基于实测数据的移动互联网时延特性研究

摘要：对移动互联网时延特性的准确了解和掌握在网络优化、性能评估和新应用设计方面有着重大的意义。目前时延特性的研究，所用数据主要来源于主动测量和被动测量方式。通过这两种方法获得的数据规模有限，并且有数据不精确的问题。本文研究所用数据来源于重庆某运营商移动互联网网关，该网关真实记录了该运营商用户通过移动终端访问互联网的行为。通过数据处理及分析，本文从移动互联网网关的角度出发，研究了移动互联网中四种类型的时延。

关键词：移动互联网 网关 时延

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）11-0032-02

为了更好得向用户提供服务，运营商、应用提供商和内容提供商需要掌握基于蜂窝网络的移动互联网的性能。因为只有在此基础上，才能寻找到更好的资源规划方法、带宽分配方式、网络设计以及新应用的发展方向。

目前，只有很少的工作对蜂窝数据网的网络性能及应用特征做了研究，如网络流量的动态性[1]，网络性能[2-4]，应用方法[5]等。时延，作为反映网络性能好坏的标准之一，一直是QoS的重要指标。现有的技术，为获取时延研究的相关数据，主要是采用主动测量或被动测量的方法。但是，主动测量只能获取从移动终端出发的双程时延（请求从移动终端出发到响应被移动终端收到），该时延是请求及响应要经历的移动互联网整个网络中各个部分时延的总和，因此，难以提供有关移动互联网各个部分时延值的详细情况，而且该种方式获得的数据与真实的数据相比有一定的误差，不能保证值的准确性。另外，被动测量一般只部署于个别的路由器或服务器上，只能覆盖有限的地域范围，所以获得的数据规模有限。本文研究所用的数据来源于重庆某运营商移动互联网网关，该网关记录了该运营商用户通过移动终端访问互联网的行为，是用户上网的真实情况的反映，数据规模不仅较大，而且由于是实测数据，具有很高的准确性及完整性。

移动互联网与传统的互联网相比，具有不同的架构，如图1（a）所示。本文研究所用数据就采集于该图中所示的GGSN网关。该移动互联网基于3G技术的蜂窝网络，整个网络可被分为以下3个部分：1）移动终端；2）无线接入网络；3）网关。为了更好地理解用户通过移动终端访问互联网的整个过程，本文将图1（a）抽象为图1（b），并在图中展示了移动终端从发出请求到收到服务器响应的整个通信过程。

1 研究方法

如前文所述，本文研究所用数据采集于移动互联网网关，所使用的数据总共包含了两个数据集。数据集D1记录了2010年4月5日到11日一个星期的原始网关日志，数据集D2记录了相应的2011年该星期的原始网关日志，即2011年4月4日到10日。两个数据集的规模大小，用户数和请求数情况如表1所示。两个数据集中数据的格式一致，是用户访问互联网相关行为的真实情况反映，每一条记录均包含了以下一些重要字段：用户电话号码、用户IP地址、URL、域名、请求到达时间、请求离开时间、响应到达时间、响应离开时间等。

原始网关日志中的每一条记录对应于一个用户的一条请求及对该请求的一条服务器响应信息。如果用户的请求包含了主对象及内嵌对象，那么服务器对主对象或内嵌对象的响应会被当做独立的响应，记录在不同的记录中。每条记录中包含了每条请求及其对应的响应在网关处被记录的四个时间戳信息，各自的含义展示在图2中。不难发现，通过对每条记录中时间戳的值进行提取，就可掌握在采集时间段内移动互联网中四种类型的时延，本文对这四种类型时延的定义如表2所示。

在具体实施研究工作时，首先需要做以下工作：1）通过程序来读取数据集中的每条记录，提取每条记录中的时间戳，并计算T1到T4，存放于一个文本文件中；2）将T1，T2，T3和T4值导入到数据库中，在此基础上，计算每种类型时延中不同值在总体中所占的比例。通过上述的数据处理，就获得了下文研究移动互联网时延的第一手资料。

2 研究结果

通过对已处理的数据的分析，有了以下研究结果，如图3所示。

首先，对T1进行分析。图3（a）中红色的三角形代表了2011年的T1情况，与2010年相比，其均值要更大一些。另外，不难发现2011的T1大的时延值个数要比2010年多，尽管两年的主体部分均集中在1到10ms。如表3中所示，2011年的用户数是2010年用户数的3.41倍，但是请求数却几乎是2010年的8倍。所以，我们可以认为仅仅在一年的时间里，移动互联网就得到了长足的发展。请求数的爆炸式增长必会给网关带来较大的压力，因此，当网关工作于较大的负载时，就有可能会产生较大的时延值，如图3（a）中红色线的尾巴所示，有些T1甚至超过了10s。

图3（b）展示了T2两年的变化情况。两条T2曲线的走势显示2010年的时延值更加集中，而2011年的T2值曲线更加平坦。大部分2010年的T2值集中在10ms到200ms，在2011年主要集中在10ms到500ms。另外，2011的T2平均值比2010年高了约12.9%，意味着移动互联网中的有线互联网部分的双程时延有了较大的变化，特别是当网络面临不同的请求规模时。之前的一些研究[6-7]认为传统互联网中的双程时延值通常是数十毫秒，但是通过对实测值的研究，结果表明该双程时延值可达到数百毫秒。

分析T3时，发现大部分T3值都在1ms以下，所以为了在对数坐标情况下清楚地展示研究结果，用T3+1值代替了原T3值进行了绘图。通过对图3（c）的观察可以发现，尽管网关在2011年面临了较大的负载，但是T3值几乎毫无变化。因此，我们可以意识到服务器响应的数据包在网关处的处理几乎不会给网关带来额外的负担，这与T1的情况是完全相反的，即网关处的DNS解析及IP绑定处理工作需要花费网关更多的时间。另外，我们可以认为，与其他的时延类型相比，T3是可以被忽略的。T3值的增加不是引起2011年时延值增大的主要因素。

与T2不同的是，T4是从蜂窝移动网络视角出发的双程时延。如前所述，T4值是T1，T2和T3值的总和。由于T2值在求和时影响最大，因此T4的总体变化情况与T2相似。在2011年，T4的均值约为2010年的12.8%倍，同样得，曲线也变得更加平坦。值较小的时延数量变少，但是值较大的时延数量却增多。因此，本文可以得到的结论是整个移动互联网从蜂窝移动网络视角出发的双程时延值变大了。

3 结语

基于重庆某运营商移动互联网网关的实测数据，通过数据处理及分析，本文从移动互联网网关的角度出发，研究了2010年及2011年移动互联网中四种类型的时延：网关处DNS解析及IP绑定时延、互联网中的双程时延、响应在网关处的处理时延以及从蜂窝移动网络视角出发的双程时延。总体来说，由于2011年用户规模的增加及请求数的爆炸式增长，四种类型的时延值均有所变大，但又因为各自包含的意义不同，四种时延均有不同的变化情况。

参考文献

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