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基于主动探测的IP网路径及链路丢包率推理算法综述报告
1.引言
在现代计算机网络中，IP（InternetProtocol）是广泛使用的重要通信协议之一。IP协议既可以对数据进行路由并将其传输到目标系统，又是计算机互联网的基础。为确保互联网中数据的安全性和可靠性，网络管理员经常需要评估数据通信的路径和链路丢包率。本文将对基于主动探测的IP网路径及链路丢包率推理算法进行综述。
2.相关工作
在过去两十多年中，已经提出了许多用于评估IP网络路径和链路丢包率的算法。其中一些算法是基于被动观察者的行为创建的，这些观察者可以分析正在传输的流量，并使用网络和传输层信息来获取路径信息和链路信息。这种方法主要应用于数据包分析和流量测量。但这种方法的缺点是需要大量的计算资源和时间，并且只能提供有限的数据集。
与之相反，基于主动探测的路径和链路评估算法是更为常见的一种方法。该方法利用发送和接收数据包之间的交互操作来推断出路径和链路信息。该方法的优点是可以使用相对较少的计算和网络资源，并且可以针对性地检测特定路径或链路上的数据包丢失。
3.主动探测算法
基于主动探测的IP网络路径和链路丢包率评估方法主要有两种类型，即基于Traceroute的算法和基于TCP的算法。
（1）基于Traceroute的算法
Traceroute是一种常用的网络诊断工具，它使用ICMP（InternetControlMessageProtocol）差错信息来估计数据包传输的路径。Traceroute通过在数据包上添加TTL（TimeToLive）字段来模拟数据包经过互联网上的路由器。当TTL字段的值达到0时，源系统会收到ICMP“超时”错误，这表示TTL字段已经过期，但目标系统尚未到达。通过对TTL字段进行递增，Traceroute可以跟踪从源系统到目标系统的数据包路径，并计算每个路由器的响应时间（RTT）。
Traceroute的缺点是无法检测非ICMP数据包的路径信息。此外，它只能提供有限的丢包率信息，因为它只能检测到节点故障而不能检测到链路故障。
（2）基于TCP的算法
与Traceroute不同，基于TCP的算法使用TCP数据包而不是ICMP数据包来检测路径和链路信息。通过计算TCP报文段的重传时间和序列号间隔，基于TCP的算法可以估计数据包在网络中的传播时延，并进一步计算链路和路径的丢包率。值得一提的是，基于TCP的算法可以检测到链路故障并作出相应的措施来绕路，从而更为准确地评估路径和链路的质量。
基于TCP的算法具有许多显著优点，例如可靠性高，精度较高，不会受到网络安全策略的影响等，但实现难度和计算量也比Traceroute要高。
4.路径推理算法
基于主动探测的路径推理算法基本上可由以下几个步骤描述：节点探测、路由转发、路径修剪和路径合并。
节点探测是指在网络中插入一个特定的数据包，该数据包携带一些请求信息，这些信息可以被中间设备或终点设备解释。节点探测的过程产生的ICMP传输不可达消息或TCP所产生的重传时间和数据段数值被记录和分析，这一信息可尝试推理路由器或相关链路的质量。路由器转发是指数据包从一个节点流向另一个节点的过程，它通常涉及到许多路由器和链路。在路由器转发过程中，路径修剪方法可以防止路径包含无关链路并增强路径质量。路径合并方法则可以整合多个路径，生成一个可信的路径。
5.链路质量评估算法
基于TCP的算法可以评估链路的丢包率以及带宽使用率，并可以根据链路的质量动态地调整数据传输速率。基于TCP的算法的主要缺点是在较长时间尺度上检测链路故障仍然存在不准确性。然而，基于UDP的丢包率评估方法通过向目标设备发送相似的数据包并分析返回数据包的时间信息，能够更好地评估链路丢包率。相对于基于TCP的算法而言，基于UDP的算法有良好的实时性和较高的准确度，并且基于UDP的算法不会对数据传输速率产生过多影响。相对不足之处在于其适用范围相对有限，适用于小数据包传输场景。
6.结论
综上所述，基于主动探测的IP网络路径及链路丢包率推理算法可以帮助网络管理员评估IP网络的质量。这些算法根据发送和接收数据包之间的交互行为来推理路径和链路质量，并可以根据这些信息优化数据传输。基于TCP和UDP的方法都有各自的优点和不足之处。尽管基于UDP的算法相对于基于TCP的算法具有优势，在选择算法之前还需要详细了解自己的需求和优先级。在今后的发展中，这些算法有望在更为普遍的数据传输领域和安全领域中得到广泛应用。