（测试计量技术及仪器专业论文）网络性能测试系统功能的分析研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着技术的发展，i n t e r n e t 技术和网络业务也有了飞速的发展，人们对网 络资源的需求也随之增长，i p 网络得到了长足的发展，随之而来的是i p 网络也变的 越来越复杂。不断增长的网络应用，使得用户对网络性能有较高的要求，因此网络 优化，提高服务质量成了当前网络发展的必需。本文进行的网络测试研究就是要发 现网络瓶颈，优化网络配置，并进一步发现网络中可能存在的潜在危险，更加有效 地进行网络性能管理和优化。 在网络性能测试系统设计中引入了功能模块化的思想，将不同的功能和结构设 计成与之相对应的模块，然后采用统一的接口进行连接，出主控模块进行调度与控 制。功能模块化的设计思想，可大大提高测试系统的灵活性和扩展性，对于规模越 来越大的、复杂性越来越高的网络性能测试是极为有利的。 本文是对网络性能分析和网络测试的研究，并对网络流量的量化分析和高速网 络环境中网络流量的实时测试做了深入探讨，在此基础上设计出了网络性能测试系 统。通过对网络性能以及网络测试理论的理解，利用功能模块化的思想进行了系统 的整体结构分析，系统模块设计分析，以及数据库设计，并最终编程实现测试结果 的友好显示。研究中对网络性能测试软件的方案进行了设计和部分实现。该系统采 用v b ，s q l s e r v e r ，j a v a 语言进行编写，主要实现以下功能：定时采集网络设备 中的性能数据：处理采集到的数据，并提供警告信息；更新数据库信息；提供对历 史数据的w e b 查询。系统设计完成后用于石家庄学院校园网进行了实际测试，解决 了实际运用中发现的各种问题：数据预处理；测量主机上的任务缓存与同步；测量 数据缓存；测量数据的分级存储；测量结果反馈；测量任务分级。其中数据的预处 理，任务缓存以及测量数据缓存的解决是本文的创新点之一，方便系统用于高速网 络进行实时测试和分析。 关键词：网络性能分析；性能测试：流量测量；数据采集；网络优化 河北科技人学硕十学何论文 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , i n t e r n e tt e c h n o l o g ya n d n e t w o r ko p e r a t i o n sa r ed e v e l o p i n gr a p i d l y ；m a r k e td e m a n df o rn e t w o r kr e s o u r c e sg r o w s v e r yf a s t ；i pn e t w o r k sh a v ee n j o y e dg r e a td e v e l o p m e n t p a r a l l e lt ot h i sp r o c e s s ，i p n e t w o r kh a sb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d g r o w i n ga p p l i c a t i o n so fn e t w o r ka l l o w u s e r st or e q u i r eh i g h e rn e t w o r kp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，n e t w o r ko p t i m i z i n ga n d i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fs e r v i c eh a v eb e c o m et h en e c e s s i t yf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e n e t w o r k i n t e m e tt e s t sc o n d u c t e di nt h i sp a p e ra i mt of i n dt h eb o t t l e n e c ko fn e t w o r k ；a n d o p t i m i z et h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ；a n df u r t h e rm o r e ，d i s c o v e rt h ep o t e n t i a lr i s k sp o s s i b l y e x i s t e di nt h ei n t e r n e t ，s oa st oh e l pt om a n a g ea n do p t i m i z et h en e t w o r kp e r f o r m a n c e m o r ee f f e c t i v e l y i nt h en e t w o r kp e r f o r m a n c et e s ts y s t e m sd e s i g n e dt oi n t r o d u c et h ei d e ao fm o d u l a r f u n c t i o n sw i l lb ed i f f e r e n tf u n c t i o n sa n ds t r u c t u r ed e s i g n e dt oc o r r e s p o n dw i t ht h em o d u l e ， a n dt h e nt oa d o p tau n i f i e di n t e r f a c et oc o n n e c tf r o mt h em a i nc o n t r o lm o d u l ef o r s c h e d u l i n ga n dc o n t r 0 1 t h em o d u l a rd e s i g nf e a t u r e sc a ng r e a t l ye n h a n c et h et e s ts y s t e m s c a l a b i l i t y a n df l e x i b i l i t yt h i si st h ei n c r e a s i n gs c a l ea n dc o m p l e x i t yo fag r o w i n g n e t w o r ko fh i g h - p e r f o r m a n c et e s ti se x t r e m e l yb e n e f i c i a l t h i sa r t i c l ei sar e s e a r c ho nn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n a l y z i n ga n dt e s t i n g a n di n - d e p t h d i s c u s s i o n so nt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fn e t w o r kt r a f f i ca r ef u l l ye x p a n d e d b a s e do n w h i c h ，w ed e s i g nt h et e s t i n gs y s t e mo fn e t w o r kp e r f o r m a n c e s t h r o u g hc o m p r e h e n d i n g t h et h e o r yo ft h en e t w o r kp e r f o r m a n c ea n dt e s t i n g ，t a k i n gu s e so ft h ef u n c t i o n 。m o d u l a r i z a t i o ni d e a s ，i tc a r r y so u tt h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n a l y s i so ft h es y s t e m ；a n a l y s i so fs y s t e m m o d u l a rd e s i g na n dd a t a b a s ed e s i g n u l t i m a t e l y , b yp r o g r a m m i n g ，i ta c h i e v e st h a tt h e m e a s u r i n gr e s u l t sc a l ls h o wf r i e n d l y i nt h er e s e a r c h ，i td e s i g n s t h ep r o g r a m so fn e t w o r k p e r f o r m a n c et e s t i n gs o f t w a r e ，w h i c hw e r ep a r t l yi m p l e m e n t e d t h i ss y s t e mi sw r i t t e nb y v b ，s q l s e r v e r ，j a v al a n g u a g e s i tm a i n l yi n t e n t st oa c h i e v et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ： r e g u l a rc o l l e c t i o no fn e t w o r ke q u i p m e n tp e r f o r m a n c ed a t a ；d e a l i n gw i t ht h ec o l l e c t e d d a t a a n dp r o v i d i n gw a r n i n gm e s s a g e s ；u p d a t i n gt h ed a t a b a s ei n f o r m a t i o n ；o f f e r i n gw e bq u e r i e s o fh i s t o r i c a ld a t a u p o nt h ec o m p l e t i o no ft h i ss y s t e m ，i tw a se x e r t e do nc a m p u sn e t w o r k o fs h i j i a z h u a n gi n s t i t u t e t h ep r a c t i c ed e m o n s t r a t e st h a ti tc a nr e s o l v ea s s o r t e di s s u e s a b s t r a c t f o u n di nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ：d a t ap r e p r o c e s s i n g ；t e s t i n g t h et a s kc a c h ea n d s y n c h r o n i z a t i o no nt h eh o s t ；t e s t i n gd a t ac a c h e ；s t o r a g ec l a s s i f i c a t i o no ft h em e a s u r i n g d a t a ；t e s t i n g r e s u l t s f e e d b a c k ；t e s t i n gt a s kc l a s s i f i c a t i o n a m o n g t h ea b o v e ，t h e p r e p r o c e s s i n go fd a t a ，t h es e t t l e m e n to ft h et e s t i n gd a t aa n dt a s kc a c h ea r e t h ei n n o v a t i v e p o i n t so ft h i sa r t i c l e ，w h i c ha r eg o o dt of a c i l i t a t er e a l t i m em e a s u r i n ga n da n a l y z i n gw h e n t h es y s t e mi su s e di nh i g h - s p e e dn e t w o r k 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 ；p e r f o r m a n c et e s t i n g ；f l o wm e a s u r e m e n t ； d a t ac o l l e c t i o n ；n e t w o r ko p t i m i z a t i o n j h 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：李俊硷 指导教师签名：1 梭辛 二彬年王月莎同 妒宕年f 】月暑日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 叻；保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：狮金 艚粼i 签名：讶干吼 ) 伊够年2 月9f - - i 制年j 上月占f 1 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着计算机网络技术的迅猛发展，计算机网络已经渗透到当代社会生活的各个 方面，网络上各种新的应用层出不穷，用户对网络资源的需求空前的增长。随着网 络用户的不断增加和各种网络应用同益复杂化，导致网络负担沉重，网络设备超负 荷运转，以致引起计算机网络性能的严重下降，性能下降的结果将导致某些网络应 用不可使用。因此当前无论是对网络用户还是对网络工程研究设计人员网络性能都 越来越值得关注i l 】。 计算机网络性能分析是一个十分复杂的大课题，它包括网络设备、网络结构、 网络协议等相当多的内容，它们之中的任何一项都足以严重影响网络性能。特别是 随着网络规模的扩大，当成千上万台计算机通过网络连到一起时，经常出现无法预 知的结果。导致网络性能下降的具体原因又无从找起，目前很少有在实际中能用得 上的对复杂网络性能分析的基本或系统理论。 本文将探讨诸多与网络性能有关的因素，以便能全面地、系统地深入理解网络 性能问题。随着计算机网络应用的日益广泛，在军事、工业控制、证券、金融等行 业中的网络应用在实时性、可靠性、容错性等方面具有新的、更高的要求。如何对 高可靠系统网络进行性能监控和测试成了最关心的1 司题。 在我们从事网络设计之初，就会根据网络建成后所运行的特殊高层应用和网络 设备，在设计阶段给出合理的网络拓扑结构、配置各种最优网络协议，如路由协议、 组播协议等，从网络设计阶段来建设最优的网络，以此来保障网络性能。前期根据 网络技术特点所做的网络设计也并不一定能保障网络的性能完全符合用户的要求， 必须经过实际的性能测量来验证是否达到设计要求达到的技术指标，因此我们需要 网络性能测试系统来监测网络性能，来检验网络性能是否达到设计技术要求，发现 网络性能瓶颈，优化网络性能，最终形成一个完整的高性能网络。 1 2 网络性能的要素 影响网络性能的因素很多。从网络的分层结构来考察，各个层次上均有对网络 性能产生影响的因素，主要有如下一些方面【2 j ： 底层网络协议，包括物理层、介质访问控制层和链路层。物理层的影响很大， 主要是选择支持无延迟的发送和接收设备和高性能的链路。链路层只是为每帧增加 了一些报头和管理开销。最重要的是介质访问子层，它对网络性能影响较大。由于 目前使用最为普遍的是以太网，它采用c s m a c d 技术对共享信道进行访问控制， 河北科技人学硕十学1 f 7 ：论文 这种访问控制技术有其固有的优点和不足。 高层网络协议的实现。不同的t c p i p 协议族中的u d p 协议和t c p 仂、议对网络 性能的影响是不同的。 其它各种开销与因素。如网络拓扑结构、网络接口的驱动程序的效率的高低。 另外由于资源组合不当、资源分配不当也会对网络性能产生较大的影响。 当然，由于许多性能都是多种因素的综合表现，所以进行网络性能测试分析时 必须全面周到的考虑所有可能的因素，不能绝对化，以求客观实用。 1 3 研究内容 本文是对网络性能分析和网络测试的研究，并对网络流量的量化分析和高速网 络环境中网络流量的实时测试做了深入探讨。利用功能模块化的思想进行了性能测 试系统的整体结构分析，系统模块设计分析，以及数据库设计，并最终编程实现测 量结果的友好显示。研究中对网络性能测试软件的方案进行了设计和部分实现。该 系统采用v b ，s q l s e r v e r ，j a v a 语言进行编写，主要实现以下功能：采集网络设 备中的性能数据：分析采集到的数据，并提供警告信息：更新数掘库信息；提供对历 史数据的w e b 查询。系统设计完成后用于石家庄学院校园网进行了实际测试，解决 了实际运用中发现的各种问题。 以往流量测量研究中，流量采用定时测量，采集频度低，实际使用、调控效果 差，已经不能满足目前网络测量分析的需求。本课题研究中提出了流量测量实时化 的思想，进行了网络流量量化分析的理论研究，并且在数据分析模块中利用数据的 预处理、测试数据缓存、测量任务分级等机制给与实现，使得测试系统可以更好应 用于高速、复杂的网络进行实时测量和分析。 论文内容安排如下： 第l 章绪论。首先介绍了研究领域的背景，研究课题的提出，阐述了所从 事课题研究的目的和意义，然后分析了影响网络性能的各种因素，最后介绍了本文 的研究内容与目标和论文的章节安排。 第2 章网络性能研究分析。首先阐述了网络性能的指标参数和相关标准， 然后阐述了各种网络性能测量技术，最后给出了相关的网络性能优化技术。 第3 章网络流量测量及性能测试系统设计。本章首先介绍了网络流量分类， 在认识了网络流量的基础上对网络流量的测量方法进行了分析、比较。对基于流量 测量的性能测试系统的层次化的整体结构进行分析，对数据采集模块，数据分析模块， 数据库管理模块和历史数据查询模块给出了详细介绍。 第4 章网络性能测试软件的实现和应用。给出了系统相应功能模块的详细 实现过程，将开发完成的测试系统用于校园网进行实际测试，解决了测试过程中暴 2 第1 章绪论 露出的一些问题。 结论对整个课题研究工作进行总结，介绍下一步要开展的工作。 3 河北科技人学硕十学何论文 第2 章网络性能研究分析 2 1 网络性能指标 2 1 1 网络性能的概念 网络性能可以采用以下方式定义：网络性能是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。可见，网络性 能是与终端性能以及用户的操作无关的，是网络本身特性的体现，可以由一系列的 性能参数来测量和描述【3 】。 2 1 2 网络性能参数的概念 为了测量i p 网络性能，i p 网络测量指标框架最早是由i e t f 的b m w g ( i n t e m e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e sb e n c h m a r k i n gm e t h o d o l o g yw o r k i n gg r o u p ) 定义的。在 r f c 2 3 3 0 中给出了i p 性能指标的框架。该框架指出，测量的指标必须遵守以下定义 标准： 1 ) 测量指标必须是具体和严格定义的； 2 ) 测量指标必须是无偏的，即对相同的i p 技术实现具有相同的测量结构： 3 ) 测量指标必须具有区分性，即对测量结果可以理解和反映出不同的实现技 术； 4 ) 对该指标的测量方法必须是可重复的，即在多个不同时刻、相同的环境下采 用相同的测量方法可以得到相同的结果； 5 ) 测量指标必须是避免人为影响的性能指标。 2 1 3i p 网络性能参数 2 1 3 1i e t f 定义的网络性能指标 i e t f 成立了专门的工作组i p p m ( i pp e r f o r m a n c em e t r i c ) ，丌发用于描述i n t e m e t 数据传输服务质量、性能、可靠性的测量指标集和测量框架，目前，i p p m 定义和正 在定义的指标有：连通性( c o r m e e t i v i t y ) 、单向时延( o n e w a y d e l a y ) 、往返时延( r 盯， r o u n d t r i pt i m e ) 、丢包率( p a c k e tl o s sr a t e ) 、吞吐率( t h r o u g h p u t ) 、瞬时分组延时 差、大批传输容量( b u l kt r a n s f e rc a p a c i t y ) 、带宽利用率、瓶颈带宽估计等。其中， 时延、带宽、丢包率被作为网络性能测量中最基本的三大指标【4 】。 2 1 3 2i t u t 定义的l p 网络性能参数 i t u t 对i p 网络性能参数的定义包括： 4 第2 章网络性能研究分析 l1i p 包传输延迟( i pp a c k e tt r a n s e rd e l a y ，i p t d ) i p 包传输时延是为成功i p 包传送结果和错误i p 包传送结果而定义的。i p 包传 输延迟的值为t s t a r t t e n d ，其中t s t a r t 为包传输的起始时间，t e n d 为包到达目的端时 间，一般来说t e n d t s t a r t ，t e n d t s t a r t t m a x ，如果包分片，则t e n d 是最后一个分 片到达的时间。 2 ) i p 包时延变化( i pp a c k e tr e l a yv a r i a t i o n ，i p r v ) 两点之间的i p 包延时变化是测量的i p t d 值与i p t d 参照值之差。通常将i p t d 的算术平均值作为i p t d 的参照值。 3 ) i p 包误差率( i pp a e k e te r r o rr a t e ，i p e r ) 错误i p 包传送结果与成功i p 包传送结果加上错误i p 包传送结果的比值。 4 ) i p 包丢失率( i pp a c k e tl o s sr a t e ，i p l r ) 丢失i p 包传送结果与所有传送i p 包总数的比值。 5 ) 虚假i p 包率( s p u r i o u si pp a c k e tr a t e ) 单位时间内虚假包数。 6 ) 流量参数( f l o w r e l a t ed p a r a m e t e r s ) 7 ) 业务可用性( i ps e r v i c ea v a i l a b i l i t y ) 2 1 4 网络性能结构模型 从空间的角度来看，网络整体性能可以分为两种结构：立体结构模型和水平结构 模型。 ( 1 ) 立体结构模型 i p 网络就其协议栈来说是一个层次化的网络，因此，对i p 网络性能的研究也可 以按照层次化的方法进行。网络从逻辑上来讲由下到上可以分为物理层、链路层、 网络层、传输层和应用层。从不同的层次来看i p 网络的性能，性能参数内容的重点、 表述方式和意义都会有所区别【5 1 。具体如下： 1 ) 物理层：重点在于物理设备基于比特的一些性能参数。例如物理线路的连通 性、物理带宽、传输时延、接口的比特吞吐量等。 2 ) 链路层：重点在于数掘链路基于帧的一些性能参数。例如交换机的帧吞吐量， 链路的帧传输时延，帧丢失率等。 3 ) 网络层：重点在于点到点或端到端基于i p 包性能参数。例如网络设备的i p 包吞吐量，点到点或端到端的连通性，i p 包的传输时延，时延抖动，丢包，丢包率 笙 可o 4 ) 传输层：重点在于端到端的基于t c p 连接或u d p 包的性能参数。例如端到 5 河北科技人学硕十学位论文 端t c p 连接上的t c p 包的丢包率，u d p 包的传输时延，时延抖动等。 5 )应用层：重点在于为用户提供的端到端应用服务的业务可用性和服务质量。 例如i p 电话的话务量，接通率，i p 语音包的物理带宽，传输时延，时延抖动，丢包 率等。 ( 2 ) 水平结构模型 对于网络的性能，用户主要关心的是端到端的性能，因此从用户的角度来看， 可以利用水平结构模型来对i p 网络的端到端性能进行分析。 2 2网络性能分析和评价的方法 网络性能分析的研究过程经历了定性分析和定量分析两个阶段。 定性分析就是网络管理人员根据自己己有的经验和网络的不同应用来对一个网 络进行大致的性能估算。很明显这样的估算是不准确的。现阶段网络规模越来越大， 网上应用日益复杂的情况下，定性分析在实际网络调控中发挥的作用已经是微乎其 微。 所谓定量分析就是运用测量的方法和数学的工具来找出网络应用和网络性能之 间的数学关系。定量分析与定性分析相比，更加准确的反映了网络的性能，定量分 析的结果也就能够更好的用于网络改造和优化【6 】。这旱我们主要研究网络定量分析的 方法。 常用的定量分析方法中，主要有以下三种：计算机仿真法、解析法、网络测量法。 课题研究中主要用到网络测量法，以下对网络测量法作重点讨论。 2 2 1计算机仿真方法 就是利用计算机运算系统的数学模型来达到对被仿系统的分析、研究、设计等。 通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目 的、有条件的仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关 这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。它是一种描述性技术，是 一种定量分析方法。优点是能够在不必构造实际系统的情况下，选择出最优的解决 方案。但是这种方法只能给出一个相对的数据，不能给出准确的数据1 7 j 。 2 2 2 解析法 解析法是完全通过逻辑推理获得启发和借鉴的方法，它将系统抽象成一种数学 表达式并找到最优解，如运筹学中的线性规划、动态规划和排队论等。解析法是一 种传统的定量分析方法，应用极为广泛。缺点是不适用于网络系统复杂、有大量随 机因素存在而又难以用其他定量技术解决的情况。 6 第2 章网络性能研究分析 2 2 3网络测量法 网络性能测量是按照一定的方法和技术，利用软件和硬件工具来测试网络的运 行状态、表征网络特性的一系列活动的总和【8 】。网络测量技术始于上世纪7 0 年代初， 发展于8 0 年代，9 0 年代己渐成体系，在网络测量的方法、工具及流量的测量模型等 方面取得了很大进展。网络测量包含以下三个要素： ( 1 ) 测量对象，也就是被测量的节点和链路，以及待测量节点、链路或网络的 某种或某些特性； ( 2 ) 测量环境，包括测量点的选取，测量时间的确定，测量设备、通信链路的 类型等； ( 3 ) 测量方法，也就是针对某具体的网络行为指标，选取合适的测量方法。 测量方法应该满足三个方面的要求： ( 1 ) 稳健性，即被测网络的轻微变化不会使测量方法失效： ( 2 ) 可重复性，即同样的网络条件下，多次测量结果应该一致； ( 3 ) 准确性，即测量结果应该能够反映网络的真实情况。 性能测量方法根据其实现手段主要可分为主动测量( a c t i v e ) 与被动测量( p a s s i v e ) 两种。这两种方法的最大不同之处在于，主动测量会给网络增加额外的负担而被动 测量不会，主动测量能根据需要灵活设计，而被动测量很大程度上依赖于网络状况。 2 2 3 1 主动测量技术 主动测量是指在被测的网络上布置测量平台，主动发送测量流量，获得两个端 点之间的测量结果信息，以此对网络性能进行分析。主动测量一般是端到端的测量， 它可以方便的测量网络在各种运行状态下的性能。这种方法具有灵活、方便，不依 赖于被测对象的测量能力，而且也不依赖于网络中是否正在提供服务。主动测量的 缺点是，在测量时需要向被测量的网络发送流量，这样会增加网络的负载，大量的 注入测试流量还可能在网络瓶颈处产生拥塞，以致影响网络中正常流量的转发。常 用的网络主动测量p i n g 命令，就是通过网络发送i c m p 数据包来探测网络的连通性 和双向时延的：t r a c e r o u t e 命令通过改变i p 报头中的字段来测量到达目的地的路径 和时延例。 2 2 3 2 被动测量技术 被动测量是指利用一定的软件、硬件，被动的监测记录网络上的数据情况。被 动测量一般不会在网络中增加额外的网络流量，监测过程中捕获的网络流量数据可 以实现对多种网络性能指标的分析。缺点是被动测量难以进行端到端的网络性能分 析，例如端到端的时延分析等。下面是三种主要的被动测量方式： 1 ) n e t f l o w 方式：在n e t f l o w 交换中，查询过程仅对分组流中的第一个分组进 行，在一个网络流被识别并确定了与其相关的服务后，那么后面所有的分组都作为 7 河北科技大! 学硕十学位论文 该信息流的一部分，在面向连接的基础上进行处理，这样就绕过了访问列表的检查， 进而依次对分组进行交换和获取统计信息、。n e t f l o w 记录的流包含了丰富的信息，它 使用源和目的端点的i p 地址和传愉层端口号、协议类型、服务类型( t o s ) 以及输入接 口等来标记网络流可用来捕获、显示和分析网络流信息【j o 】。这种方式是硬件设备厂 商提供的专有采集技术，最典型的就是c i s c o 公司提供的n e t f l o w 技术，但是该技术 最大的缺点就是必须在e i s c 0 7 2 0 0 系列以上的路由器中爿能使用，这样使得采集的应 用范围受到极大的限制。因此该技术在实际使用中也有很大的局限性。 2 ) s n i f f o r 方式：基本原理是把网卡设置为混杂模式，使主机接收所有到达的 数据包并进行分析，代表产品是s n i f f e r p r o4 7 和l i n i x 环境下的t c p d u m p 等。这是 局域网环境中广泛使用的一种被动测量方法。在共享式以太网网络环境中，所有的 数据包会被广播到所有的主机中。在交换式以太网网络环境中，它应用交换设备所 提供的端口镜像功能，把指定端口的所有流量镜像到指定的接收端口，再利用把网 卡设置为混杂模式来接收所有收到的数据包并进行分析】。 3 ) s n m p 方式：目前所有主流的网络设备均支持这种s n m p 协议，是目| ；i 使 用最广泛的被动测量方法。这样管理端m a n a g e r 可以通过s n m p 的g e t 、g e t n e x t 原 语来获取网络设备( a g e n t 端) 的基本信息，来完成网络性能的测量。 2 2 3 3 主动测量与被动测量结合的方式 由上面分析可知，主动测量与被动测量各有所长，而对于不同的性能参数来说， 主动测量和被动测量也都有其各自的用途。因此，将主动测量与被动测量相结合将 会给网络性能测量带来新的发展。 2 3 网络性能测量相关协议 2 3 1基于i p 的主动测量协议i p m p n l a n r ( n a t i o nl a b o r a t o r yf o ra p p l i e dn e t w o r kr e s e a r e h ) 提出了一种i p 测量协议 i p m p ( i pm e a s u r e m e n tp r o t o c 0 1 ) 。它实现了使用单个分组对较多网络性能参数的测量， 包括端到端的单向时延( o w d ) 和链路瓶颈。 2 3 1 1i p m p 的功能特点 i p m p 具有以下功能： 1 ) 能判断网络的瓶颈点； 2 ) 能实现o w d 测量； 3 )能提供对基于优先级队列协议的测量，这对测量服务质量( q o s ) 是很有帮助 的： 4 )使用单个分组对往返路径进行测量； 5 ) 可以获得更高精度的t t l ( t i m et ol i v e ) 值； 8 第2 章网络性能研究分析 在路由器支持下，i p m p 可以实现上面列出的所有功能；在路由器不支持的情况 下，仍然可以测出往返时延，即i p m p 分组可以在路由器上实现透明转发，路由器处 理i p m p 分组与处理其它i p 分组是样的。 2 3 1 2i p m p 的结构特点 i p m p 是一种端到端的e c h o 测量协议。由测量主机发送e c h or e q u e s t 分组，目 的主机返回e c h o r e p l y 分组，测量主机对e c h or e p l y 分组携带的数据进行分析，完成 测量过程。为了获得更精确的测量结果，它需要中i 旬节点路由器插入接收到该分组 接e 1 的i p 地址和此时的时戳f 1 羽。i p m p 协议是针对路由器而设计的，它将i p m p 封 装在i p 分组中，具有以下优点： ( 1 ) 便于协议在内核的实现。在内核获得的时戳比转换到更高层次获得的时戳 更精确。 ( 2 ) 可以使用独立的协议号。i p m p 测量分组可以携带不同的优先级，可以比较 网络中q o s 服务质量的差异。i p m p 分组包括i p m pe c h or e q u e s t ，e c h o r e p l y ，i p m p i n f o r m a t i o nr e q u e s t 和i n f o r m a t i o nr e p l y 4 种类型的分组。 1 ) i p m pe c h o 分组 i p m pe c h o 服务类似于i c m p 的e c h o 服务，测量主机发送一个类型为 i p p r o t o i p m p 的i p 分组，同时设置i p 的头部d f 字段，这样路由器就不会对i p m p 分组进行分片( 因为i p m p 使用单分组的测量方法) 。一个i p m pe c h o 分组的格式如图 2 1 所示。 081 62 43 2 版本号协议队列校验码 0 0 0 0 0 0 0 0 类型返i 口it t l返川类型 长度路径记录指针 源端口队列目的端u 队判 ( 刚选项) 数据 ( 可选项) 路径记录 填充字段( 如果需要) 图2 1i p m pe c h o 分组结构 f i g 2 - l l p m pe c h of o r m a t 字段说明如下： 版本号：定义了i p m p 协议的版本。 协议队列：指出测量分组在路由器队列里面排队的优先级。 9 河北科技火学硕十学位论文 类型：共有4 种类型的分组：0 表示e c h or e q u e s t ：1 表示e c h or e p l y ；3 2 表示 i n f o r m a t i o nr e q u e s t ：3 3 表示i n f o r m a t i o nr e p l y 。 返回t t l ：发送e c h or e q u e s t 分组时，t t l 的值为o ；到达目的站点时，由目的 站点修改。 返回类型：要求目的站点对其响应的分组类型。 路径记录指针：指向分组中下一个要插入的路径记录的位置。 源端口号和目的端口号：当协议类型中定义的是i p p r o t o t c p 或 i p p r o t o u d p 时。路由器根据五元组( i p 类型、源i p 地址、目的i p 地址、源端口号、 目的端口号) 对测量分组进行排队。 路径记录：凡是支持i p m p 协议的中间节点都可以插入路径记录，路径记录由 3 2 - b i t 的转发地址和6 4 - b i t 的时间戳组成。一个路径记录包含1 2 字节的数据，使用 一个5 7 6 字节长度的i p v 4 分组最多可以容纳4 5 个路径记录。 图2 2 给出了一个i p m pe c h o 分组通过某网络时的处理情况。 i d 头 图2 - 2 i p m pe c h o 分组往网络中的处理过样 f i g 2 - 2p r o g r e s s i o no fi p m pe c h or e q u e s tp a c k e tt h r o u g hn e t w o r k 在图2 2 中，i p m pe c h or e q u e s t 分组从测量主机发送之后，经过了6 个路由器， 其中路由器a ，d ，e 支持i p m p 协议，而路由器b ，c ，f 不支持i p m p 协议。首先 测量主机在发送e c h or e q u e s t 分组时，要插入本机的路径记录，当分组经过路由器a ， d ，e 的时候，路由器分别插入本机的路径记录，经过路由器b ，c ，f 的时候，不作 任何处理，只是透明的转发，当分组到达目的主机时，目的主机插入本机的路径记 1 0 瞅国马一 瞅国固e瞅 f国国 瞅同u 昌 第2 章网络性能研究分析 录。可以看出，即使路由器不支持i p m p 协议，测量依然可以进行下去。在相反路径 的测量过程中，i p m p e c h or e p l y 分组也是经历相同的处理过程。 2 ) i p m pi n f o r m a t i o n 分组 i p m pi n f o r m a t i o n 分组解决了测量中的时钟同步问题。在i p m pe c h o 分组中，中 间路由器插入的路径记录时戳就是本地独立运行时钟的时戳，这些独立运行的时钟 可能是不同步的。当测量主机接收到e c h or e p l y 分组之后，还必须发送i p m p i n f o r m a t i o nr e q u e s t 分组，由中间路由器和目的主机返回i p m pi n f o r m a t i o nr e p l y 分 组，i p m pi n f o r m a t i o nr e p l y 分组将返回中间路由器和目的主机的时钟漂移和精度值， 用于校正e c h or e p l y 分组中的时戳值。i p m pi n f o r m a t i o nr e q u e s t 分组结构很简单， 只包括图2 1 中的版本号和类型字段，其它字段的值都为0 。 i p m pi n f o r m a t i o nr e p l y 分组的结构相对复杂一些，如图2 3 所示。 081 62 43 2 版本号0 0 0 0 0 0 0 0校验码 0 0 0 0 0 0 0 0 类型0 0 0 0 0 0 0 0小数位 k 度件能参数指针 转发i p 地址 槠度值 对i p m p 处理的时间耗费 ( 可选项) 真实时问参考点 ( 可选项) 性能参数 图3i p m p 的i n f o r m a t i o nr e p l y 分组结构 f i g 3 i p m pi n f o r m a t i o nr e p l yf o r m a t i p m pi n f o r m a t i o nr e p l y 分组的字段说明如下： 小数位：指出时戳中小数的位数； 转发i p 地址：发送i n f o r m a t i o nr e p l y 分组的主机地址； 精度值：插入路径记录的主机时钟与真实时钟的最大差值； 处理i p m p 的时间耗费：主机处理i p m pe c h o 分组与处理相同特性的i p 分组之 间的最大时间耗费差值； 真实时间参考点：真实时间和时戳之间的关系，是可选字段； 性能参数：主机的接口和系统的m i b 信息，是可选字段。 2 3 1 3i p m p 协议缺陷分析 i p m p 协议是一种新型的支持网络测量的协议，除了支持测量许多网络参数外， l 1 河北科技大学硕+ 学位论文 主要优点是能够用来测量o w d 和路径瓶颈点。它还存在很多需要完善的地方，主 要有： 1 ) 跳数问题。由于它使用单个分组进行测量，限制了它最多能够携带的路径记 录个数为4 5 个，相当于最多只能测2 1 跳。随着网络规模的不断增长，中间路由器 的数目也会增多，所以2 1 跳的容量不一定能够满足测量的需求l i 引。 2 ) 时钟同步问题。要求中间路由器提供精确的时钟同步，这对路由器来说，代 价是比较高的。因此必须提供一种新的时钟同步的解决方法，由测量主机从自由时 钟( 互相独立的时钟) 的时戳中获得同步信息。 3 ) 当i p m p 能够成为一种标准测量协议时，使用它进行测量的频率必定是巨大 的。尽管它使用单包进行测量，但是当用户的数目很大，使用频率较高时，也必定 在网络上出现相当规模的i p m p 分组，这点是值得关注的。 i p m p 协议作为种能提高测量精度以及能测量o w d 和路径瓶颈点的协议，比 现存的一些协议更为优越。在路由器提供一定支持的情况下，它能测量出o w d ，而 且在网络出现拥塞时，能测出网络的瓶颈点。测量是控制的基础，随着现代网络对测量 参数和精度范围的不断提高，路由器必定要对网络测量提供一定的支持。i p m p 协议 作为一种面向测量的协议，有着广泛的应用自i 景【1 4 】。然而，目前i p m p 还处于发展 研究过程中，通过努力，必将推动i p m p 协议的成熟和标准化，发展网络测量应用。 2