CN1917455A - 用于生成带标注的网络拓扑的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
描述了一种生成网络的带标注的网络拓扑的方法。该方法包括:通过在端点对之间执行传输控制协议(TCP)流,来确定连接所述端点对的网络路径上网络的可利用带宽“B”,该网络具有多个网络路径;识别所述网络路径中的瓶颈链路;以及标注网络路径中的所有边,其中利用端到端网络测量来确定网络内部的链路的可利用带宽标注。还描述了一种用于生成网络的带标注的网络拓扑的系统。
Description
技术领域
本发明的各个方面主要涉及用于生成带标注的网络拓扑的方法和系统,以及更具体地,涉及用于在使用端到端测量来在网络的端点之间生成带标注的网络拓扑的方法和系统。
背景技术
网络的性能和可用性决定了应用的端到端性能和用户体验。然而,网络资源的分布式和分散式性质使得性能管理成为一个难题。
一些现有技术的方法和系统使用等待时间标注工具来确定网络性能和可用性。
其他相关技术领域的方法和系统使用不知晓拓扑的带宽标注工具。然而,这些方法和系统在基础拓扑中发生路径共享时会提供对可用带宽的不正确估计。也就是,在相关技术领域的方法和系统中不考虑路径的共享。除了不准确以外,不考虑共享还可能在链路故障时产生过多的检测。
另一方面,一些现有技术的方法和系统试图为单个路径上的瓶颈识别提供解决方案。然而,监控业务量是被强行插入现有的网络业务量中的。此外,这些现有技术的方法和系统还使用可能令网络溢出的瓶颈识别工具。
其他相关技术领域的方法和系统使用需要网络设备支持(例如网络路由器支持)的工具。然而,这些工具只能由网络运营商(例如电信公司)使用和/或仅在它们所拥有的网络的子部分上使用。因此,这些相关技术领域的方法需要针对大多数网络进行不符合实际情况的假设。
因此,需要克服上述这些现有技术的工具无法用于工业使用的问题。
发明内容
针对常规方法和结构的前述以及其他示例性问题、缺陷和缺点,本方面的一个方面是提供一种用于生成网络路径标注服务的方法和系统。更具体地,本发明的一个方面涉及利用端到端测量来生成在网络端点之间带标注的网络拓扑。其中,基于可利用带宽、等待时间以及丢包率中的一个或多个对带标注的网络拓扑进行标注。
本发明的示例性方面旨在提供一种用于生成网络路径标注服务的系统和方法,并且更具体地,提供一种用于利用端到端测量来生成在网络的端点之间带标注的网络拓扑的系统和方法,其中基于可利用带宽、等待时间以及丢包率对带标注的网络拓扑进行标注。
在一个方面,描述了一种生成网络的带标注的网络拓扑的方法。该方法包括:通过在端点对之间执行传输控制协议(TCP)流,来确定连接端点对的网络路径上网络的可利用带宽“B”,该网络具有多个网络路径;识别网络路径中的瓶颈链路;以及标注网络路径中的所有边,其中利用端到端网络测量来确定网络内部的链路的可利用带宽标注和边带宽。
在另一方面,提供一种生成在运行在网络上的应用的端点之间带标注的网络拓扑的系统,该系统包括控制电路,用于通过在端点对之间执行传输控制协议(TCP)流,来确定连接端点对的网络路径上网络的可利用带宽“B”,该网络具有多个网络路径,该控制电路配置为识别网络路径中的瓶颈链路以及标注网络路径中的所有边,其中利用端到端网络测量来确定网络内部的链路的可利用带宽标注和边带宽。
在另一方面,提供一种用于部署应用的方法,该应用用于生成网络的带标注的网络拓扑,该方法包括提供计算机基础设施,该计算机基础设施可用于通过在端点对之间执行传输控制协议(TCP)流,来确定连接端点对的网络路径上网络的可利用带宽“B”,该网络具有多个网络路径。该计算机基础设施进一步配置为识别网络路径中的瓶颈链路以及标注网络路径中的所有边,其中利用端到端网络测量来确定网络内部的链路的可利用带宽标注。
附图说明
通过后面参照附图对本发明示例性实施方式的详细描述,将更好地理解前述以及其他示例性的目的、方面以及优点,其中:
图1示出一组网络连接的主机/机器的高级示意图,这些主机/机器用于提供连接主机的网络的带标注的拓扑;
图2示出图1中所示网络端点之间未带标注的网络拓扑;
图3A和图3B示出对图2所示网络拓扑中的每个网络链路进行标注的示例性步骤;
图4示出示例性的带标注的网络拓扑;
图5示出根据本发明的示例性实施方式的实现体系结构;
图6A和6B示出根据本发明的各种实施方式所用的方法;
图7示出对图1所示的网络路径中的瓶颈链路进行检测的方法;
图8示出根据本发明实施方式的用于生成网络路径标注服务的示例性硬件/信息处理系统;
图9示出用于存储与图6A和6B中所示方法步骤相关的信息的信号承载介质(例如存储介质);以及
图10示出用于存储配置为执行图6A和6B中所示方法的程序代码的示例性RAID阵列(例如存储介质)。
应当注意,本发明的附图并不是按比例绘出的。这些附图意图仅仅在于图示出本发明的典型方面,因此不应当被看作是对本发明范围的限定。在附图中,相同的编号代表附图之间相同的单元。
具体实施方式
图1示出了示例性的高级网络拓扑100,用以示出本发明的各个方面。网络拓扑100公开了代表一组端点102、104、106、108、110和112的多个集线器位置,以便生成网络拓扑图。例如,为了便于说明,该网络拓扑100示出了城市、州、大学等处的网络集线器的位置。所示端点的数量仅用于举例说明。应当理解,可以使用更多或者更少数量的端点。
图2示出示例性的拓扑图200,其可由图1中示出的网络拓扑100导出,图1中示出的网络拓扑100具有给定的一组端点102、104、106、108、110和112(例如位于马里兰、波士顿、剑桥、圣地亚哥等处的集线器位置)。正如图2所示的,通过连接端点102-112,可以得到拓扑图200或连接端点102-112的网络视图。端点102-112通过节点连接。例如,连接端点102和118的网络路径包括节点202、204、206、208、210和214。网络边(edge)将这些节点的每一个连接到另一节点。例如节点202和204通过网络边220连接。类似地,节点202和216通过网络边218连接。网络边218和220这里还可以被称为内部边,因为对于网络200而言这些边是内部的。如图2所示,节点中示出的每个数字是针对相应节点的节点标识符。
图3A-3B示出对图2所示拓扑网络200进行标注的各种方法。例如,可以使用网络各个部分的可利用带宽、延迟以及丢包率对拓扑图200进行标注。
如图3A-3B所示,端点对之间的寻路限制优选地通过创建网络拓扑图(例如网际互连协议(IP)层拓扑图)来获取。网络拓扑图优选地包括在寻路上的限制并允许进行路径共享,它们对于获取在网络容量内应用的带宽要求进行打包(pack)方面的限制是有利的。同时,利用等待时间和可利用带宽对所得到的拓扑图的边进行标注。
继续参考图3A-3B,在每个步骤中,网络链路可以使用等式(=)进行标注,等式代表链路已加标注,或者使用不等式(>)进行标注,不等式代表可以使用算法中的后续步骤进一步改进链路的标注。当在该算法中的某个测量步骤中使链路完全饱和时会产生等式。不等式可以指示在任何测量期间中链路都没有完全饱和,从而链路中的更多容量是可利用的。
例如,在图3A中,标记为粗体的网络链路302和304指示已在该算法的那一步中完成标注的边。例如,利用3.58对连接到标记为“马里兰0”的节点的边302进行标注,其指示边302上的可利用带宽已知为每秒3.58兆比特,开且已经完成了边302的标注。其他未标记的边或用不等式标注的边表示可由该方法的后续步骤进一步改进标注的边。
图4示出了网络400的图,其中该图的内部边218和220的每一个都使用可利用带宽来标注。
如图4所示,在算法执行结束时,网络的最终标注可以包括等式(=)和不等式(>)。网络的最终状态表示可从端到端测量中导出的关于网络标注的最大信息。
正如此处所说,端到端测量被定义为两个网络端点之间的测量。端点进一步被定义为一种机器(例如设备、系统、装置),这种机器连接到网络并使用网络与其他机器进行通信,其与网络中用于在机器之间转发数据的网络路由器和交换机相对。
通常使用带宽标注表示容量的限制,而等待时间用于表示性能的限制。例如,可以使用每跳(per-hop)延迟得到等待时间标注,其中通过使用标准因特网应用如“traceroute(跟踪路由)”对路由进行跟踪来报告每跳延迟。
如这里所述,术语“可利用带宽”定义了应用通过开放一个或多个传输控制协议(TCP)流可以得到的带宽量。这里所述的可利用带宽与链路的原始带宽或者通过用户数据报协议(UDP)流获得的带宽不同。
在另一示例性方面,本发明可以仅从网络端点高效地获得标注(例如导出标注)。例如,通过在运行在端点上的代理之间进行实验,可以利用端到端测量来导出关于网络的内部信息(例如内部链路、链路的可利用带宽、瓶颈位置等等)。这样,本发明的示例性方面就可以利用端到端测量来对网络进行标注。
图5示出根据本发明实施方式的网络性能管理服务500的高级体系结构示意图。管理服务500包括最优化求解单元502、数据获取单元504、部署引擎单元506、具有多个代理510、512和514的网络508、以及多个网络端点516、518和520。各个代理被配置成在相应的网络端点上工作。例如,代理510被配置成在网络端点516上工作,代理512被配置成在网络端点518上工作,依次类推。可以使用一个算法(例如智能算法)协调这些代理(例如510、512、514)之间的实验,以便确定标注。
继续参照图5,数据获取单元504(例如集中式协调器或者控制器)优选地被部署来执行如下算法,该算法可以智能地协调网络端点(例如,516、518、520)之间的实验,以便得出带标注的网络图。在一个实施方式中,该算法可以是图6A和6B示出的方法。数据获取单元504可以协调网络端点516、518、520之间的实验,以便成功地找到网络端点之间的网络图并且同时是完整的带标注的网络图。
数据获取单元504配置为监控和收集来自代理(例如510、512、514)的数据,以便在网络端点516、518、520之间创建带标注的图。将收集的数据输入最优化求解单元502,以便确定满足应用性能要求的适当设置。最优化求解单元502可以利用多种已知最优化算法中的一种来确定适当设置。例如,可以使用用于求解组合最优化问题的算法。将确定设置(例如通过部署引擎单元506)转化为例如可扩展标记语言(XML)配置文件并将其发送给多个代理(510、512、514)用于执行任何需要的本地配置/控制动作。
图6A示出了公开根据本发明实施方式在预处理阶段中使用的方法的流程图,该方法用于确定网络端点之间带标注的网络拓扑。
在步骤602,接收一组网络端点地址作为输入,其中期望获得针对这些网络端点地址的带标注的网络拓扑。然后该方法进入步骤604。
在步骤604,执行路由跟踪应用(例如跟踪路由),以便确定每对端点之间未经标注的网络拓扑。然后该方法进入步骤606。
在步骤606,将未经标注的拓扑内的每个边的初始标注设置为0。然后该方法进入步骤608。
在步骤608,针对每对端点,在每对端点之间执行TCP流,以便确定连接这些端点的网络路径上的可利用带宽“B”。然后该方法进入步骤610。
在步骤610,利用可利用带宽“B”和边的当前标注的最大值对步骤610中识别的网络路径中的每个链路/边进行标注。
在步骤612,利用最大可利用带宽“B”对识别为路径瓶颈的边进行标注。对于每对端点重复步骤608至612。
瓶颈识别是本发明的各个方面所使用的基本特征。瓶颈识别是一种识别网络路径上哪个链路具有最小可利用带宽的方法。这种方法确定在整个网络路径上有多少带宽可以利用。本发明的一个特征是识别网络路径上的瓶颈链路,而不会干扰共享同一路径的其他业务量。该识别瓶颈的方法与TCP协议结合工作,并且如图7所示。
图6B示出了公开根据本发明实施方式在递归阶段使用的方法的流程图,该方法用于确定网络端点之间带标注的网络拓扑。在图6B所示的方法中,进一步改进预处理阶段得到的网络拓扑的标注,直到不再可能进一步改进网络标注的点为止。
如图6B所示,该方法开始于最内部的循环,并在图中的所有边上迭代,以便确定是否还可以对任何边的标注进行改进。如果确定还可以对边的标注进行改进,则在步骤613,将变量“已改变”设置为真。然后,该方法进入步骤614。
在步骤614,进行询问,以确定变量是否变为“真”。如果变量变为真,则该方法进入步骤616。否则,当在所有边上的迭代都没有改变任何边的标注时,该方法结束。
在步骤616,如果不能进一步改进边的标注,则该变量被设置为“假”。然后,该方法进入步骤618。
在步骤618,对于具有不等式(“>”)的标注的每个边E,给定馈送入相应边E的各个边,确定通过相应边E可以发送的数据量。此处的确定被定义为“最大流量计算”并可另被称作“最大流量”(M)。然后该方法进入步骤620。
在步骤620,给定最大流量M,选择通过边E的路径的子集S,使得这些路径的带宽远大于或等于M。然后激活子集S中的路径,即在这些路径之间开启TCP流,以便通过边E驱动大量业务量M。然后该方法进入步骤622。
在步骤622,测量所有TCP流实现的总吞吐量,即正如步骤620中所示的被激活的TCP流的业务量速率的总和。总吞吐量此处标识为“T”。然后该方法进入步骤624。
在步骤624,进行询问,以确定是否T<M。如果为真,则方法进入步骤628。否则,方法进入步骤630。
在步骤628,利用标注“=T”标记边E,标注“=T”指示所述边E已饱和。
在步骤630,如果T=M,则边E尚未饱和。如果E当前被标注为“>N”并且N<M时,则利用标注“>M”标记边E。
以此方式,图6B所示方法在所有具有不等式标注的边上进行迭代。当该方法结束时,进行询问,以确定是否改进了任何标注。如果为真,则重复步骤616至630。否则,该方法结束并传送当前网络标注作为输出。
数据获取单元504(图5)能够运行图6A和6B示出的方法,以智能化地协调网络端点之间的实验,从而获得带标注的网络图。如上所述,这些端点具有运行在其上的多个代理。根据本发明的协调器能够协调这些端点之间的一些实验,从而不仅成功地找到它们之间的网络图而且同时找到完整的带标注的图。
图7示出了用于检测图1中所示网络路径中的瓶颈链路的方法。通过增加数据从发送方发往接收方的速率(例如发送速率),在经网络路径连接的发送方和接收方之间使用TCP协议,从而探测网络中的可利用带宽。当TCP协议检测到丢包(packet loss)时,降低发送速率并通过增加发送速率重复探测过程。当发送速率增加时,包在每个链路处所历经的延迟增加。然而,路径上瓶颈链路的属性是它示出了延迟的最大增加。该延迟可通过在路径上和TCP流一起运行跟踪路由应用进行测量,因为跟踪路由报告包所历经的每跳的延迟。这样,本发明的各个方面结合利用跟踪路由和TCP,从而推断出网络路径上的瓶颈链路。
因此,利用图7所示的技术,如果网络路径中的某个边E被识别为瓶颈链路,则利用“=B”对其进行标注,因为认识到边E是端到端路径上的受限链路,并且该端到端路径的带宽为B。
图8示出了与本发明一起使用信息处理/计算机系统的硬件配置,其优选地具有至少一个处理器或中央处理单元(CPU)811。
CPU 811通过系统总线812与如下部件互连:随机访问存储器(RAM)814、只读存储器(ROM)816、输入/输出(I/O)适配器818(用于将诸如盘单元821和磁带驱动器840的外围设备连接到总线812)、用户接口适配器822(用于将键盘824、鼠标826、扬声器828、麦克风832和/或其他用户接口设备连接到总线812)、用于将信息处理系统连接到数据处理网络、因特网、内部网、个人局域网(PAN)等的通信适配器834以及用于将总线812连接到显示设备838和/或打印机的显示器适配器836。
除了上述硬件/软件环境之外,本发明的不同方面还包括用于执行根据本发明实施方式描述并参照图6A-6B描述的方法的计算机实现的方法。例如,该方法可以在上面讨论的特定环境中实现。
该方法可以通过例如对计算机(如具体体现为数字数据处理装置)进行操作以执行机器可读指令序列得以实现。这些指令可以驻留在各种类型的信号承载介质中。
该信号承载介质可以包括例如CPU 811中包含的RAM,正如由快速访问存储器所表示的RAM。可替代地,指令可以包含在可由CPU811直接或者间接地访问的另一信号承载介质中,如磁数据存储器或CD-ROM盘900(图9)。指令可以存储在多种机器可读数据存储介质中,如DASD存储器(例如常规的“硬盘驱动器”)或RAID阵列(例如,图10中的1000)、磁带、电子只读存储器(例如ROM、EPROM或者EEPROM)、光存储设备(例如CD-ROM、WORM、DVD、数字光带等)、纸“打孔”卡或其他合适的信号承载介质,这些其它信号承载介质包括诸如数字的和模拟的以及通信链路和无线的传输介质。
在本发明的示例性实施方式中,例如,机器可读指令可以包括由诸如“C”、C++等语言所编译的软件目标代码。将会理解,本发明的各个方面应当不受到创建这些方面所使用的语言的限制。
此外,本领域普通技术人员应当认识到,在对本发明整体进行了讨论后,本发明可以作为众多商业或者服务活动的基础。所有这些潜在的与服务有关的活动将被本发明所覆盖。
网络的性能和可用性对端到端的性能和网络应用和服务的用户体验做出了贡献。然而,网络资源的分布式和分散式性质使得性能管理成为一个难题。本发明提供了一种用于进行网络监控的新颖的系统和方法,其可以规划并调整应用的网络使用。例如,本发明可以利用连接应用端点的基础网络的性能(即网络性能)知识以及网络的可用性来规划并调整应用的网络使用。
通过确定这些信息,可以对于客户寻路到具有最佳网络连通性、最大带宽等的特定服务器(例如采用那些网络路径和/或客户应当指向哪个服务器)做出决定。这种确定优选地可以不依靠网络基础设施自身的任何支持来完成。这是有利的,因为服务或应用的提供商通常不对整个网络进行控制并且可能受限地访问或者无法访问网络的监控数据。
例如,运营网络的网络提供商(例如电信公司,如AT&T,Sprint等)具有对网络性能进行内部监控的网络管理系统。然而,该网络提供商仅有对于其拥有的那部分网络的网络监控数据。
此外,该信息对于应用通常是不可利用的。即,应用难以访问这些信息。通常,来自网络设备的监控数据对于运行在网络端点上的应用可能是不可利用的。
利用本发明,可以获得该网络或应用的多个特性。所获得的示例性特性包括带宽(例如可利用带宽)、等待时间、丢包率等等。应当注意,带宽标注和丢包率标注是困难的,并且通常用相关技术无法解决。
本发明的示例性方面提供了网络路径的有效标注,其基于网络图和一组端点来确定链路带宽和瓶颈链路。优选地以传输控制协议友好(TCP友好)的方式实现标注,并且优选地利用有限的探测迭代来确定网络路径中的瓶颈。
与利用基于UDP探测确定网络容量的相关技术的方法相比,本发明的示例性方面的优点在于它并非强行插入的。标注过程没有改变现有流的动态特征,因为优选使用的过程是基于TCP探测。TCP响应于网络反馈来使用控制协议调其发送速率,使得其能够很好地与网络中活的其他流共享该网络。因此,在网络中具有大量活的流的情况下,TCP使得对其他流的发送速率的影响可以忽略。
本发明的各个方面可以支持对用于同时流(simultaneous flow)的网络的可利用带宽询问。例如,本发明可以支持预先的询问,如“当节点1发送到节点4并且节点2发送到节点10时确定可利用带宽”,该询问可以由没有考虑带标注的网络拓扑的系统正确应答。
在一个实施方式中,共享路径可能意味着针对各个路径询问以及同时多路径询问的不同应答。本发明还涉及对于分布式网络应用识别网络瓶颈的方法或技术。瓶颈可以表示为同时多路径询问。
虽然按照若干示例性实施方式描述了本发明,本领域的技术人员将认识到,本发明可以利用所附权利要求的精神和范围内的变型来实现。此外,应当注意,申请人意在包括所有要求保护的单元的等效方式,即使以后在审查程序中进行了修改。
Claims (18)
1.一种生成网络的带标注的网络拓扑的方法,包括:
通过在端点对之间执行传输控制协议(TCP)流,来确定连接所述端点对的网络路径上网络的可利用带宽“B”,所述网络具有多个网络路径;
识别所述网络路径中的瓶颈链路;以及
标注网络路径中的所有边,其中利用端到端网络测量来确定所述网络内部的链路的可利用带宽标注和边带宽。
2.根据权利要求1的方法,其中所述标注包括:
利用等式“=”标注识别为瓶颈的边;
利用不等式“>”标注其他边,所述标注还包括:
利用可利用带宽、等待时间以及丢包率中的至少一个标注所述多个路径。
3.根据权利要求1的方法,其中所述标注包括利用业务量使所述链路饱和,使得所接收的网络业务量少于所传输的网络业务量。
4.根据权利要求3的方法,其中识别所述瓶颈链路包括当利用业务量使所述链路饱和时监控所述链路的延迟。
5.根据权利要求4的方法,其中监控所述延迟包括利用并行跟踪路由来监控所述延迟的增加。
6.根据权利要求1的方法,还包括:
继续所述标注,直到得到所述网络的带标注的网络拓扑。
7.根据权利要求1的方法,其中所述标注还包括:
对于具有不能进一步改进的标注的每个边,计算业务量的最大流量;
确定通过具有不能进一步改进的标注的所述边的路径的子集;
将所述子集中的所述路径之间的TCP流初始化;
确定由所述TCP流达到的总吞吐量;以及
当所述吞吐量小于所述最大流量时,将边标注为饱和。
8.一种生成在网络的端点之间带标注的网络拓扑的方法,包括:
接收具有多个路径的网络的端点的地址;
确定每对所述端点之间的未经标注的网络拓扑;
通过在端点对之间执行传输控制协议(TCP)流,来确定连接所述端点对的网络路径上的可利用带宽“B”;
识别所述网络路径中的瓶颈链路;以及
标注网络路径中的所有边,其中利用端到端网络测量来确定所述网络内部的链路的可利用带宽标注。
9.根据权利要求8的方法,其中所述标注还包括:
对于具有不能进一步改进的标注的每个边,计算业务量的最大流量;
确定通过具有不能进一步改进的标注的所述边的路径的子集;
将所述子集中的所述路径之间的TCP流初始化;
确定由所述TCP流达到的总吞吐量;以及
当所述吞吐量小于所述最大流量时,将边标注为饱和。
10.根据权利要求8的方法,其中所述标注包括:
利用等式“=”标注识别为瓶颈的边;
利用不等式“>”标注其他边;以及
所述标注还包括利用业务量使所述链路饱和,使得所接收的网络业务量少于所传输的网络业务量。
11.根据权利要求8的方法,其中识别所述瓶颈链路包括当利用业务量使所述链路饱和时监控所述链路的延迟。
12.根据权利要求11的方法,其中监控所述延迟包括利用并行跟踪路由来监控所述延迟的增加。
13.根据权利要求8的方法,还包括:
利用可利用带宽、等待时间以及丢包率中的至少一个标注所述多个路径。
14.一种生成在运行在网络上的应用的端点之间带标注的网络拓扑的系统,包括:
控制电路,用于通过在端点对之间执行传输控制协议(TCP)流,来确定连接所述端点对的网络路径上的网络的可利用带宽“B”,所述网络具有多个网络路径;
所述控制电路配置为识别所述网络路径中的瓶颈链路;以及
标注网络路径中的所有边,其中利用端到端网络测量来确定所述网络内部的链路的可利用带宽标注。
15.根据权利要求14的系统,其中基于可利用带宽、等待时间以及丢包率中的至少一个对所述带标注的网络拓扑进行标注。
16.根据权利要求14的系统,其中所述系统还包括:
运行在所述网络的端点上的多个代理,其中所述控制电路配置为控制所述多个代理来监控所述网络。
17.一种存储在计算机可用介质上的程序产品,用于生成在网络的端点之间带标注的网络拓扑,所述程序产品包括用于使得计算机系统执行根据前述方法权利要求的任意一个方法的步骤的程序代码。
18.一种用于部署应用的方法,该应用用于生成网络的带标注的网络拓扑,所述方法包括:
提供计算机基础设施,该计算机基础设施可用于:
通过在端点对之间执行传输控制协议(TCP)流,来确定连接所述端点对的网络路径上的网络的可利用带宽“B”,所述网络具有多个网络路径;
识别所述网络路径中的瓶颈链路;以及
标注网络路径中的所有边,其中利用端到端网络测量来确定所述网络内部的链路的可利用带宽标注。
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