（通信与信息系统专业论文）便携式ip网络测量仪的软件设计.pdf

摘要 摘要 随着i p 网络规模和用户数目的不断扩大，业务种类同趋多样化，加之对服务 质量、网络与信息安全的要求越来越高，给其运营、维护和管理提出更高的要求。 同时，掌握i p 网络的运行规律，对网络设备和协议的研究开发具有重要意义，为 此促使了网络测量和业务性能的研究。 本论文来源于国家自然科学基金重点项目：“基于网络探测的i p 网络拓扑 发现和性能分析的研究”，针对i p 网络性能测量的一些关键技术和方法，设计并 实现了端到端便携式i p 网络性能测量仪s m a r t t e s t o r 2 1 0 0 ，该测量仪采用了嵌入式 l i n u x 操作系统和基于a r m 微处理器的硬件平台，实现了对i p 网络性能的测量。 论文重点研究了i p 网络性能测量中数据包的捕获和分析以及网络瓶颈带宽测试 技术。对嵌入式l i n u x 环境的网卡驱动进行了优化，采用了中断结合轮询的方式提 高网卡吞吐率，通过比较常规驱动与本驱动的测试结果，证明该驱动对于不同长 度的分组能提高网卡数据收发效率1 5 至2 5 。最终实际测试结果达到了设计要 求，为我们进一步掌握网络真实的行为特征、网络协议和控制机制等提供了可靠 的理论依据，具有较大参考价值和应用前景。 关键词：网络测量数据包捕获瓶颈带宽测量n a p i a b s t r a c t 3 a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o s i v ed e v e l o p m e n to ft h es c a l e ，t h en u m b e ro fu s e r s ，a n dt h et y p eo f s e r v i c e so fi pn e t w o r k s ，m o r er i g o r o u ss c h e m e st o o p e r a t i o n ，a d m i n i s t r a t i o na n d m a i n t e n a n c ea r er e q u i r e df o rb u i l d i n gn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e 谢也h i 曲q o sa n dp e r f e c t i n f o r m a t i o ns e c u r i t y a n di ti s i m p o r t a n tt om a s t e rt h eb e h a v i o ro fi pn e t w o r kf o r r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kd e v i c ea n dp r o t o c o l s t h u s ，t h er e s e a r c ho n n e t w o r km e a s u r e m e n ta n dt r a f f i cp e r f o r m a n c ei sp a i dm o r ea t t e n t i o n r e s e a r c hi nt h ep a p e ri ss u p p o r t e db yan s f c ( n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ) k e yp r o j e c tn a m e da s “i pn e t w o r kt o p o l o g yd i s c o v e r ya n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s b a s e do nn e t w o r km e a s u r e m e n t s ”，b a s e do nt h ek e yt e c h n i q u e sa n dm e t h o d so fi p n e t w o r km e a s u r e m e n t s ，w ed e s i g na n dr e a l i z et h ee n d t o e n dp o r t a b l ei pn e t w o r k p e r f o r m a n c et a s t e r ：s m a r t t e s t o r 210 0 ，t h i st a s t e ra d o p t se m b e d d e do sl i n u xa n da r m h a r d w a r e p l a t f o r m ，w h i c hs u c c e s s f u l l y r e a l i z e st h ei pn e t w o r kp e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t s 。t h i sp a p e rs t u d i e st h et w ok e yt e c h n i q u e so fi pn e t w o r kp e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t s - - d a t ap a c k e t sc a p t u r ea n da n a l y s i sa sw e l la sb o t t l e n e c kb a n d w i d t h m e a s u m m e n t s ，w h i c ha r er e a l i z e db yp r o g r a m m i n g 。n a p id r i v e rw h i c hu s e dh e r ed o i n c r e a s et h ed a t at r a n s m i tr a t eb yt h er a n g eo f15 t o2 5 d e p e n d so nd i f f e r e n tp a c k e t l e n g t h f i n a l l yw em e e tt h ed e s i g nd e m a n db yp r a c t i c a l l yt e s t i n g ，m o r e o v e r , i th e l p st o m a s t e rt h eb e h a v i o ro fi pn e t w o r ka n ds t u d yt h en e t w o r k sp r o t o c o la n dc o n t r o lt h e o r y , t h i st a s t e rh a sr e f e r e n c ev a l u ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d ： n e t w o r k sm e a s u r e m e n td a t ap a c k e t sc a p t u r e b o t t l e n e c kb a n d w i d t hm e a s u r e m e n tn a p i 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以终，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所徽 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与瓷料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丞盎、强日期_ i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属廷安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：删，惦 气 7 圈期三! 墨坐生 日期上竿芦厶上 第一章绪论 第一章绪论 l 。lt c p i p 网络发展现状 i n t e m e t 是在建立于2 0 世纪6 0 年代末的a r p a n e t ( 美国国防部离级研究计 划局网络) 的基础上发展起来的，在刚歼始的十几年中它主要服务于科研教育部 门。1 9 8 0 年t c p i p 协议正式问世，美国d a r p a ( 国防部高级研究计划局) 为推 广t c p i p ，以极低的价格供各界试用，并资助b b n 公司将其置于当时流行的b s d ( b e r k e l e ys o f t w a r ed i s t r i b u t i o n s ) u n l x 中，加之不同瓣络之闻互联互通的追切 需要，促使t c p i p 的迅速普及( 目前主要采用i p v 4 版本) 。到9 0 年代初期，在 c e r n ( 位于瑞士的欧洲粒子物理实验室) 工作的物理学家t i mb e r n e r s l e e 发明 了w o r l dw i d ew 曲，使用超文本标记语言( h y p e r - t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，h t m l ) ， 使在网页中包括超文本连接成为可能，因而使得普通用户可以通过浏览器自由地 访闯网络上的信息，从而促使了i n t e r a c t 的巨大发展。至l 謦静为止，除了传统的测 览、聊天、网络新闻、电子邮件等业务外，新的业务类型不断涌现，如远程教育、 潮上银行、在线交易、网络广告、露上视频服务、l p 电话、短信服务、网络游戏 等等。i m e m e t 虽然在我国发展较晚，但近年来一直处于高速发展之中。2 0 0 5 年1 月1 9 嗣，中溺互联网络信息中，t 1 , ( c n y i c ) 在北京发布第十五次中国互联网络发 展状况统计报告。报告显示，截至2 0 0 4 年1 2 月底，内地上网用户总数为9 4 0 0 万，比去年同期增长8 0 ，其中使用宽带上网的人数达到4 2 8 0 万；上网计算机达 到4 1 6 0 万台，增长了1 4 。6 ；c n 下注册的域名数、网站数分别达到4 3 万和6 6 。9 万，分别比半年前增长了5 万和4 3 万；网络国际出口带宽总数达到7 4 4 2 9m ，i p v 4 地址总数5 9 9 4 5 7 2 8 个，分别比去年同期增长3 4 8 和4 4 0 , 4 。经过十年快速韵发展， 中国互联网已经形成规模，互联网应用走向多元化。 图1 1c n n i c 历次调查上网用户总数( 万人) 2 便携式i p 网络测餐仪的软伊殴计 表1 1c n n i c 历年中国互联网统计数字 发布时间网民数上网计算枕c n 域名宽带用户拨号用户 2 0 0 5 0 1 1 99 4 0 0h 4 1 6 0 万 4 3 2 0 7 74 2 8 0h 5 2 4 0 兆 2 0 0 4 0 7 2 0 8 7 0 0 。再3 6 3 0 。珏3 8 万31 1 0 万5 l5 5 万 2 0 0 4 。0 重重57 9 5 07 瓦3 0 8 9 。强 3 4 万1 7 4 0 。是4 9 1 6 万 2 0 0 3 。0 7 2l 6 8 0 0 万2 5 7 2 。聂2 5 万9 8 0 万 4 5 0 1 万 2 0 0 3 0 1 1 6 5 9 1 0 万2 0 8 3 万1 7 9 万6 6 0 万4 0 8 0 万 2 0 0 2 0 7 2 24 5 8 0 万1 6 1 3 万1 2 6 万2 0 0 万 2 6 8 2 万 2 0 0 2 o l + 熏s 3 3 7 0 万1 2 5 4 万1 2 7 万未统计2 1 3 3 万 2 0 0 1 0 7 1 72 6 5 0 万1 0 0 2 万 1 2 8 万未统计1 7 9 3 万 2 0 0 1 0 1 1 7 2 2 5 0 。珏8 9 2 万1 2 2 万未统计1 5 4 3 万 2 0 0 0 。0 7 2 7 1 6 9 0 万 6 5 07 是 9 9 。延未统计 l1 7 6 万 2 0 0 0 0 1 1 88 9 0 万3 5 0 万4 8 力i 未统计6 6 6 。h 1 9 9 9 1 2 0 54 0 0h1 4 6 力2 9 。h未统计 2 5 6 。囊 19 9 8 0 6 3 0l1 7 5 万 5 4 2 万9 4 1 5未统计4 6 万 1 9 9 7 10 3 16 3 万2 9 。9 。砖 4 0 6 6 未统计2 5 万 由于用户量的剧增和自身技术的限制，现有的商用因特网无法满足用户更高 的需求，在下一代网络普遍采用i p v 6 协议，克服了i p v 4 地址短缺，服务质量不高， 安全性差，移动性差等问题，实现即插即用。随着移动通信与无线网络技术的发 展，人们向着个人通信的理想迈着颦实的脚步。第三代移动通信已在部分国家开 始运营，后3 代( b e y o n d3g e n e r a t i o n ，b 3 g ) 、第四代移动通信( 4 0 ) 科研工作早 已启动。几乎所有的研究人员都认为4 g 应当是一个全i p 的网络，将会采用i p v 6 ， 能提供端到端的l p 鲎务。 1 2 1 国外研究状况 1 2 国内外的研究状况 典型的代表如美国国家应用网络研究实验室n l a n r ( n a t i o n a ll a b o r a t o r yo f a p p l i e dn e t w o r kr e s e a r c h ) 的测量和运营分斩小组m o a t ( m e a s u r e m e n ta n d o p e r a t i o na n a l y s i st e a m ) 丌发的网络分析基础结构n a i ( n e t w o r ka n a l y s i s 第一章绪论 3 i n f r a s t r u c t u r e ) ，目的是建立一个测量体系结构，通过被动采集分组首部、路往i 和 网络管理数据，并进行主动探测，对获得的原始数据进行分析，并实现可视化。 美国国家科学基金n s f 和d a r p a 资助的国家i n t e m e t 测量基础框架( n i m i ， 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 ) 项冒，其目标是要建立一个全球化的、 分布式的、犬规模的i n t e r n e t 测量结构，已经设计出了轻负载、可升级、可动态配 置、具有安全验证的测量探针( n p d ，n e t w o r kp r o b ed a e m o n ) ，测量各种性能参 数。此外，还有w i s c o n s i n m a d i s o n 大学的p a u lb a r f o r d 提出了g i m i ( g l o b a li n t e m e t m e a s u r e m e n ti n f r a s t r u c t u r e ) ，m a w i ( m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fw i d e a r e a i n t e m e t ，日本) ，p p n c g ( p a r t i c l ep h y s i c sn e t w o r kc o o r d i n a t i n gg r o u p ，欧洲) ， w a n d ( w a i k a t o a p p l i e dn e t w o r kd y n a m i c s ，新西兰) 等都制定相应的性能指标和 测量方法的建议。 1 2 。2 国杰研究状况 清华大学提出了大规模互联两络性能监控模型l i p m ( l a r g es c a l ei n t e m e t p e r f o r m a n c em o n i t o rm o d e l ) ，借鉴了i s o ( t h ei n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 的层次结构思想，将整个模型分为数据采集、数据管理、数据分 析、数据表示四个层次，融会了t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 在对象管理方面的方法，易于实现和维护。西安交通大学提出了互联网应用性能 测量系统n a p m ( n e t w o r ka p p l i c a t i o np e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ) ，提出废用探针和 区域探针的分布式体系结构。 1 2 3 网络测量仪的情况 网络测量仪器目阿主要由国外公司垄断，如安捷伦( a g i l e n t ) 的网络分析仪、 应用分析仪，祸禄克( f l u k e ) 的两络测试仪o n et o u c h ，o p tv i e w ，思博伦( s p i r e n t ) 公司的s m a r t b i t s 2 0 0 0 6 0 0 0 ，n e tt e s t 的i pi n t e re m u l a t o r 等，这些公司占很大 的市场分额。而在国内从事网络测试仪器的研制与生产的企业很少，圜内一些科 研院所对网络性能测试的研究，主要还停留在l p 网络性能测试方法的讨论和研究， 均未形成产品。目前市场上现有的便携式网络测试仪只关心物理层连通和往返性 能测试，而在具体应用层面测试有很大的局限性。 1 。3t c p i p 网络研究的意义 i n t e m e t 曩经渗透到社会生活的各个麓落。随着i n t e m e t 的飞速发展，l p 业务 量的快速增长和新应用的涌现，人们越来越关注网络的性能，因此对其的测量和 4 便携式i p 网络测餐仪的软彳，l ：设计 研究也就成为一项具有重要意义的工作。 从服务质量看，q o s 敏感应用越来越成为i n t e m e t 承载的主要业务。传统的 i n t e m e t 提供尽力而为( b e s te f f o r ts e r v i c e ) 的服务，业务流量被网络尽快处理， 没有时溯延迟阙值保涯机制。随着电子商务、v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 、v o d 等业务 的发展，用户需要网络提供时延、丢包率等q o s 保证，i s p 也需要网络提供q o s 僳证枧制以开展新的增值业务。控制、管理、计费和测量是相互关联的整体，人 们提出了系列的q o s 保证框架。许多q o s 控制机制，如基于测量的连接接纳控 制、q o s 路由、流量工程、拥塞，瓶颈检测等，都需通过测量获取网络性能：q o s 管理需监测网络和用户的服务性能，进行动态资源管理、确认服务等级合约等； q o s 计费需要根据用户实际获得服务质量来收费；不论是在应用层的负载均衡或 传输层的综合服务和区分服务或网络层的流量工程，各种q o s 保证机制的基础是 为对网络运行状态实时检测并将信息进行有效发布。因此网络性能测量是q o s 的 基础和重要环节之一。 从网络性能优化看，在稳定运行阶段，网络可能会由予网络设备故障或业务 流量激增导致性能下降，可以通过网络性能测量来定位故障，确定优化方案，改 进协议和应用的设计和实现。网终性能测量对予许多i n t e m e t 应用和协议，特别是 涉及大量数据传输和具有时延限制媒体流的应用至关重要。内容分发网络中的请 求路盘协议、对等网络、网络缓存的位置选择和维护策略、端系统的组播、内容 服务器中的流调度和接纳控制策略、d n s 和w 曲性能检测等都需要网络测量的 有力支持。 网络性能测量技术还是传统网络管理系统必要有益的补充，基于s n m p 的网 络管理系统可以通过轮询和接收异常t r a p 消息的方法似乎可以得到设备及其各个 端瑟运行的状态，僵对于详细的协议分析、基予应用的流量特征、端到端的性能 检测及其计费策略等都无能为力。这使得系统地研究网络测量这一基础性课题成 为必然丙迫切的需求。 1 4 本文的内容及章节安排 本文来源于国家自然科学基金重点项目：“基于阚络探测的l p 网络拓扑发 现和性能分析的研究”。该项目主要内容为：研究i p 网络探测及性能分析技术， 包括网络性能、拓扑、无线i p 的探测和分析原理及技术、网络性能评价及分析预 测技术，探讨基于网络探测的毅技术和新应用，研究从大规模数据中解析网络和 业务特性、网络和信息安全的理论及方法，架构及探测测量监控为体的综合网 管体系，保证l p 霹络安全有效运行，为发展有盘主知识产权的鼹络探测体系及溺 络新方法奠定基础。我校负责i p 网络探测的体系结构、i p 网络探测的原理和方法、 第一章绪论 5 i p 网络流及安全性分析、i p 网络拓扑发现、无线i p 探测方法和技术的研究五部分。 本论文针对i p 网络性能测量的一些关键技术和方法设计并实现了端到端便携 式i p 网络性能测量仪s m a r t t e s t o r 2 1 0 0 ，该测量仪采用了嵌入式l i n u x 操作系统和 基于a r m 微处理器的硬件平台，实现了对i p 网络性能的测量。论文重点研究了i p 网络性能测量的两项关键技术数据包的捕获和分析和网络瓶颈带宽测试技 术，进行了编程实现，并且通过实际测试达到了设计的要求，从而为进一步掌握 网络真实的行为特征、网络协议和控制机制等提供可靠的理论依据。 创新之处在于：国内在此领域还处于相对不成熟阶段，我们首先提出基于a r m 的微处理器硬件平台和嵌入式l i n u x 操作系统软件平台的总体设计方案，采用功能 模块化，设计并且实现了全面准确测量和分析网络性能的测量仪器。该仪器能够 分析当前i n t e m e t 的基本特性，直接为i p 网络的规划、运营管理、网络安全、设 备的开发和网络的发展提供支持。 本文的内容安排如下： 第一章：介绍i p 网络发展现状以及国内外的研究水平。 第二章：介绍了i p 网络测量的关键技术及实现背景，着重介绍了i p 网络性能 的测量指标及测量方法，并且阐述了便携式i p 网络测试仪表实现的背景知识： l i n u x 编程、m i n i g u i 、套接字等。 第三章：提出了一个基于a r m 微处理器和嵌入式实时操作系统的i p 网络性 能测量仪的总体方案，着重描述了i p 网络性能测量仪的功能、硬件结构总体框图 以及软件总体工作流图。 第四章：介绍了网络性能测量仪基于l i b p c a p 的数据包捕获分析功能模块。 第五章：介绍基于n a p i 技术的网卡驱动原理、实现和测试结果。 第六章：介绍了网络性能测量仪的瓶颈带宽测试功能模块的设计与实现。 最后给出小结，总结全文内容。 第二二章i p 网络测量的关键技术 7 第二章 lp 网络测量的关键技术 2 1i p 网络测量技术及方法 2 1 1i p 网络性能测量技术概述 近年来，随着互联网应用越来越广泛，i p 网络性能测量受到了国际上的普遍 关注。不同的网络使用者如网络管理者、网络研究人员和网络普通用户都需要能 准确、完整、详细地描述互联喇及其应用系统的网络性能。 一、基本概念 网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件包或硬件工具来测试表征网 络性能的指标，获取网络拓扑结构、节点属性、业务量特征等一系列活动的总和。 网络测量可以借鉴物理学中测量物理量的方法。网络测量包含以下三个要素： 测量对象：被测量的节点或链路，测量节点、链路或网络的具体特征，如链 路的时延、吞吐率、丢包率，路擞器的路由效率、时延、丢包率，w e b 服务器的 应答延迟、吞吐率、系统容量、最大稳定链接数等等； 测量环境：包括测量点的选取、测量时闻的确定、测量设备、通信网络类型 等等； 测量方法：针对某一具体的网络行为指标，应选取合适的测量方法，测量方 法至少应满足：首先，稳健性被测网络的动态变化，不会使测量方法失效； 其次，可重复性同样的网络条件，多次测量结果应一致；再次，准确性 测量结果应能反映网络的真实情况，应有一定的可信度。 二、测量指标 参与制订网络测量的组织或机构有：i n t e r n e t 工程任务组( i n t e r a c te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ，i e t f ) 的i p p m ( i pp e r f o r m a n c em e t r i c s ) ，b m w g ( b e n c h m a r k i n g m e t h o d o l o g yw o r k i n gg r o u p ) ，r m o n m i b ( r e m o t em o n i t o r i n gm i b ) ，t 1 a1 3 ， i t u ts g l 2 、s g l 3 等，此外i e t f 的p s a m p ( p a c k e ts a m p l i n g ) 和i p f i x ( i pf l o w i n f o r m a t i o ne x p o r t ) 也定义了有关的度量。i e t fi p p m 制定了l p 性能度量的框架。 i p 网络是由节点、链路，运行于其上的协议以及各种应用组成，这里按照测量对 象可以将测量指标分为以下凡类： 1 节点性能测量指标 网络节点是指网络互连设备，包括各协议层的网络连接设备，例如网络层的 路由器、传输层应用层的主机设备等。节点性能测量指标包括； 8 便携式i p 网络测量仪的软什设计 吞吐量：单位时间内传送通过网络中给定点的数据量。 转发率：单位时间内转发的数据分组帧的数量。 丢弃数：在一段时间内网络传输及处理中丢失或出错的信息分组帧数。 丢弃率：分组帧丢弃数与总分组帧数的比率。 节点处理时延：数据分组帧进入节点到离开节点的时延。 2 链路性能测量指标 网络链路是指连接两个相邻的同层网络节点的物理或逻辑链路。同层网络节 点可以是物理层、数据链路层、网络层或传输层端到端应用层的网络连接设备。 网络链路指标包括： 带宽：单位时间内所能传送的比特数，包括链路的可用带宽和容量。 信道利用率：一段时间内信道处在占用状态的时间与总观察时间的比值。 带宽利用率：实际使用的带宽与链路容量的比率。 链路的帧传输延时：包括在链路上的传播时延和术端节点的排队时延之和。 3 端到端测量指标 端到端路径指标包括一条端到端网络路径上所对应的协议层次上的性能指 标。包括： 瓶颈带宽：端到端路径上的最大带宽( 容量) 。 可用带宽：端到端可用带宽是指一条端到端路径在不降低竞争业务吞吐率的 前提下能给一个新的流提供的最大吞吐率，即最大剩余带宽。 时延：数据分组在网络中传输的延时时间( 包括单向时延和往返时延) 。 时延抖动：连续的数据分组传输延时的变化。 大批量传输容量：网络传输具有拥塞意识的单个连接能传输的最大数据速率。 分组丢弃率：端到端路径上分组丢弃的比率。 4 网络测量指标 网络性能指标包括网络边界上入、出端点对之间的性能指标和网络整体所体 现的性能指标。两个端点之间的性能指标是网络的基本性能指标，通过对这些基 本指标进行综合分析、计算，可得出网络整体的性能指标，例如，网络吞吐量、 网络分组丢弃率、网络互连通性等。 5 网络协议测试 协议测试主要包括： 一致性测试( c o n f o r m a n c et e s t i n g ) ：主要测试协议实现是否严格遵循相应的 协议标准，判断网络产品的协议是否符合协议的国际标准，它是协议测试的最基 本内容。 互操作测试( i n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n g ) ：关注同个协议标准，不同协议实现 之间的互连通问题。 第二章l p 网络溅鼙的芙键技术 9 性能测试( p e r f o r m a n c et e s t i n g ) ：用实验方法观测被测协议实现的各种性能参 数。 稳健性测试( r o b u s t n e s st e s t i n g ) ：检测协议实体或系统在各种恶劣环境下运 行的能力。 6 网络应用测量指标 针对于隧络应用的性畿测试主要针对于特定的应用，如w e b 应用，评价指标 包括： 应答延迟( r e s p o n s ed e l a y ) ：从请求建立网络连接到应答结束拆除连接之间 的时间。在不同的时刻对不同的请求一般不相同。 平均应答延迟( m e a nr e s p o n s ed e l a y ) ：大量请求( 通常指一个测试集中的 所有请求) 的应答延迟的平均值。侧重于评价w e bs e r v e r 的平均性能。 吞吐率( r e s p o n s ep e rs e c o n d ) ：非空闲状态下，系统在单位时问内响应的请 求个数。所谓菲空闲状态，就是指在计算吞吐率时只考虑系统负载不为零的时间 段。 系统容量( s y s t e mc a p a c i t y ) ：非空闲状态下，系统单位时间内能够响应 的最大请求数，即为上述吞吐率的最大值。这是评价w e b 性能的个重要指标。 对一台特定的w e bs e r v e r 系统而言，其系统容量一般是一个固定值，由机器的软、 硬件配置和运转情况所决定。 系统带宽( s y s t e mb a n d w i d t h ) ：系统在单位时间内传输的字节数，通常也 称为吞吐量。它侧重于描述系统中与传输有关的组成部分的性能。 最大稳定连接数( m a x i m u ms t a b l ec o n n e c t i o n s ) ：在性能比较稳定、没有明 显下降的前提下，系统能够支持的最大同时连接数。 三、i p 网络性能测量关键技术 l 、探测分组的选择 对大多数指标测试，可以通过捕获网络上实际运行的业务量数据，进行分析 获得，但有相当一部分指标，需要采取主动探测技术。探测分组序列设计包括： 确定分组类型、分组大小、发送间隔、探测分组数目和楣邻两次探测之阀时间间 隔的大小。针对不同网的常有：单分组、分组对、四分组、分组链等技术，测试 序列中分组大小及分组闻隔的安排要根据实际的网络类型和测试指标确定。通常 带有一定的技巧性。另外探测分组中携带的信息对单向测量也很重要，如加上分 组序列号、时问标记等。 2 、“噪声”分组的过滤 采用主动测量时，难免受到“噪声”分组( c r o s st r a f f i c ) 的影响。所谓“噪声” 分组指夹杂在探测分缀当中，或处予探测分组之前、之后对测量结果造成影响的 1 0 便携式i p 网络测量仪的软件设计 业务分组( 即背景流量) 。例如采用分组对( p a c k e tp a i r ) 或多分组( m u l t i p a c k e t ) 技术 测量链路的瓶颈带宽时，难以保证探测分组在瓶颈链路处彼此相邻排队，可能会 在中问插有其它分组，导致时间扩展( 瓶颈带宽低估) ，或瓶颈链路之后在第一个 分组前插入其他分组，导致时间压缩( 瓶颈带宽高估) 。造成时间压缩和时间扩展 的分组就是测量过程中的“噪声”。消除这些噪声可采用的方法有：( 1 ) 求均值，但 是由于“噪声”的随机性，该方法会造成较大误差：( 2 ) 在带宽估计的分稚值中，选 择密度最大的点。如采用直方图统计技术，但是事先不知道带宽的分布情况，直 方图的条( b i n ) 的宽度不好给；( 3 ) 采用在统计学中使用的非参数估计方法 核密度( k e r n e ld e n s i t y ) 估计算法。 3 、测试点的选择 被动测量通常要访问路由器的数据，如果逐一访问每个路由器，会对网络造 成很大的丌销。实验证明：在局域网的一台c i s c o4 0 0 0 系列路由器上，进行g e tn e x t 查询，在轮询期间使得路由器的吞吐率下降1 5 - 2 0 。 4 、业务模型分析 以前的业务模型一般是基于泊松过程或贝努利过程，难以适应现在的网络业 务情形。研究表明：l a n 、w a n 、v b r 视频、w e b 、公共信道信令( c c s s s 7 ) 等的业务具有自相似性( s e l f - s i m i l a r i t y ) 或长范围相关性( l o n gr a n g ed e p e n d e n c e ) 。 网络业务自相似性通常用h u r s t 参数来描述，估计h u r s t 参数普通的方法( 如w h i t t l e 估值器) 有些问题，因为人们对网络的使用受生活规律的影响具有某种周期性， 而基于小波分析估计h u r s t 参数可以克服周期性趋势的影响，我们对此做了验证， 给原始数据加上周期性的正弦干扰、方波干扰，小波估计法仍能正确的估计出h u r s t 参数。还可通过测量研究业务流( f l o w ) 的特征、网络的存活性( s u r v i v a b i l i t y ) 、 比较w e b 服务器系统的性能等。 5 、时钟的同步 网络测量的精度主要受测量方法或算法的影响，非合作测量还受网管的干预、 网络安全机制、被探测方采取防探测的方法等因素的影响。多点合作同时进行端 到端性能测量时，收发端时钟不同步成为误差来源之一。v e mp a x s o n 利用在一对 节点之间进行正向、反向时延测量来确定收发时钟的误差，包括相对偏移( r e l a t i v e o f f s e t ) 和频差( s k e w ) 。后来又有人采用线性回归算法( 1 i n e a rr e g r e s s i o na l g o r i t h m ) 、 分段最小算法( p i e c e w i s em i n i m u ma l g o r i t h m ) 来消除时钟的不同步的影响，s u eb m o o n 等提出了基于线性优化的算法( 1 i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，测量和仿真表明线性 优化算法与其它算法相比，快速、稳定且易实现。 此外还有其它许多问题，如网络测量和分析中的抽样问题( 建议采用增量随 机抽样，如p o i s s o n 抽样等) 、统计方法的应用等。 第一二章i p 网络测量的关键技术 2 1 2i p 网络性能测量的主要方法 对于网络性能指标的研究，必须采用一定的测量方法和测量系统得到。根据 i p p m 在r f c 2 3 3 0 中所指的，测量方法必须满足结果重现性和连续性。所谓结果 重现性是指在相同的网络环境下( 相同的网络设施和负载) 不同的时刻采用该测 量方法进行测量，具有一致的测量结果。所谓连续性是指当网络环境具有微小的 变动，采用该测量方法得到的测量结果不应该有很大的变化。 根据测量过程中是否向被测系统中发送主动探针( a c t i v ep r o b e ) ，可将网络性 能测量方法分为两种：主动测量和被动测量。主动测量是将探测分组注入网络进 行测量，如通过在一端发送探测分组，而在另一端接收该分组，可以观测探测分 组的行为和到达时间，估计端到端的延时、丢包率等网络性能指标，如i e p m 、n i m i 、 n l a n ra m p 、s u r v e y o r 、s k i t t e r 等网络性能测量项目都采用了主动测量的方法。 被动测量是在网络的某处布置数据采集器，收集流过该处的网络业务流，进行分 析、提取业务特征，获得性能数据，如n l a n rp m a 、c o r a lr e e f 等网络测量项 目。c i s c o 公司的n e tf l o w 就是这样的一个被动测试工具，它能让路由器获得大量 的流量统计，包括一个包的源和目的i p 地址及端口号、协议类型等。主动测量的 优点是能够根据不同的应用场景控制探测包，如流量特征、采样频率、调度方法、 包大小和包类型( 以模仿各种应用) 、被监视的路径和函数等。主动测量可以让测 量者按照自己的意图进行，因此容易用于进行场景的模仿，检验网络是否满足 q o s s l a ( 服务质量朋艮务等级协议) 等。主动测量比被动测量能够更有效的测试 网络性能，所以主动测量是处于网络边缘的端用户了解网络状态常用的测量方法， 目前端到端的测量技术都属于主动测量方法。被动测量法可能需要查看网络上的 所有数据包，因此存在如何访问和保护所采集到的数据的保密性和安全的问题， 所以主动网络测量技术被广泛采用和研究。 从测量点的分布，测量方法可分为单点测量和多点测量两种。大部分的网络 测量项目都采用分布式多点测量，如：n i m i 、r i p e 、n l a n r a m p 、p m a 、s k i t t e r 、 i e p m 等都是分布式多点测量项目。一些测量依赖于在网络的多个点上进行监测， 如要测量一个数据包从主机a 到主机b 所需的时间，则需要使用准确同步的时钟 记录数据包离开主机a 和到达主机b 的时间。对于大型网络上通信流量的测量， 可以考虑在多点监测流量，以收集到数据包通过该网络的详细信息。单点测量在 非合作的情形下能发挥巨大的作用，如美国朗讯科技公司b e l l 实验室的单点测量 项目i n t e m e tm a p p i n g 。 网络测量还可以分为单程测试和环回测试两种。单程测试是指探测分组在网 络的源端进入网络，在目的端输出，根据输出参数来评价网络性能。环回测试是 指探测分组在网络一端进入网络，到达目的端后转发回源端输出，根据输出参数 1 2 便携式i p 网络测量仪的软什设计 来评估网络性能。环回测试的主要优势是测试配置简单，成本低，但在某些情况 下，进行单程测试更有意义。 在i p 网络里，从源端到目的端的路径可能和目的端回到源端的路径不一样( 不 对称路径) ，有前向和反向的区别：路径所经过的路由也不一样，因此，环回测试 其实是将两个不同路径一起测试。每个路径单独测试突出了两个路径的不同性能， 而这两个路径可能是属于不同的网络运营商，或者根本是不同类型的网络。即使 两个路径对称，由于不对称队列，它们也可能有根本不同的性能特征。一个应用 性能可能主要取决于一个方向的性能。例如，使用t c p 的文件传输可能更取决于 数据流动方向的性能，而跟应答传播方向性能无多大关系。 按与被测网络的关系网络性能测量可分为：合作测量、非合作测量。合作测 量指需要对方主动配合的测量。对网络运营者来说，合作测量能够掌握网络的运 行状况、找出瓶颈、业务分布情况等，以便有效的管理网络、充分利用网络资源。 非合作测量是指无需对方主动配合的测量，测量目的往往是窥探对方网络的情况， 这在军事上有非常重要的意义。 2 2 - p 网络测量仪的软件结构 便携式网络测量仪s m a r t t e s t o r 2 1 0 0 使用嵌入式l i n u x 操作系统，采用套接字 在l i n u x 操作系统下进行网络编程，采用c 语言进行编写，使用a u t o c o n f ，a u t o m a k e 工具来管理项目，使用g c c 3 3 进行编译。系统内核是2 6 8 ，采用m i n i g u i 完成界 面工作。 2 2 1l i n u x 操作系统下的网络编程 l i n u x 操作系统可以说是unix 操作系统的一个克隆体，它最初是在1 9 9 1 年10 月5 日由它的作者l i n u st o r v a l d s 于赫尔辛基大学发布的。l i n u x 操作系统继承了 u n i x 操作系统的超过二十五年的经验、源代码以及技术支持，这使得l i n u x 操作系 统虽然是最新操作系统中的一员，却远比当今流行的商业化的操作系统成熟。l i n u x 系统的一个主要特点是它的网络功能非常强大，所以选择此系统作为i p 网络测量 仪的软件实现平台，随着网络的日益普及，基于网络的应用也越来越多。 一、客户机服务器通信模型 网络应用的标准模型是客户机服务器模型，这是一个不对称的编程模型，通 信的双方扮演不同的角色：客户机和服务器。一般发起通信请求的应用程序被称 为客户机( c l i e n t ) 。用户一般是通过客户机软件来访问某种服务。客户机应用程 序通过与服务器( s e r v e r ) 建立联系，发送请求，然后等待服务器返回所请求的内 第一二章i p 网络测量的关键技术 容。服务器一般是等待接收并处理客户机请求的应用程序。服务器通常由系统执 行，在系统生存期间一直存在，等待客户机请求，并且在接收到客户机的请求之 后，根据请求的内容，向客户机返回合适的内容。它们之间的通信过程如图： f - _ ； 客户机 卜 请求 l 一一1 l 一一一l 厂一 客户机 卜 l 一一| f 一一j 、 响应 ， 请求 响戍 叫 服务器i ，1 图2 1 客户机一服务器通信模型 网络程序的主要执行过程如下： 1 系统启动服务器执行。服务器完成一些初始化操作，然后进入睡眠状态，等待 客户机请求。 2 在网络的某台机器上，用户执行客户机程序。 3 客户机进程与服务器进程建立一条连接。 4 连接建立之后，客户机通过网络向服务器发出请求，请求某种服务。 5 服务器接收到客户机请求后，根据客户机请求的内容进行相应的处理，然后将 处理结果返回。 6