IPv6移动通信网络用户设备往返时延的测量与分析

移动通信网络是智能手机、移动物联网设备、固定无线接入（Fixed Wireless Access， FWA）等移动用户随时随地无线接入互联网的重要手段，在生活中扮演着重要的角色。

随着 IPv4 地址资源耗尽，移动通信网络正迅速向 IPv6 迁移。如图 1 所示，移动通信网络长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统是由核心网、无线接入网和用户设备三部分组成。其中，用户设备是通过用户识别卡（Subscriber Identity Module，SIM），经移动运营商的无线接入网、核心网连接到互联网的网络设备。本文研究的移动通信网络用户设备 IPv6 地址，指的是移动通信网络核心网分配给用户设备使用的 IPv6 地址。

图1 移动通信网络 LTE 系统示意图

IPv6 移动通信网络中的用户设备均分配了 IPv6 地址。IPv6 端到端传输的特点使得互联网中的 IP 数据包无需经过复杂的 NAT 转换就可以直接传输到 IPv6 移动通信网络中的用户设备。移动网络引入 IPv6 端到端传输特性后，“IPv6 移动通信网络中的用户设备是否依然存在高时延现象？原因是什么？”这个问题仍有待测量验证。

研究 IPv6 移动通信网络中用户设备的时延，能够帮助研究者分析 IPv6 移动通信网络中用户设备往返时延的特点，优化服务部署[1] ，诊断网络故障[2] 等。

移动通信网络用户设备往返时延（Round-Trip Time，RTT）是以互联网中的测量点为起点，以移动通信网络中的用户设备（User Equipment，UE）为终点时，测量数据从起点到达终点并再次返回起点期间所经历的时间。

已有研究表明，IPv4 移动通信网络中用户设备的往返时延较高，高时延的原因包括用户设备唤醒[3] 、传输信道时间槽协商、无线资源控制器（radio resource controller，RRC）状态转换[4] 等。 Padmanabhan 等人[3] 测量发现，往返时延大于 1,000ms 的 IPv4 地址所在的自治域多数是提供移动/蜂窝（cellular）网络服务的自治域。Larson 等人[4] 研究发现造成移动通信网络高时延现象的原因是RRC状态转换或物理层和链路层协议的重传。 Yuan 等人[5] 对 LTE 中上行数据的时延特征进行了分析，指出在美国 5 个运营商中，建立用户数据承载平均需要 147.9ms~196.3ms，时延主要受无线连接建立和RRC状态转换影响，其中无线连接建立花费67.5ms~1665.0ms，RRC 状态转换花费28.75ms~2286.25ms。 Savic 的报告[6] 指出 UE 建立 RRC 连接需要花费约 60ms 的时间。

RRC状态转换在移动用户下行数据时延T中，引入缓存时延。在移动通信网络LTE系统中，核心网通过RRC状态管理实现用户设备在“休眠”与“唤醒”状态之间切换，以实现用户设备节能和无线资源管理，保证 UE“永远在线”。 如图2左图所示，RRC存在2种不同的RRC状态（RRC_IDLE和RRC_CONNECTED）[7] 。其中，RRC状态还包含持续接收（Continuous Reception，CR），短不连续接收（Short Discontinuous Reception，ShortDRX），长不连续接收接收（LongDRX），空闲不连续接收（pagingDRX）等数据接收状态。当长时间无数据接收时，RRC状态由CR依次转换为ShortDRX，LongDRX，pagingDRX状态，与此同时UE进入不同程度的“休眠”，如左图红色虚线所示；当有数据接收时，UE从不同程度的“休眠”状态唤醒，RRC状态由DRX转换为CR，如左图蓝色虚线所示。在LTE系统中，当用户下行数据到达SGW时，如果用户设备处于“休眠”状态，那么如图2右图蓝色的虚线所示，RRC状态转换将在用户设备的往返时延T中引入缓存时延 T_cache（如无线连接建立、 RRC 状态转换时延等），此时用户设备的往返时延T = (T₀ + T₁ + T₃ +T₄) × 2 + T_cache。不同的RRC状态转换为CR状态所需的时间不同，因此不同的RRC状态转换将在用户设备下行链路往返时延中引入不同长度的缓存时延。

图2 移动通信网络用户设备下行链路数据时延构成示意图

利用移动通信网络中 RRC 状态转换在用户设备时延中引入高时延的特点，研究者可以进行移动用户地理定位[8] ，移动通信网络用户识别[9] 等。Balakrishnan 等人[8] 指出不同城市之间的移动通信网络用户设备的时延具有明显区别，可以用来实现 3G用户的地理定位。Perta 等人[9] 通过即时通信软件消息触发移动目标设备的 RRC 状态转换，同时监测目标移动通信网络 IP 地址的往返时延变化，筛选出时延随 RRC 状态变化的 IP 地址，由此关联即时通信软件用户及其使用的移动通信网络 IP 地址。

为回答“IPv6 移动通信网络中的用户设备是否依然存在高时延现象？原因是什么？”这个问题, 如图 3 所示，本文使用互联网与移动通信网络的连接点——分组数据网关（Packet Data Gateway，PGW），将 IPv6 移动通信网络用户设备时延划分为移动通信网络外部时延和内部时延两部分，分别进行测量分析。

图3 移动通信网络用户设备时延测量方案

其中，移动通信网络用户设备时延是数据包在测量点与移动通信网络用户设备之间的往返时间；移动通信网络外部时延是数据包在测量点与 PGW 之间的往返时间；移动通信网络内部时延是数据包在 PGW 与 UE 之间的往返时间。

在已知移动通信网络用户设备和 PGW 的 IPv6 地址时，移动通信网络外部时延和用户设备时延均可通过测量工具获得。移动通信网络内部时延虽无法通过测量工具直接获取，但可以通过移动通信网络用户设备时延和移动通信网络外部时延的差值获得。

2.1.测量方案

本文设计的 IPv6 移动通信网络用户设备的往返时延测量方案如下：

首先，使用 traceroute 测量移动通信网络用户设备、外部、内部时延，分析用户设备往返时延的特点，回答“IPv6 移动通信网络内部是否存在高时延现象”的问题。

其次，使用 ping 多次测量移动通信网络用户设备的往返时延差，分析用户设备往返时延差的特点，回答“IPv6 移动通信网络时延高的原因是什么？”的问题。

2.2.挑战

然而，测量移动通信网络往返时延首先需要获得移动通信网络用户设备和 PGW的 IPv6 地址。获取 IPv6 移动通信网络中上述 IPv6 地址面临以下挑战：

•活跃的移动通信网络用户设备 IPv6 地址难获取。为防止移动设备被追踪，用户设备的 IPv6 地址在短期内（如一天之内[10] ）就会更新，使已收集的地址失效，不再活跃。

•移动通信网络 PGW 的 IPv6 地址难获取。在已知用户设备 IPv6 地址的情况下，虽然可以通过 traceroute 等工具获得测量点至 UE 之间路由器的地址，但无法判断哪一跳路由器的 IPv6 地址是 PGW 的地址。

2.3.贡献

针对以上问题，本文首先通过随机探测存在活跃 IPv6 地址的移动通信网络/48前缀，动态获取移动通信网络用户设备 IPv6 地址，解决了活跃移动通信网络用户设备 IPv6 地址时效短、难获取的问题。 随后，本文以活跃移动通信网络 IPv6 地址为目标，使用 traceroute 构建了移动通信网络 IPv6/48 前缀的有向无环图，利用有向无环图上节点之间的出入度关系，筛选 PGW 的 IPv6 地址，解决了移动通信网络 PGW 地址难获取的问题。最后，基于从 4 个移动通信网络运营商移动宽带中获得的用户设备和 PGW 的 IPv6 地址，本文对移动通信网络的用户设备、外部、内部等三部分的时延进行了测量，分析了移动通信网络用户设备往返时延和往返时延差的特点。

本文的主要贡献是：提出了动态获取IPv6移动通信网络中用户设备和PGW的IPv6地址的方法，获得了中国和印度的4个运营商移动通信网络用户设备和PGW的IPv6地址，测量分析了4个运营商移动通信网络的用户设备、外部、内部的时延特点，发现4个移动运营商中约有4%~14%用户设备的内部时延大于1,000ms，确定移动通信网络高时延现象发生的位置是移动通信网络内部。测量分析了移动通信网络用户设备数据包之间的往返时延差，发现 4 个移动运营商的1.90%~4.78%的用户设备往返时延差超过 1,000ms，移动通信网络内部的高时延差主要是由RRC状态转换引起的缓存时延引起。

3.1.基于主动探测的UE IPv6地址收集方法

对于用户设备 IPv6 地址的收集问题，本文改进了现有 IPv6 网络边缘（Network Periphery）探测方法[11] 使用的暴力穷举策略，仅穷举探测存在活跃 IPv6 地址的 IPv6 /48 前缀，发现活跃IPv6地址，降低了穷举探测的开销。本文收集用户设备 IPv6 地址的方法如图 4 所示。

图 4 动态收集移动通信网络用户设备IPv6地址的方法

3.2.基于有向无环图的 PGW IPv6 地址收集方法

为解决 PGW IPv6 地址的识别问题，本文利用 PGW 节点在移动通信网络中是区域接入网（regional access network）汇集节点这一特点，在 traceroute 构建的有向无环图中筛选出入度满足一定条件的节点，即为 PGW 节点。具体的，筛选 PGW 的条件为：出度大（本文设定为出度大于等于30），当前节点的下一跳节点的入度等于 1、出度小于等于 1。筛选算法如图 5 所示：

图5 IPv6移动通信网络 PGW 地址收集算法

通过上述方法，本文从图 6 所示的中国和印度的运营商移动网络前缀中收集了移动通信网络用户设备和 PGW 的 IPv6 地址，并使用 traceroute 和 ping动态测量了移动通信网络用户设备的时延和时延差。

图 6 中国和印度 4 个运营商宽带网络分配策略

4.1.基于traceroute的时延分析

4.1.1.Traceroute的测量结果

本文通过 3.1 的方法收集了中国和印度的 4 个运营商的移动通信网络用户设备 地址，并通过 3.2 所示方法使用 traceroute 构成的有向无环图筛选了 PGW 的地址。收集的 4 个运营商中UE和 PGW 的数量分布如图7所示。

图7 4个运营商移动用户设备的traceroute测量结果

4.1.2.时延分析

基于上述获得活跃移动通信网络用户设备 IPv6 地址和 PGW 地址，本文将移动通信网络用户设备时延划分为移动通信网络内部时延和外部时延两部分，如图3所示，分别分析了移动通信网络用户设备、内部和外部三部分的时延特点。

4.1.2.1.用户设备时延

本文在分析用户设备时延时发现，约有 5%~24%的用户设备的时延大于 1000ms。因此，与 IPv4 移动通信网络一样，高时延的现象在 IPv6 移动通信网络中依然存在。

图 8 移动通信网络用户设备时延分布

4.1.2.2.外部时延

本文在分析外部时延时发现，中国运营商的用户设备的外部时延中 80%~90%的时延分布在 100ms 区间以内，印度运营商的用户设备的外部时延几乎完全处于 200ms~500ms 之间。上述移动通信网络用户设备的外部时延相对于图8中的用户设备时延更加稳定。

图9 移动通信网络外部时延分布

4.1.2.3.内部时延

本文通过用户设备时延与外部时延的差值，估计移动通信网络内部时延。分析内部时延后本文发现，4%~14%的用户设备内部时延大于 1000ms。结合外部时延相对稳定的结论可知，高时延现象主要发生在移动通信网络内部。

图 10 移动通信网络内部时延分布

综合上述分析可知，IPv6 移动通信网络中的高时延现象主要发生于移动通信网络内部。

4.2.基于ping的时延差分析

4.2.1.Ping的测量结果

本文进一步分析了移动通信网络内部时延的特点。如图11所示，移动通信网络内部时延主要由传播时延（红色实线）和缓存时延（蓝色虚线）两部分构成。本文利用数据包之间的时延差，来抵消传播时延在用户设备时延中的影响，主要利用时延差分析缓存时延的差值的特点。

图11 移动通信网络内部时延组成示意图

本文通过 UE IPv6 地址的收集方法，获得的中国和印度的 4 个运营商的移动通信网络用户设备 12,289,066 个。对其中每个 IPv6 地址发送 10 个探测数据包（时间间隔为500ms）。本文对包含至少一个响应数据的用户设备（8,700,351 个）分 4 类进行了统计，分别为 10 个数据包至少存在 1 个响应（D1），10 个数据包中第 1 个响应（D2），10 个数据包中第 1 个响应且剩余 9 个中至少 1 个响应（D3），10 个数据包中第 1 个和第 2 个响应（D4），各分类的数量分布如图12所示。

图12 4个运营商用户设备Ping的测量结果

4.2.2.时延差分析

本文使用如下两种方式计算移动通信网络用户设备的时延差，分析缓存时延差值的特点。

4.2.2.1.分析时延差 𝑇_𝑃1 − 𝑚𝑖𝑛𝑇_𝑃𝑖 , 𝑖 ∈ {2, … ,10}

本文使用图 12 中的 D3 计算时延差T_P1 − minT_pi。在首个数据与最小数据包的时延差分析中，本文发现移动通信网络用户设备的往返时延差的分布区间广，存在高时延现象。在 AS4134，AS9808，AS4837，AS45609 中，移动通信网络内部时延超过 100ms 的 UE 的比例分别为 27.20%，21.51%，23.30%，32.85%，超过 1,000ms 的 UE 的比例分别为 4.78%，1.90%，4.04%，3.84%。因此移动通信网络内部的缓存时延是引起移动通信网络时延高的主要原因。

图13 首个时延减去剩余时延的最小值的时延差分布

4.2.2.2.分析时延差 𝑇_𝑃1 − 𝑇_𝑃2

本文使用图 12 中的 D4 计算𝑇_𝑃1 − 𝑇_𝑃2。在相邻两个数据包的时延差分析中，本文发现了 RRC 影响缓存时延的现象。4 个运营商中分别约有 9.33%，5.29%，7.95%， 6.20%的用户设备的相邻两个数据包的差值在 495ms~505ms，近似等于两个数据包P₁和P₂之间的发送间隔。产生该现象的原因是当 UE 处于空闲状态且 P₂到达 SGW 时用户设备的数据承载仍未建立完毕时，此时P₁和P₂将同时缓存在 SGW，两个数据包的时延差就等于发送间隔 500ms。本文还发现，图 14 中的时延差分布基本符合不同 RRC状态的缓存时延差值的分布。因此，RRC 引入的缓存时延是用户设备高时延的主要原因。

图14 首个时延减去第二个时延的时延差分布

RRC 为移动通信网络中的特有装置，在固定网络中不存在[12] 。移动通信网络用户设备中 RRC 影响用户设备下行链路数据时延为移动通信网络中的特有现象，该现象为基于时延的特征识别移动通信网络用户设备的 IP 地址提供了可能。未来，本研究可以通过主动发送探测数据包，触发目标移动用户设备 RRC 状态变化、产生具有特征的往返时延差，从而与固定网络设备区分，以实现对移动通信网络中用户设备的识别。识别出的 IPv6 移动通信网络用户设备将为 IPv6 移动通信网络研究提供支持。

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