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基于流量特性的校园网网络性能分析与研究 摘要 网络性能分析是网络规划的重要工具，它对提高网络服务质量和 改善网络运行效率，为网络提供优质的管理方面都起到了比较重要的 作用。校园网络因其使用群体层次高、频度大、范围广，因而更加需 要高质量的网络性能，因此有针对性的进行校园网络性能分析，将成为 提高高校网络管理质量的新思路。并且针对目前校园网流量特性的分 析，对于掌握和预测校园网络运行状态，进行校园网的优化也有着重 要意义。 本文从研究校园网流量特性入手，以广西大学校园网为研究平台。 通过对校园网实际情况的分析，建立相关的流量采集理论，并对流量 中的自相似性，突发性，协议特性等给校园网性能带来的影响进行了 深入探讨与研究，提出了基于流量特性的校园网性能分析的实现思路 和方法。 此外，本文还就校园网性能分析的结果建立了流量预测模型，并 通过实验验证了该预测模型的可行性；提出了异常流量预警机制，以 期及时发现流量异常情况并排除网络故障；校园网的性能优化方案则 分别通过校园网的流量优化和校园网的协议优化两方面进行阐述。 关键词：网络性能分析校园网流量特性自相似性突发性 c a m p u sn e t w o r kp e i 之f o r a 乱气n c ea n ai 。y s i sa n d r e s e a r c hb a s e do nt h en a t u r eo ft r a f f i c a b s t r a c t n e t w o r kp e r f o r m a n c ea n a l y s i si sa n i m p o r t a n tt o o li nt h en e t w o r k p l a n n i n g i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n gt h eq u a l i t yo ft h ei n t e m e t , i m p r o v i n gn e t w o r ke f f i c i e n c ya n dp r o v i d i n go u t s t a n d i n gq u a l i t ym a n a g e m e n t f o ri n t e m e t b e c a u s et h et a r g e tu s e r so f c a m p u sn e t w o r ka r ew i t hh i 曲i n t e l l e c t a n dt h eu s eo fi ti so fh i g hf r e q u e n c ya n dw i d er a n g e ，ah i g h - q u a l i t yn e t w o r k p e r f o r m a n c ei sn e e d e d , s ot h ec a m p u sn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n a l y s i sw i t hc l e a r t a r g e to ro b j e c t i v ew i hb e c o m et h en e wi d e a so fc a m p u sn e t w o r ki m p r o v e m e n t b e s i d e s ，t h en a t u r eo fc a m p u sn e t w o r kt r a 伍ca n a l y s i sa l s oh a sa l li m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e i n u n d e r s t a n d i n g a n df o r e c a s t i n go p e r a t i o n sf o rt h e c a m p u s n e t w o r k s t a r t i n gw i t ht h en a t u r eo ft h ec a m p u sn e t w o r kt r a 佑c 。t h i sp a p e rt a k e s g u a n g x iu n i v e r s i t yc a m p u sn e t w o r ka sr e s e a r c hp l a t f o r m t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fn l es t a t u so fc a m p u sn e t w o r k , t h i sp a p e rc o n s t r u c t sr e l a t e dt r a f f i cc a p t u r e t h e o r y , f u r t h e rd i s c u s s e sa n dr e s e a r c h e st h ei m p a c to ft h es e l f - s i m i l a r i t y , b u r s t , a 铲e e m e mf e a t u r e se t c o ft h et r a f f i c ，a n dp u t sf o r w a r dt h ei d e aa n dm e t h o do f r e a l i z i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i sb a s e do nt h en a t u r eo ft r a f f i c i na d d i t i o n , b a s e do nt h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e st h ef o r e c a s tm o d e lo ft r a 伍c ，w h o s ef e a s i b i l i t yh a sa l r e a d yb e e n p r o v e db ye x p e r i m e n t , a n dt h e ne s t a b l i s h e st h ew a r n i n gm e c h a n i s mo fa b n o r m a l t r a 伍c ，w h i c he x p e c t st od e t e c ta b n o r m a lt r a f f i ci nt i m ea n df i xn e t w o r k b r e a k d o w n ，a n dp u tf o r w a r d st h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so fc a m p u s n e t w o r k , w h i c hi si l l u s t r a t e df r o mo p t i m i z a t i o no ft r a 伍ca n da g r e e m e n to f c a m p u sn e t w o r k n k e yw o r d s ：n e t w o r kp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；c a m p u sn e t w o r k ；t h en a t u r eo f n e t w o r kt r a 衔c ；s e l f - s i m i l a rn a t u r e ；b u r s tn a t u r e ； m 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关 知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第。署名单位发表或使用本论文的研 究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为 获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在 论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：乏参 2 卯2 年多月2 6 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供胃录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 啪口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定_ ) 哼一。鼍弼彤日 基亏吃乞l - 特性的校园网网络性能分析与研究 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着全球信息化进程的加快，网络尤其是国际互联网作为现代信息社会最重要的基 础设施之一，它已渗透到社会的各个领域，成为国家发展和社会进步的基本需求，是未 来知识经济的基础载体和支撑环境。根据中国互连网信息中心( 洲c ) 的调查报告显 示，截止2 0 0 3 年6 月底，我国网络用户人数已达6 8 0 0 万，仅次于美国。到2 0 0 5 年， 中国已超过美国而成为世界上互连网用户数最多的国家【l 】。同时随着网络规模不断的扩 大，网络用户不断的增加要求网络安全、可靠。近一段时间由于计算机病毒爆发网络安 全危机等因素，网络设备超负荷运转，从而导致网络性能不断下降。这些都要求人们对 网络流量的运行状况和行为特性有一个深入的了解。因此，采集网络真实流量数据进行 流量特性分析，了解目前网络性能的状态与特征，分析其网络性能及其影响因素，从而 制定、调整互连网发展策略，以使其健康稳定的成长，就显得越来越重要。 1 1 1 网络性能分析的概念及其分类 网络性能分析是指对特定对象的行为和通信活动的效率进行分析评价。即性能分析 评价被管对象行为和通信活动的有效性【2 】。具体措施是通过收集统计数据来分析网络运 行的趋势，得到网络的长期评价，并将网络性能控制在一个可接受的水平上。 目前网络性能分析主要有两个分支：性能测试分析和性能规划分析d i 。性能测试分 析是对于现有网络设施根据一定的测试序列去测定网络的性能参数。它有一个错误覆盖 率的问题，只能从各个局部去分析或者推断整个网络的性能。而性能规划分析是从网络 的基本原理出发，结合被研究网络的实际拓扑结构和各个组成部分的实际物理参数，利 用数学分析或者计算机模拟的方法综合评价整个网络系统的性能，得出各种性能参数的 期望值。这些性能参数的期望值可以用来优化网络设计方案和通过将其跟性能测试得到 的结果的比较找出网络所存在的问题，给出网络改造方案和优化网络配置。 1 1 2 网络性能分析的重要性 当前随着网络技术的高速发展和i n t e m e t 服务的普遍深入，i n t e r n e t 的规模日益庞大， 其提供的服务和用户的服务需求也更加多样化和复杂化，同时也对网络性能和网络服务 质量不断提出新的要求。由于互联网络体系结构的庞大和异构性、复杂性、动态性，使 得网络的运行机制和行为错综复杂，这使得网络的控制难以实施 4 1 。因此网络性能分析 能够帮助网络管理人员更好地理解互联网内部的动态行为及其相关因素，建立有效的模 型用于分析和预测网络性能，从而更好地完成网络协议设计，网络规划，网络性能优化 基号鼍窥量特性的校园网网络性能分析与研究 和服务质量保证。 随着校园网的不断发展，校园网也成为研究的热点，高校校园网可以看作是整个 i n t e m e t 的一个缩影，随着网络传输速率的提高和各种新型应用的积极的发展，校园网 络的复杂度也同时发生变化。新的网络传递技术、新的网络环境和新型的网络应用的产 生，使得定量研究校园网中主要物理现象的规律，从而为校园网络技术的改进提供可靠 的理论依据，已经成为一个急待解决的问题【5 j 。 1 1 3 基于流量特性的网络性能分析 随着计算机网络的迅速发展，网络应用日益丰富，已经由传统的w w w 、f t p 、 t e l n e t 等服务转向更加丰富的应用，如视频点播、网络视频游戏、口电话等实时应 用，这些应用的出现，都对网络流量的构成和行为特征产生了新的影响1 6 】。早期的网络 流量分析也应当进行新的研究。而网络流量的组成特征和分布特征，对网络性能将产生 很大的影响。 对网络流量特征的描述是网络性能分析的重要研究内容，它是网络规划、设计和管 理的基本依据，同时对网络运行的q o s 保证和网络安全也有很大的影响1 7 。对网络流量 特征的研究现在己经成为热点，通过分析和研究网络上所运载的流量特性，可以提供一 条有效地探索网络内部运行机制的途径。同时网络流量直接影响网络性能的好坏。如果 网络所接受的流量超过了它的实际运载能力，就会引起网络性能的下降【嚣】。为了使网络 性能进一步改善，必须要对网络流量特征进行研究，从中抽取能够刻画网络流量特征的 参数，从而通过对网络流量建模模拟和性能分析，寻找可调控的性能参数，对流量实施 有效的控制，进而改进和优化网络性能。 对校园网而言，校园网络流量的测量和对其特性的分析也是我们了解目前网络不合 理之处、为未来的校园网的建设提供良好建议的重要手段。 1 2 研究现状 1 2 1 网络性能分析的研究现状 网络性能分析是对一系列对于运营商有意义的，并可用于系统设计、配置、操作和 维护的参数进行测量所得到的结果进行分析。自2 0 世纪9 0 年代以来，国外和国内的许 多学者对网络性能的分析研究工作的重视程度越来越高，已经开展了不少卓有成效的研 究工作。 1 国外研究现状 u n i v e r s i t yo fm a r y l a n d , c o l l e g ep a r k 的研究成果最为显著，他们开展了一个称为 “n e t c a l l i p e rp r o j e c t ”的特别项目，以i n t e r n e t 为主要实例，探讨网络的动态特征， 理解和寻求适合的计算机网络设计和运行的现有技术和未来新技术。其中n e t d y n 是他 2 广西大掌硕士学位论文 基亏鼍茏h 分性的校园网网络性能分析与研究 们研制和使用的核心工具，它能获取网络近期和长期的详细行为资料，然后再用这些资 料建立反映网络真实特征的具有确定性和统计性的模型【9 】。此外，b o s t o nu i l i v e r s i 坝 u m v e r s i 够o fc f l i 觚aa ts a n t ac r u z , c o m e uu m v e r s i 够和u n i v e r s i 够o ft e x a sa la u s t i l l 也都有专门的实验室来进行网络性能分析的研究，取得了一系列的成果。他们的研究实 践表明，合理设计网络和对当前网络进行改造都需要综合考虑影响网络性能的各种参 数，在此基础上才能给出最优的解决方案1 1 0 1 。 c a i d a ( c 鲇d 丸也ec o o p e m f i v e 舡s o c i 撕o nf o rh 嬲m e td a ma n a l y s i s ) 组织的c l a f f yk 等人利用了多种工具对计算机互联网进行分析，展示出了这一庞大复杂巨系统的概貌。 他们用一种称为s h t 魄的工具对网络的拓扑结构和数据包的传输路径和网络路由策略 和行为等内容进行了分析，并且绘制了如不同自治网络间的连接关系等反映网络行为的 示意刚1 1 1 。 2 国内研究现状 在我国，当前条件下计算机网络的设计还主要是依靠具有网络经验的专业技术人员 手工完成，网络实施前一般未进行仿真性能分析和优化设计研究，网络建成后也很少对 系统性能进行评价与测试。其主要原因是尚无这方面的手段和工具，在这方面可以说尚 属空白。近些年来，虽然有一些专家在网络设计与性能分析方面做过不少工作，但尚未 作为产品问世。因此，跟踪世界先进技术，研究开发符合我国国情的性能分析系统势在 必行。下面列举一些国内学者研究的主要的网络性能分析方法： 1 ) 基于数据挖掘的网络性能分析算法 将数据挖掘算法( d m ) 和网络性能分析( n p a ) 相结合，一方面d m 能够挖掘出的各种 有价值的网络性能模式，另一方面利用这些模式n p a 能对当前网络作出准确率高的判断 以及预测，也就大大减少了人工参与。基于数据挖掘的网络性能分析系统( d 蛐a s e d n p a s 。简称d m n p a s ) 的主要设计思想是：在d m n p a s 应用环境中。可以按照用户要求 将一个大型网络划分成多个子域。在此基础上又把这些子域附属于一个高层域。整个系 统由一个管理点，一个高层域。多个子域，一个智能决策机。多个规则库组成1 1 2 】。与其 他的n p a s 相比，在结构方面d m n p a s 最大的特点是：就地分析加全局分析。性能分析 任务首先分散给多个子域自治处理；对于涉及多个子域的性能问题，才传给上层去处理。 这样就减轻了分析器的处理能力要求，还大大减少了网络性能数据的传递，从而降低了 网络开销和时延。 2 ) 基于s n m p 网络管理的网络性能分析方法 在1 9 9 1 年公布的r m o nm 【b ( r e m o t en 咖o r km o 蛐g ，r f d l 2 7 1 ) 是对原标准的 扩展，它定义了管理远程网络监控设备的对象，而不是仅仅管理网络上的某一个设备【l 引。 支持r m o nm i b 的监控设备要求能够独立的、连续不断的对所在子网进行诊断和网络统 计信息的收集，并将这些信息方便高效的传送给网络管理工作站。r m o n 标准为复杂的网 络故障诊断、配置规划和性能评价提供了大量的数据。它规定了1 0 组管理对象组：统计、 3 基于流h 寺性的校园网网络性能分析与研究 历史、告警、主机、h o s tt o pn 、矩阵、过滤器、报文捕获和事件。其中第十组专为t o k e n r i n g 而定。 3 ) 基于流量工程的网络性能分析方法 流量工程，就是指一种能将业务流映射到实际物理链路上，同时又可以自动优化网 络资源，以实现特定应用程序服务性能要求的具有宏观调节和微观控制能力的网络工程 技术【1 4 1 。进行流量工程的关键目的就是能够准确的把握网络的运行状态和特征，优化网 络性能和资源配置，平衡网络拓扑中链路负载，以增加网络的效能、操作的可靠性、资 源的利用率。流量工程是网络工程的一个方面，用来处理所运行网络的性能评价和性能 优化等方面的问题，也就是为了优化资源利用和网络性能，如何控制流经网络的数据流， 包括运用科学的原则和技术对网络流量进行测量、描述、建立模型和控制。 目前，国内的九五国家重点科技攻关项目中，已经列出网络设计、模拟与性能分析 的课题【1 5 】。该课题主要包括第二代i n t e m e t 计划中的s u r v e y o r 工程，n s f ( n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ) 资助的a m p ( a c t i v em e a s u r ep r o j e c t ) 资助的a m p ( a c t i v em e a s u r ep r o j e c t ) i 程 和n i m i c n a t i o n a li n t e m e tm e a s u r e m e n ti n f r a s t r u c t u r e ) i 程、w m d m i l l 工程等。主要成果 有s u r v e y o r 软件系统，可以分析端到端的单程延迟，c o r a v o c x m o n 性能监测分析平台 等。 1 2 2 基于流量特性分析的研究现状 由于网络流量在网络体系结构中的地位，越来越多的研究者转向网络流量的研究， 流量理论也越来越受到重视，2 0 0 1 年网络领域的十大研究热点，其中就包括网络流量 的测量和分析【1 6 1 。有关网络业务流量的研究主要涉及两个方面：网络流量特性分析和网 络流量建模预测。 在网络流量研究的早期，流量建模主要以泊松分布和马尔可夫过程为基础，借鉴公 共交换电话网络( p s t n ) 的流量模型，使用p o i s s o n 模型来描述流量数据u 5 】。随着网络技 术的发展和网络业务的增多，l e l a n d , k l i v a n s k y 等人相继发现了普遍存在于各种网络业 务流中的自相似特性。由于自相似特性对网络的影响很大，因而备受研究人员的关注并 建立了多种自相似模型来描述和仿真流量特性，如分形布朗运动模型、多分形小波模型 等等1 1 7 1 。此外，加拿大国家研究机构使用p e r ts c r i p ti 具跟踪对t r i u m f 感兴趣的节点， 每l o 分钟检测一次丢包率，每天收集4 次t r a c e r t 数据并生成网络的可视化图来分析流量 特性【1 铂。 近些年，随着网络测量技术的发展和业务流量特性研究的深入，人们在对i n t e r n e t 流量的分析中也发现了分形、周期性、混沌性等特性，并开始应用分形、多重分形、时 间序列分析、小波分析、神经网络、混沌学等理论和技术来分析、描述网络流量的精细 特性【1 9 1 。流量预测模型不但要描述复杂业务的长、短相关特性，还要体现流量的其他特 性。因此，对复杂的网络流量使用单一的流量模型已经不能很好的描述其真实的特性， 4 广西大掣蝎页士掌位论文基于流h 争性的校园网网络性能分析与研究 为了更精确和全面的描述流量特性并预测流量，需要根据网络业务流量的多个特性建立 混合的流量预测模型，而这方面的研究才刚刚开始。 在我国，也有很多人在从事关于网络流量的分析研究工作t z o j ，例如，中国科学院软 件研究所的项目“信息网前沿技术研究：通信网络动态仿真 中对科技网流量进行分析， 验证广域网流量的长程依赖性，并将广域网流量的长程依赖特性应用于千兆交换路由器 的缓存控制。哈工大也实现了一个大规模网络拓扑测量的原型系统，能够针对大规模网 络进行路由i p 拓扑结构的自动发现并进行可视化显示来分析流量特性。这些都从不同 角度研究了网络流量的规律，但是针对具体的校园网络流量特征、业务特征还研究甚少。 1 3 课题的研究意义 目前对校园网而言，大多数高校在网络的规划设计方面仍然按照传统的经验设计方 法，哪里发生拥塞，就在哪里增加带宽，增强处理能力。这样做尽管简化了设计，但是 这只能局部的解决问题，不能满足对网络性能日益增高的要求。在网络流量管理方面， 往往停留在用流量统计分析工具对网络通信设备进行流量监测和记录日志，对流量行为 的规律没有进行深入分析。并且由于以太网和其它高速网络技术的发展，对流量分组进 行全测量几乎不可能，同时，大量的流量日志也使流量行为分析相当困难。因此，深入 研究网络流量行为特征规律，建立符合网络流量特征的模型成为现代校园网络研究中要 解决的主要问题之一。网络流量特征是网络设计和性能分析中所必须考虑的一个重要因 素，网络流量数据的特性反映了网络间的相互作用和影响，对网络流量过程特性的分析 是研究新一代网络设计、流量控制机制和提高网络性能的有效方法。 针对上述种种问题，“基于流量特性的校园网网络性能分析与研究 以广西大学校 园网为基础进行了一系列的研究工作。基于网络流量的行为特征，运用相关的统计分析 方法，以进出校园网端口的流量为对象进行分析，有效的概括出若干个模型，从而获取 网络的重要性能指标，全面的描述校园网的网络运行状况，为网络设计提供可靠的依据， 并验证实际方案的优劣，有利于缩短网络建设周期，提高网络设计的科学性，降低网络 投资的风险。 总之，本课题希望通过对校园网网络流量特性的测量和分析，为整个校园网的管理 提供决策支持。 1 4 论文的主要工作和组织情况 1 4 1 论文的主要工作 本课题在对校园网情况以及基于流量的网络性能分析技术的具体内容调研后，结合 广西大学校园网的实际状况，从本质上理解网络业务流量的运行规律，针对网络流量行 5 基于流哺争性的校园网网络性能分析与研究 为特性进行分析和研究，并结合其特性建立流量预测模型，旨在优化网络性能和提供更 好的服务质量。研究的主要内容如下： 1 研究平台的搭建 研究校园网拓扑结构，建立校园网络性能分析模型，提出了模型总体结构及研 究方法。： 2 流量数据的采集整理 建立校园网流量采集模型，采集校园网公网出口的网络流量数据，研究了主动 和被动测量方法以及流量抽样方法，确定了用于性能分析的参数指标，为下一 步的网络流量性能分析作好准备。 3 基于流量特性的校园网性能分析 对采集到的流量样本进行统计分析，利用流量的不同特性研究了整个校园网网 络应用的时间、地理、协议分布情况，从中发现校园网的使用规律。并把分析 的结果汇总，为网络管理者提供决策支持。 4 流量预测，预警，优化方案 运用时间序列分析理论分析流量数据，建立了流量季节比例预测模型，并应用 到当日流量的预测，将预测结果与实际流量进行比较。并通过该预测模型建立 相关的网络流量预警模型，最后根据整体的流量分析结果提出未来校园网的建 设优化方案。 1 4 2 论文的组织情况 第一章介绍了基于流量特性的网络性能分析的相关知识。 第二章介绍了基于流量特性的网络性能分析的相关技术。主要介绍了网络流量的测 量方法与作用，流量采集的常用工具，并且详细叙述了常见的一些网络流量特性。 第三章具体阐述整个流量采集模型的设计思想，提出了流量采集模型的体系结构。 并详细描述了流量特性分析的整个过程，以校园网为平台，对流量特性进行验证以 及成因分析，最后通过实验结果分析流量特性对网络性能的影响。 第四章汇总实验结果，流量预测模型的建立和实际应用，同时为流量预警，优化 作好准备，并加以验证分析。 第五章总结了本课题的研究成果，并对下一步的研究工作进行了展望。 6 广。西大掌硕士学位论文j 基号咤乞量特性的校园网网络性能分析与研究 第二章基于流量特性的网络性能分析技术 2 1 网络性能分析方法的确定 目前对网络性能进行分析、评价的方法很多。简单地分为定性分析与定量分析两种。 所谓定性分析，指的是技术人员根据自己的经验对一个已有或待建的网络进行大致的性 能估计，判断网络配置能否满足用户的需要【2 1 1 。这种方法显然是不准确的，常常要在安 装或使用过程中动态地做出一些调整，以满足用户的需求。 定量分析就是运用数学工具或测量方法找出反映网络性能的定量指标间的数值关 系以及某个或某些指标变化时对网络性能的影响 2 2 1 。相比定性分析，定量分析更精确地 反映了网络性能的实际情况，为技术人员设计和规划网络提供了更准确、详细的依据， 使决策更科学。常用的定量分析方法有实际测量法，模型法及综合评价法三种。 1 ) 测量法 通过一定的测量设备或一定的测量程序可以直接从计算机网络测得各项性能指标 或与之相关的度量，然后由它们经过一些运算求出相应的性能指标，这是最直接也是最 基本的方法，其他一些方法在一定程度上也要依赖它。这种方法适用于已经存在的系统， 其中测量方法和手段是关键。 测量方法的优点是准确性高，因为网络系统的实际情况比如响应时间、吞吐量等都 能从使用现场得到。这种方法对于评价和分析一个已经存在的网络是非常合适的 2 ) 模型法 首先对要评价和分析的计算机网络建立一个适当的模型，然后求出模型的性能指 标，以便对系统进行评价。模型中般包括很多参数，这些参数的确定往往依赖于对实 际系统的测量结果或对系统参数的估计。 模型方法又分为模拟方法和分析方法两种。模拟方法是用一个程序动态地模拟一个 系统及负载，一般首先是用一个模拟语言来为系统建立模型，然后在模拟时，通过用负 载驱动系统模型从而得出模型的性能指标。模拟方法可以详细地刻画系统，得出较精确 的性能指标，但构造和使用模型时的费用较高。 分析方法则是应用数学理论与方法来研究和描述性能与系统、负载之间关系。为了 数学上描述与计算的方便，往往要对系统模型进行一些简化和假设，因而这种模型刻画 系统的详细程度较低，得出的性能指标精度也较低。但是这种方法理论基础强，可以明 显地刻画各种因素之间的关系，而且构造和使用模型的费用也较低。 3 ) 综合分析法 随着计算机网络的不断发展，系统的庞大和复杂化使得系统性能评价和流量分析问 题变得越来越复杂，仅仅依靠单一的方法很难有效的解决问题。因此，综合分析法即指 7 基亏咭怒量特性的校园网网络性能分析与研究 综合采用以上两种方法，通过提供有效的数学理论工具、直观的模型描述方法和有效的 模型分析方法以及使用的分析软件和测量工具，可以较好的解决流量分析和评价问题。 结合校园网的实际情况，现拟采用对网络流量进行实际测量的网络性能分析方法， 因为校园网早已存在，而这种方法对于评价和鉴定一个己经存在并且正常使用的网络是 非常合适的，而且准确性较高。 2 2 网络流量的基本特征 网络流量特征化是十分困难的，特别是不同的网络应用具有不同的流量特征。例如 w e b 流的特点是连接时间短促，突发性强，主要由相对适中的数据包组成，只有像视频 点播之类的情况才会出现较大的数据流量。f t p 流的特点是连接时间长，数据包较大， 而像t e l n e t 流虽然连接时间也较长，但数据流量非常小。w w w 、f t p 、v o d 、v o i p 等 流量特征和q o s 需求的差异以及不同比例流量迭加，使得网络性能的分析更加复杂。因 此，我们在分析网络流量之前应该先了解流量的几种主要特性，有利于以后有针对性的 对流量数据进行统计和分析，进一步找出流量特性间的内在规律。下面详细介绍目前网 络流量已知存在的几种特性： ( 1 ) 流量自相似性 自从l e l a n d 等人在9 0 年代初第一次明确的提出了网络流量中存在着自相似现象 以来，各国研究人员开始对世界上现有的一些网络进行了测量和分析，发现不论网络的 拓扑和业务如何，网络流量中都能检测到自相似特性，自相似业务成为近年来网络业务 模型的研究中的一个热点。著名美籍法国数学家b e n o i tb m a n d e l b r o t 在曾这样描述自 相似现象：“当每个部分的形状不和整体形状是几何相似时，这种形状和产生这种形状 的格状物都被称为是自相似的【硎 。 1 9 9 3 年美国b e l l 实验室的研究人员在经过了三年( 1 9 8 9 1 9 9 2 ) 的对高速以太网业务 的测量和分析后，发现其业务具有统计上的自相似特性。他们用分形的思想研究了网络 上的真实业务，证明了聚集的网络业务是具有h u r s t 参数h o 5 的自相似过程，从而 是长相关的，即s = ，而个别的源发出的业务有n o a h 效应( 具有无穷方差的重尾分 布) 【2 4 】。此后国外研究人员对局域网、v b r 、f t p 、w w w 以及大型数据库等不同网络 业务的传输进行了研究，发现这些业务都具有自相似特性。 自相似过程与传统业务模型相比具有许多不同的统计性质，其中最主要的一点是它 能够反映业务流量在任意时间范围内的长相关特性【2 5 1 。大量的针对e t h e r n e t ，w e b 等业 务的测量表明：这些实际的网络业务普遍存在着在统计意义上的长时相关性或自相似 性，具体表现在业务上大的时间尺度上呈现出相似的突发性。这与传统的电话网中服从 泊松过程的短时相关业务假设有着很大的不同，在这种业务特性下，网络研究中的业务 建模和性能分析都产生了许多新的问题。 8 基亏鼍豪h 争性的校园网网f a t - i t 能分析与研究 ( 2 ) 流量突发性 网络业务流量出现突发性是由于网络为某些大数据量的活动用户提供了足够的带 宽，使其在很短时间内发送大量数据所导致的 2 6 1 。局域网或任何计算机通信网的主要任 务是为用户设备和进程提供通信路径。用户设备所提供的业务量即流量的性质是决定网 络性能的主要因素。不幸的是，业务量的变化极大并受很多因素的影响。s t u c k 列出了 大约二十多种局域网的业务及其典型的数据率的峰值变化范围由告警系统的1 0 0 b s 到 无压缩形视频的3 0 m b s ，即使撇开这两个业务量的极端值也不会减小速率的范围。文 件服务器块传送的速率为2 0 m b s ，而光学字符读出器的速率为2 4 k b s 。这两种设备 是未来有可能与局域网相连接的典型用户设备。倘若由一个有1 0 0 个节点构成的局域网 与典型用户设备相连接，则可以设想网络业务量交化之大。任何一个设备有可能长时间 不工作，然后要求在一瞬间内提供很高的数据率，最高和最低数据率之间的差别己经在 前面指出了。昼夜之间肯定会出现差别，在不同间隔时间内，如几周、几天、几小时或 几秒钟之内的业务量平均值都会有很大差别。因此定义典型网络业务量的稳态分布是一 个难题。 面对业务量在某一时刻或某一段时间内变化悬殊的事实，要想根据某一特定的业务 量模式来设计网络是困难的【2 7 】。但突发式业务量的模式却颇具代表性，因此网络通常是 根据它的要求而设计的。 ( 3 ) 流量周期性 周期性交化特性反映的是网络流量时间序列随着时间变化而表现出来一种季节性 的变化规律网。这种周期性通常以天、周、月、年为单位。如1 9 9 4 年n a n c y 和g e o r g e 对长达近5 年的n s f n e t 主干网络流量记录文件进行分析，发现流量序列具有以年为 周期的性质，2 0 0 0 年东南大学网络中心在对c e r n e t 华东( 北) 地区网的研究中也发 现了流量序列具有以日为周期的性质。 由于影响网络流量行为长期变化的因素比较多，如果时间周期较长，那么这些周期 性流量特性就可能被淹没在大量流量信息中而不被发现。因此在日和年周期行为之间， 网络流量还可能存在其它的非严格周期行为，这些周期是统计与模糊概念上的周期，不 能像日周期和年周期行为可以直观地从流量时间序列图得出冽。但是流量的变化呈现一 定的周期性现象是客观存在的，因此，我们必须在流量建模和预测的过程中加以考虑， 这样才能全面掌握网络的运行状况。 ( 4 ) 流量中的协议特性 网络流量中协议的组成对局域网的性能影响很大，不同的协议各有优缺点。网络流 量的协议组成一直都是t c p 疋协议，在如今协议越来越多元化的发展趋势下，t c p i p 的协议组成一直都维持稳定。本课题进行的网络流量分析要求熟悉组成网络流量数据包 的t c p i p 协议特性和其具体的高层协议。 1 t c p i p 简介 9 基于流4 1 特性的校园网网络性能分析与研究 传输控制协议互联网协议( t c p p ) 是7 0 年代中期美国国防部以其a r p a n e t 广 域网( 即现在的d a r p a ) 开发的网络体系结构和协议标准【3 0 1 。虽然o s i 是最早提出的理 论上的标准，但是在实际中我们多是采用t c p i p 协议分层标准。t c p i p 通常被认为是 一组不同的协议组合在一起构成的一个四层协议系统。其体系结构如下图所示： 图 2 1t c p i p 体系结构图 f i g2 1s m l c t u r eg r a p ho f t c p i p 下面是对t c p 口各层应用的具体介绍： 1 ) 应用层 应用层是网络应用程序和它们的应用层协议存在的地方。应用层程序设计在现 实生活中应用最广泛，因为它是直接面向用户的。i n t e m e t 应用层包含许多协议， 如h 1 甲协议( w e b 文档的请求和传输) 、f t p 协议( 文件传输协议一控制) ，b o o t p 协议( 自引导协议) ，p o p 3 协议( 邮政办公协议) ，n e t b i o s 协议( 网络基本输入输 出系统) 等。以及一些特定的网络功能，如映射主机名到它们的网络地址的d n s ( 域 名服务器) 也在此层完成。 2 ) 传输层 i n t e m e t 的传输层在应用程序的客户和服务器之间传递应用层消息，在这里定 义了两个点对点的传输协议，t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。 t c p 是一个可靠的面向连接的协议，它允许源于一个机器的字节流被无错误地 传输到i n t e m e t 上的任何其他机器。t c p 也处理流控制，以确保一个快的发送者不 会发送太多的封包而淹没接收者。u d p 是一个不可靠的，无连接的协议，它为应 用层提供了一种非常简单的数据传输服务，它是为那些不需要t c p 的序列号管理 和流控制，而想自己提供这些功能的应用程序设计的f 3 。 3 ) 网络层 1 0 广西大掌硕士掌位论文基亏鼍疲h 孥性的校园网网络性能分析与研究 i n t e m e t 的网络层负责将网络层封包从一个主机移动到其他主机，这里的网络 封包称为数据报。i n t e m e t 的网络层有一个口( h n e m e tp r o t o c 0 1 ) 协议，它定义了数 据报中各域以及终端系统和路由器如何在这些域上进行操作。所有在网络层的 i n t e m e t 组件都必须运行这个协议。网络层也包含一些路由协议，如i c m p ( 网际控 制报文协议) ，i g m p ( h t e m e t 组管理协议) ，它们用来决定数据报所走的路径。 4 ) 链路层 对一个给定的连接来说，链路层协议有a r p ( 地址转换协议) ，r a r p ( 反向 地址转换协议) ，它们完成的是p 地址与物理地址的互转换。链路层协议主要实现 在适配器中，即我们平常所说的n i c ( n 咖。出妣f f a c ec a r d ) ，它有一个主机总线 接口和一个连接接口。网络层把数据报传递到适配器，由适配器将此数据报封装到 链路层的帧中，然后把这个链路帧传输到物理层通信链路。在另一方，接收适配器 接收到整个帧，从中萃取出网络层数据报，将它传给网络层。 。 2 几种高层协议应用介绍 h 1 限( 超文本传输协议) 是由r f c 2 0 6 8 1 6 3 3 定义，用于多媒体系统通信的协议， 它也是用于万维网( w w w ) 通信的主要方法【3 2 】。h 1 限基于客户服务器结构，采用t c p 传输协议。按照r f c 2 0 6 8 ，h t t p 也可以用于用户注册和代理。 f 1 1 p ( 文件传输协议) 允许本地或远程客户和服务器通过t c p 的实时传输来共享文 件和数据。用户通过使用一个内置端口号2 1 ，来连接到f t p 服务器，这个端口专为控 制设计，数据使用另一个端口2 0 。 n e l l 3 i o s ( 网络基本输入输出系统) 提供访问网络设备的应用，它有四种简单类型 的操作：名字服务、会话服务、数据包服务和各种函数。名字服务允许通过网络上的名 字查阅一个应用、浏览资源，兼用t c p 和u d p 进行传输。会话服务用于实时交换两个 n e t b i o s 应用间的数据，采用t c p 传输。数据包服务提供非实时的、非线性的和无连 接的数据传输，采用u d p 传输。各种函数通常用来完成对网络接口的操作控制。 b o o t p ( 自引导协议) 允许客户端设备从服务器获得自己的启动参数。b o o t p 运行 于u d p 传输之上，其连接由端用户进程保证可靠性，使用两个已定义的端口：端口6 7 ( b o o t p 服务器) 和端口6 8 ( b o o t p 客户) 。 2 3 网络流量测量技术 测量方法是最基本和最直接的方法，是通过一定的测量设备或测量程序直接从网络 中测得各项性能参数。这种方法结果准确，可靠性高，但需要专门的测量设备或程序。 2 3 1 网络流量测量方法 i n ：t e m e t 上的流量数据有三种形式：被动数据( 指定链路数据) 、主动数据( 端至端数 基亏嘲l 量特性的校园网网络性能分析与研究 据) 和b g p 路由数据，由此涉及着两种测量方式：被动测量方法和主动测量方法 3 3 】。同 时针对网络流量的特性而言，我们要对反映实际流量行为特征的数据进行采样，采样的 问题主要涉及到观察对象选择的典型性，因为观察对象的选择是否典型和具体的内容有 关。因此，为了提高流量采样的准确率和效率，我们引进了抽样测量法的概念。下面分 别详细介绍这几种测量方式： ( 1 ) 主动测量 主动测量方法是为了监测两指定端点之间的性能而向网络中注入流量的方法阱】。这 种测量技术通常被网络工程师用来诊断网络问题利用p i n g ，t r a c e r o u t e 以及类似 的工具。具体实施方法是选取合适的目的站点，发送i c m p 包或u d p 包，通过目的点 的响应来得到网络的一些信息。比如通过p i n g 可以得到网络的时延、丢包率等信息。 这种方法的优点是灵活、方便，可以借用简单的设备，比如只使用p c 机即可完成 探测工作。缺点是会增加网络的流量。性能监测与分析、网络延迟等一般是采用主动探 测法。 ( 2 ) 被动测量 与主动测量相对应的是被动测量，被动测量方法是从网络中的某一点收集流量信 息，如：从交换机、路由器或通过一个单独的设备被动地监听网络链路上的流量来收集 数据 3 4 1 。被动测量的常用形式是使用类似r m o n 的探测器直接从交换机或路由器上直 接收集流量信息，并对网段上的流量信息做记录和分析。被动测量过程中，测量工具安 装在网络中的某个点上，如使用路由器或交互机收集数据或者一个独立的设备被动地监 测网络链路的流量，然后使用包过滤器捕获通过该点的数据包。因为包过滤器能够捕获 网络流量而不会对网络造成什么影响。 该测量法的优点是可以消除额外的流量负载和h e i s e n b e r g 效应，对网络的行为没有 影响，测量的是网络上的真正流量。缺点是不够灵活，有时还需要在交换机或路由器上 增加额外的软硬件以进行流量的记录。 ( 3 ) 抽样测量 所谓网络流量的抽样测量，就是在网络流量测量的时候，只是选择保存部分报文， 而不是采集流量的所有报文，然后用统计分析的方法对抽样测量的样本进行分析，从而 得出网络的一些性能参数【3 5 1 。抽样测量主要应