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北京邮电大学硕士研究生学位论文 网络端到端性能测量系统实现 与网络分析 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。网络测量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，提供网络服务质量的验证和控制，对服务提供商的服务质量指 标进行量化、比较和验证。 本文是对网络测量技术的研究，并对丢包率测量的算法和模型做 了简单介绍，本文主要工作之一就是在此基础上设计出了网络测量系 统。通过对网络测量的理解，做出了系统的详细需求分析，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图形显示， 将端到端网络性能测量成为现实。该系统能够主动捕捉网络上的数据 包，或者主动向目的节点发送探测包，将这些数据包进行解析，得到 网络测量所需要的基本数据，再通过测量算法计算网络性能参数一丢 包率和时延，并将计算结果存入数据库，在需要的时候，测量结果以 图形的方式显示。同时本文还将测量结果以社会网络分析的理论加以 分析，这是本文的创新点之一，在此之前都没有过此类的结合。通过 网络分析，能够在量的层面上更加深入地了解网络拓扑结构，以及网 络的传输性能。网络分析的数据为网络拓扑规划以及优化提供了数据 上的参考，对网络的q o s 控制非常有意义。 关键词：网络测量丢包率时延网络分析 北京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t n e t w o r km e a s u r e m e n ts y s t e mi m p l e m e n t a n dn e t w o r ka n a l y s i s a b s t r a c t t h e s ey e a r st h ei n t e r n e tt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gf a s t e ra n df a s t e r t h er e q u i r e m e n to fr e s o u r c eo ni n t e r n e ti sg r o w i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t ， s ot h ei pn e t w o r kb e c o m e s l a r g e ra n dl a r g e r w i t ht h e s ec h a n g e s ，t h e m a n a g e m e n to fi pn e t w o r kb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x t h e i n c e s s a n ti n c r e a s i n go fn e t w o r ka p p l i c a t i o n sm a k e p e o p l ew a n t sh i g h e r q u a l i t yo fs e r v i c e ，s ot h eo p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to fn e t w o r kg e t m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t n e t w o r km e a s u r e m e n to f f e r sam e t h o dt o o b s e r v et h ei n t e r v a lo ft h en e t w o r k i ti su s e dt of i n dt h eb o t t l e n e c ko ft h e n e t w o r k ，o p t i m i z et h en e t w o r kc o n f i g u r ea n df i n dt h el a t e n td a n g e ri nt h e n e t w o r k t h e s ea r ev e r yu s e f u lt oi m p r o v et h em a n a g e m e n to fn e t w o r k c a p a b i l i t ya n do f f e rb e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c ea n dc o n t r 0 1 t h e m e a s u r e m e n tc a na l s om a k et h eq o s c o m p a r i s o n ，q u a n t i t ya n dv a l i d a t i o n t ob ep o s s i b l e t h i sp a p e ri sa b o u tt h en e t w o r kt o m o g r a p h y , a n di n t r o d u c e sm o d e l s a n da r i t h m e t i co fl o s sr a d i oa n dd e l a y o n eo ft h em a i nt a s k so ft h ep a p e r i sd e s i g n i n gt h es y s t e mo fn e t w o r km e a s u r e m e n t w em a d ead e t a i l e d r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，m o d u l ea n a l y s i s ，d a t a b a s ea n a l y s i sa n da tl a s tw e i m p l e m e n t e di t t h i ss y s t e mc a ns e n da n dc a t c ht h ei pp a c k e t so n n e t w o r ka u t o m a t i c a l l ya n dp a r s et h e mt og e tt h eu s e f u li n f o r m a t i o nw h i c h i st h eb a s ed a t ao fm e a s u r e m e n t w i t ht h e s eb a s ed a t aw ec a nc a l c u l a t e t h el o s sr a d i oa n dd e l a yo ft h en e t w o r k t h er e s u l t so ft h ec a l c u l a t i o nw i l l b ep u ti n t od a t a b a s e ，w h i c hw i l lb es h o wi ng r a p h i cu s e ri n t e r f a c eb y f i g u r ew h e nn e e d e d a tt h es a m et i m e ，w ea n a l y s i st h en e t w o r kb yt h e r e s u l to ft h em e a s u r e m e n tu s i n gn e t w o r ka n a l y s i st h e o r e m ，w h i c hi sa n i n n o v a t i o no ft h i sp a p e r ，b e c a u s eb e f o r et h i sp a p e r , n o b o d ya n a l y s i st h ei p n e t w o r kb yt h es o c i a ln e t w o r ka n a l y s i st h e o r y b yn e t w o r ka n a l y s i s ，w e 北京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c r c a nk n o wm o r ea b o u tt h en e t w o r ks t r u c t u r ea n dt r a n s m i s s i o nq u a l i t ya t t h eq u a n t i t yl e v e l t h en e t w o r ka n a l y s i sd a t ai sv e r yu s e f u lf o rn e t w o r k t o p o l o g yd e s i g n i n ga n di m p r o v i n g i ti sv e r yi m p o r t a n tt oq o s a l s o k e y w o r d s ：n e t w o r km e a s u r e m e n t ，l o s sr a d i o ，d e l a y , n e t w o r ka n a l y s i s 北京邮电大学硕士研究生学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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作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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 袋钮 日期： 2 俾么立。互2 关于论文使用授的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：鱼施日期：二理左立互旦 导师签名：聋冬聋日期：口坐趁! 墨：卑 北京邮电大学硕士研究生学位论文 网络端到端性能测量系统实现 与网络分析 第一章网络测量综述 近年来，随着计算机的普及，计算机网络也随之以爆炸式的速度扩张，网络已经 从7 0 年代只为少数用户服务的受紧密控制的小型网络发展成为一个大容量、分布式 网络。但是近3 0 多年来，因特网一直没有被有效监测和测量，现在随着因特网规模 的迅速扩大，加上因特网本身也出现了重大的变化，使因特网的网络测量成为迫切 需要解决的问题。 1 1 网络测量 所谓网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件和硬件工具来测试或验证表 征网络性能的指标的一系列活动的总和。由上可以看出，网络测量是一种技术，它 通过收集数据或分组的踪迹来显示和分析在不同网络应用下网络中分组的活动情 况。从研究的实质上看，网络测量可以把因特网从技术上升到科学，并且能够更好 地指导应用。可以说，对因特网的测量是对因特网进行控制的基础和前奏。根据测 量内容的不同，网络测量可以分为三类：网络拓扑测量，网络性能测量，网络流量 测量。 在国外，互联网性能监测这一行业已经非常发达，从事互联网性能监测的知名企 业有许多，如c a 、m e r c u r yi n t e r a c t i v e 、k e y n o t e 、b m c 、f r e s h w a t e r 等。这些公 司的股票在纳斯达克表现出色，颇受投资者青睐，像m e r c u r yi n t e r a c t i v e 这样的 中等规模的企业，其市值也在5 0 亿美元左右。 互联网性能监测这一行业正在细化，从t c p i p 体系结构来看，从接口层到应用 层，针对每一层不同协议有不同的产品：从网络应用来看，从公共网到服务器再到后 台数据库，针对每一部分都有监测工具；从功能来看，对网络安全、速度、可用性 等都有监测手段。这一市场的发展得益于发达国家相当完善的网络基础设施和相对 北京邮电大学硕士研究生学位论文 成熟的电子商务环境。在全球i t 市场上，有关互联网性能监测方面的产品和服务的 市场总值已达2 0 0 亿美元。 在我国，由于受网络带宽、互联网普及程度、网上交易环境等影响，互联网性能 监测这一行业发展相对较晚。但是，随着目前政府对网络经济的大力支持和软硬件 环境的不断完善，这一市场已经初露端倪。跨国公司在华业务的发展、金融证券业 网上交易的开展、传统企业的触网以及一些电子商务企业对自身竞争能力的要求已 经为这个市场的发展打下了初步的客户基础。因此，第三方互联网性能监测服务提 供商游龙科技应运而生，并且已经获得良好的市场反应。未来几年，随着我国全民 上网的普及和电子商务交易环境的日趋成熟以及网络竞争的日趋激烈，互联网性能 监测这一市场空间将得到极大的拓展。 1 2 网络测量的分类 网络测量与分析主要分为3 个研究领域： ( 1 ) 测量精确地捕捉定量的因特网及其活动的测量数据通常，网络测量的主要 参数包括r t t 、路径数据、带宽、延迟、瓶颈、突发业务量的频率、拥塞程度、动 态瓶颈、站点的可达性、吞吐量、带宽利用率、丢包率、服务器和网络设备的响应 时间、最大的网络流量、网络服务质量q o s ( 包括图像、数据、语音等服务的质量) 等需要指出的是，在网络层次的测量中，需要测量的一类属性是网络固有的，如它的 拓扑、连接容量、延迟：另一类属性反映了网络的当前状态，如排队延迟、连接可用 性、路由的动态性 ( 2 ) 模型化这是性能评价的核心问题建立正式的网络描述与模拟这种模 型的有效应用可实现对未来网络行为的预测 ( 3 ) 控制利用从测量和模型化得到的知识，实现因特网资源的合理配置与使用。 网络测量的分类标准有多种根据测量的方式，分为主动测量和被动测量：根据测 量点的多少，分为单点测量与多点测量：根据被测量者知情与否，分为协作式测量与 非协作式测量：根据测量所采用的协议，分为基于b g p 协议的测量、基于t c p i p 协议 的测量以及基于s n m p 协议的测量：根据测量的内容，分为拓扑测量与性能测量。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 2 1 主动测量 主动测量是在选定的测量点上利用测量工具有目的地主动产生测量流量，注入网 络，并根据测量数据流的传送情况来分析网络的性能。主动测量的优点是对测量过 程的可控性比较高，灵活、机动，易于进行端到端的性能测量；缺点是注入的测量 流量会改变网络本身的运行情况，使得测量的结果与实际情况存在一定的偏差，而 且测量流量还会增加网络负担。主动测量在性能参数的测量中应用十分广泛，目前 大多数测量系统都涉及到主动测量。 要对一个网络进行主动测量，需要一个测量系统，这种主动测量系统一般包括以 下四个部分：测量节点( 探针) 、中心服务器、中心数据库和分析服务器。有中心服 务器对测量节点进行控制，由测量节点执行测量任务，测量数据由中心数据库保存， 数据分析则由分析服务器完成。在主动测量项目中，测量的范围比被动测量大得多， 可大到全球如此庞大的测量体系，有可能造成较大的网络负荷，且难以统一配置和 管理。 在本课题中的时延测量中所用的就是主动测量方式，从源节点发送数据包到目的 节点，目的节点在收到该探测包后将时间戳加入探测包中发送回源节点，在源节点 将探测包解析，得到所需要的r t t 或者o t r ，达到测量端二端时延的目的。 1 2 2 被动测量 被动测量是指在链路或设备( 如路由器，交换机等) 上利用测量设备对网络进行监 测，而不需要产生多余流量的测量方法。在被动测量方式中，记录网络活动的探针被 接入到网络中，在大多数情况下探接到网络节点之间的连接上，汇总和记录那条连接 上业务流量的信息。被动测量的优点在于理论上它不产生多余流量，不会增加网络 负担；其缺点在于被动测量基本上是基于对单个设备的监测，很难对网络端到端的 性能进行分析，并且可能实时采集的数据量过大，另外还存在用户数据泄漏等安全 性和隐私问题。 在本课题中的丢包率测量就是集于被动测量的。测量时需要在源节点以及目的节 点安装相应的软件，相配合才能完成。这样的测量主要在一个特殊点观察网络的行 为，不增加和修改通过网络的数据负载，因此对网络的行为没有影响这种方法能够 达到对观察点网络行为的详尽理解。被动测量的前提是协作，否则无法在测量点安装 必要的软、硬件设备，其测量范围由此而受限。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 2 3 其他测量分类 从测量点的数量来讲，网络测量分为单点和多点测量在研究初期，许多工作都属 于单点测量，但因为测量能力有限，搜集的信息不全面，分布式多点测量应运而生，尤 其是多点主动测量，利用多个探测点得到的数据，能够综合出大规模的网络数据和单 点所得不到的交叉路由信息单点测试的典型例子是贝尔实验室的i n t e r n e t m a p p i n g 项目，这是一个非合作测量该项目成功地描述了科索沃战争期间南斯拉夫 和科索沃两个网络的拓扑变化情况，这表明在i p 网络测量中，单点非合作测量具有 相当强的网络探测能力这也是网络测量在军事领域中应用的典范。 在拓扑测量方面，多数项目显示的是逻辑拓扑关系图随着测量范围的扩大，整张 图规模结构也随之扩大，这时，人们往往希望与实际地域位置相对应，也就是具有地 理信息的拓扑图针对从几个源点到成千上万个目标点收集到的路径信息进行拓扑 结构和性能属性的可视化，并且开展了a s 的地理信息图方面的研究。 在性能测量方面，相关项目开展得较多，测量内容包括吞吐量、延迟、丢包率，并 作网络可靠性、稳定性、可达性等方面的分析这一方面是为了对一个特定网络进行 维护管理，保障服务质量，如p p n g g 和t r i u m f 项目：另一方面是为了预报网络性能， 如n p a c i sn e t w o r kw e a t h e rs e r v i c e 每隔一定的时间间隔，周期性地监视、动态 地预报( 各种网络及计算资源) 网络性能收集某一时刻的数据，通过数值模型预测下 一时段的t c p i p 端到端的吞吐量、延迟，主要用于广域网上的大规模计算的调度， 在元计算软件平台上开发服务质量保证更深入的分析，如异常检测，尚在研究之中。 网络测量与分析项目的开展已引起世界各国的高度重视，参与测量的国家遍及五 大洲以美国为例，该项目受到了美国国家科学基金会n s f 、美国国防部高级研究项 目处d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 、各i s p 、公司企业的 资助，著名高校也投身其中，如u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a ，s a nd i e g o ，c m u ，u l u c ， s t a n f o r du n i v e r s i t y ，u n i v e r s i t yo fo r e g o n 由此可见，这是一个不但具有广阔的 实际应用前景，而且具有极高的学术价值和深远的战略意义的课题。 1 3 网络测量的发展方向与技术难点 i p 拓扑测量 主要测量方法分为两类：基于s n m p 协议、基于i c m p 协议前者主要通过访问m i b 北京邮电大学硕二仁研究生学位论文 库进行拓扑关系的获取，由于权限的关系，适合于在具有管辖权的网络范围内进行测 量，所以难以推广应用。后者通过t r a c e r t 实现，可用于i n t e r n e t 上的大规模网络测 量，但当网络上安装有防火墙软件时，则无法进行测量。过程如下：首先得到网络i p 地址分段，然后利用路由追踪技术得到一个数据包从源i p 地址到目的i p 地址所经历 的所有路由器的i p 地址，对某一网络的所有i p 地址进行路由追踪，就会得到该网络 所有的路由器的i p 地址及互联关系。路由追踪技术是基于下面的原理来实现的：首 先以t t l = i 向目的i p 地址的一个不可达端口( 通常是1 00 0 0 以上的端口) 发一个u d p 包，这个包在经过第1 个路由器以后，将被路由器丢弃，同时路由器将向源主机发送 一个i c m p 包通知该包丢失，通过解开这个i c m p 包，就可以得到该路由器的i p 地址。 然后，我们再以t t l = 2 向目的i p 地址发u d p 包，重复上面的操作，直到返回的i c m p 包的类型为目的端口不可达，表明已经到达了目的主机，这样就得到从本机到目的主 机所经过的路由器i p 地址。目前，所有的路由器都支持这种实现方式根据由数据搜 集模块得到的路径总表，可以直接生成反映逻辑连接关系的路由i p 拓扑图，结合各 i p 所在的地理位置，可以生成城市覆盖拓扑图。 a s 拓扑测量 总的来说，生成a s 级拓扑图的方法可归结为基于b g p 路由信息的a s 图、基于 t r a c e r o u t e 的a s 图以及基于某些特性采用拓扑生成器合成( s y n t h e s i z i n g ) 雕ja s 级拓 扑图三类。其中，第1 种方法较为普遍该方法有被动测量和主动测量两种测量方式可 供选择前者在关键路由节点获取b g p 数据包，再采用有限状态自动机技术，对捕获的 b g p u p d a t e 报文进行处理；后者自备一台路由器，运行b g p 协议，通过与i s p 协商，与相 应的路由器建立b g p 对等连接，只接收路由更新报文，不转发用户数据，这需要对等双 方对相应路由器的正确配置。在大量测量数据的基础上，生成a s 拓扑连接图。通过 a s 拓扑连接图，可以直观地了解各a s 连接关系，分析出哪些a s 起重要作用，不仅可 以为新a s 的接入提供指导，而且还可以为将来信息战中的计算机攻防提供指导依 据。 基于t c p i p 协议的网络性能测量与分析 为了考察网络的稳定性、可达性、可靠性及网络服务质量，需周期性、连续测量 的性能参数包括丢包率、r t t 、流量、路径的平均跳数等：在此基础上，以时间为主线 分析各路径上各项指标的动态变化，以空间为主线统计分析某一时刻整个网络的整 体态势，如处于不同量级时延的节点总体数量分布等，分析端到端路由变化( 或跳数 的路由变化) 等。其他分析还包括，对探测得到的数据进行数据挖掘( d a t am i n i n g ) ， 或者利用已有的模型( p e t r i 网、自相似性、排队论) 研究其自相似特征由于对网络 北京邮电大学硕士研究生学位论文 性能测量的实时性要求较高，所以探测频率往往很大，但必须保证不要由此对网络造 成较大的额外负荷，同时注意隐藏探测踪迹。 网络运行态势综合分析 基于多个监测点，在不同时段收集的测量数据，生成被测网络的综合态势战略图， 真正实现“运筹帷幄而决胜于千里之外”该图除了具有不同层面属性的即时播放功 能以外，还可以通过颜色标注、声音提示等进行流量异常、故障报警，为防范大规模 网络攻击提供预警手段，同时，从网络攻击的角度，研究发展具有隐蔽性、高效的分布 式网络侦察测量方法另外，进行综合分析，为用户提供q o s 指数、病态路由报告，为 改正病态路由、制定网络路由策略、进行网络破坏后的网络资源自组织等提供第一 手依据。 测量与分析结果的可视化 网络测量与分析结果的可视化是一个关键环节通过研究，采用图形用户界面 g u i 、电子地图的任意缩放、拖动、电子地图的多层表示法、直方图、二维、三维坐 标曲线、扇形图、表格、报表、二维平面图形、三维立体图形等种种手段，结合g i s 技术，对态势图进行层次化、可拖动、交互式分级显示，直观、形象地表示出测量分 析结果折衷点在于，既要全面而客观地显示库中的数据，又要具有良好的视觉效果。 网络行为建模、网络仿真、网络趋势预测 网络拓扑发现和测量已经成为研究网络行为学的主要方法，网络行为的测量是整 个网络行为学研究的基础。网络行为的建模分析可采用排队论、p e t r i 网、马尔可 夫链、p o i s s o r l 过程等理论。由于i n t e r n e t 环境的复杂性、多变性、异构性，网络 行为的建模分析和仿真分析变得步履维艰。 网络测量的体系结构 随着时间的推移，网络测量将不断扩展升级，所以在设计实施之初，就要充分考虑测 量体系的可扩展性、可裁剪性及兼容性、容错性。 网络测量虽然有着广阔的发展前景，不过在实现时有其技术上的难点，以下做了 简单介绍： 拓扑准确度 单点测量因为测量能力有限，搜集的信息不全面：分布式多点测量，尤其是多点 主动测量，利用多个探测点得到的数据，能够综合出大规模的网络数据和单点得不到 的交叉路由信息，可以提高测量的准确度。 网络额外负荷 北京邮电大学硕士研究生学位论文 由于i n t e r n e t 是一个不断变化的庞大网络，网络测量要具有一定的实时性，并且 要尽量降低这种大规模测量所带来的额外网络负载，与探测点的数目和探测的周期 有关。 地理信息的全面、自动提取 传统的网管软件，在网址地理信息方面通常采用手工方式加以标注，这对于大规 模的广域网来说是难以实现的：另一方面，目前大多数网络测量项目中所显示的也只 有逻辑连接关系图，无法提供更切合实际的重要信息在逻辑连接图的基础上，通过 获取和分析i p 的登记信息和域名信息等构建地理分布图地理信息的全面、自动提 取具有一定的难度，地理信息的采集可通过w h o i s 信息库查询、域名反解析、特征字 匹配等技术提高其精确度。 易于维护的测量体系结构 随着时间的推移，网络测量将不断扩展、升级，所以，在设计实施之初就要充分考 虑测量体系的可扩展性、可裁减性及兼容性可扩展的测量策略允许用户在测量范围 扩大或减小的情况下，只做简单配置就能保证整个系统正常运行。 系统容错性 保证系统具有良好的容错性，系统运行中断后能够从断点处继续执行，而不必对 已测量过的探测目标重复进行测量。 隐藏探测踪迹 由于对网络性能测量的实时性要求较高，所以探测频率往往很大，为了不被误认 为是网络入侵，注意隐藏探测踪迹，采用随机算法选择探测顺序可以很好地解决这个 问题。 测量结果可视化 在测量结果的可视化阶段，由于数据规模的原因，如何在全面而客观地显示库中 的数据的前提下保证具有良好的视觉效果，是一个主要问题在逻辑连接图中，由于 在拓扑图中，点、线数量多且分布位置不确定，在绘制过程中会出现点线重叠、主次 不分的“麻团”现象，因此需要提高数据分析和图的生成速度。 1 4 网络测量的应用 测量网络的拓扑结构，对大规模网络结构进行动态描述，并根据网络的变化分析 北京邮电大学硕士研究生学位论文 网络的性能，对网络效率和行为作出评价至少具有以下几方面的应用： 故障诊断 某些网络部件的故障会干扰整个网络的运行，例如，广播风暴、非法分组长度、 地址错误、安全性攻击等，需要对这些故障进行诊断。 协议排错 网络的研制者经常要对网络应用和网络协议“新的、改进的”版本进行测试。 而网络测量能够为新协议和应用程序的正确运行提供手段，使其和标准保持一致， 或使老的版本向后兼容。 网络流量特征化 网络测量可使用统计技术来分析经验数据，从而提取出网络应用或网络协议的 特征。流量特征化使设计的网络协议和网络设备具有更好的特性。 性能评价 网络测量可用来考察某个协议或某个应用在因特网中的性能水平。网络测量的 详细分析能够帮助确定性能“瓶颈”。一旦解决了被确定的性能问题，就能够研制性 能更好的新协议。 其他用途 网络测量还有许多其他的用途，例如，用于选择服务器i s p 设备，用于验证网 络配置，用于设计因特网的新应用，用于配置网络或服务器，用于广域网中的负载 平衡以及用于计费等方面。 网络测量可放在不同的层次上，如在应用程序上，在主机上或在网络上；也可 以放在不同层次实体的交互过程中，如应用程序到主机或网络的交互中。因特网的 测量有许多常用的指标。例如，分组时延( 单向或往返时延) 、丢包率( 即分组丢失率) 、 带宽( 包括容量、“瓶颈”带宽、可用带宽) 、可达性、路由和跳数、网络系统的性能 ( 包括服务器性能、客户性能和网络路径性能) 等。 1 5 课题研究方向 由于i n t e r n e t 分布化、异质的特点使得诸如动态路由、优化服务配置、服务等 级检测等网络行为变得难以控制，这一问题不能依赖检测单个主机和路由器协作得 到的网络流量测量数据加以解决；同时，不同于电话网络那样有规则地组织起来， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i n t e r n e t 的发展处于不受控制的开放环境，它的子网管理是相互不协作的，所以直 接从网络设备收集数据，反映网络运行状况，一般限制在一个较小的可管理范围内， 这样更加重了问题的复杂性。因此，越来越有必要对网络的整体拓扑结构和网络行 为进行深入的了解、分析，以利于发现网络瓶颈，优化网络配置。因而需要对网络进 行研究，其最终目的就是建立高效、稳定、安全、互操作性强、可预测以及可控制 的网络，i n t e r n e t 测量是获得第一手网络行为指标和参数的最有效的手段。 目前，i n t e r n e t 测量研究工作大致可划分为三部分：端到端性能测量( 主要包括 性能拓扑推测、时延、丢包率测量、带宽测量等) 、路由路由器相关测量( 包括流 量抽样技术、根据路由器端口流量推测端到端流量特征、路由器参数推测、路由器 协作测量协议、路由测量、网络距离推测等) 、应用层测量( w e b 测量、d n s 系统性 能测量等) 。其中对于端到端的网络性能测量，如果能利用端一端的测量结果，为网 络性能建立模型，推测网络内部节点的运行参数，将为因特网的测量和管理提供有 力的支持。 端到端性能测量的研究最初是由m i n c 项目中组播树丢包相关的研究引发，而后 推广到单播网络以及其他性能的研究中。其又称为网络断层成像( i n t e r n e t t o m o g r a p h y ) ，是一个新兴的领域，它利用端一端q o s 测量结果，比如测量端一端的时 延、丢包率，使用统计信号处理技术进行计算，推测网络的运行参数，比如各节点 间链路的时延、丢包率等。 端到端性能测量 ili i 时钟同步单向时延端到端拓扑性能推测带宽推测 时延拓扑推测时延性能推测链路带宽 丢包拓扑推测丢包性能推测瓶颈带宽 可用带宽 图1 - 1 端到端性能测量分类图 本课题主要针对端到端的丢包率进行研究。课题主要从以下四个方面进行研究： 1 ) 网络性能测量的模型及算法的研究 2 ) 算法的m a t l a b 仿真和n s 2 仿真 3 ) 实际测量 北京邮电大学硕士研究生学位论文 4 ) 网络拓扑性能分析 1 6 论文体系结构 本文共分六章，第一章首先对网络测量做了简单的综述，说明了国内外网络测量 的发展情况，着重介绍了网络性能测量，讲述了其功能作用，技术难点，以及分类 情况，在此基础上，提出了本次课题研究内容。在课题最后得到网络性能参数后， 本次课题不仅将测量结果通过软件显示出来，还利用社会网络分析的理论对得到的 数据进行了分析，因此第二章对社会网络分析做了简单介绍。论文的三四五章主要 介绍了本人在课题中的工作。第三章介绍的是前期工作，主要是理论研究，以及算 法仿真和实验网络搭建。第四章介绍了系统软件的需求分析，数据库设计以及编程 实现。第五章是对测量得到的数据用社会网路分析的理论进行了分析，主要针对网 络拓扑结构进行了分析，优化。第六章对本课题进行了总结，并对系统的展望。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章网络分析 弟一早 网z 台，刀俐i 2 1 社会网络分析的兴起 社会网络分析是一中比较成熟的社会科学研究范式( p a r a d i g m ) ，它不是在一个学 科中发展出来的，而是在众多学者的不断努力下，在多个学科中相对独立的发展壮 大的。社会网络分析是多个科学领域的几代学者用7 0 多年的努力不断积累，丰富而 成熟的。最初对社会网络感兴趣的是英国著名的人类学家布朗，它在对社会结构的 关注中，以相对来说非技术的形式提出了“社会网络”的思想。从3 0 年代到7 0 年 代，越来越多的社会人类学家开始构建布朗的“社会结构”概念，认真思考“社会 结构”和“社会网络”这些概念和隐喻。这些结构化的隐喻目的在于理解“相互缠 绕”和“关联在一起”的关系，而社会运动恰恰是通过这些关系组织在一起的。渐 渐的“社会网络”这一概念逐渐形成，同时社会网络的一些关健概念也随之产生， 诸如“密度”、“中心度”、“中心势”等。从2 0 世纪7 0 年代以来，一部分社会网络 专家利用形式化方法表征各种概念，出现了许多网络分析技术，网络分析也开始得 到广泛应用。现在，网络分析已经正式的进入了社会研究的主流，对其他学科产生 了越来越大的影响。 社会网络分析的发展主要是由于以下三个因素的出现： 1 社群图分析，通过图论方法的运用带来了社会网络分析技术上的发展。 2 2 0 世纪3 0 年代的美国哈佛大学的学者研究出了人际关系得模式，发展出“派系” 的概念。 3 英国曼彻斯特大学的人类学家在前两者的基础上考察了布洛赫乡村“社区”的关 系结构。 必须特别指出的是，由于多学科的学者对于“社会网络”的热情关注使得社会 网络具有丰富的含义。一般而言，目前对于“社会网络”的使用有两种含义。一种 是将网络作为一种分析工具；另一种则是将网络视之为一种现实存在的实体从而使 之得以成为一种多学科关注的研究对象。对于前者，我们可以将社会网络分析看作 一种对于以关系作为基本单位进行分析的实证研究方法。在网络分析学者看来，关 系指的是行为主体之间的现实存在的而非抽象的关系，在这里，行为主体既包括个 北京邮电大学硕士研究生学位论文 体也包括个体的总和，如群体、企业、国家等。从这个定义出发，不同的学科都在 社会网络分析这里找到了共同语言对于关系的关注。 在本课题中，我们所关注的不是人与人之间的关系，而是i p 网络中计算机节点 之间的关系，我们通过对网络分析的几个参数，对计算机网络做了一些比较初步的 分析。通过这些基本的分析，我们对i p 网络可以做出一些优化，使得网络的效率更 高，同时也使得节点之间的通信更加畅通，提高了网络的通信质量，保证了q o s 。 2 2 社会网络分析的现状 社会网络分析这种方法从诞生伊始，即表现出两种不同的研究取向。一种是整体 网络分析；主要研究的是群体中不同角色的关系结构，学术渊源主要来自于莫雷诺 创立的社会测量学。在莫雷诺时期，主要是引进数学的图论，使用社会关系图来代 表小群体间的人际关系。然而，这种方法仅仅适用于小群体，一旦研究人数超过十 个以上，图形将变得格外复杂，从而失去它本来简明的优势。之后，研究者引进数 学中的矩阵方法，才为研究更多的被试提供了可能。目前，整体网络分析集中于社 会心理学中的小群体内部关系研究，探讨网络结构随时间的变迁和网络中成员的直 接或者间接的联系方式，使用的主要概念有：侧重衡量整体网络结构的簇( c l u s t e r s ) ， 桥梁( b r i d g e s ) ，紧密性，中距性，中心性等；侧重网络中不同角色地位的：明星( s t a r s ) ， 联络人( 1 i a i s o n s ) ， 孤立者( i s o l a t e s ) ，结合体( c o a l i t i o n s ) ，小集团( c l i q u e s ) 等： 这一领域的代表人物是l i n t o nf r e e m a n 以及s a i ( 社会网络调查表) 的作者t r e a d w e l l ( 1 9 9 3 ) 等人。 另一种研究取向则是自我中心网络分析。主要关心的问题则是个体行为如何受到 其人际网络的影响，进而研究个体如何通过人际网络结合成社会团体，学术渊源主 要来自于英国人类学家的社区研究。这一类研究目前集中在社会学尤其是新经济社 会学的研究之中，并且逐渐拓展到社区、社会阶层、流动人口、社会变迁等整个社 会学研究领域。在此使用的主要核心概念则主要有：网络的范围；网络的密度以及 网络的多元性；强弱联系。可以说，在这一研究领域，社会学领域的人才辈出，著 名人物至少有：提出嵌入性概念的格拉诺维特( g r a n o v e t e r ，1 9 7 3 ) ，提出市场网络 观的怀特( w h i t e ，1 9 8 8 ) ，提出社会资源理论的林南( l i n ，n a n ) 以及提出结构空 洞理论的博特( b u r t 1 9 9 2 ) 。 目前，两种网络分析方法都得到了广泛运用，国外社会网络一词已经广泛运用于 北京邮电大学硕士研究生学位论文 社会学、经济学、人类学以及心理学等领域。并且创办有专门的国际学刊：社会结 构( j o u r n a lo f s o c i a ls t r u c t u r e ) 、社会网络( s o c i a ln e t w o r k s ) ，同时由多学科研 究者组成专门的国际学会：i n s n a ( i n t e r n a t i o n a ln e t w o r kf o rs o c i a ln e t w o r k a n a l y s i s ) 探讨网络话题。1 9 9 7 年的管理科学杂志，1 9 9 8 年的管理与组织的 国际研究、组织科学、组织研究、战略管理杂志等都针对网络问题进行了 专题讨论。欧洲1 9 9 8 年设立了“欧洲管理与组织结构转型”的专f - l 究项目，加拿 大多伦多大学的w e l l m a n 等人近年来则对计算机网络支持的社会网络情有独钟。 2 3 社会网络分析的研究方法 尽管存在着两种不同的社会网络分析的思路，然而社会网络分析学者都遵循一些 基本的思路，w e l l m a n 将其归纳为以下五个基本原则： 。 1 对行为的解释由个体属性转向限制行为主体的网络特征。社会网络分析不强调研， 究个体属性而是强调研究人类行为的社会关系。这意味着，与以往的社会心理学! 研究在研究个体的时候，将人划分为某种固定的类型的做法不同的是，社会网络t 分析更强调关系中的人，个体是通过相同的结构位置组成群体，而不是靠相同的， 类别化成员关系( e q u i v a l e n tc a t e g o r i c a lm e m b e r s h i p s ) e l l 成群体。在行为者的主体。 作为国家的层面，一个常常为经济学领域的社会网络分析学者引用的例子就是，4 发展中国家、发达国家的分类就属于强调个体属性的分类方法，而将世界划分为 中心、边陲、半边陲则是属于网络分析。 2 社会网络分析关注的是不同行为主体之间的关系而不是将关系还原为其内在属 性和本质特征的规则，认为解释行为主体如何采取行为的规则来自于社会关系结 构体系中的位置( l o c a t i o n ) 而非动机。 3 社会结构决定二人关系( d y a d i cr e l a t i o n s h i p s ) 的运作。以往在研究二人关系的 时候，研究者往往只限于研究关系，而较少的考虑网络中其他关系对于二人关系 的存在以及与二人关系的互动。社会网络的存在并且成为二人关系发展的背景， 而且影响到二人关系发展过程中的资源配置。如，引入社会网络分析之前的对 c m c ( 以计算机为媒介的沟通) 进行研究建构的理论( k i e s l e r ，1 9 8 4 ) 多是单 向的，很少考虑到信息流以及其他关系的存在。 4 世界是由网络而非群体构成的。从第一点出发，网络分析学者认为世界并非由像 无产阶级与资产阶级这样的无数群体组成的，而是由网络组成，同时，网络分析 北京邮电大学硕士研究生学位论文 也不排斥群体，群体不过就是有严格限制与紧密联系的社会网络。 5 网络方法取代和补充个体方法。社会网络分析方法是一种将关系作为基本统计处 理单位而非将个人作为一个独立的统计单位的研究方法。矩阵方法与数学模型的 广泛运用以及对于关系的处理成为社会网络分析方法统计处理的时候的一大特 色。 在近期的一篇综述社会网络分析研究的论文中，米歇尔( m i c h a e l ，1 9 9 7 ) 对种种 不同的社会网络概念进行整合，发展出社会网络分析的四个维度，同样也可以看作社 会网络的四个基本构成要素： 1 结构要素。结构要素就是指行为主体之间的关系形式与关系强度。如，在一个青 少年吸烟群体中，处于不同结构地位的青少年对于同伴的影响是明显不同的。使 用处于网络中心地位的同伴劝阻吸烟行为的效果更为显著。 2 资源要素。资源要素指的则是网络中流动的事物，包括能力、知识、财产、性别、 宗教、个性等等。行为主体的资源既包括自身所占有的资源，也包括能够接触到 的资源。 3 规则要素。规则要素指的则是影响行为主体的的各种规则。 4 动态要素。网络也总是处在不断地发展过程之中，动态要素指的就是影响到网络 形成与变化的各种机会与限制。 社会网络的概念和分析过程不同于传统的统计分析和数据分析，他的数据社会科 学数据，包括以下三种类型： 属性数据 属性数据( a t t r i b u t ed a t a ) 是关于行动者的自然状况、状态、观点以及行为等方 面的数据。一般为个体或网络所有的性质、特点等属性。例如在本文中，我们所收 集到的仿真网络链路的丢包率，时延等属性，我们用社会网络分析的观点通过现有 的统计程序对其进行定量分析，本课题用到的是u c m e t 。网络的丢包率，时延被看 成是特定变量的取值。 关系数据 关系数据( r e l a t i o n a ld a t a ) 是关于联系、联络或者聚集等方面的数据。网络中的 任何一个节点都处于关系中。这类数据把一个节点与另一个节点连接在一起，因此 不能还原为单个节点的属性。关系不是节点的属性，而是整个网络的属性。这些关 系把多对行动者联系成一个更大的关系系统。随着节点