（通信与信息系统专业论文）ip网络测量仪以太网线缆测试方法研究与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，互联网的应用日益普及，人们对网络性能的要求也越来越高，因而 对网络性能测量的研究变得越来越重要。网络运营商和使用者都迫切需要一款仪 表来监视网络状况、定位网络故障。 论文首先详细叙述了基于分布式网络测量架构的嵌入式网络性能测量探针的 硬件平台的设计。其次，详细论述了搭建探针底层软件平台的方法，开发了探针 专用的引导程序、嵌入式l 证u 】【操作系统及其相关的文件系统。第三，对探针的线 缆测试模块进行了设计，重点研究了基于时域反射法测量线缆故障点的技术。第 四，在分析电磁波在传输线中的传播的基础上，提出了发送宽脉冲以提高发送能 量的方法，实现了线缆故障测量功能模块，测量结果验证方法可行。最后，总结 全文并提出值得进一步研究的问题。 关键词：网络性能探针线缆故障测试嵌入式l i n u x a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，埘mt h ep o p u l a r i t yo fi n t e r n e tg r o w i n gq u i c 呶t h er e q u i r e m e n to n t h eq u a l i t yo fn e t w o r kh a sb e e nb e c o m i n gm o r ea n dm o r er i g o r o u s s o ，i ti sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tt or e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c em e a s u r e m e n to fi n t e r n e t i n t e r n e t s e r v i c e sp r o v i d e ra n dt h eu s e r su r g e n t l yn e e dam e a s u r e m e n td e v i c et om o n i t o rt h e n e t w o r ks t a t u sa n dl o c a t et h ep o s i t i o no fn e t w o r kf a u l t f i r s t l y , t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ee m b e d d e dp r o b eb a s e d0 1 1t h e d n m a ii sd e s c r i b e di nd e t a i l s e c o n d l y , t h em e t h o dt ob u i l db a s i cp r o b es o t h v a r e p l a t f o r mi s 西v e 玛、析mw h i c has p e c i a lb o o t l o a d e r , t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e ma n dc r a m f sf i l es y s t e ma r ed e v e l o p e d t h i r d l y , t h ec a b l et e s tm o d u l eo ft h ep r o b e i sd e s i g n e d ，、j l ，i t l lt h ee m p h a s i so nt h et e c h n o l o g yo fd e t e c t i n gt h el o c a t i o no ft h ef a u l t p o i mi nt h en e t w o r kc a b l eb a s e d o nt d r ( t i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r y ) f o u r t h l y , b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft r a n s m i s s i o nl i n et h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o m a g n e t i c w a v ei nt h et w i s t e dl i n e ，am e t h o di sp r o p o s e d 埘mw h i c haw i d e rp u l s ew i t hm o r e e n e r g yi ss e n tt ot h ee n d ，a n dt h ec a b l ef a u l tl o c a t i o nm o d u l ei si m p l e m e n t e d t h et e s t r e s u l t ss h o wt h em e t h o di sa v a i l a b l e f i n a l l y , t h ew h o l ep a p e ri ss u m m a r i z e da n ds o m e p r o b l e m st h a tw o r t hc o n s i d e r i n ga r ep o i n t e do u t k e y w o r d ：n e t w o r kp e r f o r m a n c e p r o b e c a b l ef a u l tt e s te m b e d d e dl i n u x 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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外，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做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：必日期乏里! 里：! ：! 兰 西安电子科技大学 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。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：燮 导师签名： 日期一乏型里! 一? ：三至 日期7 o 0 壁 第一章绪论 第一章绪论 随着技术的日新月异，有线电话网络，有线电视网络及无线电话网络等传统 网络逐渐与计算机网络融合。网络结构日益复杂，i n t e m e t 的重要性日益提高，越 来越有必要对网络的整体拓扑结构和网络性能进行精确的测量和估计。m 技术将 得到更为普遍的应用，i n t e m e t 的飞速发展也迫切需要其性能上的提高。人们在需 要良好的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 、充分的安全保证的同时，i s p ( i n t e m e t s e r v i c e sp r o v i d e r ) 也需要加强对网络运行状况的维护和管理。同时i p 网络技术的 研究与发展需要了解网络的运行规律以及验证协议、算法、策略机制的性能，这 就使得系统研究p 网络测量这一基础课题成为必然而迫切的需求。本文在前人基 础上研究了嵌入式网络性能测量仪的关键技术及探测以太网线缆故障的方法。 1 1 课题的研究背景 近年来，i n t e m e t 在我国一直处于高速发展之中。中国互联网络信息中心 ( c n n i c ) 报告显示，截至2 0 0 9 年6 月底，我国网民数量达到了3 3 8 亿【1 】，图1 1 为近年来c n n i c 历次调查的上网用户数。中国网民中接入宽带比例为9 4 3 ，宽 带上网人数达到了3 2 亿人。同时，c n n i c 宣布截至2 0 0 9 年6 月，中国的域名总 数为16 2 6 万个。中国的互联网发展处于世界前列。 3 3 8 0 0 7 2 9 8 0 0 ? 2 l o o o 厂 1 3 7 0 0 79400孟950- e l ll 1 0 0 5 9 1 0 3 3 7 0 2 2 誓 - li-l-il 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 数据来源：中国互联网络信息中心( c l 、眦i c ) 图1 1c n n i c 历次调查上网用户总数 2 i p 网络测试仪以太网线缆测试方法研究与实现 随着互联网规模的逐渐扩大、语音和视频等实时业务和多媒体应用的普及， 互联网性能的可知性、控制机制和行为特征越来越复杂。因此，为了更深入地认 识、了解互联网，提高网络服务质量，对网络结构进行更好的规划，对网络运行 状况、性能的测量和分析显得尤为重要。 同时，随着i n t e m e t 呈爆炸性地增长，无论是互联网服务提供商，还是网络用 户，都会经常遇到网络拥塞和服务质量低等一系列问题，加强网络管理和改善网 络的运行情况已成为当务之急。因此，网络测量与分析一直为人们所关注。为解 决这一问题，人们需要建立一个稳健的网络测量体系。网络测量仪器研究和网络 测量算法研究是建立该测量体系的基础。 1 2 国内外网络测量的研究状况 网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件或硬件工具来测试或验证表 征网络性能指标的一系列活动的总和。网络测量近年来获得了广泛的关注，在测 量方法和测量体系结构方面上取得了一定的成果，具有特定功能的测量工具2 1 也应 运而生。 1 2 1 国外研究状况 上世纪9 0 年代初期就有人开始对因特网的测量进行研究。在国外，互联网性 能监测已经非常发达。1 9 9 5 年美国科学基金会( n s f ) 系统地进行了对因特网通 信量的较大规模测量。1 9 9 6 年初，美国应用网络研究国家实验室( n l a n r ) 在 n s f 支持下召开了有关因特网统计与分析的研讨会i s m a t 3 】后，依托于美国加州大 学圣地亚哥分校超级计算中心的因特网数据分析合作组织( c a i d a ) | 4 1 ，对网络 测量的相关理论和方法展开了系统性研究。i e t f 也成立了专门的工作组i p p m ( i p p e r f o r m a n c em e t r i c s ) 来制定网络的运行参数1 5 1 。从此之后开始有许多网络服务提 供商和大学里的网络研究机构相继成立了一些网络性能测试工程，并形成了自己 的测量平台。 关于网络测量，国外已经进行了大量的研究，并提出了很多测量体系结构【睨1 1 。 其中典型的体系结构或项目有：美国国家应用网络研究实验室( n l a n p , n a t i o n a l l a b o r a t o r yo fa p p l i e dn e t w o r kr e s e a r c h ) 的测量和运营分析小组( m o a t , m e a s u r e m e n ta n do p e r a t i o na n a l y s i st e a m ) 开发的网络分析基础结构( n a i ，n e t w o r k a n a l y s i si n f r a s t r u c t u r e ) 巾7 】，目的是建立一个测量体系机构，通过收集，分析测量结 果，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 ) 项目【引，其目标是建立一个 全球化的、分布式的、大规模的i n t e r a c t 测量结构，已经设计出了轻负载、可升级、 第一章绪论 3 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。i n t e m e t 数据分析合作组织( c a i d a ，c o o p e r a t i v ea s s o c i a t i o nf o ri n t e m e t d a t aa n a l y s i s ) i 提出并实现的s k i t t e r 和c o r a l r e d 9 】；i n t e m e t2 的s u r v e y o r l l o q 2 ；由 斯坦福线性加速器中心( s l a c ，s t a n f o r dl i n e a ra c c e l e r a t o rc e n t e r ) 发起的端到端性 能监控项e ( p i n g e r , p i n ge n d 一t o e n dr e p o r t i n g ) 1 3 】；由美国伯克利大学和i b m 开发 的s p a n d ( s h a r e dp a s s i v en e t w o r kd i s c o v e r y ) 项目b 4 1 ；由w i s c o n s i n - m a d i i s o n 大学的 p a u lb a f f o r d 提出的g i m i ( g l o b 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 ) t 1 5 ；此外还有 日本的m a w i ( m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s o fw i d e a r e a i n t e r a c t ) u 6 j 、欧洲 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 ) 的测量项目i l7 。、加拿大 t r i u m p 实验室【1 8 】和新西兰的w a n d ( w a i k a t oa p p l i e dn e t w o r kd y n a m i c s ) ：项目1 1 9 所采用的测量监控方案，i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 的i p p m ( i n t e m e t p e r f o r m a n c em e t r i c s ) 工作组也制定了相应的性能指标和测量方法的建议1 2 0 捌j 。 1 2 2 国内研究状况 在国内对网络测量也进行了深入研究，如清华大学的大规模互联网络性能监 控模型( l i p m ，l a r g es c a l ei n t e r n e tp e r f o r m a n c em o n i t o rm o d e l ) t ：引，借鉴了i s o ( t h e i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs 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，融汇了t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o n m 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 e m e a s u r e m e n t ) 1 2 4 t ，提出应用探针和区域探针的分布式体系结构。北京航空航天大学 提出了可定制的网络测量基础架构( c n m i ，c u s t o m i z a b l en e t w o r km e a s u r e m e n t i n f r a s t r u c t u r e ) 1 2 5 j ，利用j a v a 平台实现系统的可移植性和可扩展性。目前这些测量 框架有以下不足之处：不够灵活，缺乏面向应用需求的测量与分析方案定制机制； 其分析方法比较零散，没有加入到体系结构中；测量的项目限于时延、丢弃率、 吞吐率等性能指标，没有考虑各种应用需求，如入侵检测、脆弱性分析等。 1 2 3 网络测量仪发展现状 目前，网络测量仪器几乎由国外公司垄断。如安捷伦( a g i l e n t ) 的网络分析仪、 应用分析仪，福禄克( f l u k e ) 的网络测试仪o n e t o u c h ，o p t i v 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 t t e s t 的i pi n t e re m u l a t o r 等，这些网络测量仪在 功能上具有一定的优势2 6 1 。国内从事网络测量仪器的研制与生产的企业很少。国 内一些科研院所对网络性能测试的研究，主要还停留在m 网络性能测试方法的讨 4 p 网络测试仪以太网线缆测试方法研究与实现 论和研究，均未形成产品。 西安电子科技大学网络测量实验室提出一种分布式网络测量与分析基础架构 ( d i s t r i b u t e dn e t w o r km e a s u r e m e n ta n da n a l y s i si n f r a s t r u c t u r e ，d n m a i ) 2 7 1 ，模型采 用层次化模型，强调了根据用户需求定制测量与分析方案的能力，注重模块化、 可扩展性设计，并完善了分析方法和应用场景，可灵活组织单点或分布式测量。 同时对以太网物理层线缆测试进行了新的探索，增加了测量仪的功能，扩大了探 针对网络的测量范围。本论文的网络测量探针是基于d n m a i 架构，而且既能够作 为分布式网络测量探针使用，也能单独完成一定的网络测量任务。 1 3 研究的主要意义 i n t e m e t 已经渗透到社会生活的各个角落。随着i n t e m e t 的飞速发展，口业务 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，因此对网络的测量 和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， 没有时间延迟阈值保证机制。随着电子商务、v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 、v o d ( v i d e oo n d e m a n 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 保证机制以开展新的增值业务。各种q o s 保证机制的基础是对网络 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，网络可能会由于网络设备故障或业务 流量激增导致性能下降甚至瘫痪，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。网络性能测量对于许多i n t e m e t 应用和协议， 特别是对涉及大量数据传输和具有时延限制的媒体流的应用至关重要。内容分发 网络中的请求路由协议、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 ( d o m a i nn a m es y s t e m ) 和 w e b 性能检测等都需要网络测试的有力支持。 网络性能测量技术还是传统网络管理系统必要而且有益的补充。基于s n m p ( s i m p l e n e t w o r k m a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) 的网络管理系统可以通过轮询和接收异常 t r a p 消息的方法得到设备及其各个端口的运行状态，但对于详细的协议分析、基于 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而迫切的需求。 本研究的目的就是为测量一个网络的性能提供一个便携的网络性能测试工 具。m 网络测试仪可以应用于以下几个方面： 第一章绪论 l 、m 网络性能监控和网络优化。在网络开通后，它可以解决网络实际运营过 程中存在的问题，快速排除故障；可以监控性能、考核指标，为网络工程提供验 收依据。利用它还可进行网络诊断，发现网络瓶颈节点或瓶颈链路，有效配置资 源，为网络规划、改造、及时解决性能问题提供参考和依据； 2 、m 网络安全评估、入侵检测与防护。借助于端口扫描等手段对i p 网络进 行脆弱性分析，使网管人员能及时查漏补缺，合理配置防火墙及网络参数，制定 相应的安全策略，在入侵还没有发生前尽量杜绝。对网络入侵的检测与防范，可 利用网络分析仪进行：分析用户、操作系统、路由器、数据库，判断有无入侵活 动( 基于主机) ；对分组实时监控，进行分组分析，捕获分组首部或内容，进行分 析判断是否受到攻击( 基于网络) ； 3 、研究网络新技术。网络测量仪提供的测量功能为q o s 控制技术如资源预约 协议( r s v p ，r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 的接入控制、拥塞控制技术提供了定 量选择参数的依据。测量得到的行为规律分析也可以对协议的设计提供参考； 4 、辅助网络管理。传统网络管理一般需要被管设备支持简单网络管理协议 ( s n m p ) ，限制了网管的广度和深度，而实际运营的网络往往需要进行协议分析、 流量分析、端到端性能分析、预测和快速定位故障，对协议和应用的设计、实现 和改进提供指导，对这些问题传统网络管理功能严重不足，而网络测量与分析和 s n m p 网络管理的结合恰好弥补了这一缺陷。 1 4 论文的组织结构 论文完成的内容以及为项目所作贡献主要有： 详细分析了分布式网络测量系统中测量探针的功能要求；完成了硬件平台的 调试工作：完成了基于x s c a l ep x a 2 5 5 处理器的b o o tl o a d e r 和嵌入式l i n u x 操作 系统的移植；根文件系统的构建，以及对开机配置脚本文件进行了修改，克服了 前期的软件及库文件、资源文件升级的问题；主要设备驱动的开发；论文重点研 究了i p 网络性能测量仪的关键技术以太网网络线缆测试，对线缆测试的各个 功能子模块做了设计。用发射宽脉冲的时域反射方法实现了对线缆故障点定位的 功能，通过实际测试，线缆故障定位达到了设计的要求，从而为进一步掌握被测 网络的真实状况提供可靠的理论依据。 第一章分析课题的研究背景、国内外研究现状、研究的意义，以及本课题的 研究内容和主要工作。 第二章概述了网络测量的各项指标，论述了分布式网络测量基础架构 d n m a i ( d i s l r i b u t e dn e t w o r km e a s u r e m e n ta n da n a l y s i si n f r a s t r u c t u r e ) ，针对该测量 体系对网络性能测量探针的功能要求，提出基本设计方案。 6 i p 网络测试仪以太网线缆测试方法研究与实现 第三章讨论了设计嵌入式网络测量探针硬件平台中的关键技术，详细给出了 基于x s c a l e 处理器的各个功能模块的设计及其实现方法。 第四章详细论述了基于a r m 微处理器的嵌入式p 网络测量仪的软件平台设 计方案。描述了嵌入式网络测量软件平台的构成，给出了启动引导程序设计、嵌 入式l i n u x 操作系统移植、主要设备驱动程序开发、制作文件系统的过程。并对网 络测量探针的各个测量功能进行了模块化细分。 第五章论述了线缆测试功能的各个模块的功能原理设计，重点阐述了时域反 射法测量线缆故障的原理，并提出了一种用发射宽脉冲以提高发送信号能量来获 取携带有线缆故障位置信息的信号的方法。 第六章论述了对线缆测试模块的设计。阐述了时域反射法测量线缆故障的实 现，使仪表能够方便获取线缆的故障点位置信息，并详细说明了用发送宽脉冲的 方法测试线缆故障的实现方法。 第七章总结全文，提出值得进一步研究的问题。 第二章分布式网络测量概述 第二章分布式网络测量概述 建立和维护高效、稳定、安全以及可控的网络，满足人们对网络服务质量日 益提高的要求，是对网络性能指标进行测量的目的。西安电子科技大学网络测量 实验室提出了一种采用层次化模型和模块化设计的分布式网络测量与分析基础架 构d n m a i t 2 7 ，2 引。d n m a i 强调根据用户需求定制测量与分析方案的能力，采用模 块化、可扩展设计，系统化了分析方法和应用场景，可灵活组织单点或分布式多 点测量。文献 2 7 ，2 8 详细阐述了d n m a i 的框架模型，功能部件，关键技术和解 决方案。在分布式网络测量体系中，网络探针是网络数据采集、存储、测量网络 性能指标的关键部件。本论文所设计的分布式网络测试仪正是作为分布式网络测 量探针来使用，完成网络测量任务。 本章给出了网络测量主要性能指标，分析了分布式网络测量架构的体系结构 与测量结构，对基于d n m a i 架构的探针提出了满足其性能的要求，进而给出了对 探针设计的要求。 2 1 网络测量主要性能指标 2 1 1 网络测量的基本概念 网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件或硬件工具对一个存在的网 络或者网络设备进行性能测试，以发现问题、考核指标、评估性能，如验证网络 配置、拓扑结构是否合理，系统是否存在瓶颈，系统运行是否稳定等。 网络测量包含以下三个要素【2 9 j ： 测量对象：被测量的节点、链路或应用等；测量节点、链路或者网络的具体 特征，如链路的时延、吞吐率、丢包率，路由器的路由效率、时延、丢包率，w e b 服务器的应答延迟、吞吐率、系统容量和最大稳定链接数等。 测量环境：包括测量点的选取、测量时间的确定、测量设备以及通信链路的 类型等； 测量方法：针对某一具体的网络行为指标，首先，应选取合适的测量方法， 测量方法至少应满足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。 8 i p 网络测试仪以太网线缆测试方法研究与实现 2 1 2 网络测量的主要性能指标 在口网络性能测量技术中，i e t f 的i p p m 工作组制定了相应的性能指标和测 量方法建议1 3 0 ，为获得网络性能数据、掌握网络真实的行为特征、改进网络协议 和控制机制提供可靠的理论依据。口网络是由节点、链路、运行于其上的协议以 及各种应用组成，按照测量对象可以将测量指标分为以下几类： 分布式网络测量的指标包括： 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，指标包括吞吐量、转发率、丢弃数、丢弃 率、节点处理时延。 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链路或逻辑链路。同层网 络节点可以是物理层、网络层、传输层或端到端应用层的网络互连设备。包括对 物理电缆线路的检测，探测其线缆长度或故障点位置、接线图测试、链路脉冲电 平检测，以及带宽、信道利用率、带宽利用率、链路的帧传输时延等。 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、可用带宽、时延、时延抖动、大批量传输容量、分组丢弃率 等。 4 、网络性能指标 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，包括网络吞吐量、网络分组丢弃率、网络互连通性等。 5 、网络协议测试 网络协议测试包括一致性测试、互操作测试、性能测试、稳健性测试。 6 、网络应用测量指标 针对于网络应用的性能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、平均应答延迟、吞吐率、系统容量、系统带宽、最大稳定连接数 等。 2 1 3 网络测量的主要方法 根据i p p m 在r f c 2 3 3 0 中所指的，p 网络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 第二章分布式网络测量概述 9 络环境有微小的变动时，采用该测量方法得到的测量结果不应该有很大的变化。 1 、主动测量和被动测量 按照是否给网络注入测量分组可分为主动测量和被动测量【2 9 】。主动测量是将 探测分组注入网络来测量，如通过在一端发送u d p 分组，而在另一端接收该分组， 该方法可以测量端到端的时延、丢包率等网络性能指标，如i e p m 、n i m i 、n l a n r a m p 、s u r v e y o r 及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 量是在网络的测量点处布置数据采集器，收集流经该点的网络业务流，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。 被动测量的优点是对系统性能影响小，缺点是难于分离出网段、不易控制。 2 、单点测量和多点测量 按照测量点的分布可分为单点测量和多点测量。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，来收集数据包通过该网络的详细信 息。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。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。 3 、单向测试和环回测试 按照测量方向可分为单向测试和环回测试。单向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。 4 、合作测量和非合作测量 按与被测网络的关系网络性能测量可分为合作测量与非合作测量。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，测量的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 2d n m a i 的测量方案 对网络进行准确，高效，方便的测量是网络测量的目的所在。在取得准确可 靠数据的基础上，还须保证对被测网络尽可能低的影响，以及数据管理和分析的 高效性和测量系统的易用性。d n m a i 项目具有完善的数据采集，管理和分析机制。 1 0 网络测试仪以太网线缆测试方法研究与实现 2 2 1d n m a i 的体系结构 d n m a i 的功能层次图如图2 1 所示，从低层到高层依次为：数据采集、数据 管理、数据分析、数据表示4 个部分 2 7 1 ： l 、数据采集：包括主动探测、被动监控和设备网管数据的采集。性能指标( 如 时延、带宽和丢包率等) 主要采用主动测量，根据测试要求定制探测分组序列。 业务量测量主要靠被动监控，通过关键设备的配置( 如c i s c o 路由器的n e t f l o w 功 能) 或分组捕获软件( 如t c p d u m p ) 捕获数据包，可根据测试需求定制采集粒度 和监控信息。有的测量( 如拓扑发现) 需要主动探测和网管数据相结合。 2 、数据管理：主动探测得到的原始数据在返回性能分析服务器之前需进行压 缩以减轻网络负荷，为了防止数据伪造除进行认证外还需加密。主控站的数据库 服务器根据数据类型采取相应存贮、维护和检索策略。为便于分析，需将数据格 式化；考虑到数据共享，采用数据库技术；考虑到灵活性，采用文件存储方式。 在数据存储前，一般要做必要的预处理，以压缩存储量。 3 、数据分析：从三个角度进行分析网络的整体行为：网络在节点及链路 处设置探针或从被管理节点的网管代理收集业务量数据和网管信息，同时发送探 测分组进行端到端测试，对网络内部特征进行推算等方法捕获网络的总体和局部 行为；用户采集用户数据，分析用户行为特征；服务将服务器和通信网 络看作一个整体，考查w e b 或e m a i l 服务系统的性能，分析模型参数的影响，注 重考查应用级行为( a p p l i c a t i o n 1 e v e lb e h a v i o r ) 。 数据采集( 主动、被动、合作、非合作测量) 数据管理( 存储、维护、检索、压缩等) 数据分析( 数据挖掘，统计分析，时间序列分析等技术) 数据表示( 报表、曲线、可视化图形等) 测量方案 数据管理方案 分析方案 订制方案 用户应用( 辅助网络管理，资源配置，网络优化) 图2 1d n m a i 功能层次结构 第二章分布式网络测量概述 4 、数据表示：采用直观形象的图形用户界面将测量与分析结果，以直方图， 二维、三维曲线，饼图，报表，矢量图，实物连接图等形式来表示。让用户能够 以方便的形式查询、获取需要的测量结果信息。 2 2 2d n m a i 的测量结构 分布式网络性能测量的目标是能够在i n t e m e t 的任一位置探测位于i n t e r n e t 任 一其他位置上的目标主机，进而得到这一链路的相关网络性能参数。为了能够达 到这一目标，d n m a i 采用层次式的管理结构，整个系统由主控站、监控站和探针 三级结构组成1 2 。如图2 2 所示。 主控站负责接收测量与分析请求，并发出测量与分析指令。实现测量与分析 任务的调度以及结果的输出，并负责整个系统的管理，给用户提供可定制界面。 根据用户需求制订测量方案同时将测量任务分发到各监控站。 图2 2d n m a i 站点分布与模块图 监控站负责接收主控站的管理和配置信息，探针的升级、启动、参数的传入， 以及传递测量数据。根据主控站的指令给待测主机( 用户) 或监控点发放测量探 针软件，以及进行探针软件的配置、升级，并管理探针和主控站之间的通信，在 数据存贮以前，对数据作必要的预处理( 包括压缩数据和加密) 等。 探针则专注于所配置参数下领域的测量，包括接收测量命令、相关数据的采 集、对采集数据处理、发送测量数据，必要时向监控站查询其他站点探针的位置 并请求协调测量。测量探针包含两个网络模块，一个负责和监控站通信，包括探 针的调用、配置、状态监控、升级等；另一个执行探测任务。硬件探针为专门设 计的测量仪器。只要通信接口符合d n m a i 规定，可根据需要增加探针。 1 2 口网络测试仪以太网线缆测试方法研究与实现 2 3 分布式网络性能测量探针的设计要求 按照2 2 节对d n m a l 分布式测量方案的说明，测量探针是用来根据测量指令， 完成对网络性能参数的测量任务，然后将测量结果上传给主控站的仪器。本文设 计的嵌入式网络性能测量仪兼具探针和监控站的功能，因此在性能参数测量过程 中，不仅仅需要探针具有高速率的发送分组和捕获分组的能力，还需要对数据进 行统计分析处理以及拥有大容量存储的能力，以及对物理层线缆测试的能力。因 为探针是便携式设备，在对体积要求小巧灵便的同时对功耗也提出了更高的要求。 1 、功耗上的要求 降低功耗可以从软硬件两方面入手：在硬件的选择上本着“够用就好 的原 则，尽量选择带有低功耗模式的产品，在能够接受的电源波动前提下尽量使用效 率更高的开关电源；在软件上突出电源管理的策略，不用的模块及时关掉，如液 晶背光定时关闭，在线缆测试模块得到测量任务的时候再给此模块上电等。 2 、系统处理能力上的要求 在d n m a i 架构中，探针和监控站承担的任务都很重，探针要有高速发送、捕 获分组的能力；监控站要有很好的统计分析处理数据的能力。c p u 的处理速度应 该能很好的满足1 0 1 0 0 m 网络处理速度的要求。 3 、网络端口上的要求 在某些性能测量中，如在模拟背景流量、或者是捕获分组的时候，需要探针 具有高速发送分组的能力，所以对网络端口在捕获或产生高速分组上有很高的要 求。对于探针来说，为在对网络测量的时候不影响待测网络，使测量得到的数据 真实可靠，要求每个探针具有两个网络端口。一个网络端口通过线缆与本地网络 连接；另一个端口与监控站相连，可以把探针测量得到的数据及时地传给监控站， 而不对待测网络造成影响。另外对分组的发送和捕获应该尽量减少对c p u 的依赖。 4 、对大容量存储上的要求 由于捕获端口可能在短时间内有大量的数据需要存储到存储设备上，这就对 存储的速度、容量的大小及存储器的体积提出了很高的要求。 5 、对软件平台的要求 基于强大的硬件支持，探针要有一个运行稳定的软件平台来支撑上层的应用 程序。首先要有合适的系统引导程序来初始化硬件平台，从主机向目标板烧写内 核、根文件系统的工具；要有运行稳定，便于开发、移植的操作系统；要有可靠 的根文件系统，有利于系统的稳定。 6 、可升级上的要求 网络性能测量探针是基于d n m a i 架构的，要有根据用户需求定制测量与分析 方案的能力，需要有功能上的可扩展性。所以需要探针根据用户的具体需求来定 第二章分布式网络测量概述 1 3 制软件。所以对软件和相应的运行脚本、资源文件、库文件的可更新性和便利性 提出了要求。 7 、在人机接口上的要求 要体现d n m a i 架构中的数据表示功能，最终将网络性能测量的结果以直观的 形式展现给用户，而且在一定程度上体现出与用户的交互。探针要有简单易操作 的界面，功能划分完善的模块设计。 8 、线缆测试模块的要求 线缆测试模块的功能是网络性能测量探针针对物理层线缆的测试。要有对物 理线缆链路长度或故障点定位的能力，能够识别一段网络连接线的接线图，能够 对链路脉冲电平进行检测。 2 4 本章小结 本章首先介绍了网络测量的概念和主要性能指标，然后对分布式网络测量与 分析基础架构d n m a i 的体系结构和测量结构进行了说明，并阐述了分布式网络性 能测量探针在设计上的要求。 第三章分布式网络测量探针硬件设计 第三章分布式网络测量探针硬件设计 探针作为一个嵌入式系统，在设计的时候要将探针对功耗、性能、成本的要 求考虑进来。探针的硬件平台的开发是整个探针的基础部分，是整个项目开发中 重要的一环。本章根据第二章中对探针在功能上的要求，进行了嵌入式网络测量 硬件平台的设计与实现。 3 1 嵌入式系统的特点 3 1 1 嵌入式系统的概念及其特点 嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技 术为基础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等严格要求的专用计算机系统【3 1 1 。嵌入式系统与p c 的最大不同就是嵌入 式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，能够把p c 中许多由板卡完成的 任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。 嵌入式系统的应用越来越广泛。这是因为嵌入式系统具有功能特定、规模可 变、扩展灵活、面向应用、有一定的实时性和稳定性、系统内核比较小等特点。 1 、功能特定性。基本上所有的嵌入式系统都具有一些特定的功能。嵌入式系 统的这个特性要求设计者在实际设计嵌入式系统的时候一定要做详尽的需求分 析，把系统的功能定义清晰，真正地了解客户的需求是做好设计的前提。 2 、规模可变性。指嵌入式系统主要是以微处理器与周边器件构成核心的，其 规模可以变化。设计师在设计系统的时候，要适当地考虑一下系统以后的扩展性， 使系统的设计留有可扩展冗余，可以快速地进行扩展来适应需求。 3 、嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向特定应用的。在对嵌入式系统的 硬件和软件进行设计时必须重视效率，去除不必要的冗余，针对用户的具体需求， 对系统进行合理配置，才能达到预期性能。 4 、实时性与稳定性。嵌入式系统因其应用情况通常会对时序和稳定性有一定 的要求。在工业控制领域中应用的嵌入式系统对时序和稳定性的要求更高，一般 这样的设备通常是系统不问断地运行，需要面对较为恶劣的温度和湿度环境。 5 、系统的其他特性。嵌入式系统除了具有以上几个特性外，还具有系统内核 小、功耗低、专用性强、系统小而精、使用多任务操作系统、有专门的开发配套 工具等特点。 1 6 口网络测试仪以太网线缆测试方法研究与实现 3 2 1 探针主要功能 3 2 探针主要功能及实现方案 嵌入式网络测量探针的硬件平台及软件平台的设计必须将对探针的需求融入 进来，以实现探针的测量功能。根据对探针功能模块的划分，主要功能模块有： 屏幕矫正功能； 仪表信息查询功能：包括c p u 信息、网络配置信息、存储状态信息、操 作系统版本信息的查询； 仪表信息设置：包括i p 地址设置，子网掩码设置，d h c p 自动获取i p ； 物理层分析测试：即线缆测试，包括线缆故障点定位测试，接