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北京邮电大学硕士学位论文中文摘要 i p 网络链路利用率测量技术的研究 摘要 p 网络性能测量对网络研究与发展十分重要，可以用于分析当前 i n t e m e t 的基本特性，如网络体系结构和流量模型等。i n t e m e t 因其异构 性、业务类型的多样性且变化的随机性，使得人们对i n t e r n e t 网络体系 结构很难准确地把握，数学模型越来越难以建立，从而导致网络测量 成为唯一可行的方法，也是网络发展的一项重要课题。 我们提出了一种新型的口网络链路利用率测量方法基于逐跳 时间标签的链路利用率测量方法。该方法主要通过从源端向网络发送 探针，逐跳记录时延，通过对时延数据的处理得到链路利用率。 同时，我们研究了该测量方法在无线环境中的应用情况。通过选 取i e e e 8 0 2 1 l b 无线局域网作为无线测量环境，并且根据无线链路的 特点从三方面改进了测量方法。一、根据无线链路的带宽，重新选择 探测报文发送频率；二、通过增加链路忙闲状态序列值的方法来提高 测量的精确度；三、提出了丢包补偿算法改善无线链路高丢包率对测 量造成影响。 最后，在有线链路利用率测量中引入q o s 机制，考察在d i f f s e r v 环境下各种不同优先级业务的链路利用率的测量，并且对测量的准确 性进行判断，最后分析了测量误差存在的原因，并提出了在下一步工 作中的改进空间。 关键词网络测量、无线局域网、服务质量、区分服务 北京邮电大学硕士学位论文英文摘要 r e s e a r c h o fi pn e t w o r kl i n ku t i l i z a t i o n m e a s u r e 【e n t a b s t r a c t p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n to ni pn e t w o r kp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n 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 k , b e c a u s ei tc a nb eu s e dt oa n a l y z e e s s e n t i a lp e r f o r m a n c eo ni n t e r n e t , s u c ha si n f r a s t r u c t u r eo fn e t w o r ka n d t r a f f i c 。e t c i n t c r n e ti san e t w o r kw h o s ea r c h i t e c t u r e , p r o t o c o la n d a p p l i c a t i o na r ec o m p l i c a t e d ，s oi t st o p o l o # e sa r ed i f f i c u l tt ob em a s t e r e d a n di t sm o d e l sa r ed i f f i c u l tt ob eb u i l t t h u s m e a s u r e m e n tb e c a ) m e st h e o n l ym e t h o da v a i l a b l et or e s e a r c hi n t e r n e te n d - t o e n dd y n a m i c s ，a n di ta l s o b e c o m e si m p o r t a n tt od e v e l o pi n t e r n e t an o v e la p p r o a c ht ol i n ku t i l i z a t i o nm e a s u r e m e n t ，w h i c hi sb a s e do n t h et i m es t a m po fe a c hh o p ，i sp r o p o s e d 1 1 1 es o u r c es e n d sp r o b ep a c k e t s ，i n w h i c ht h ec u r r e n tr o u t e rt i m ei sr e c o r d e d t h em u l t i p l ep r o b i n gr e s u l t sa r e p r o c e s s e d ，a n dt h eq u e u i n gd e l a yo fe a c hp r o b i n gp a c k e ta r eo b t a i n e d , w h i c hi sf i n a l l yt r a n s f o r m e di n t ol i n ku t i l i z a t i o n m e a n w h i l e ，w es t u d i e dt h e a p p l i c a t i o n o ft h el i n ku t i l i z a t i o n m e a s u r e m e n tm e t h o di nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t i e e e 8 0 2 1l bi sc h o s ea s aw i r e l e s sm e a s u r e m e n te n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h e w i r e l e s sl i n k , t h r e ei m p r o v e m e n to ft h em e a s u r e m e n tm e t h o di sd e v e l o p e d f i r s t , a c c o r d i n gt ot h ew i r e l e s sb a n d w i d t h ，t h ef r e q u e n c yo ft h ep r o b e p a c k e tt r a i ni sc h o s e ；s e c o n d ，t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi si m p r o v e db y i n c r e a s i n gl i n k - b u s y - s t a t es e q u e n c ev a l u e s ；r d ，l o s sp a c k e t c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o ri m p r o v i n gt h ei m p a c to ft h eh i g h p a c k e td r o pr a t ei nt h ew i r e l e s sl i n k f i n a l l y , q o si si n 仃o d u c e dt ot h ec a b l el i n ku t i l i z a t i o nm e a s u r e m e n t u n d e rd i 髓e r ve n v i r o n m e n t t h el i n ku t i l i z a t i o na b o u tv a r i o u sp r i o r i t i e s 英文摘要北京邮电大学硕士学位论文 s e r v i c e si sm e a s u r e d a n dt h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ti sj u d g e d ，t h e r e a s o nf o rt h ee x i s t e n c eo ft h em e a s u r e m e n te r r o ri sa n a l y s e d k e yw o r d sn e t w o r k m e a s u r e m e n t ，w l a n ，q o s ，d i f f s e r v 声明 独创性( 或创新性) 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：纠刍日期：迦亟! 芝：兰三 关于论文使用授权的说明 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： 型刍1 3 1 1 1 1 ：1 生亚：堕：兰三 导师签名： 互f 筮羔丛。 日期：丝丑2 玉圭兰 北京邮电大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1i p 网络发展现状以及研究网络测量的意义 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 ( 美国国防部高级研究计划 局网络) 的基础上发展起来的，在刚开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 ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 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，加之 不同网络之间互联互通的迫切需要，促使了t c p 佃的迅速普及。到9 0 年代初期， 由于超文本标记语言( 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 ) 的出现，使在网页中包 括超文本连接成为可能，从而使得普通用户可以通过浏览器自由地访问网络上的 信息，促使了i n t e r n e t 的巨大发展。随着i n t e m e t 规模不断地扩大和上网用户人数 的增加，通过i n t e m e t 传输的信息量正在不断地呈现出以指数速率方式增加。同 时，由于一些新型网络应用的出现和网络用户对网络服务需求的变化，通过网络 传输信息的结构组成也发生了巨大的变化。 在我国，i n t e r n e t 虽然发展较晚，但近年来一直处于高速发展之中。截止2 0 0 6 年1 月1 7 日，中国互联网络信息中一i j , ( c n n i c ) 发布第十七次中国互联网络发展 状况统计报告，截至2 0 0 5 年1 2 月3 1 日，我国网民人数达到1 1 1 亿，上网计算 机数达到4 9 5 0 万台。我国大陆的i p v 4 地址数已达到7 4 ，3 9 1 ，2 9 6 个，仅次于美国 和日本，位居世界第三。我国域名总数为2 , 5 9 2 ，4 1 0 个，c n 下注册的域名首次突 破百万大关，达到1 , 0 9 6 , 9 2 4 个。网站数为6 9 4 ，2 0 0 个，比2 0 0 4 年增加2 5 ，3 0 0 个。 根据报告的热点数据分析，近两来来带宽用户、口地址数量、c n 域名数量的快 速增长，反映了我国互联网基础资源的快速发展。同时，互联网技术创新领域也 取得了新的发展。2 0 0 3 年以来，宽带、p 、无线接入、无线局域网、移动互联、 计算网格技术、搜索引擎、数字家庭、i p v 6 等领域的研究和示范都取得了长足进 展；在互联网相关技术研究开发方面，中阃件技术、网络信息资源开发、应用系 统软件等领域，也取得了许多新的成绩。在互联网服务创新领域，网络教育、网 上银行、在线交易、网络广告、网络新闻、网上视频服务、收费邮件服务、理电 话、短信服务、网上人才服务、网络资讯服务、网络游戏等服务业务的创新欣欣 向荣。 随着网络尤其是i n t e m e t 的飞速发展，网络的规模不断扩大，网络流量爆炸 北京邮电大学硕士学位论文 式增长，特别是新的网络协议和网络业务的出现，以及网络路由设置等网络配置 造成的网络变动，使得网络的复杂性急剧上升，网络的异构性愈来愈剧烈；网络 测量和分析诊断己经成为人们认识网络、了解网络、更好地使用网络的重要手段。 互联网服务提供商需要通过配置网络性能测量系统来监测网络行为特征，从而配 置应用系统，使之提供更高的服务质量；网络用户需要一定的标准和手段以测量 应用系统的网络性能，从而确定应用系统提供的网络服务质量状况，以此作为选 择满足不同需求服务质量的应用系统的依据。愈来愈多的应用需求急待完善的网 络测量分析评价系统和各种测量工具，但是由于i n t e r n e t 发展的特殊性，人们对 于i n t e m e t 流量模型、网络行为、性能指标都缺乏精确的理解和描述，对网络测 量技术的研究明显滞后于网络及其应用的飞速发展，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 目前虽然己经制定了一些网络性能评价指标，但是这些指标还远不能构 成一个完善的系统，并且对于不断出现的各种新的应用而言，还没有标准化的指 标出现。 ( 2 ) 现有的评价网络性能的手段主要还是用于评价早期小规模网络的纯数学 方法如概率方法，这对于大型网络显得有些力不从心，传统的以经验为主解决网 络问题的方法，这些方法既不可靠又过分依赖于人。 ( 3 ) 同时，现有的测量工具也难以满足对于各种不同应用进行精确测量的需 求。 i n t e m e t 迅猛发展与网络测量分析领域相对滞后的现状使互联网这个庞大而 重要的有机体变得越来越不可预期。 网络测量的直接目的是获取与网络运行有关的流量数据，而这些流量数据最 终将服务于网络工程的各个方面。从总体上说，可以包括流量描述、网络监控和 流量控制三个方面。网络测量是获得网络行为第一手指标参数的有效手段。通过 网络测量和分析，可以： ( 1 ) 探讨网络行为和运行规律，为仿真模拟i n t e r n e t 环境、协议设计与评价以 及网络行为分析提供研究基础，为i n t e r n e t 流量工程和网络行为学的研究提供基 础辅助依据及验证平台。 ( 2 ) 网络测量是网络管理的前奏和基础。通过网络测量可以更加有效地认识 和了解网络的性能，进行高效地网络性能管理；可以用于网络故障管理，对网络 故障进行迅速定位；通过流量的监测和分析，发现网络异常，对网络攻击进行监 测和防范，保证网络安全运行。 ( 3 ) 网络服务质量( q o s ) 的验证和控制。应用于对不同i s p 服务质量的指标量 2 北京邮电大学硕士学位论文 化、比较、验证、移动m 的位置发现、代理服务器的自动选择等许多方面 ( 4 ) 网络优化和设计。网络管理者通过测量其网络的流量情况和尽量多的指 标数据信息，可以更好地管理网络和改善网络的运行状况。通过对网络流量和参 数进行长期的监测，可以分析网络的整体发展趋势，更好地预测和规划网络。 ( 5 ) 新业务对网络影响的评估。通过对业务流路径上各网络设备的主要网络 参数的实时测量可以获得相当准确的数据，可以用来评估新业务在现有网络上开 放的可行性，若不可行，通过对相关网络参数的调整来解决问题。 ( 6 ) 基于流量的计费。目前，各大运营商为i s 网络用户提供的服务主要有 专线和宽带拨号接入，由于网络提供者不能够统计全部用户的准确流量情况，因 此大多数还是采用固定租费的形式，这对一般用户和i s p 来说，都不是一个好的 选择。而利用网络监测和测量的一些工具和手段，就可以实现对用户流量的监测。 ( 7 ) 网络应用状况监测与分析。了解网络的应用状况，对网络提供者和技术 研究者都很重要。通过网络应用监测，可以了解网络上各种协议以及网络的使用 情况，适时根据用户的使用特性调整网络参数。i n t e m e t 上用户数据包的平均包长 会随着应用的变化而变化，当网络的应用由以w w w 、f t p 、e m a i l 为主转向各种 实时应用时，用户数据包的统计平均包长会越来越短，而现有网络设备f 如路由器、 交换机1 的处理性能与这些数据紧密相关。网络提供者可以通过测量并监控该类数 据对网络进行更好的规划和设计，研究者也可以据此研究新的协议与应用。 建立高效、稳定、安全、可靠、互操作强、可预测、可控的网络是网络研究 的最终目标，而网络测量是获得网络行为第一手指标参数的有效手段。在测量的 基础上建立网络行为模型是理解网络行为的必要途径，只有在该基础上才可以设 计高性能健壮的网络协议和网络设备，科学规划和建设网络，保证网络的运行和 关键业务的完成。 1 2 课题背景 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 征网络性能的指标一系列活动的总和。网络测量技术的研究对协议工程、网络设 备开发、网络规划设计、网络操作管理都是至关重要的： ( 1 ) 网络测量技术是及时了解网络运行状态、检测网络拥塞、动态分配调整 网络资源、保证应用q o s 的基础和必要手段。 ( 2 ) 网络测量技术是建立精确网络行为模型的重要手段。精确的网络行为模 型是流量工程、网络容量规划设计、高效网络协议设计、高性能设备开发等的基 3 绪论北京邮电大学硕士学位论文 础。网络技术的快速发展，网络规模和网络用户不断增加，新的网络应用不断出 现以及各种网络应用业务量的比例不断变化，各种不同的网络应用具有不同的流 量特征、带宽要求、数据包传递方式等行为特征，使得人们仅仅使用数学仿真、 排队等统计理论建立网络行为模型是远远不够的。 ( 3 ) 网络测量技术是传统网络管理系统必要有益的补充，通过网络测量技术 可以分析网络承载的主要和关键业务，了解用户使用强度、频度、流量等行为模 型，预测和快速定位网络故障，改进协议和应用的设计和实现。 网络测量与分析项目的开展己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 、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 f c a l i f o m i a 、s t a n f o r du n i v e r s i t y 等。由此可见，这是一个不但具有广 阔的实际应用前景，而且具有极高学术价值和深远战略意义的课题。 链路利用率是网络中的一种重要资源。它主要是指链路平均被占用的程度， 是指在单位时间内一条链路传输数据的时间的比例，反映了单位时问内链路的忙 闲状态。如果信道利用率是l o ，就表示这个信道平均在1 0 的时间是被占用的 ( 处于忙的状态) ，而平均在9 0 0 的时间是不被占用的( 处于空闲状态) 。对于 像文件传输或者多媒体流这样的数据密集型应用而言，链路利用率的大小直接影 响到服务的性能。 由于通信链路往往都是为广大用户所共享使用的。从用户的角度考虑问题， 用户当然希望通信信道的利用率很低，越低越好。在这种情况下，用户什么时候 想使用就可以使用，不会遇到链路太忙无法使用的情况。用户使用公用的通信链 路是随机使用的，如果在某个时间，使用链路的人数太多，链路就可能处于繁忙 状态，这时，有的用户就无法使用这样的信道。 从i s p ( i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 公司的角度考虑问题时，他们要考虑到通信 线路的建设成本和利润。如果i s p 公司使通信链路的容量能够应付用户通信量最 高峰，那么这种链路的造价一定很高，而在平时，这种链路的利用率肯定是很低 的。这样，在经济上就很不上算，或许还要赔钱。因此，i s p 公司总是希望他们 所建造的通信链路的利用率要高一些，越高越好。 于是，矛盾就出现了。由于链路的利用率总是很高，用户经常无法得到满意 的服务。于是用户不满意的投诉增多，甚至不愿意再使用这个公司提供的服务， 这就迫使电信公司加大投资对通信线路进行扩容，以降低通信链路的平均利用率。 因此，不论从用户的角度还是i s p 的角度出发，链路利用率都是相当重要的 4 北京邮电大学硕士学位论文 测量指标之一从用户角度出发，用户希望了解所使用的通信链路的链路利用率， 保障自己所享受的利益；从i s p 角度出发，i s p 希望能够根据当前通信链路的链 路利用率来合理调整通信链路的扩容，以保证在满足用户需求的前提下，用最小 的成本获得最大的利益。 本文提出了采用一种新型的p 网络链路利用率测量方法，通过主动测量的方 法，从网络的边缘端即可测量网络中通信链路的链路利用率，了解当前网络实际 状况，从而动态分配网络资源，确保服务质量q o s 。 1 3 作者的工作内容 本论文的研究工作开始于2 0 0 5 年6 月，得到了华为高校基金的支持。本文的 研究主要以强网络为背景，利用口报文时间戳选项来获取链路的利用率，重点 侧重于在特定网络环境中测量链路利用率。 本文研究的主要内容有； ( 1 ) 无线网络链路利用率测量技术的研究 较之有线网络测量技术，无线网络测量有其独特的挑战性。在有线链路中适 用的网络测量方法，在无线环境中使用时不得不考虑无线链路的不稳定性、窄带 宽、高丢包率的特点。本文选取8 0 2 1 1 系列标准的无线局域网作为信道利用率的 测量的环境，考虑在资源受限以及高丢包率的情况下如何调整测量算法，使测量 方法适应无线网络测量的要求。 ( 2 ) 区分服务环境下的链路利用率测量 随着疋网络业务的高速发展，i pq o s 问题成为当前的一个热点问题。i pq o s 研究范围很广，不仅包含路由和业务流量控制，还涉及到网络管理、计费和网络 测量等。其中q o s 测量是一个新的研究课题，其目的是用测量手段取得网络的 q o s 参数。本文选取区分服务框架作为q o s 测量环境，目的在于测量各种不同优 先级队列的链路利用率。 1 4 论文结构及章节安捧 本文的主要组织结构如下： 第一章将对本文所要研究的主要内容进行综述和概述。阐述了i n t e m e t 的起 源和发展现状，以及高速发展的网络环境下网络测量技术的相对滞后性，说明了 网络测量技术对网络发展的重要意义。同时分析了链路利用率测量的课题背景。 5 北京邮电大学硕士学位论文 第二章将针对网络测量技术进行分析和研究，详细介绍了当前网络测量技术 现状和关键技术，以及在本文中使用的链路利用率测量方法。 第三章提出在无线局域网环境下的无线信道利用率测量方法。概述了无线局 域网发展现状以及主要技术，重点介绍8 0 2 1 1 系列技术标准。并介绍了在此基础 上进行的测量方法，以及o p n e t 仿真结果，最后对仿真结果进行了分析。 第四章提出了在区分服务框架下对于不同优先级业务的链路利用率的测量方 法。简要介绍了q o s 发展现状以及主要技术，说明了仿真测量结果，最后对仿真 结果进行了分析总结。 第五章对所有研究结果的总结，以及对下一步工作的展望。 6 北京邮电大学硕士学位论文网络测量方法概述 第二章网络测量方法概述 伴随着飞速增加的带宽、实时和多媒体应用的普及、几乎持续地以指数规律 增长的规模，i n t e m e t 的控制机制和行为特征日趋复杂和难以理解。为了认识和理 解现代互联网络的行为特征和性能表现、保证和提高现有网络服务质量、推动互 联网和信息基础结构的健康发展，研究i n t a m o t 网络测量势在必行。 2 1i p 网络测量的基本概念 2 1 1 测量实体 测量实体指的是在网络测量活动中要获得的数据或者对象。在网络测量分析 中，确定网络测量实体以及指标，直接影响网络测量分析的内容及其全面性、合 理性和有效性。例如带宽、时延、时延抖动、丢包率、流量或吞吐量等指标都是 众所周知的测量试题。 最有代表性的是i e t fi p p m ( i pp e r f o r m a n c em e t r i c s ) ，i e t fi p p m 试图定义一 个关于网络测量实体的通用框架。i p p m 的目标是i n t e r a c t 传输服务的用户和提供 商对他们使用或提供的i n t e r n e t 组件的性能和可靠性有精确的共同认识。 i p p m 定义了一些i n t e r n e t 术语和一个测量实体体系。下面是一些测量实体的 定义： 单向时延( o n e - w a yd e l a y ) , 报文从源主机到目的主机所花费的时间。 往返时延( r o u n d - t r i pd e l a y ) ：报文从源主机到目的主机并返回所花费的时间。 传输延迟( t r a n s m i s s i o nd e l a y ) ：设备同步一个报文所需要的时间，即接收到 报文的第一个b i t 与接收到报文的最后一个b i t 的时间间隔。取决于接收速度和报 文大小。 ， 传播延迟( p r o p a g a t i o nd d a y ) ：一个b i t 从发送方到接收方所需要的时问。取 决于介质和距离。 交换延迟_ ( e x c h a n g ed e l a y ) ：设备从收到报文到开始传输报文之间的时间间 隔。取决于设备中的队列长度和调度策略。 丢包率( p a c k e tl o s sr a t e ) ：丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数 据包的比率，通常在吞吐量范围内测试。 7 网络测量方法概述 北京邮电丈学硕士学位论文 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：通过网络发送数据的速率，通常用比特每秒、字节或报 文每秒来表示。通常的测量方法是计算在特定间隔时间内的传输字节数的平均值。 可以用带宽来度量吞吐量。 接入速率( a c c e s sr a t e ) ：通过一条或多条链路提供的最大数据速率。 链路利用率( l i n k u t i l i z a t i o n ) ：特定时间间隔内的链路利用率是吞吐量与接入 速率的百分比。 主机有效性( h o s ta v a i l a b i l i t y ) ：发送探测报文( 通常是p i n g 报文) 到指定的 i n t c m c t 主机，并且能够接收到应答报文。主机有效性测试的方法是对目的主机进 行p i n g ，判断其是否能够响应i c m p 报文。 网络有效性( n e t w o r k a v a i l a b i l i t y ) ：能够从某网络中发送报文到i n t e r a c t ，并且 能够接收到应答报文。网络有效性的测试方法是对目的主机进行t r a c er o u t e ，判 断是否具有到目的网络的连通性。 网络路径的瞬时路由：在给定时间里，报文从主机a 到主机b 路径的链路和 路由器的序列。 瓶颈带宽：一条路由的有效带宽是两台主机间的路由上最低带宽链路( 瓶颈链 路) 的带宽。 可用带宽：一条路由有的可用带宽是在某个时间点的一台主机能够在这条链 路中传输的最大带宽，它会受到其它流量的影响。 2 1 2 测量的时间尺度 根据实际需要的不同，网络测量的结果可以实时地提供给用户，也可以以历 史记录的方式保存下来。流量控制一般需要实时数据。对于网络规划和流量管理， 有价值的可能是原始数据经过处理后得到的一些分析结果。根据网络操作的实际 需要的不同，可以有下面三种网络测量的时间尺度。 ( 1 ) 网络规划 对于长远的网络规划和建设，应该使用时间尺度按月计算的网络测量方案。 比如，对网络拓扑结构的重新设计，计划新的路由方案，对现有网络进行扩展， 采用新的网络技术或者设备等等。 ( 2 ) 容量管理 按天或者小时的时间尺度进行测量得到的数据可以用于调整设备的部署，维 护网络设施，对网络侧策略进行优化等等。比如，网络测量发现新的容量需求时， 就可以建立新的m p l s 隧道。另外，可以在特定的情况下根据网络测量来规划负 北京邮电丈学硕士学位论文网络测量方法概述 载平衡。当网络部件失效时，也可以进行重新路由和优化。 ( 3 1 实时网络控制 按照分钟或者比分钟还小的时间尺度进行测量所得到的信息可以用于对当前 的网络情况进行实时的调整。这样，为了解决局部的阻塞，流量控制机制可以通 过动态的重新进行路由来分散负载。在检查到一个失效的时候，可以把流量重新 路由到一个备份路径上去，直到失效得到修复。 除了要根据实际需求调节网络测量的时间尺度外，网络测量还应该能够针对 要测量的网络的速度和规模来决定一个最佳的读出间隔一个合适的读出间隔可以 使测量数据在满足要求的情况下最小化，从而可以节省很多资源，比如路由器的 控制处理器、路由器的内存、传送设备以及管理系统等等。 测量间隔指的是测量的时候两次测量之间间隔的时问。有些流量数据需要连 续的测量，而有些数据则需要采样。比如，由于两络流量经常是无规则的波动( 事 实上，研究表明网络流量表现出一种多重分形特征) ，为了取得流量的峰值，就需 要进行连续的测量。主动式测量通常是由操作员手动激活的。比如在网络拥塞发 生的时候，可以用主动式吞吐量测量来决定是否采用其他的路由路径。 一个测量间隔可以包含几个连续的读出间隔。在读出的时候，测量系统对原 始测量数据进行总结并报告出来。如前所述，读出间隔的选择是非常重要的。过 长则能得到要求的精度，过短则会带来额外的处理负担对于一个提供多种服务的 口网络而言。每种服务的流量都有自己的特征。为了保证网络测量时能够反映特 定服务的特征，有必要对每种服务制定自己的读出间隔。 2 1 3 测量工具 网络测量工具是测量网络行为特性的工具。2 0 世纪9 0 年代，测量工具的开 发得到了很大发展。设计和开发有效的网络测量工具，为用户了解网络状况，成 为人们研究的一个方向。 根据测量的内容分为流量测量工具( n e t r a m e t 、n e t f l o wc f l o w d ) ，性能测量工 具( p a t h c h a r 、p i g 、p a t h l o a d ) ，拓扑发现工具( s k i t t e r 、g a s p ) ，以及路由选择工具 ( r o u t e t r a c k e r 、a s e x p l o r e r ) 。根据测量方法分为主动测量工具( 如p i n g 、t r a c er o u t e 、 p c h a r 、p a t h l o a d 、p a t h c h a r ) 与被动测量工具( 如n e t r a m e t ) 。 下面着重介绍在本文中使用的测量工具p ig 。 p i n g 是最初的网络测试与诊断工具，主要是用于测试目的主机是否可达、网 络延迟以及包丢失率。现在。p i n g 已经成了t c p f l p 协议族的一个标准工具。从 9 网络测量方法概述北京邮电大学硕士学位论文 原理上来说，p i n g 不断发出i c m p 协议的e c h o探测报文，引发远程request 主机或路由器的e c h or e s p o n s e 响应。p i n g 的参数指定发送探测报文个数、 探测时间、分析输出形式等，视不同平台的实现而略有不同。 虽然因为p i n g 可能带来的额外网络负载使得它不适宜在一些常规任务或自 动运行脚本中使用，但在网络诊断和测量中，它确实是一个非常方便和实用的工 具。在网络诊断任务中，通常使用该工具向某主机发出探测报文来确认该主机是 否处于活动状态( 更严格地说，该主机网络接口是否打开并处于正常运行状态) ， 如果p i n g 的目标主机设为本机地址或l o o pb a c k 设备地址，可以判断本机网络驱 动是否工作正常。在p i n g 的返回信息中，“往返时间”( r o u n dt r i pt u n e ) 和报文丢 失是非常重要的网络状态测量参数，据此可以判断到目标主机的网路状态，同时 “往返时间”是t c p 网络应用参数设定的一个重要依据。 一般来说，p i n g 能报告测量网络流量行为的测量分析与预测出来的最小、最 大和平均往返时间。多数p i n g 工具另外还返回一个t t l 信息，t t l 意指t u n e t o l i v e ，是e p 报头的一个重要部分，它定义了该报文可以穿越的最多m 路由器的 个数( 每经过一个路由器该计数将减1 ，直到0 的时候该报文将被丢弃) 。 2 1 4 网络测量协议 i n t c m a 多样化功能是以其复杂的组成和不断扩充的规模为代价的。各个层面 的技术互相交织，互相影响，形成了一个非常复杂的系统。网络测量技术如同一 个个探测器，通过它们得到的信息对我们了解这个复杂系统表现出来的一些未知 行为至关重要。主动测量就是我们了解这个复杂系统各层面行为的一个探针，因 而显得更加重要，它可以使我们更清楚的认识这个复杂的系统。 主动式测量方法都遵循一个共同的原则，那就是将经过特殊组合的数据包注 入网络，通过返回的信息来推断网络对这些数据包的处理方法，由此获得网络的 状态信息。 从设计方法来看，这些测量系统可以分为两类：利用专用的网络测量铷议( 如 i c m p 、o w d p 、n , m p ) 以及利用非专用网络测量协议( 如t c p 、u d p ) 。利用非专 用网络测量协议的方法都是在已有的传输层或者口子层进行测量，它们并不是为 网络测量而专门设计的协议，因此都有一定的局限性。很多网络延迟是在路由器 发生的，而路由器把t c p 、u d p 的探测数据包仅仅作为一般的数据处理。这种处 理的结果是，当前网络的状态很难在测量结果中显示出来。因此，有必要设计一 些专用的网络测量协议。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 网络铡量方法概述 下面我们将着重介绍在本文中使用的1 c m p ( 网际控制报文协议) 。 i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) n 际控制报文协议最初被用来在源主 机和网关、源主机和目标主机之间发送差错或控制报文，为两台机器上的网际协 议之间提供了通道。在t c p i p 协议族中，坤提供一种不可靠的无联接报文递送 服务，报文通过一个又一个路由器，直到最后一个路由器，这个路由器把报文直 接递交给目的主机。如果一个路由器不能为数据报选择路由，或者不能递交数据 报；或者这个路由器测试到某种不正常状态，就需要通知主机采取措施，避免或 者纠正这类问题。i c m p 的设计就是为了能够使网际上的计算机能够报告错误， 或提供有关意外情况。 i c m p 虽然是封装在口报文中，但是它并不是传输层的协议，它与口协议密 不可分，是口协议不可分割的一部分。为了避免数据风暴，i c m p 不对i c m p 本 身的报文发送出错信息，而且，对于分片的腰报文。只对分段偏移为0 的报文发 送出错信息。 i c m p 协议共定义1 1 种类型的i c m p 报文，分别用于传送不同功能的信息。 前文提到的p i n g 程序即使用了类型0 和8 这两种i c m p 信息。 类型o ：e c h or e q u e s t ，i c m p 请求回显报文。是由主机或路由器向一个 特定的目的主机发出的询问。 类型8 ：e c h or e s p o n s e ，i c m p 回显报文。收到e c h or e q u e s t 报文 的机器必须给源主机发送i c m p 回送回答报文。 设计者的本意是用于验证目标主机是否处于活动状态。报文的信息体里面有 一个序列号字段，用于对询问应答和询问信息进行匹配。可以记录从发送询问信 息到收到相应的询问应答所经过的时间，从而可以缛到源主机到目标主机的双向 延迟。这也是p i n g 的实现原理。 在本文中，我们将p i n g 程序所使用i c m p 报文作为探测报文，这是在主动测 量中经常用到的方法。 2 2i p 网络测量技术的测量方法 网络测量有不同的分类方法，按照测量过程中测试设备是否主动发送探铡报 文可分为主动测量和被动测量两类；按照测试系统在网络中的分布情况可以分为 单点测量和多点测量；按照测量的对象分为基于流、基于接口、基于链接和节点、 基于节点对、基于路径的测量；根据被测量者是否参与测量协作。分为基于路由 器测量与路由器协作式测量：按照性能测量时针对的测量对象的网络协议层次可 舟络测量方法概述 北京邮电丈学硕士学位论文 以分为网络层测量和应用层测量。 2 2 1 主动测量与被动测量 i n t e r n c t 上的流量数据有三种形式：主动数据( 端到端数据) 、被动数据( 指定链 路数据1 和b g p 路由数据，由此涉及两种测量方式：主动测量方法和被动测量方 法。 下面分别介绍这两种测量方法： ( 1 ) 主动测量 主动测量的基本原则是由测量系统产生探测数据包并注入网络中，通过网络 对这些探测数据包的处理和响应结果来获知网络的状态信息。如p i n g 可以获得网 络连通状况，得到丢包率，往返时延等参数。 主动测量是处于网络边缘端的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。主动测量可以获知用户感兴趣的端到端网络 状况和网络行为，具有灵活方便的优点，如果用户关心某些网络性能参数状况， 只需由用户使用相应的测量工具即可发起测量，通常不需要多个节点之间的相互 协作，也不需要对于中间节点具备一定的控制权限，因此对于一般用户而言，主 动测量方式具有更高的可行性。并且由于主动测量方式通过测量自身发送的探测 数据包来获得相应的参数，不会捕获网络中已经存在的流量，因此不会对网络用 户信息的隐私和安全形成威胁。在研究者进行大规模网络测量的初期以及满足网 络用户日常的测量需求的时候，主动测量是一种快速有效的方式。 但是由于主动测量需要向网络注入新的流量，必然会给网络带来一定的负担。 尤其是对于路由、吞吐量、带宽等参数而言，完成单次测量需要注入的流量较大， 带来的影响也比较大。如果测量没有经过精心设计，没有充分考虑减少测量流量， 主动测量甚至可能引发h e i s e n b e r g 效应，即测量流量会干扰网络并使结果产生偏 差。 主动测量带来的影响主要体现在两个方面：对于测量本身准确度的影响，由 于测量注入的流量过大，测量本身又无法区分网络正常用户流量和测量流量，因 此可能会使测量结果产生偏差，导致测量不准确；对于用户业务的影响，如果测 量本身流量过大，则会产生测量流量和用户流量争夺网络资源，从而干扰用户正 常业务的情况，这也是我们所不希望的。 ( 2 ) 被动测量 被动测量通过在网络中的一个或多个网段上借助监测设备监视经过它的流 1 2 北京邮电大学硕上学位论文两络测量方法概述 量。这些设备可以是专用的，也可以是嵌入到其他设备( 如路由器、防火墙、交换 机和主机) 之中的。测量软件或系统周期性的轮询被动监测设备并采集网络流量， 通过对流量进行分析，被动的获知网络行为状况。 相对于主动测量来说，被动测量由于无需主动发送测量包，不会引入额外的 测量流量，因此不会产生上述的h e i s e n b e r g 效应。另外流量监测点一般选取在位 于网络中流量聚合的地方，这样可以非常详尽地刻画该监测点或该链路的网络行 为。由于被动测量得到的网络数据能真实反映当前网络的流量分布特点，因此主 要用于测量和分析网络流量分布，从网络流量模型的角度进行网络q o s 管理和设 计。 但是被动测量需要在网络中布置大量的包捕获器才能获知整个网络甚至是一 条通路的信息，因此实现的复杂度较高。不仅如此对于某些性能参数而言，即使 存在多个包捕获器互相进行协作，依然难以通过被动测量的方式了解端到端的性 能。被动测量结果的准确度严重依赖于包捕获器的性能，对于高速网络而言，由 于高速流量和包捕获器性能的限制，容易出现数据包捕获不完整从而使测量结果 不准确的现象，这就需要我们采用合理的抽样方式来解决高速网路环境下的测量 问题。 另外，由于被动测量方式需要对捕获点位置处的所有用户信息进行获取和分 析处理，目前网络中传输的大部分数据没有经过加密处理，因此被动测量的应用 可能会引发侵犯隐私，影响网络安全的问题。 在实际应用中，主动测量和被动测量在网络测量领域中针对的测量内容是不 同的。主动测量一般测量网络属性，如单向时延、往返时延等；而被动测量则测 量网络流的特点，如流的分布、突发性等。 本文的测量主要是从时延角度出发计算获得链路利用率，属于网络属性测量， 一般情况下使用主动测量优于被动测量。基于以上的分析，在本论文使用的测量 技术是基于主动测量的方法。 2 2 2 单点测量与多点测量 网络测量的另一个分类依据是测量点所处的位置有些测量依赖于在网络的 单个点上进行监测，如提取单点的网络流量特征等。而另一些测量则需要在网络 中多个点上同时进行监测，并根据各测量点的信息来了解网络流量状况，如了解 网络拓扑、监测流量矩阵等。 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 1 3 网络测量方法概述北京邮电大学硕：t 学位论文 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。 对于大型网络上通信流量测度的测量，一般考虑在多点进行监测，以收集到 数据包通过该网络各点时的详细信息。但这并不是个理想的办法。因为要使不同 测量点上的同一时间的测量值彼此关联是很难的。更简单的方法是监测网络的入 口和出口链路的通信量，以避免对单个数据报经过网络的详细路径信息进行跟踪， 同时也可以建立一个通信矩阵，以获得整个网络的通信流量。通常，在网络的入 口和出口上设置被动测量是非常有效的。 本文的测量方法从网络的边缘端出发测量网络中各条链路的利用率情况，因 此是在单点进行的多点测量技术