩下的敞口中的数据包也会一起丢失。我们会进一步产生疑问多少个数据包在突发事件中丢失。基于纯理论的解释很难给出。然而我们将估计与模拟现实的情况截取数据包的数据段在有突发的遗失发生后。例如：只有完全窗口的一部分数据发生遗失将不会在寄存器中找到那部分数据。这种方法比较现实。详细的情况可以被得到。我们发现后果并不是想象的那末严重。因为我们可以用基于少量的数据流失模式来观察。所以这种估计并不是没有事实依据的。然而我们指出，TCP所要做得在相关的数据包丢失以后。
基本的当tcp探测到数据丢失以后它有两种选择。如果数据包被成功的发送当一是数据包的意外发生以后，协议会收到两个获三个一样的数据包。这就意味着会产生轻微壅塞，这时TCP会选择FRR，然而如果两个连续的数据窗口发生遗失协议会选择SS。这个估计蕴含了TCP协议防壅塞的思想。
判断数据传输的目的是极其重要的，简单一些说是解决可观测性事件用一种模拟仿真的方法。我们主张不要重新设定TCP或获取TCP的整个反馈循环。这用特性决定了用户行为将其他传输特性整合在了一起。
3.6 LWTS 吞吐模式
我们将TCP的基于结构模式定义在基于段模式之中。协议传输平均每个W窗口实时的以R速率传输。协议停止传输在TCP OFF是间段中，MSS极为最大传输数据部分。N的公式如下：
为了估计ss段是否能传输平均每个网页。一下是估计公式：
平均窗口长度W平均网页传输量将为
将RTT定义为协议传输在下限之和有
LWTS具有开关结构在传输层，在一段内应用开关结构在部分层：直观地来看有
N是平均的RTT值传输平均每个网页时。现在公式可以写为
再做一个微调
还有：
3.7预计的提速
在决定提速量时有三个主要因素。
在不提及现实的HTTP与TCP协议时，假设段到达时我们在服务器产生网页但仅仅将其传输到客户端。HTTP打开或关闭时和TCP既不产生流量,我们也消除了繁琐的TCP编码过程而将其在客户服务器简单的编码。每个客户服务器将其丢失数据简单编码在下一个数据窗口返回。因为这种原因我们不能精确的估计加速量。然而这种估计会发生两道三次。
去除了确认信息量：数据确认信息在数据包的传输中产生的流量和数据出书几乎相等。所以数据的传输速率提高也直观地展现为确认信息的去除
提取：数据传输的提速量与窗口壅塞的程度相关。可以用一下公式计算
一个典型的用户行为如图表1在给出MSS后平均网页传输可提高到大约42数据包
所以，模拟时间加速了四倍在离散数据包传输时。在提取窗口级模拟式可望提速大约28倍。
3.8进一步提速
数据提取战略将有现实的情况发生改变。因为会遇到光传输网络所附加的传输限制。模拟系统的提速量将有防壅塞窗口所来主要决定。具体参数将由国家互联网来决定。数据传输速度会提高100倍当数据流有足够长和网络传输的丢失足够小。速度提高速度还取决于数据资源的集成度。
4 总体传输的描述与仿真设置
或许精确的计算出因特网的随机流量是不可能的。然而我们可以根据主要的参数做出判断，来选区四个主要标志数据传输特性的标志，为了做到上述，我们应用了数据包内部到达时间过程。
第一个关键数据是TP ,TP描述了数据包的平均数据量与数据包的平均内到达时间。第二个关键参数为CV是一个随机的变量，其定义为传输速率背离其应有值的程度。CV标志了平均传输过程的一些变化。ACV则可用来观测相关量的变化 。赫氏参数册为第四个主要参数。为了形象地描述我们用一些突来表示其概念：
4.1仿真设置及对比HTTP-TCP与LWTS的结果
为了进行仿真我们这部分应用了托勒米仿真器来延续网络。如图三为了http-tcp传输试验，示范了仿真结构。我们跟随表一给出的摘要，用这些数值，我们得到了典型的网络用户的tp，他的包延时是12kbps。除了传输装置以外，p-tcp和lwts是相同的
我们推测这种连接不会被现有大容量高速网络下载，因为tcp正遭受由于连接下载所带来的壅塞坍塌超过了75%。作为一个最严重的例子想定核心连接的利用保持在65-70%，利用的边缘是50%。将被模拟的源数量被三个网络服务器均分。
图2给出了设置TP传出流量的一些细节。寄存器容量设置为550个数据包。数据包的内部到达时间过程在传输数列节点R1将被获得。这将标志着队列将数据从服务器传输到客户端确认信息从客户端到服务器将不从这对数据中传输。
冗长行分发数据在我们的模拟中是一个缩幂尾型（TPT）将形成参数1。5
TPT分布将需要大量样本汇聚。例如:为了达到参数最少需要个样本。我们的方针有足够能力提供至少个文件。
4.1.1 吞吐量
如图4 显示了TP对比LWTS与HTTP-TCP的传输流量。TP随数据的增加成线性增长模式。例如资源数为N时总的TP约为LWTS显示了优良的匹配随着线性的增加。
4.1.2变化的有效性
图5展示了cv和tp的关系，lwts显示了cv的很好的匹配，它遵循了已论证的http-tcp路由相同的的趋势。
4.1.3赫氏参数
在图六赫氏参数也显示优良的匹配特性（除了288MBPS这个点，我们还没有很好地解释。）这也显示了H值开始下降的到0。65载有2338个资源时开始稳定。在28Mbps时，向前。为了高速传输时数据包的内部到达时间有所需的空间，只有这样才能使传输更加顺畅。这是一个比较有趣的结论在分析因特网传输路径时。
4.1.4 自动协方差
选择分析5682个资源的相关性，发现可以产生大约72mbps的传输速率，然后测试cv得知。但当Acv=1时 会误使我们想象为没有PLD.这是另外一个比较有趣的结果在我们的实验中。
图8 显示了LWTS的相同的72mbps聚集传输结构 。除了在开始的一些微小变化 ，这种变化大概归因于P-TCP。 这种新的资源产生了相同的PLD行为就像HTTP-TCP资源所产生的一样。他将持续四个指令周期。LWTS产生与LRD极为匹配的行为。
4.1.5普通包延时
在我们所讨论的最后部分我们谨简单的提及一下。我们将PLD既看作一关也或对参数的匹配 ， 例如，在网关大概传输速率为72Mbps时，两个资源节点产生了大概相同的39s的MPD
然而用另外一种描述方法，我们前面已经讨论过在测量因特网传输路径时 ，已用我们的模式来加以说明。 我们用以上来解释这些现象。
4.1.6模拟设置与对比HTTP-TCP LWTS的资源后的结果
为了这个实验，我们使用了核心连接能力为C’=50mbps的器件。下载连接能力为，这个结果从表3可以看出。所有的数据显示为优良的匹配。PLD由赫氏参数给出，因为E2E所产生的冗长型网页所产生的延迟发生在以上两种情况。
LWTS的主要目的为解决HTTP-TCP资源毕环操作的可测量性。
速度提高的结果如图4所示。对350秒的HTTP-TCP仿真 大约用了26分钟。然而用LWTSs仿真用了56秒。这是大概28倍，这种提高在仿真中显得很为可观。这种速度的提高是对某个传输的瓶颈的设定改变。然而，很显然得，相同的数据传输速率提高 也可以通过减少路由器中等待数据的长度取得。因为在多重的路由器的情况下离散数据包的传输速率被固定下来当离散数据包速率在仿真提高时。
这还将有一个重大的改变在LWTS应用内存时。如图9给出了解决两资源对内存需要的想法。HTTP-TCP遵循了一种线性曲线大概为当。就像先前所讨论的一样，我们可以用3GBytes的内存来做构架仿真。这样就可以使最大1500000mbps 资源一起仿真。作为对比，新资源所需要的内存要远远的小，例如需要相同数目的资源仅仅需要60MB内存，远离这些，对1500000HTTP-TCP的方针将不可能进行。但对新资源就变得可行。
5结论
在这篇论文中，我们展示了一种数据传输模式，它不仅应用了因特网传输速率的高可靠性，也解决了基于TCP的数据传输的可测量性。所有数据实测的结果全部基于现实的因特网。所以我们的仿真紧贴现实。为了显示HTTP-TCP的传输特性，我们的数据都由真实的HTTP-TCP资源所测。我们提供了可代替现有HTTP-TCP的新型资源，我们有理由相信P-TCP从TCP攫取了精髓，可实现网络轻巧，高速传输。这种简洁的思想和容易的执行方法将会使这个领域成为最具研究潜力的方向！
【高速 IP 网络的轻负荷和快速仿真(一)】相关文章：
运用传输矩阵方法实现传输线特异媒质的快速和精确仿真03-07
浅谈学校校园网络IP地址的管理及IP、MAC、端口的绑定毕业论文11-17
SoC设计中IP复用和验证策略03-07
大规模IP网络中基于SNMP的网络拓扑发现方法分析11-30
一种基于SIP和移动IP的切换机制的研究03-07
下一代网络中的PSTN/ISDN仿真系统03-18