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避多攫体i i p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜托见 务流识别和性能测量的软件实现方法。 p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜托见 2 1 网络测量的意义 第二章网络性能测量 网络测量的用途主要有以下几个方面： ( 1 ) 网络优化和部署。网络运营商通过对现有网络的测量，获取网络运行数据， 动态调整组合现有网络资源，消除网络瓶颈，提高网络性能；与此同时，通过对网 络的长期监测，可以分析网络业务的发展趋势，为合理规划网络扩容提供科学、量 化的评估依据。 ( 2 ) 基于流量的计费。目前，由于不能准确提供所有用户的流量情况，绝大部 分运营商对提供的i p 网络业务采用按时间计费的形式，对一般用户和网络运营商而 言，这都不是一个最好的选择：而利用网络测量的些工具和手段，就可以实现对 用户流量的监测。 ( 3 ) 服务水平协议( s l a ) 报告。目前一些运营商提供了按服务水平等级区分 的不同业务，网络性能指标的确定及其测量是用户和运营商对服务水平形成共识的 基础，运营商可以根据网络测量数据向用户提供详细的s l a 报告。 现在的问题在于i p 网络性能指标及其测量方法还没有标准化，许多测量数据缺 乏可比性和说服力。因此国内外研究机构相继就此展开了相关的研究。 2 2 国内外研究现状 国际上，世界因特网工程任务组i e t f 的r t f m 工作组和i p p m ( i p 性能指标工作 组，i pp e r f o r m a n c em e t r i c sw o r k i n gg r o u p ) 分别定义了两种互联网性能监测方法， 提出了定义性能指标的原则与总体框架，并定义了评估i p 网络数据传输业务的质 量、性能和可靠性的一些指标。它们之间的区别在于：r t f m 采用被动监测，i p p m 采用主动监测。( 注：有关被动监测和主动监测的定义和区别将在下面相关章节叙述， 本文描述的t m a 设备参考了r t f m 提供的监测模型，所以在本文中将对r t f m 监测方 法给予详细叙述。) i r u t 的第1 3 研究组( s t u d yg r o u p1 3 ，s g1 3 ) 也提出了y 1 5 4 0l 原i 3 8 0 ) 建渡其中定义了衡量i p 网上i p 分组传瑜畦能的四个参数：速度os p e e d ) 、精确 眭l 。一1 t ：y ，、可煮陛( j 口e r i a o i _ _ = t 、可用性：o0 l 川“! l ：_ ，另_ i 提：毛 j 叫l ! 一：吐1t p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜托见 了y 1 5 4 1 ( 原i 3 8 1 ) 建议，规定了i p 通信业务i p 性能和可用性指标与分配， 将i p 业务按q o s 分为六类。 同时，一些测量的基础架构也提了出来。s u r v e y o r 是a d v a n c e dn e t w o r k s e r v i c e s 公司联合其他组织提出的基于i p p m w g 标准的网络测量基础架构，能够测 量参与组织之间的互联网的路径性能；在该项目中还提出了分析性能数据的方法和 工具。n i m i 是n s f 发起、d a r p a 资助的一个项目，提出了一个基于探针( p r o b e ) 的 分布式可扩展动态的网络测量基础架构。另外还有一些项目如r i p es 、a m p 、p i n g e r 等都是跟网络测量相关的。 在国内，对i p 网络性能指标体系的研究刚剐开始。中科院的研究人员从不 同角度对i p 网络的性能指标进行了综合分析，提出了一套系统的指标体系，并进行 了形式描述，引入了泛化指标和确定性指标的概念，具有理论上的指导意义。其他 一些科研及生产机构也都在不同程度上对网络性能测试理论和方法进行了研究和实 验，目前已有部分产品投入使用。 2 3 性能测量 i p 网的测量技术包括拓扑测量、流量测量和性能测量。 流量测量主要是对i p 网中的“流”进行测量和分析，以掌握网络的流量特性， 比如协议的使用情况、应用的使用情况、用户的行为特征等。“流”的定义是流量 测量中的一个重要概念。“流”主要包括四个要素：端点、方向、时间粒度和协议 层次。端点指的是流的起点和终点，时间粒度考虑的是数据包的发送起始和终止时 间。协议层次包括o s i 模型的七层协议。结合以上因素，我们可以将i p 网中的流定 义为在段确定时间内，具有相同相同属性的数据包集合。流量测量的内容就是采 集这些数据包集合的信息，并加以分析，用于指导网络资源规划和流量调整，以更 好地管理网络和改善网络的运行性能。 性能测量的目的是了解网络的可达性、资源利用率以及网络负荷等状况，是进 行网络控制的依据。性能测量的方法包括：监测i p 网络的端到端时延、抖动、丢包 率等特性；监测i p 网络设备和链路的负载、可用性及可靠性；监测网络资源利用率、 带宽使用量等。在获取性能数据后，需根据一定准则进行性能裁定，以决定是否进 行网络控制及控制程度。 本文所阐述的性能测量是包含流量测量在内的广义的性能测量。 2 4 睦能指标内容 性能指标内容就是跟网络性能和可靠惶柜关的量的详细定义。常镉的性能指标 鹿各育： 剃埘，- - i _ 芏仁t 。上j l ! ，00 p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜托见 连通性( c o n n e c t i v i t y ) ：是网络性能的基本指标，反映了数据能否在各网 络组件之间互相传达的属性； 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：单位时间内传送通过网络中给定点的数据量； 带宽( b a n d w i d t h ) ：单位时间内物理通路理论上所能传送的最大比特数； 时延( d e l a y ) ：数据离开源点的时间与到达目的点的时间之间的间隔： 时延抖动( d e l a yv a r i a t i o n ) ：数据分组流中不同数据分组时延的变化； 丢包( 1 0 s s ) ：某一时间段内被测网络传输及处理中丢失或出错的信息包数： 丢包率( 1 0 s sr a t e ) ：丢包总数占传输总包数的比例。 2 5 测量方法 网络性能测量方法从不同角度有不同的分类方法。 2 5 1 硬件测量和软件测量 流量测量技术首要的分类方法是划分为基于硬件和基于软件的两类。 基于硬件的流量测量通常采用硬件测量设备，称为分析仪，它是一种为特定目 的设计的用于收集和分析流量数据的硬件设备。基于硬件的流量澳i 量效率很高，专 用性强，但是存在价格昂贵、与网络接口类型和测试目标协议相关、对使用人员的 要求较高的缺点。 硬件测量技术的一种典型例子是f l u k e 公司的o p t i v i e w 链路分析仪 f l u k e l 。它是 基于专用集成电路( a s i c ) 实现的流量分析仪，提供o s i 参考模型全部七层的实时 流量监测。 基于软件的流量测量一般通过修改安装于主机上的操作系统的网络接口模块， 使之具有捕获数据包的功能，以实现流量信息的收集和分析。基于软件的流量测量 具有价格便宜，实现灵活，可扩展性强的优点，但是其性能要低于基于硬件的测量 技术。 软件测量技术的典型例子是u n i x 下的t c p d u m p 软件，它是基于b e r k e l e y 包过 滤器( b p f ) 实现的t c p i p 数据包捕获工具。另一个应用比较普及的流量测量软件 是s n i f f e r p r o 。s n i f f e r p r o 是一个功能十分强大的流量测量软件，它能够抓取网络 上的所有数据包，可自定义过滤器，并将收集的数据包分析后转化为图表和报告形 式输出，可以很方便地了解网络状况。 j ! ：最川1 1 t 、学啦i 砰宽主毕业o ：。i 套二 p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜托见 2 5 2 主动测量和被动测量 流量测量技术的另一种分类方法是按照测量工具是否向被测网络中发送数据进 行划分，分为被动测量和主动测量两种。被动测量是通过观测正常的网络业务流量 来完成的。主动测量是通过向网络中发送测试流量来完成的。 被动测量不向网络注入额外的流量，没有干扰性，能够反映用户实际体验到的 q o s ；被动测量能提供广泛的测量能力，不仅体现在测量的类型上，而且体现在采集 样本的数量上：被动测量的缺点是不够灵活，一般只能监测某一网段的问题，另外 还有一定的安全问题，那就是被动测量一般都是通过抓包分析实现监测的，对于包 中没有经过加密的信息，很容易造成内容泄露。尽管如此，对于运营中的网络，运 营商更乐于采用被动测量的方法，因为这样能够确保运营网络的安全。当然对于试 运行阶段的网络也是可以采用被动测量的方法的。 被动测量是大多数测量工具采用的方法，例如t c p d u m p 和s n i f f e r p r o 等工具。 主动测量则需要发出测量数据包，通过测量数据包在网络中的处理和响应结果 获知网络的流量状态信息。这种方式是为了弥补被动测量不能主动探测网络的动态 变化的不足而产生的。主动测量能够反映网络路径的全部特征，能够控制数据的产 生，因此能够控制引入的额外流量的大小，将对被测网络的影响控制到最小；主动 测量的缺点是在一定程度上增加网络流量，注入流量必须精心选择，否则过大的流 量轻则会干扰网络的正常运行，重则会带来拒绝服务( d e n i a lo fs e r v i c e ) 的安全 问题。因此，主动测量一般用在网络设备性能测量，网络建设、验收以及试运行阶 段，可以针对某一个指标进行针对性的测量：对于运营中的网络，一般不采用主动 测量的方法。 主动测量的典型例子是利用p i n g 工具测量到达某个特定节点的网络时延。 2 5 3 在线测量和离线测量 按照测量工具对测量结果进行分析的方式进行划分，可以分为在线测量和离线 测量两种类型。 在线测量工具不仅可以实时收集网络流量数据，还可以立即对收集的数据进行 分析，并实时输出分析结果。这对测量工具的能力有很高的要求，一般只有硬件测 量工具才能敞到。近年随着个人计算机处理能力的增强，很多软件测量工具也能做 到一定程度的实时分析例女n s n i f f e r p r o 等。 离线测量工具只能将收集到的流量数据保存下来，在需要的时候进行离线分析。 这种方式实现比较简单，赢量数据的收集和分析工怍相对独立有利于进行灵活的 结袅分忻。瓤女1 交们可以利用t c p 3 - | j m p 工具已录下网络中的流量信息在适当自? 时候 “ p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜托见 利用保存下来的数据进行各种分析工作。 2 5 4 单向测量和环回测量 按照注入被测网络的流量的流向进行划分，可以分为单向测量和环回测量。 单向测量是指测量分组从源端进入网络，从目的端输出网络，源端和目的端各 有一个测量点，根据两个测量点的测量数据评估网络性能。 相对环回测量而言，单向测量的意义在于： ( 1 ) 从源端到目的端来回路径是不对称的路径，也就是说从源端到目的端的网 络路径、经过的一系列路由器和从目的端返回源端的很有可能不相同。因此环回性 能参数实际上是两条不同路径的性能参数之和； ( 2 ) 即使上述的两条路径是对称的，由于不对称的队列，它们可能具有完全不 同的性能特征； ( 3 ) 应用的性能可能大部分依赖于一个方向上的性能： ( 4 ) 在q o s 使能的网络上，某一方向上的q o s 保证完全不同于相反方向上的q o s 保证。 时间同步问题是单向测量必须考虑的问题。目前i n t e r n e t 上广泛使用的是 网络时间协议( n t p ) ，主要用来在较长的时间范围内提供准确的记时，比如在几天 内准确到分钟；然而，对于网络测量来讲，短时间内准确的记时往往更重要。 环回测量是指测量分组从源端进入网络，到达目的端后返回源端输出，只在源 端设立一个测量点，根据在该测量点测得的进入和输出的测量数据评估网络性能。 相比较而言，环回测量具有下面的优点： ( 1 ) 易于采用。不需要在目的端设立一个测量点，因此目的端的选择比较灵活， 另外也有现成的方法如p i n g ： ( 2 ) 易于阐明性能。在某些情况下，网络的环回性能是我们感兴趣的性能指标， 如果通过单向性能参数加上假定的目的端处理的性能参数来推出环回性能参数，那 更不直接，可能导致精确性更低。 2 5 s 局域测量和广域测量 从流量测量面向的区域对象来看，我们可以将流量测量分为局域测量和广域测 量。局域测量针对局域网进行流量测量，广域测量的目标是广域网络。 局域测量的实现通常比较简单，因为局域网络一般都由一个统一的管理机构进 行管理，并且构建局域网的基础技术一般都比较单一例如采用以太网技术。因此 在蜀域网中简单地部署测量设备即可实现流跫测量。 厂域刚三占5 j 上| ：藐比较复； 兵甲甄邑笆j i 砷l 一同射鼍础设f尉船0 太蕊 f ：i l ：r ! 、誊嚣h f ：兰# 业雌? of 7 - - p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜托见 删、帧中继等，有可能由不同的机构进行管理，因此广域测量比较复杂。其复杂 性主要体现在两方面：一方面是收集流量数据比较复杂，不仅需要考虑获得测量数 据的安全性和有效性，还要考虑观测点分布的合理性；另一方面是流量数据的分析 比较复杂，其关键在于如何获得广域网的全局流量信息，而不仅仅是局部的状况。 p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜托见 第三章多媒体通信协议简介 3 1 多媒体通信简述 随着技术的迅速发展，图像、视频等多媒体数据已逐渐成为信息处理领域中主 要的信息媒体形式。多媒体通信是信息高速公路建设中的项关键技术，是多媒体、 通信、计算机和网络等相互渗透和发展的产物，它将极大地提高人们的工作效率， 改变人们的教育、娱乐等生活方式，是2 1 世纪人们通信的基本方式。 目前，人们普遍倾向于将i n t e r n e t 作为传送多媒体业务流的载体。对于 i n t e r n e t 这样的无连接数据网络是没有业务质量保障的，必然会存在分组丢失、失 序到达和时延抖动的情况。要在这样的网络上传送多媒体业务，就必须采取特殊的 步骤来保障一定的业务质量。例如，高层协议t c p 提供了流控和差错恢复，但会产 生显著的时延和时延抖动，因而在此环境中，t c p 就不可用作第四层协议。多媒体 数据传输都采用u d p 传输协议。由于u d p 只是提供了一个基本的传输手段，而多媒 体传输应用需要多媒体编码类型、同步时标、分组序列号等参数，以及一定程度的 业务质量保障，因而提出了实时传输协议r t p 和实时传输控制协议r t c p 。主要的技 术分5 类： 信令技术：包括i t u th 3 2 3 和i e t f 会话初始化协议s i p 4 ( s e s s i o n i n i t a t i o i lp r o t o c 0 1 ) 两套标准体系，还涉及到进行实时同步连续媒体流传输控制 的实时流协议r t s p 。 媒体编码技术：包括流行的g 7 2 3 1 、g 7 2 9 ，g 7 2 9 a 话音压缩编码算法和 m p e g i i 多媒体压缩技术。 媒体实时传输技术：主要采用实时传输协议r t p 。 业务质量保障技术：采用资源预留协议r s v p 和用于业务质量监控的实时传输控 制协议r t c p 来避免网络拥塞，保障通话质量。 网络传输技术：主要是t c p 和u d p 。 多媒体 c ； 9 络面临的技术挑战包括：在非实时的网络上传送实时数据、在有限的 网络带宽上提供高速数据、网络可用带宽的小可预知性。 通信网络是多媒体应用的传输环境多媒体通信对信息的传输和交换都提出了 新的更高的要求，网络的带宽、交换方式及通信协议都将直接影响能否提供多媒体 通信业转。了多媒体通信的质角。多媒体通信网络的要求主要体i u 在以l 方面： # 媒体| i | j 多样化小f 一支音盯视! 面引i 擞扣阡 - - 卜“f _ “ p 网中多媒体业务流的识g u 和软件实现 ( 2 ) 交换节点的高吞吐量。 ( 3 ) 有足够的可靠带宽。 ( 4 ) 具有良好的传输性能，如同步、时延、误比特率等必须满足要求。 ( 5 ) 具备呼叫连接控制、拥塞控制、服务质量控制和网络管理功能。 这5 项是实现宽带多媒体通信必备的技术要求，即多媒体通信应该具有高带宽、 实时性、高可靠性即时空约束能力强等特点。 下表是对各种多媒体业务流的性能要求： 表3 - 1 多媒体业务性能要求 多戏体业务名称最大延迟抖动 最大时延平均吞吐率 可接收差错率 ( m s )( m s )( m b s ) 语音o 2 51 00 0 6 4 01 5 1 63 1 vpxc cmp t 序列号 时戳 同步信源( s s r c ) 标识符 特约信源( c s r c ) 标识符 图3 ，7r t p 报头格式 v ( 2b i t ) ：协议版本号； p ( 1b i t ) ：填充标志，标志报文尾部是否有填充； x ( 1b i t ) ：扩展标志，标志报文头后是否有扩展报文头； c c ( 4b i t ) ：c s r c 计数器，指示c s r c 标识符个数： m ( 1b i t ) ：净荷为视频数据时，标志一帧的结束，净荷为音频数据时，标志会 话的开始； p t ( 7b i t ) ：指示报文中净荷的类型； 序列号( 1 6b i t ) ：r t p 报文序列号，用于报文排序和恢复数据； 时戳( 3 2b i t ) ：源端发送第一个r t p 报文的八位组的采样时刻，用于计算延迟 和抖动，并进行同步控制： 同步信源( s s r c ) 标识符( 3 2b i t ) ：用于表示同步信源： 特约信源( c s r c ) 标识符( 3 2b i t ) ：可以有o 1 5 个，用于标识r t p 报文中有 效净荷中的所有特约信源。 3 5 2r t c p 报文 r t c p 定义了四种报文格式： 1 ) s r ：发送者报告报文 2 1r r ：接收者报告报文 3 ) s d e s ：信源描述报文 4 ) b y e ：结束报文 35 2 1s r 拯文 s r 报支由三部分组成：r t c p 报头，发送者涪息和接收者报告： 北7 u ，1 、享t 9 。一t 埒l 三辜业瑶1j ? p 网中多媒体业务流的识另u 和软件喜培见 o1 51 63 1 vp r c p t ( s r = 2 0 0 ) 报文长度 s s r c 标识符 n r p 时戳 n t p 时戳 n r p 时戳 一发送者报文计数 发送者有效净荷计数 s s r c1 标识符 报文丢失率报文丢失累计 接收报文的最高序列号 平均延迟抖动 最近发送s r 的时间( l s r ) l s r 的时间差( d l s r ) s s r c _ 2 的标识符 圈3 - 8s r 报文格式 v ( 2b i t ) ：础曙版本号； p ：lb i t ) ：填充标志，标志r t c p 报文尾部是否有填充八位组： r c ( 5b i t ) ：接收报告计数，指出接收报告块的个数： p t ( 8b i t ) ：报文类型； 报文长度( 1 6b i t ) ：r t c p 报文长度减l ： s s r c 标识符( 3 2b i t ) ；发送该s r 报文的同步信源标识； n r p 时戳( 6 4 b i t ) ：发送该s r 报文时的全局网络时间： r t p 时戳( 3 2b i t ) ：和n r p 时戳相一致的时间，但是必须和r t p 报文中的时戳 保持相同的对闯单位和相同的位移值； 发送者的报文计数( 3 2b i t ) ：开始发送r t p 报文至该s r 报文产生时间间隔内 共发送的r t p 报文总数； 发送者有效净荷计数( 3 2b i t ) ：开始发送r t p 报文至该s r 报文产生时间间隔 内共发送的r t p 报文有效净荷数，以八位组为单位，不包括报头和填充； 同步信源标识符s s r cn ( 3 2b i t ) ：最近传输时间间隔内曾向本机发送过r t p 报文的同步信源； 丢失率( 8b i t ) ：从s s r c 接收的r t p 报文的丢夫率： 撮支至失累i - ? f 二b i t ，：从s j r cn