有线宽带接入质量指标探讨

王昕，杨克光，刘雅丽

有线宽带接入质量指标探讨

王昕，杨克光，刘雅丽

（云南师范大学文理学院信息工程学院，昆明 650222）

有线宽带接入是目前电信运营商主要的业务收入来源，而有线宽带接入质量的测量目前主要通过点对点的测试平台进行，也只有下载速率这么一个指标。通过对TCP/IP协议涉及到的一些网络指标进行统计与分析有助于测量宽带接入质量。

宽带；接入网；TCP/IP；WinShark

0 引言

随着互联网业务种类的增多，互联网上流动的数据逐渐从非实时性的字符类数据演进成为具有实时性的图片乃至视频数据，对互联网接入质量的要求越来越高。宽带接入水平已成为衡量国家综合实力的重要标志之一。在实际的网络维护当中，宽带接入质量却难以用速率这个单一指标来衡量，如何进行常态下宽带接入质量的测量，成为了用户和运营商双方关注的焦点。接下来本文将就接入质量的测量思路和方法进行探讨。

1 宽带接入测试简介

宽带网络主要分为接入网、城域网和骨干网几个层面，如图1所示：从图中可以看出从宽带网络的结构可以看到，用户在访问网络应用时，可能跨越网络的多个部分。用户所认为的宽带速率，其实包含了宽带接入速率和端到端体验速率两个概念。

宽带接入速率是指从用户终端到BRAS（Broad⁃band Remote Access Server，宽带远程接入服务器）设备之间的接入网部分用户所能达到的传输速率，即为用户与宽带运营商签约时所指的接入速率，这一部分的速率由宽带运营商的全程管控；而端到端体验速率是指用户在使用宽带应用时，从用户终端到所访问应用的服务器之间的数据传输速率，这一部分速率涉及到宽带运营商的网络和网站、CDN服务器等，并不由运营商全程管控。因此在讨论接入速率的测试时，有必要对这两者进行区别对待。

图1 宽带网络结构示意图

2 常用测试方法

在固定宽带接入测试方法技术标准[1]中，要求采用的基准测试方法是在BRAS处接入测试平台，如图2所示。并提供了客户端测速、普通网页测速和控件网页测速三种模型。由用户通过浏览器打开测速页面或使用测速客户端软件主动发起请求，通过HTTP从接入速率测试平台进行文件下载，并根据发送的文件大中v为接入速率，单位为Byte/s，L为文件长度，单位为Byte，T为下载时长，单位为s。

图2 宽带接入速率测试示意图

在用户上网体验测试方法技术标准[2]中，将用户上网体验分为上网浏览业务、网络视频业务、网络下载业务三种模型。上网浏览业务测试指标为首屏响应时间、首页响应时间、首页下载速率；网络视频业务测试指标为视频平均下载速率、停顿率、缓冲时间占比；网络下载业务测试指标为峰值下载速率、可用下载速率。技术标准中针对首屏响应时间、首页响应时间、首页下载速率所提出的测试方法均为在网站页面中嵌入标志代码，根据下载标志代码之间的元素的花费的时间可得到首屏响应时间和首页响应时间，再通过类似于公式①的方法计算出首页下载速率。

这些方法比较直观、简单，不需要太复杂的设备即可完成，但上述测试是基于测试平台的端到端测试，测试结果与测试平台的工作状况有很大关系，与用户实际使用宽带时的业务环境有较大区别。

3 测试新思路

鉴于上述测试方法的不完善，本文提出一种针对固定宽带接入的测试新思路，希望能在一定程度上与现有方法实现互补。

考虑到目前电信网络基本完成向IP化的转变，本文的出发点是基于IP协议的接入网概念。ITU-T的技术标准Y.1231[3]所定义的接入网指的是位于IP核心网和用户驻地网之间的部分，即图3所示的“IP Access Network”部分。TCP/IP协议族目前已经是互联网事实上的技术标准，因此可以采用该协议族中的一些指标来对接入质量进行衡量。

图3 通用IP网络架构

考虑到TCP/UDP指标中的报文数量、报文长度、窗口大小、重发次数与接入速率有较强的相关性，故采用上述指标构建数学模型衡量接入质量，上述指标的采集点位于图2中的BRAS处，其目的有二：一是保证数据的真实，避免路由器的处理时延对测量结果造成影响；二是便于对同一BRAS下的多个用户数据进行比对，为诊断故障点提供依据；后者对生产实践有一定的指导意义。

实验方案如下：通过与电信运营商的合作，在现网的三个BRAS处安装探针，并设置抓包服务器，抓包服务器上安装WinShark2.1.1.0，用于抓取现网用户的原始TCP报文。因为是抓取的现网用户数据，可以保证数据的随机性。同时在这些BRAS下配置一些线路质量较差的接入测试点，通过对比使用不同质量线路的终端之间的测试数据得到并分析指标差异来得到结论。定义报文数据四元组（源地址、目的地址、源端口、目的端口），以每一用户的IP地址为单位统计测试时间内的报文数量、报文长度、窗口大小、重发次数、连接数。抓包持续时间长度48小时。定义如下指标：

TCP报文重发包数TCPR：统计时间内每小时重发的包数。

每秒的TCP包数据量则由每秒钟TCP包总数(个)*TCPL（Byte）得到。

每秒的TCP包数据量则由每秒钟TCP包总数(个)*TCPL（Byte）得到。

此测试共进行两次各48小时，一次为工作日周一08：00 至周三 07：59，一次为周五晚 19：00 至周日晚18：59。为的是尽量减小平时与周末由于用户使用习惯的不同而导致的测试数据差异。

通过对测试数据进行统计，得到如表1、表2。

通过观察测试数据，可以发现在线路质量不佳的情况下单位时间内的TCP包总数大大下降，单位时间内重发的TCP包数则基本不变，因此单位时间内重发的TCP包数占总TCP包数的比例大大上升。进一步分析TCP包的传输机制，可知道在通信质量下降的情况下，TCP是通过减小窗口大小的方式来降低误码率的，这一点从对窗口大小的数据采集可以得到印证。正因为线路质量不佳时窗口减小，从而导致了单位时间内所传输的TCP包数大大下降。

综上所述，单位时间内的TCP包数和窗口大小可作为衡量其宽带业务繁忙程度和接入质量的指标。考虑到每一用户使用互联网的习惯基本固定，因此可在日常维护中，对每个用户进行连续一周的数据统计，采集其接入到BRAS的网络指标（单位时间的TCP包数、TCP报文平均长度、TCP报文窗口平均大小、TCP报文重发包数TCPR，以单位时间的TCP包数和窗口大小为主，其他指标为辅），建立起每个端局、每个BRAS端口以至每个用户在各个时间段的指标“标准值”数据库，当发生用户投诉的时候，通过对同一端局下不同BRAS间，或同一BRAS下不同用户间，或同一用户不同时间段的数据进行比对，从而尽快定位可能发生故障的区段，进行有针对性的维修。

4 改进

该测试方法通过对大量单个TCP报文的指标进行分析，得出了一些指标与接入质量之间的关系，通过对不同用户同一时段或相同用户不同时段的指标进行比较，可以在一定程度上对接入质量是否达到承诺做出判断，也可以对接入质量达不到要求的原因提供分析依据。该方法通过用户选取随机化，并统计了大量的主机数据，用平均值计算来减小用户上网习惯对测试结果的影响，构建的实验环境与大部分有线宽带接入场景一致，因此得到的测试数据具有较大的参考价值。另外，本文所涉及的数据统计是基于用户的，而进行更细粒度的统计，可以得到基于业务的指标模型，从而为实现更深层次的网络管理提供更多的决策依据。但该测试方法也有一定局限性：

（1）因为是现网采集数据，所以没有办法使被测试对象（包括终端、线路、交换设备等）处于满负荷状态，故极限状态的指标难以采集。可以考虑用测试终端替代部分现网用户提供测试数据，但其业务的随机性又容易被破坏，而且测试终端的数量要求也比较庞大；

（2）目前互联网上的数据流中，TCP流只占约30%，大量的是UDP流[4]，而UDP与TCP的通信机制有很大不同，因此基于TCP报文采集得到的结论是否能够用于UDP，还需要进一步探讨。

表1 周一08：00-周二07：59网络指标统计

表2 周五19：00-周六18：59网络指标统计

5 结语

本文通过研究有线宽带接入网中常见的几个指标，指出了一种判断有线宽带接入质量是否正常的思路，为运营商和用户快速定位宽带接入质量瓶颈提供了一个判断方法，能够部分解决宽带接入中故障定位困难、责任划分不清的问题，也能为运营商进行设备的扩容升级提供一定的借鉴。

[1]中华人民共和国通信行业标准YDB 2400-2012.宽带速率测试方法-固定宽带接入[S].北京：工业与信息化部，2012.11.

[2]中华人民共和国通信行业标准YDB 118-2012.宽带速率测试方法-用户上网体验[S].北京：工业与信息化部，2012.11.

[3]ITU-T Recommendation Y.1231.IP Access Network Architecture[S].Telecommunication Standardization Sector of ITU-T,2000.11.

[4]张艺濒，张志斌，赵咏，郭莉.TCP与UDP网络流量对比分析研究[A].成都：计算机应用研究，2010.6

Discussion of the Quality about Wired-Broadband Access Index

WANG Xin，YANG Ke-guang，LIU Ya-li
（Institute of Information Engineering,College of Arts and Sciences,Yunnan Normal University，Kunming 650222）

Wired-Broadband business supplies much income to communications carriers.Now,access network tests based on special measurement platform mainly refers point to point download rate.There is another effective way to evaluate access quality that using statistics referring to TCP/IP of the access network.

Broadband;Access Network;TCP/IP;WinShark

云南省教育厅科学研究基金项目（No.2015Y523）

1007-1423（2017）24-0012-04 DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2017.24.003

王昕（1975-），男，云南昆明人，讲师，硕士，研究方向为通信与信息系统

杨克光（1977-），男，云南凤庆人，讲师，硕士，研究方向为软件工程

刘雅丽（1980-），女，河南许昌人，讲师，硕士，研究方向为数据统计与分析

2017-05-11

2017-08-10