（计算机科学与技术专业论文）ip网络性能分析与测量技术的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 随着网络应用的广为普及，互连网络的规模日益扩大，复杂性不断增加，网络异构 性越来越高。传统的基于“尽力而为”的互联网络无法提供有区分、高效的服务机制， 如何改善和优化网络性能、最大量满足用户需求成了摆在人们面前的一大挑战。业界为 此引入了i pq o s 概念，它定义了一套反映网络性能的参数，从某种意义上来说，只有建 立在对这些参数精确测量的基础上，才能够进一步优化资源配置、改进网络性能于是 我们便引入i p 网络性能分析和测量技术的概念并加以深入探讨。 本文通过对网络性能测量方法学与i e t f 和i t u t 关于网络性能定义的深入研究分 析，从数据包大小、产生机制和网络路由机制等方面，探讨了对测量精确性产生影响的 因素，为仿真验证提供了相应的理论基础。 本文在研究分析o w 删p 协议的基础上，设计了网络性能测量系统的框架体系结构， 系统地阐述了其工作原理，提出了性能测量架构n p m f o ；并设计了n p m f o 的主要功能模 块，对测量系统性能参数的采集做了具体分析和界定选取，在r f c 2 6 7 9 和r f c 2 6 8 0 建议 的测量网络时延和丢包率之上增加了对网络链路带宽的收集。 最后，本文通过o p n f t 工具对所选定的网络性能测量因素( 路由器排队和丢弃机仁：、 测量包大小和产生机制) 进行了仿真，从对图表的分析和数据的挖掘，验证了合理的路 由机制、特定大小的测量数据包和产生机制能够大大提高网络性能测量的精度。 关键字：精确测量，参数选取，抽样，网络性能 第1 页 a b s t r a g t a sm ep o p u l 商z a t i o no fn e t w o r ka p p l i c a t i o n ，i n t e n l e th a sb e e nb e c o m h gm o r ee x t e i l s i v e a i l dc o m d l i c a t e d i n t e m e t b a s e d0 nt m d i 右0 1 1 a 1 飞e s t - e 矗b n ，a y c a n n o tm e e t u s e r s r e q u i r c m e n t sf o rh i 曲e f f i c i e n ta n dd i 腩r e n t i a t e ds e i c em e c h a n i s m 孤e r e f o r e ，h o wt o i m p r o v ea n do p t i m i z eh l t e n l e tp e r f o m l a n c ea n dt o m e e t1 】s e r s c h a l l g i n gr e q u i r e m e n t sh a s b e c o m eac h a l l e n g e a n dr e s e a r c h e r si n t r o d u c e d i pq o sw 1 1 i c hd e f _ m e st h ep 猢e t e r so f h l t e m c tp e r f o m l a j l c e h o w e v e r ，o i l l yb a s e do nt h cp r e c i s em e a s u r e m e n to f 也e s e 雎r 锄e t e r s ，c a n w e e ro p t l m i z er e s o u r c e sa 1 1 0 c a t i o na j l dj m p r d v ei n t e m e tp e r f o n n a n c e i nt h i sa r t i c l e ，i p i m e n l e tp e r f o r n l a l l c ea i l a l y s i sa n di t sm e a s u r e r n e n tt c c l l i l o l o g ya r ei n d u c e da 1 1 dd i s c u s s e d b a s e do n 协ea 1 1 a l y s i so ni n t 锄e tm e a s 岫瓶锄tm e 出o d o l o g y 蹰dn e 咖r kp e i f b 珊a n c e d e 删t i o no fi e t fa f l di t u - t ，f a c t o r sa 航c t i n g 也ep r e c i s 锄e s so fi n t e m e tm e a s u r e m e n ta r e d i s c u s s e d ，a i l d 也e s ef 缸t o r si n c l u d ed a t ap a c k a g es i z e ，g e n e m t i n gm e c h a i l i 锄o fd a t ap a c k a g e 柚d1 1 1 t e m e tr o u t em e c h 姐i s m ，a n ds oo n a 1 1m i sp r o v i d eu sc o r r e s p o n d i l l g 也e o r yb a s i sf o r s i m u l 鲥o nb e l o w b a s e do no w am pa n a l y s e d ，、v cc o n s t m j ti m e m e tp e “b m l 柚c em e a s l l r e m e n ta r c h j t e c t l l r e a n de x p l a i ns y s t e m a t i c a l i yi t sw o r k i n g 面n c i p l e ，t 1 1 e nn p m f oi si n d u c e d ，“s ow ed e s i g n p r i m a r yf l l r l c t j o nm o d u l e so fn p m f o ，d e f i n ep e r f b 肋a | l c ep 咖n e t e r ss e l e c t i u na n dm a l ( ea p a n i c u l a ra n a l y s i so nt l l e s ep a r a m c t e r s b e s i d e sn 咖o r kd e i a ya d v i s e db yr f c 2 6 7 9a n dd a t a l o s sr a t ea d v i s e db yr f c 2 6 8 0 ，i ta d d sap a r 咖e t e rc o l l e c t i o no f n e m o r kl i n kb a l l d w i d 1 i nm el a s t ，o p n e ti su s e dt os i l l l u l a c et l l e t o r sa 恐c t 堍i n t e m c tp e 渤r n l a l l c e m e a s u r e m e n t t h r o u g h 鲫p ha n a l y s i sa r l dd a t ad i g 画n g ，i ti st e s t i f i e dt 1 1 a tr e a s o i l _ a b l er o u t e m e c h a n i s m ，s p e c 访cd a t ap a c k a g es i z ea n di t sg e n e r a t i n gm e c h a n i s mc a n 孕e a t l yi m p r o v et h e m e a s u r e m e n tp r e c i s e n e s so fi m e m e tp e r f o n n a i l c e k e y w o r d s ： a c c u r a t em e a s u r c m c n t ，p a r 锄e t e rs c l e c t i o n ，s a m p l e ，n e t 、：l ，o r kp e r f b 盯n a l l c e 第 1 i 页 里堕型鲎鏊查奎堂竺茎圭堕鲎垡笙苎 图目录 图2 1i p 包传送参考事件的工作过程7 图2 2i p 包传送结果情形分类8 图2 3 主动测量结构示意图1 4 图2 4 互联网上数据包大小分布状况1 7 图2 5 互联网上数据包分布比例一1 7 图3 1 网络性能测量系统框架2 6 图3 2 申请测量流程图：8 图3 ，3 系统模块关系图一2 9 图3 4 实体控制关系图3 2 图3 5 实体数据传输关系图3 3 图4 1o w a m p 结构原理图3 5 图4 2n p m f o 体系架构图3 8 图4 3 控制管理系统模块示意图3 9 图4 4 主动会话代理馍块示意图4 0 图4 ，5 终端会话代理模块示意图4l 图4 6 数据综合处理模块示意图4 2 图4 7n p m f 0 系统工作流程4 4 图5 1 搭建的网络拓扑( 1 ) 5 4 图5 2 搭建的网络拓扑( 2 ) 5 4 图5 3 不同发送包大小产生的时延对比5 6 图5 4 不同发送包大小产生的队列尺寸大小对比5 6 图5 5 不同分布产生的结果对比一5 7 图5 6 有无丢弃机制对路由器转发率的影响5 9 图5 7 有无排队机制对网络时延的影响6 1 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 13 3 矩阵所定义的网络性能参数一6 表2 _ 2 业务门限值设定准则1 0 表4 1 链路中的变量定义 表5 1 测量模拟参数配置5 5 表5 2 不同数据包大小参数配置5 6 表5 3 不同分布参数配置5 7 表5 4 有无丢弃机制产生的路由器转笸率达对比( ”6 0 表5 5 有无丢弃机制产生的路由器转发率的对比( 2 ) 6 0 表5 6 有无排队机制对网络时延影响的数据显示6 2 第 i v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育叽构的学 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昀任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：! 圈鳌性能筮堑生到量篮壅盟盟塞 学位论文作者签名： 皇交 垂日期：0 神j 年，2 月搿日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅：可以将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、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：! ! 圆鳖性能佥逝皇型量燕盔鲍叠蕉 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 皇妾i 生 迄么辱 日期：狮年， 月谚日 日期：撕年f 乙月印日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 当前网络发展面临的挑战 计算机网络近几年来在全世界范围内的迅猛发展有目共睹，其爆炸性增长显示了信息 技术对生产力的巨大推动作用，计算机网络的标准和体系结构及其以后的各项扩展，都明 显地表现出了向t c p i p 网络靠拢的趋势。伴随着广域网和互联网络的发展，t c p i p 网络开 始承载越来越多新的业务，如语音服务v o i p ，实时视频服务，虚拟专用网v p n ，网络娱乐 与游戏等；有线电视网和电话问也将会与数据网络“三网合一”，在i p 网络上传输。因此， 几十年前就己出现的i p 网络月益成为人们关注的焦点。 随着各种网络应用的广为普及，互连网络的规模日益扩大，复杂性不断增加，网络的 异构性越来越高。据统计“1 ，1 9 9 5 年初，当时约有1 2 0 0 0 个阿络接入i n t e r n e t ，共计四百万 台计算机接入；到了2 0 0 0 年时则超过八千万台；而2 0 0 2 年则有1 。4 亿台计算机接入，而且 这种规模仍在扩大。一个实际运行的网络往往由若干个大大小小的子网组成，集成多种系 统平台，包括不同厂家的网络设备和通信设备；同时，网络中还有许多网络软件提供各种 服务，因此，对这样的i p 网络进行管理的难度越来越大，网管人员己不可能用手工对网络 进行有效管理。这必然导致对网络用户服务质量的下降，甚至根本无法提供令人满意的踞 务，也无法对网络这一新兴传播媒体进行有效的控制和安全防范。于是人们就开始仔细考 虑如何能够保证网络用户信息的安全、可靠和高效的传递，以至达到i s p 与用户部可以接 受的程度，在这种背景下，i pq o s “1 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的概念便应运而生。 i pq o s 是指i p 网络的服务质量，也是指i p 数据流通过网络时的性能。它的目的就是向 用户提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标，包括服务可用性、延迟、延迟抖动、 吞吐量和丢包率等。这些概念都涉及到了网络性能，所以对网络性能的测量和评估成了摆 在我们面前的重要任务之一。这种只有建立在双方互信基础上进行的提供享受服务，也 就是说，网络性能的测量与评价只有是保持公正的，才能够有真正意义上的i pq o s 。 在此，我们引入了网络性能测量技术的概念，它是整个i p 网络实现服务质量保证最根 本的基础，也是我们这个课题研究的重点。 1 2 流量工程与网络性能 流量工程”1 ( t r j a f f i c n g i n e e r i n g ，t e ) ，就是指种能将业务流映射到实际物理链 路上，同时又可以自动优化网络资源，以实现特定应用程序服务性能要求的具有宏观调节 第l页 国防科学技术大学研究生院学位论文 和微观控制能力的网络工程技术。进行流量工程的关键目的就是能够准确定把握网络的运 行状态和特征，优化网络性能和资源配置，平衡网络拓扑中链路负载，以增加网络的效能、 操作的可靠性、资源的利用率，其内容包括以下四个方面： ( 1 ) 网络部分：包括涉及范围和流量工程问题的产生，包括网络结构和特征、网络 策略、网络约束、网络质量属性及其优化标准等。 ( 2 ) 问题部分：包括流量工程所要处理的一般和具体的事项，包括鉴定、相关特征 的抽象表示、形式化、解决方法要求的说明及方法期望特征的说明。 ( 3 ) 解决问题部分：建议怎样解决流量工程问题，包括分析、对可选方法的评价、 对解决方法的说明和决策。 ( 4 ) 实现部分：根据制定的决策，付诸实施，包括计划、组织和执行。 根据网络中流量相关的问题，可以制定出一个网络中流量策略，这个策略既要针对目 标网络的具体问题，也要有可扩展性，以适应未来新的流量工程的需求。 从流量工程的定义来看，我们不难理解它与网络性能之间的关系，在某种意义上来说， 流量工程是提升网络性能的最好方式和工具，流量工程的主要目的就是优化网络资源配 置，从全局和局部角度上提高网络运作效率。这样i s p 通过实施流量工程，能够最大效率 地利用网络带宽，避免部分网络被过度利用产生拥塞，或未能得到充分利用造成资源浪费， 进丽能够有效调节网络资源的不合理利用。 1 3 网络性能测量技术研究的意义 正像我们上匝所描述的那样，随着应用层次和深度的扩展与加深，用户对网络服务提 出了更高的要求。许多分布式应用在使用网络时，其性能要求对网络传输能力和服务质量 非常敏感。网络必须以稳定、可靠和最优化的性能提供服务，才能使应用程序的效率更好 地发挥出来。应用服务的提供者需要了解网络的性能对应用的影响并对应用作相应调整。 如视频流的应用，可以根据网络的性能调整帧速率；远程存储可以选择网络连接性能好的 服务器；分布式计算可以根据网络带宽选择计算节点。同时，作为应用的用户，需要确认 所获得的服务是否能够满足其性能要求。 我们可以看一个网络性能测量在典型的分布式数据传输环境下的使用情景。在机器a 上一个正运行的进程需要一个文件，然而本机上没有。它从当地目录服务器上查到远程机 器b ，c ，d 均存有这样的文件，接着机器a 决定要以最优的方式获取这份文件。在选择从哪 个远程机器拷贝文件之前，机器a 必须有能力回答三个问题： ( 1 ) 获取文件的最佳源机器是哪一个? 第 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 2 ) 文件传输过程如果使用多线程分流即平行数据流的方式能否提高速度? 如果能， 多少线程合适? ( 3 ) 机器a 的t c p 窗口和协议栈的接收发送缓存应该设置为多大? 选择最佳拷贝文件的源机器需要能够对机器a 分别与机器b ，c ，d 之间的端到端路径的 性能进行预测。这样精确预测的依据来源于对这些路径的可用带宽、时延、丢包和其它一 些对文件传输性能有较大影响的性能参数的测量。通过对网络精确的测量，能够大大提高 传输的性能和机器资源使用的效率。t c p 利用估算的双向时延来决定传输超时的阈值。 网络性能测量与分析的现实意义集中体现在三个方面。1 ： 第一、网络操作与网络工程( n e t w o r k0 p e r a t i o n s n e t w o r ke n g i n e e r i n g ) ； 第二、网络研究( n e t w o r kr e s e a r c h ) ； 第三、服务质量验证( q o sv e r i f i c 8 t i o n ) 。 这三方面的作用都是建立在网络性能测量所得的大量结果数据，并对这些数据分析的 基础上的。监测网络运行状况，及时发现和预测突发事务，解决网络存在的各种问题是网 络运行维护的主要内容。网络工程方面主要体现在对网络整体结构的调整与改进。通过测 量收集数据，建立模型、对数据进行分析，反馈信息以优化网络这三步循环的过程是一般 网络研究的方法。此外，网络性能测量的作用还体现在s l a 的监测评估和i s p 所提供服务之 间的比较。 目前，对i p 网络性能的研究主要有两个方面：一是网络性能保证技术的研究，如综合 服务们( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 、区分服务副( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ， d i f f s e r v ) ，以及可以为因特网提供流量工程的多协议标记交换“1 ( m u l t i p r o t o c o ll a b e l s w i t c h ，m p l s ) 技术等：二是对网络性能测量方法的研究，包括网络的性能参数选择以及参 数的测量方法等。后者就是本文主要研究的内容。 第3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章网络性能测量方法学的研究 2 1 理论研究 2 1 。ll e t f 对网络性能参数的定义 2 1 - 1 1i p p m 工作组 i e t f 的i p p m ( i pp e r f o r i n a n c em e 缸c s ) 【6 】工作组负责网络性能方面的研究及性能参数的 制定，目前( 截至2 0 0 5 年8 月) 已经制定了1 1 个r f c s 和4 个d r 硪s 。其中r f c 2 3 3 0 【6 1 是 i p p m 为发展i p 网络性能具体标准定义的一个通用的框架结构，首次提出“i p 云”( p c l o u n d s ) 概念；r f c 2 6 7 8 【刀，r f c 2 6 7 9 | 8 】，r f c 2 6 8 0 【9 】r f c 2 6 8 1 i 0 1 分别对网络性能指标中 的网络连通性( c o 舳e c t i v i t y ) 、单路时延( 0 咐一w a yd e l a y ) 、单路数据包丢失( o n e w a y p a c k e tl o s s ) 、往返时延( r 讲| 】d t 却d e i a y ) 等定义了具体的度量( m c t r i c s ) 。r f c 3 1 4 8 【l l 】 文档定义了整批量传输能力( b u l kt r a n s p o r tc a p a c 时，b t c ) 度量的一个建议性框架，它 是测量网络通过单个t c p 链路传输大数据量的能力。b t c 的直觉定义是期望得到一条理 想t c p 链路的平均数据速率，然而t f 标准允许多种拥塞控制算法，传输算法的多样性 造成了标准化度量的困难；r f c 3 3 5 7 f 1 2 】定义了单路丢失类型采样( o n e w a yl o s sp a t t e m s 锄p l e ) 的度量标准；r f c 3 3 粥定义了i p 数据包时延抖动度量标准；r f c 3 4 3 2 【1 6 】 定义了对周期性数据流所导致的网络性能的测试度量；r f c 4 1 48 【1 7 1 说明了i p 网络性能度量 的注册问题的内容等。此外还提出了几个d r a f i s 度量草案，其中包括我们在本课题设计中 基于的o w a m p 草案。 2 1 1 2p 网络性能参数的定义 ( 1 ) 连通性( c o n n e c t i v i t y ) 连通性是指网络能够成功地将测量数据包在规定的时闻内从源端传送到目的端i p 连 通性的测量结果为一布尔( b o o l e a n ) 类型值。i p 连通性从时间上可分为：瞬时连通性和时间 段上的连通性。从方向性上又可分为：单向连通性和双向连通性。 在测量过程中，真正具有实际意义的，是时间段上的单向连通性测量和双向连通性测 量。两者具有同等重要的意义。其实对于连通性来说，前者包含在后者的范围之内，只要 双向连通性成立，单向连通性自然为真。 时间段上的双向连通性严格定义为：如果源端s r c 与目的端d s t 在( t ，t + d t ) 闻具有双向 连通性，即任取时刻t 。t ：，以及时间间隔d t ，和d t 。，若有： 第 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t ，t 。+ d t ，t 。，t 2 + d t 。( t ，t 十d t ) ；并且t 。+ d t ， l p 包传送结果 当一个i p 包的传送参考事件通过一个基本段或网络段集时，可能和产生四种结果：成 功传送，传送错误，传送丢失，虚假i p 包。从研究i p 网络性能的角度看，只有当网络云把 所有包转发给路由信息所允许的其它部分时，才能认为该网络云的转发是成功的。 图2 2 表示了不同的传送结果，其结果与i p 包所传送的具体内容无关。 下面讨论i p 包传送结果： ( 1 ) i p 包成功传送 一个i p 包参考事件进入一个允许进入的入口m 后，在特定的时间t 一内，在一个或多 个出口m p ，产生一个或多个相关参考事件，并且 在出口m p l ，所产生的所有相关参考事件是被允许的； 在m p 。观测到原始i p 包中的全部内容都包含在被递交的i p 包中； 被送达i p 包信息字段中的二进制内容与原始i p 包中的相关内容严格一致； 被送达的i p 包的包头字段是合法的。 其中t 。的值有待确定，在i t u t 的y 1 5 4 0 中建议值为2 5 5 秒。 ( 2 ) i p 包传送失败 一个i p 包参考事件进入一个被允许进入的入口m p 。后，在特定的时间t 。内，在一个或 多个出口m p 。产生一个或多个相关参考事件，并且： 所有产生相关参考事件的出口m p ，是合法的； 在m p 。观测到原始i p 包中的全部内容都包含在被递交的i p 包中。 第 7 页 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 t i p 包成功恃送 t p 包传送失败 t t p 包使恤到 虚假t p 包 图2 2i p 包传送结果情形分类 而且出现下列情况中的任一种： 被送达的i p 包信息字段中的二进制内容与原始i p 包中的相关内容不严格一致； 一个或多个被送达i p 包的包头字段遭到破坏。 在这种情形下产生的状态就称之为i p 包传送失败。 ( 3 ) i p 包传送丢失 丢失i p 包传送结果是以误向( m i s d i r e c t e d ) 传送结果为基础的。误向i p 包传送结果的 定义为：一个i p 包参考事件进入一个合法的入口m p 。后，在特定的时间k 内，在一个或多个 出口m p ；产生一个或多个相关参考事件，并且满足以下条件： 在m p 。观测到原始i p 包中的全部内容都被包含在被递交的i p 包中； 在一个或多个出口m p i ，所产生的相关参考事件是非法的。 当一个i p 包进入一个合法的入口m p 。后，在特定的时间t 。内，产生了一个误向i p 包传 送结果，或者该i p 包的部分或全部内容( 分片) 没有在任何出口m p 产生任何相关参考事件， 则称为产生了一个丢失i p 包传送结果。 ( 4 ) 虚假i p 包传送 对于一个特定的电路段( c s ) 、网络段( n s ) 、网络集( n s e ) 或端到端的服务，一个i p 包产生了一个离开事件，但是并没有相应的进入事件，称为虚假i p 包传送结果。 第 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 2 2i t u t 对网络性能参数的定义 ( 1 ) i p 包传输延迟( i pp a c k e tt r a n s f e rd e l a y ，i p t d ) i p 包传输延迟定义为穿过一个基本段或n s e 传送i p 包所经历的时间( 无论传送成功还 是错误) 。i p t d 是两个相关i p 包传送参考事件的时问差( t r t 。) ，其中离开事件发生在t 。 进入事件发生在t z ，这里( t ： t - ) ，并且( t 2 - t 。) c 1 c 1 ：o 7 5 门限值c 1 用来确定何时i p 网络的资源不能支持一个特定的i p 服务，而并不能将其作为 对i p l r 性能的一种说明，同时也不是针对某一业务的i p l r 性能目标。基于i p l r 的性能指标 应不包括业务不可用的时间，即除去i p l r c l 的所有时间。 i p 网络服务可用性参数 i p 网络服务可用性参数有两个，一个是i p 服务不可用百分数( p i u ) ，另一个是i p 服务 可用百分数( p i a ) 。 并且： p i u = 1 0 0 一p i a ： i p 服务不可用百分数( p e r c e n ti ps e r v i c eu n a v a i l b i l i t y ，p i u ) ：是i p 服务应用 期间服务不可用时间占服务总时问的百分数： i p 服务可用百分数( p e r c e n ti ps e r v i c ea v a i l b i l i t y ，p i a ) ：是i p 服务应用期间 服务可用时间占服务总时间的百分数。 第 1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 3 对性能参数的分析与选取 2 1 3 1i e t f 与i t u _ t 对网络性能参数选取的比较。1 在参数的定义方法上，i t u t 的定义着重于网络对i p 包的实际传送效果( 以四种传送结 果来区分) ，而i e t f 则在此基础上更注重对业务的支持。在i e t f 的每个参数的定义之中都 包含了“p 类型”的概念，即每个参数的具体使用都应该与所承载的上层应用联系起来。 在参数的测量框架上，i e t f 的研究更加深入，在其“i p 网络性能框架( r f c 2 3 3 0 ) ”中， 明确定义了在参数的测量中所应采用的附加随机抽样方法以及在结果的统计中所使用的 统计分向拘方法：而i t u t 在测量框架上的研究上则稍显不足。但i t l 卜t 已经开始着手研究 i p 层与相邻的应用层和链路层性能的关系问题，例如：物理层、a t m ，i p 层的性能关系问 题以及t c p 的性能问题等，这将使网络性能的研究发展到一个更为深入的水平。 下面具体对比一下i e t f 和i t u t 所定义的性能参数：i e t f 的连通性参数对应于i t u t 的 服务可用性参数。它们基本含义相同，都是由丢包率所得到的导出参数，代表了网络对i p 包的端到端传送能力。对于时延和丢包，这两个参数是网络的基本性能参数，在定义的基 本含义上i e t f 和i t u t 并没有区别。对于时延变化，i e t f 和i t u - t 采用了不同的表述方法。 i t 卜t 对时延变化提出了三种定义方法，而在i e t f 的定义中，则可用选取函数( s e l e c t i o n f u n c t i o n ) 来代替上述三种定义。 i t u t 提出了虚假i p 包率这个参数，它使得其所定义的参数更为全面和严密，但这个 参数只在测量中有作用，即判断是否是测试主机所发出的测试流量，而在实际当中，并不 会因为数据包不是某一主机或地址所发出的而将其作为虚假i p 包处理( 地址过滤的情况除 外) 。 对于流量参数，包括吞吐量参数，j 1 r i j _ t 和i e t f 都进行了研究。i t u t 在其建议l 3 8 0 的附录中提出了吞吐量参数( 基于i p 包和基于字节数) ，并提出了吞吐量探测的方法，但这 些都是参照性( i n f o 珊a t i v e ) 的：i e t f 在其砌7 c 3 1 4 8 中对“整批数据传送能力”的度量定义了 一个框架，探讨了一些辅助的( 柚c m a r y ) 参数，但并没有提出主要的度量参数和度量方法。 因为对于大批数据的传输模型，尤其是t c p ( 因为大多数大批数据传输都是源于t c p 应用) 所采用的拥塞控制算法对传输模型的影响还是一个有待于深入研究的问题。 2 1 3 2 参数间的相互关系 实际上。上面所定义的各个参数并不是独立的，在它们之间存在着很紧密的联系。这 种联系包括参数的定义和计算等多个方面。时延和时延变化这两个参数之问的联系是显而 易见的，时延变化是由端到端的时延值计算得到，因此也可以说时延变化是由时延所导出 第 儿 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的参数( 或度量) 。在可用性( 连接性) 的定义中也包含了丢包率的概念，在i e t f 对连接性的 定义中，实际上隐含了无丢包的假设，而在i t u t 对业务可用性的定义中则直接给出了丢 包率的门限值。 丢包与时延这两个参数在定义上也有密切的关系，它们之间的联系在于p 包的“生存 时间”的选取。一个i p 包在网络中如果有一个很大的时延，就可以认为该i p 包己经丢失， 关键问题是如何去界定这个“很大的日寸延”。i p 包中的订l 值决定了l p 包的最大生存时间 为2 5 5 秒，因此可以将它作为“最大的时延值”，在实际中，也可以根据不同的应用或业 务来界定这个“最大时延值”。同时，研究表明，实际网络中的时延特性与丢包特性问也存 在着一种关联关系。丢包和时延的产生都是由网络中的缓存所产：生的：当口包在网络中传 送时，若流量超过了网络设备的端口能力，则需要在缓存中排队，这样就增加了端到端的 时延，如果这种流量持续一段时问，就会因缓存的溢出而造成丢包。对因特网的实际测量 表明：当网络中出现丢包时，在接下来的时间中时延也会增加；另一方面，网络中的丢包 特性则与时延的某一个门限值不够大相关联。 2 1 3 3 参数选取的基本意义 通过对两个国际组织制定的i p 网络参数的分析可知，两套标准中所选择的参数大致是 相同的，都包括了时延，丢包，时延变化，连通性( 可用性) 等参数。网络的基本作用是为 用户业务提供服务，这些参数体现了网络支持业务的能力。 连通性( 可用性) 网络的连通性( 可用性) 是网络提供服务的基础，它体现了网络的可用性。严格的说， 网络的连通性( 可用性) 应该是网络的一种基本能力或属性，而不能称其为性能，但实际上 可以用一些方法对其进行定量的测量( 如i t u _ t 建议中对可用性的测量) 。 时延 时延很大程度上体现了网络的拥塞状况，对许多业务来说是具有决定性的，特别是一 些实时业务，时延既表现了网络的运行状况，也是组成网络的网元性能的一种体现，网络 时延的最小值可近似看成是路由器转发时延和链路传送时延的总和。 丢包率 丢包，或丢包率体现了网络的可靠性，即网络能否可靠地传送数据。丢包是网络出现 拥塞的直接表现。由于高层协议( 如t c p ) 中一般存在拥塞控制和重传机制，因此，丢包 率的大小会严重影响提供服务的高层性能。 时延变化 第 1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 时延变化对许多业务来说是非常重要的指标。在基于数据流的应用中，将利用流中i p 包时延的变化范围来确定所需缓存的大小，在应用中避免缓存的溢出或读空。时延的变化 还会使t c p 重传定时器门限值发生变化，并可能导致包重传动作的延迟或产生不必要的重 传。 流量参数 流量参数( 吞吐量) 是网络质量的一个重要指标，尤其在当前因特网上多媒体业务迅 速增加的形势下，网络对大批量数据的传输能力成为了网络性能的一个重要方面。 2 2 测量模式 2 2 1 主动测量( a m ) 主动测量( a c t i v em e a s u r e m e n t ，a m ) 。”由测量用户主动发起测量，通过获取测量引 发的数据并对其进行分析以得到网络性能参数和网络行为参数。主动测量本身会产生新的 测量流量。如p i n g 可以获得网络连通状况，得到丢包率，往返延迟等参数。t r a c e r o u t e 可 以获得网络行为参数，具体而言就是网络路由信息参数。 要对一个网络进行主动测量，则需要一个面向网络的测量系统，这种主动测量系统应 包括以下几个部分： 中心服务器：它与各个测量节点通信，进行整个测量的控制以及测量节点的配置 工作； 分析服务器：对中心数据库中的数据进行分析，得到网络整体的或具体节点间的 性能状况： 中心数据库：存储各个节点所收集的测量数据： 测量节点：它们分布在网络的不同端点上，进行测量数据包的发送和接收，若要 进行单向性能的测量，则它们之间应进行严格的时钟同步。 在实际中，中心服务器、中心数据库和分析服务器可能位于同一台主机中。一个主动 测量系统的结构如图2 3 所示。 第 1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 3 主动测量结构示意图 2 2 2 被动测量( 蹦) 被动测量( p a s s i v em e a s u r e m e n t ，p m ) 出“是通过在网络中的一个或多个网段上借 助包捕获器捕获数据的方式记录网络流量，并对流量进行分析，被动的获知网络行为状况。 这种测量方式不必主动发送测量包，也不会占用网络流量。 被动测量主要有三种方式： 通过s n m p 协议采集网络上的数据信息，并提交至服务器进行处理。很多设备厂商 都有基于这种方式的解决方案，如c i s c o 的t f l o w 等。 在一条指定的链路上进行数据监测，此时数据的采集和分析是两个独立的处理过 程。由新西兰w a i k a t o 大学开发的d a g 系统就是这种类型的测量工具。这种方法的 问题是o c 4 8 以上的链路速度超过了p c i 总线( 6 4 b i t ，3 3 删z ) 的能力，因此对这些高 速链路的数据采集只能采用数据压缩、聚合等方式，这样会损失一定的准确性。 在一台主机上有选择性的进行数据的采集和分析。这种工具只是用来采集分析网 络上数据包的内容特性，并不能进行性能参数的测量，如e t h e r e a l 等工具。 被动测量非常适合用来测量和统计链路或设备上的流量，但它并不是一个真正的q o s 参数。因为流量只是当前网络( 设备) 上负载情况的一个反映，通过它并不能得到网络实际 的性能情况。 2 2 3 监测网络控制信息 监测网络控制信息主要用于获取各种网络控制信息，譬如路有更新信息和网络管理信 息。由于该种方式会占用一定的网络流量，但它并不主动发测量包，所以与上述两种测量 第 1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 方式有所不同。监测网络控制信息能够提供已经能够准备好的关于网络行为的信息，譬如 线连接利用率和路有稳定性，但是它需要接入权限和设备的支持，因此使用控制信息监视 进行大规模测量存在一定的难度，目前使用这种方式进行i n t e r n e t 测量的大多是骨干网络 设备的拥有者。 2 2 4 各种测量方式的比较 主动测量可以获知用户感兴趣的端到端的网络状况和网络行为，具有灵活方便的优 点。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。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( ：r a c e r o u t e ) ， 吞吐量( t r e n o ) ，带宽( p a t h c h a r ) 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的方法，主动 测量甚至可能引发h e i s e n b e r g “”口力效应，即测量流量会干扰网络并使结果产生偏差。这是 我们所不希望的。 被动测量的优点是显而易见的，由于被动测量无需主动发送测量包，它不会引入额外 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，可以获得更为准确的测量结果。同时 被动测量还可以非常详尽地刻画该测量点或该链路的网络行为。但是被耽测量需要在网络 中布置大量的包捕获器才能够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( 如吞吐量) 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。另一方面的局限性在于被动测量结果的 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。另外，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。 2 3 测量包 2 3 1测量包大小选取 在测量过程中，对测量数据包大小的选取是我们首要考虑的问题。因为一方面不同的 测量数据包可能会反映网络不同的性能状况，也就是说在参数的精度方面存在差异，而这 种差异是一定要极力避免的，这也从某种程度上说明了对测量数据包的合理选取能够尽可 能小的减少这种差异，提高我们测量的准确度；另一方面，对测量数据包的合理选择能够 冲淡对背景流量的影响，使被测量网络系统的性能不会由于测量包的加入而产生大的波 第 1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 动。 在讨论对测量数据包大小的选取之前，我们首先有必要考究一下现行网络中数据包的 分配情况。目前i n t e r n e t 上的应用主要基于两种传输层协议：t c p 协议和u d p 铷议。主要 应用包括w w w 、f t p 、电子邮件等。如果从各种应用流量所占比重进行分析1 ，则会发现近 8 5 的流量使用了t c p 协议，而这些t c p 流量又大多来源于需要进行批量数据传输的应用， 如h t t p 和f t p 。如果从包长分布这一角度进行分析，i n t e r n e t 上6 j 包长分布也同样具有 一定的规律“”。如下图2 4 所示，广域网上有三到四种大小的数据包占据着统治地位， 分别是4 6 ，1 5 0 ，4 6 4 ，以及1 5 0 0 字节。其中大小为4 6 字节的数据包主要由t c p 确认包组成， 4 6 4 字节的数据包主要源自u d p 类应用，而1 5 0 0 字节的数据包主要也源自t c p 数据包。还 有一些类似的总结，i n t e m e t 中流量占据8 5 的数据包呈现出这样一种规律：4 0 字节的数 据包携带的是t c p 确认信息，如果t c p 实现使用了路径帆u 发现机制，则数据包主要由1 5 。o 字节的数据包组成，如果t c p 实现没有使用路径l i 仃u 发现机制，则数据包主要由5 5 2 和5 7 6 字节的数据包组成。i n t e r n e t 中近半数的