（计算机应用技术专业论文）基于校园网e2e时延测量研究.pdf

，0i_i 一l m i i i l i i l l l l l l l i | l i i i l l l l l l l l l y 1714 8 0 2 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ea p p l i c a t i o no f t h em a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g e 2 e d e l a y m e a s u r e m e n tf o r c a m p u s sn e t w o r k c a n d i d a t e ：z h a or o n g f a n g s p ecialt y ： c o m p u t e ra p p f i c a t i o nt e c h n o l o g y s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg e n gy u s h u i s h a n d o n gi n s t i t u t eo fl i g h ti n d u s t r y , j i n a n ，c h i n a j u n e ，2 0 1 0 i 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，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 明并表示谢意。 论文作者签名：迄露蓦 日期：冱 翌年立月鱼同 广 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，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，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：么蝗墓 导师签名： 同期：型丝年月鱼日 日期：边也年上月垒日 一 i 山东轻丁业学院硕i ：学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 一i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义l 1 2 国内外发展现状2 1 3 本文的组织结构5 第2 章网络测量概述7 2 1 网络测量的概念7 2 2 网络测量的性能指标9 2 3 网络测量的基本理论1 0 2 3 1 网络测量的数据包1 0 2 3 2 网络测量的抽样方法。j 1 1 2 3 3 几个常用的性能参数测量方法。1 2 2 3 4 网络测量方法的原则及分类1 4 2 4 网络测量系统体系结构1 6 第3 章e 2 e 网络时延测量1 9 3 1 时延一1 9 3 1 1 时延的组成一1 9 3 1 2 时延的分类一2 0 3 1 3 时钟同步2 2 3 2e 2 e 时延测量的基本理论2 3 3 2 1 网络拓扑2 5 3 2 2 探测包分配机制2 6 3 23 统计推断技术2 7 第4 章e 2 e 网络时延推测算法研究2 9 日录 数理统计基础知识2 9 e 2 e 时延推测算法研究3 0 4 2 1c g f 函数3 0 4 2 2 高斯混合模型及e m 算法3 2 几种算法的比较3 4 基于校园网e 2 e 时延的分析3 5 实验环境3 5 网络仿真研究3 5 山轻工校园网数据应用3 8 结束语4 3 总结4 3 进一步工作展望。4 3 献4 5 间发表的学术论文5 3 2 一 i 山东轻t 业学院硕l ：学位论文 摘要 互联网是复杂巨系统，是现代信息社会的基础设施，互联网行为影响我们每 个人的工作和生活，同时互联网的行为在不停地变化并且是不可预测的。随着网 络技术的发展，许多新型的网络应用不断涌现。不同的应用有不同的流量特征和 q o s 需求。但是目前人们对网络的认识落后于网络的发展，传统的理论模型不能 适应网络的新特征。s n m p 协议已不能满足网络监控与管理的。q o s 敏感业务增多， 需要对服务质量进行监控。网络测量技术为这些问题的解答提供了有效的参考数 据，并能够提供网络总体运行的相关数据。通过对这些测量数据的统计分析，可 以对网络总体运行作出评估，一方面对目前网络的状况作出有效、准确的描述， 从而确定网络的哪些方面需要改进，哪些问题需要重点解决，为网络优化策略的 提出提供可靠的数据支持；另一方面为网络未来发展规划的可行性提供依据。 本文首先介绍了网络测量产生的背景当前发展现状做了总结，然后详细讲述 了网络测量的一些基本概念，比如，数据包类型、抽样、网络测量指标体系、测 量方法原则及分类等。而后，针对基于校园网的e 2 e 时延的测量，分别从网络拓 扑、探测机制和统计推断技术技术做了详细的分析。本文采用累计生成函数根据 测量的e 2 e 时延结果数据集合获得各个链路时延分布的。通过n s 2 仿真，证明了 累计生成函数的有效性。最后应用该方法对在校园网测量的e 2 e 实际时延数据进 行分析，进一步推测校园网链路瓶颈区域，为校园网的监控和优化提出了有力支 持。 关键词：网络测量；e 2 e 时延；累计生成函数 l a b s t r a c t i n t e m e ti sa ni n f r a s t r u c t u r eo fm o d e mi n f o r m a t i o ns o c i e t ya n da l s oac o m p l e x g i a n ts y s t e mw h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei no u r l i v e s t h eb e h a v i o ro ft h ei n t e r a c ti s c h a n g i n gc o n s t a n t l ya n du n p r e d i c t a b l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r kt e c h n o l o g y , m a n yn e w n e t w o r ka p p l i c a t i o n sa r ee m e r g i n gf a s t d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sh a v ed i f f e r e n t t r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dq o sr e q u i r e m e n t s b u tt h eu n d e r s t a n d i n go ft h en e t w o r k s b e h a v i o rb e h i n dt h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka n dt h et r a d i t i o n a lt h e o r e t i c a lm o d e l s c a nn o ta d a p tt ot h en e wn e t w o r kf e a t u r e s s n m pp r o t o c o lc a nn o tm e e tt h en e t w o r k m o n i t o r i n ga n dm a n a g i n gr e q u i r e m e n t s m o r ea n dm o r eq o s s e n s i t i v eb u s i n e s sn e e d t om o n i t o rt h eq u a l i t yo fs e r v i c e n e t w o r kt e c h n o l o g yp r o v i d e se f f e c t i v er e f e r e n c ed a t a f o rt h em e a s u r i n gp r o b l e m b a s e do nt h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h em e a s u r e dd a t aw e c a nm a k ew h o l eo p e r a t i o nf o rt h en e t w o r k o nt h eo n eh a n d ，t h ea s s e s s m e n to fc u r r e n t s i t u a t i o na n dca c c u r a t ed e s c r i p t i o no fn e t w o r kc a nb em a d ee f f e c t i v e l y , t h u sd e t e r m i n e w h a ta s p e c t so fn e t w o r kn e e d st ob ei m p r o v e da n dw h a tq u e s t i o n sn e e dt o b e s o l v e d ，p r o v i d i n ge r e l i a b l ed a t af o rn e t w o r ko p t i m i z a t i o ns t r a t e g y o nt h eo t h e rh a n d t h a tp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to ft h ef e a s i b i l i t yo fn e t w o r k p l a n n i n g t h et h e s i si sm a i n l yc o n c e r n e dw i t ht h em e a s u r em e n t sf o re 2 en e t w o r kd e l a y f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r km e a s u r e m e n tb a c k g r o u n da n dc u r r e n td e v e l o p m e n t a r ei n t r o d u t e d t h e ni td e s c r i b e ss o m eo ft h eb a s i cc o n c e p t so fn e t w o r km e a s u r e m e n t i nd e t a i l ，f o re x a m p l e ，p a c k e tt y p e ，s a m p l i n ga n dc l a s s i f i c a t i o ns y s t e m sa r ei n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，o nt h ec a m p u sn e t w o r kf o rt h em e a s u r e m e n to fe 2 ed e l a y , r e s p e c t i v e l y , f r o mt h en e t w o r kt o p o l o g y , d e t e c t i o nm e c h a n i s m sa n ds t a t i s t i c a li n f e r e n c et e c h n i q u e s t om a k ead e t a i l e da n a l y s i so ft e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ec u m u l a t i v eg e n e r a t i n g f u n c t i o ni su s e dt od e a lw i t ht h em e a s u r e de 2 ed e l a yf o ra c c e s st oa l ld a t as e t st h e d i s t r i b u t i o no fl i n kd e l a y t h r o u g hn s 2s i m u l a t i o n , i tp r o v e s t h ev a l i d i t yo ft h e c u m u l a t i v eg e n e r a t i n gf u n c t i o n f i n a l l yt h i sm e t h o d ，t h ec a m p u sn e t w o r ke 2 ea c t u a l d e l a ym e a s u r e m e n td a t aa n a l y s i s ，a n df u r t h e rs p e c u l a t e dt h a t t h er e g i o n a lc a m p u s n e t w o r kb o t t l e n e c kl i n kf o rt h ec a m p u sn e t w o r km o n i t o r i n ga n do p t i m i z a t i o no f p r o v i d i n gs t r o n gs u p p o r t 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 ，e 2 ed e l a y , t h ec u m u l a t i v eg e n e r a t i n gf u n c t i o n 一 山东轻t 业学院硕i 二学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 互联网从诞生到现在，已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络，在 世界范围内实现了的网络互连，将大量的信息传送到地球的任何角落，它的互联、 开放、共享的信息模式，打破了传统信息传播方式的壁垒，对教育、娱乐、行政 管理等领域带来了巨大的影响，创造了巨大商机，并加速了全球信息革命的进程。 现在，人们的工作、生活、学习和交往都离不开互联网了。随着网络普及程度的 提高和网络服务应用的多样化，网络需求急剧增长，现有的资源已不能满足用户 需求了【i 】。互联网的分布化、不协作、异质的特点和其流量特征的复杂性，使得网 络管理和监控都面对巨大的挑划2 1 。 互联网的核心是t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) ，传 输控制协议网际协议，是由传输层的t c p 协议和网络层的i p 协议组成。t c p i p 的目标是：任何人都可以方便地使用互联网。网际协议族的目的在于各种情况下 寻找和建立连接，只要数据包的目的地址确定了，网络就会在所有可用资源中寻 找通向目的地址的路径，尽力将数据包传送到指定的目的地址，也就是所谓的尽 力而为。 在互联网发展的最初阶段，只要网络中出现了拥塞的情况，并严重影响到用 户的通信时，一直都是从增加网络带宽方面着手解决这个问题的，而没有从提高 共享的可用带宽方面来处理问题。换句话说，这些通路中的链路可用带宽远远大 于平均的通信负载，网络就是最佳状态了。 在当时这种做法是可以接受的，因为互联网发展早期，应用程序一般不要求 实时性。但是近年来，随着网络用户数量和各种应用的增长，网络朝着多样化发 展，网络通信负载变大，并且冲突频繁发生，导致通信效率降低了1 3 1 。而网际协议 族为了减轻数据传输流量，根据传输分组的重要性或者排队的先后顺序等一些原 则来优先选择某些分组，这在很大程度上影响了网络的服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。而服务质量的保证，通常是依赖于各个服务供应商i s p ( i n t e m e ts e r v i c e p r o v i d e r ) 对网络硬件设施的提升来达成的。网络架构和技术最终是按照经济规律 来发展的【9 】，因此具有一定的盲目性。目前互联网持续稳定发展，这些都是无法漠 视的问题。 要解决互联网存在的这些问题，达到优化网络的性能并提高网络的服务质量 的目标，就需要充分认识网络，了解网络运行机制及状况，才能定位问题进而寻 求解决问题的方法。认识网络就是要理解和精确描述网络的特征，比如：流量、 的手段。 1 2 国内外发展现状 在2 0 世纪7 0 年代初国外很多研究机构和组织就开始了网络测量的研究，于 一 8 0 年代逐渐成熟代，9 0 十年代已经逐渐形成体系。下面介绍几个国外具有代表性 的网络测量的基础设施。 n i m i 是美国国家科学基金n f s 和美国国防部高级计划局d a r p a 资助的研究 项目，目的在于建立基于探针的分布式可扩展动态的网络测试基础架构。 网络应用研究国家实验室n l a n r 是美国n s f 为了加强对互联网的研究而资 助成立的。n l a n r 相对于别的项目而言，它的特点在于其数据收集合显示方式 【8 】。它有主动、被动和监控的测量方式，用三维图像显示结果。该项目分为了主 2 山东轻t 业学院硕1 j 学位论文 动测量工程a m p 和被动测量工程两个核心研究项目。主动测量工程a m p 的目的 是通过主动测量r t t 、丢包率、网络吞吐量等参数和拓扑结构，来监测互联网路 径的性能，根据测量结果，分析网络动态变化的特征。a m p 在全球约有1 5 0 个监 测器，能够长期监测网络变化，为网络工程设计人员和研究者提供数据。被动测 量工程p m a 目的在于网络形态的监测，在很大程度上体现了被测网络的健壮性。 p m a 的测量方式采用被动测量，不仅不会影响到网络的运行状念，而且还对高性 能网络给出相关的协作服务。p m a 的测量结果为高速网的性能研究提供了宝贵数 据资料。 c a i d a 项目主要测量互联网拓扑结构、性能指标、路由信息、网络负载、网 络异常、带宽测量、变化规律等方面【9 】。 s u r v e y o r 的测量分析的基础是i p p m 制定的网络性能指标体系【l0 1 ，该项目在很 多高等教育机构建有专门的测量系统，主要研究互联网路径的性能及其测量工具， 它利用g p s 卡进行时钟同步，对于单向测量准确率较高，并采用了标准的测试方 法，使结果具有很强的可比性。 表1 1 给出了目前全球具有代表性的网络测量基础设施基本信息。其中c a i d a 的s k it t e r 是这些项目中唯一的针对全球i n t e r n e t 的测量，s u r v e y o r 更多地用于 轻量级的测量。a m p 主要用于大数量的主机对的测试。因此，这几个测量项目互为 补充，具有不同的目的性。由于i n t e r n e t 网络的异构性，纵观国外这些网络测量 项目，c a i d a ，n l a n r ，v b n s 等都存在着测量项目之间的数据不能共享，彼此软、 硬件之间不能兼容等一系列问题。 在网络测量领域，不能不提v e mp a x s o n 在1 9 9 7 年发表的博士毕业论文“对 互联网的端到端动态测量与分析”，该文重点研究了路由和互联网总体动态特征， 为网络测量研究的发展奠定了坚实的基础，发挥了极其重要的作用i l 5 1 。 我国于1 9 9 4 中国获准加入互联网并在同年5 月完成全部联网工作。由于受到 互联网普及程度、网络带宽等的影响，网络测量的研究起步较晚，投入经费有限， 与美国、英国等存在一定的差距，目前还没有完善巨型网络测量系统【3 】。 近年来随着国内网络飞速发展，网络结构同趋完善。截止2 0 1 0 年1 月1 5 日， 中国互联网络信息中心( c n n i c ) 在京发布了第2 5 次中国互联网络发展状况统 计报告数据显示，截至2 0 0 9 年1 2 月，我国网民规模已达3 8 4 亿，互联网普及 率进一步提升，网民结构不断优化。预计到2 0 1 0 年2 月2 8 日，我国网民数达到 3 9 7 亿人。互联网普及率达2 9 7 【1 6 】。 随着国内互联网络的飞速发展和迅速普及，网络测量的研究也取得了不错的 进展，正在逐步缩小与国外的差距。清华大学提出了大规模互联网络性能监控模 型l i p m 3 1 】，加入了电信管理网的对象管理方式，针对数据对象从层次结构角度 提出采集、管理、分析、表示梯形模型。西交大在网络测量方面也进行了大量的 3 第l 章绪论 c a i d a c o r a l r e e f d a r p a ， n s f m a n t r an s f m a w i n i m i n l a n r ( m o a t ) a m p n l a n r ( m o a t ) p m a n w s p p n c g w i d e p r o j e c t n s f , d a r p a n s f n s f 业务i ：程 i n t e m e t 研究和分析 i n t e m e t 研究人 员 日本网络 研究人员 可升级的、 动态的全球 i n t e m e t 测鼍 业务数据 收集和研究 业务数据 收集和研究 被动流量是 嚣m b 呈- 篆譬是 g p 芝譬 是 路由 聆出 被动 羹鐾 是 主动 主动 被动 流母 性能 流量 性能 流量 性能 今 1 7 森 4 n l a n r i s p s ，e n d o r s c a i d a ， u c s b m a n y c o r p o r a t e s p o n s o r s 否 3 56 v b n s ，m 1 n c ， 否1 1 83 i e p m ， n i m i ， c a i d a 否 3 23c a i d a darpea，罐黪裹蒙性能是d ， 能能应用用户：=性能是 o d 和开发者 取圳 j a n e t 黼萎璺婪三钿 主动性能 否 2ukerna 物理学会网络 一 “o 。 “。 a p p l e s ， l e g i o n ， n e x u s ， lg l o b u s d o c t c o n d o r , n c s a n i n f 2 a b i l e n e ， 。 i e p m 4 ，约 r i p p e e 一- t t s m m e i l 】b 盯未雀鬣满墨裹蓑兹蓄否等害霸caidafees i u p e i u s 和性能的测量被动路由 “ 对等洲 方 c a i d a s k i t t e l s u r v e y o r d a r p a , n s f n s f - a n s ，i n c 全球i n t e r n e t 测量和分析 美国高等 教育网性能 i n t e r n e t 流量 统计和方针模 型，高质量的流 量跟踪数据 主动 握藻 主动嚣 。 全 n l a n r ， 是 2 2 森i s p s ，v e n 磊稻 否5 19c s g 被动流量是4 3 n l a n r ， c a i d a ， r i p e 研究，其n a p m 提出应用探针和区域探针的分布式体系结构【3 2 】。中科院的研究人 员针对互联网的性能指标进行了深入研究，在泛化和确定性7 1 的基础上，以形式描 述的方式定义了指标体系，对国内网络测量的研究起了很大推动作用。 4 五 山东轻t 业学院硕l 学位论文 1 3 本文的组织结构 本文致力于基于校园网的e 2 e 的时延测量研究，利用软件测量e 2 e 的时延性 能指标，通过时延推测技术可以得到链路级时延性能，可用来定位网络瓶颈链路， 为网络维护工程师和运营商提供可信的性能数据。本文的组织结构是这样安排的： 第一章绪论，主要介绍了本课题研究的背景和意义，介绍了网络测量国内外发展 现状，并对本论文的结构组织作了说明。第二章系统的介绍了网络测量相关的理 论知识。第三章针对本课题研究对象网络时延进行了详细的分析，对e 2 e 时延测 量测量理论进行了深入的研究，分别从网络拓扑、探测包分配机制和统计推断技 术三个方面展开讨论。第四章主要对e 2 e 时延推测技术进行了研究，分别采用累 计生成函数和高斯混合模型对e 2 e 时延进行了推测，e 2 e 时延推测算法进行了比 较。第五章对实验环境和仿真过程进行了客观表述与分析。第六章，对本课题做 了总结，并指出存在一些缺点和不足有待深入研究。 5 为 增加了网络负担，导致网络性能急剧下降，网络测量的重要性也随之凸显。 网络测量可以在网络建设的最初对网络总体配置给出具体的性能可行性估计 【8 】，在网络运行中通过测量可了解网络总体动态变化，发现网络异常及瓶颈等，为 网络未来发展的规划提供可靠依据。 2 1 网络测量的概念 网络测量是人们为了认识互联网而采用的研究手段，从行为特征、流量模型 和性能量化等方面展开研究，是理解网络行为的最有效的途径。网络测量是一个 很广泛的概念，它涉及的领域包括测量本身、网络建模和网络行为分析，以及控 制管理等。 网络测量是以特定的方法通过各种测量工具测得网络性能来反映网络属性的 过程【5 1 ，如：获取网络的拓扑结构、业务流量特征等。在此，在此，性能指标是网 络本身属性的形式化描述【2 2 1 ，与外部因素完全没有关系，如：终端及用户操作。 反过来，也就是说网络性能指标，表征网络自身属性，是客观的度量工具。目前 国际上有些网络测量研究机构专门制定了相关的性能参数指标【3 引，并对其标准不 断进行完善。 网络测量包含由三个基本要素：测量对象、测量环境和测量方法【2 3 1 。测量对 象是指网络实体即被测量的节点( 如：路由器、交换机、自治系统、主机) 和链 路，以及待测量节点、链路或网络的某种或某些性能特性。性能特征是网络的本 质属性，通过一系列的性能参数来表示，如：时延、丢包率、带宽、连通性等。 测量环境是指通信网络类型( 如以太网、无线网络等) 、测量点的选取、测量时间 的确定、测量设备等。测量方式指的是在测量中针对一些网络性能指标采用的某 种确定的方法，是记录或者估计某种特征的技术。测量方法至少应满足以下三点： 有效、一致、可信【2 2 】。有效指网络运行变化不会导致测果无效。一致指同样条件 多次测量其结果一致，虽然每次测量结果不可能完全相同，但都在合理的范围内。 可信指能够反映真实状况。 网络测量的研究主要集中在：测量、模型化和控制。测量是指精确地捕捉能够 反映互联网本质属性性能数据。网络性能的主要参数包括i m 、路径数据、带宽、 时延、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 7 的是，在网 、时延等反 映了网络当 网络描述与 制是利用从 网络测量主要包括三个重要环节，就是测量部署、测量实施和数据分析显示， 这三个环节可分步实施，也可同步进行，具体方案可以根据测量总目标来选择【2 0 1 。 根据网络测量侧重点的不同，可分为网络管理、服务质量、网络规划和网络预 测。 网络管理是指通过测量，了解网络的性能及其规律，从而加强网络运行的监 控和管理，掌握网络的维护和故障诊断手段，改善网络状况，提升网络总体性能。 还能监控网络【8 】，发现异常，如：广播风暴、地址错误等网络故障进行诊断。网 络的研制者将新的、改进版本的网络协议或者网络应用在实际网络上进行测试。 而网络测量为网络新协议、新服务、新应用等提供了检测手段，能够监控其运行 以及其对网络总体性能产生的影响，一方面保证了网络总体性能和服务质量，另 一方面确保新协议、新服务、新应用的可用性。其中服务质量是指通过测量，了 解应用系统的响应时间和网络的运行情况，进而采用相应的策略，以便能够提 8 山东轻f 业学院硕l j 学位论义 供高质量的网络服务。网络规划是基于路由和网络拓扑探测的网络测量，获得 网络路由分布，对路由稳定性、可视化网络拓扑结构及网络进一步规划有重要 意义。网络预测是通过测量掌握网络流量等的规律，从而预测网络的发展状况， 有助于网路管理和决策。 目i j 许多网络测量的研究项目侧重点各有不同，有的是针对网络测量具体实施 方案的研究【7 】，有的是针对网络性能指标体系的制定的研究【2 4 1 ，有的注重消除主动 测量噪声的方法【2 6 1 、有的重点研究测量数据统计分析算法【4 2 5 1 、有的从测量精度和 测量分析效率着手【3 6 】。在整个测量中的各个环节都需要严格地执行。目前，所有 关于网络测量的研究中，多网络性能监控的研究相对比较完善，已经制定了很多 性能指标体系标准，各种性能测量工具不断涌现，出现了一些综合测量的大型系 统，将网络测量的应用推向了一个新的阶段。 根据目前的研究现状，网络测量的应用前景可归纳为下表： 表2 1 网络测量的应用前景 应用名称应用前景 e 2 e 时钟同步 e 2 e 拓扑 性能推测 带宽测量 网络距离 路由器参数推测 流量抽样一 计费网管数据 端口流量一 e 2 e 流量 路由器协作 的测量协议 在不需要g p s 、p s t n 、c d m a 等外部时钟机制的条件f ，剑达e 2 e 主机时 钟同步的目的 发现与某种性能( d e l a y l o s s ) 及其敏感参数相关的逻辑拓扑，便于网 络运维和扩容规划 法相网络中大时延高丢包率的链路或者区域 c n d 网络；应用层组播；p e e r - t o p e e r 网络；o v e r l a yn e t w o r k ；传输 协议中速率控制；网络维护管理；网络扩容 w e bs e r v e r 景象站点的选择；c d n 网络：应用层组播；p e e r t o p e e r 网络：o v e r l a yn e t w o r k d i f f s e r v 网络f 用户服务的确证；e 2 e 传输控制 区分网络中人流和小流，减小计费和网管系统的复杂度和负担 运营商可推测e 2 e ( 核心网) 流量的特征 能够比较简单地将时延测量和路由联系起来，发现大时延的链路 2 2 网络测量的性能指标 为了能够定量地描述网络的性能，需要一系列描述网络性能的参数，网络 性能指标就是为此定义的。网络性能指标是指在网络中与网络性能和可靠性相 关的、人们感兴趣的量，它与终端性能及用户的操作无关，是网络本身特性的 体现。 网络测量的性能指标必须符合确定性、可重复性、公平性、有效性和客观性 的要求【2 5 】。确定性是指一个性能参数的要有确定和具体的定义，不能有二义性。 重复性是指对同一个被测网络用某种特定的测量方式的结果应该基本保持一致。 9 第2 章网络测量概述 公平性是指对不同类型的被测网络结果应该不同。有效性是指测量结果应该能够 反映网络的性质。客观性是指测量不因人为因素而产生变化。各种网络性能指标 制定组织根据上述原则，制定了相关的指标体系。 i t u 的s gl3 工作组合i e t f 的i p p mw g ( i pp e r f o r m a n c em e t r i cw o r k i n g g r o u p ) 工作组【1 4 】分别对网络性能参数的规范化了研究。目f j 的研究主要集中在时 延、丢包率、带宽等方面。下面介绍一下在实际测量中，经常关注的几个网络性 能参数： ( 1 ) 时延 时延是指i p 包从发送节点到目的节点所经历的时间，可分为单向时延和往返 时延。时延能够体现出网络的拓扑和拥塞情况，对许多实时业务具有非常重要的 作用。 ( 2 ) 丢包率 丢包率是指网络传输过程中丢掉的数据包数与总包数的比值【2 0 】。网络通信程 中数据包丢失的原因有很多，比如：如果网络发生拥塞，网络节点来不及转发同 时到达的过多分组，缓存将被耗尽，此时后来的分组将会被节点丢弃。当i p 分组 出现比特差错时，也会出现上层协议将简单丢弃分组的情况。 ( 3 ) 带宽 带宽，也就是承载网上为某业务提供的最大吞吐量，它的大小与网络负载有 很大关系【2 9 】。有效带宽反映了某一时段承载网的确定链路通信能力，是网络带宽 测量中重要的参数。 在上述网络性能参数的测量中，时延最容易测量，而且其测量结果也最可靠。 而丢包率的测量需要复杂的模型，否则很难得出正确的结果。同时，对链路带宽 的直接测量几乎是不可能的，只能通过对其他参数的测量来间接衡量链路的可用 带宽。 2 3 网络测量的基本理论 2 3 1 网络测量的数据包 许多互联网度量参数的一个基本属性是参数的值依赖于做测量所用的i p 分 组的类型。 p 型分组( p a c k e t so f t y p ep ) 是对i p 类型包的一种通用的声明。 标准类型的测量包当一个用于测量的数据包的报头指定长度等于报头长度 与内容长度的和时，称这个数据包为标准形式的测量包【2 0 1 。对网络性能指标进行 测量时，一般使用这种类型的数据包。标准形式的测量包是指它的i p 报头内给 定的长度与i p 报头加上有效负载的长度一致。它包含一个有效地i p 报头，目前 基于i p v 4 ，其版本域为4 。 l o 2 3 整体 的流 “统 一个 参数 个体 数， 续1 样本 出的 化应该是关于不同节点或者不同测量时间的。在基于样本估计变化时，我们通常 认为样本是无偏的，这就意味着收集的测量结果的样本能够准确的反映度量参数 的变化和一致性。 在网络测量中，抽样就是指测量包的发送和收集的方法，根据测量包之间的 时间间隔服从的分布函数，来确定某抽样的方法的特征，反过来也就是说，研究 抽样的重点就是研究测量包时间间隔服从的分布函数【2 5 1 。在被动测量中，测量包 抽样是指以何种时间分布来收集网络中数据包的方法。而主动测量则指测量包发 送的方法。抽样方法有很多，网络测量中经常用到的有周期抽样、随机附加抽样、 柏松抽样等。 周期抽样是每隔固定时间产生一次抽样，是一种最简单的收集样本的方法。 周期抽样容易实现，但是它有两个潜在的问题：( 1 ) 如果被测量的参数本身表现 出周期行为，那么就有周期碰巧相同的，那么这时抽样仅是观察到周期行为的一 部分；( 2 ) 周期抽样具有易预测性，可预测的抽样容易被控制。测量活动可能影 响被测节点的行为，会使被测网络陷入一种同步状态，极大地放大原本单独来说 较小的错误。 一个改进的周期抽样方法就是随机附加抽样。随机附加抽样在网络测量中是 指测量包的发送或者接收的时间间隔是互不影响的，服从某种分布，而此抽样方 法的有效性由相应的分布函数决定。其特例是间间隔相互独立但完全相同，此时 为周期抽样。这种抽样的优点是：避免了同步效应且产生了被抽样属性的无偏估 计。因为该抽样方式的时间间隔相互独立，频域分析相对比较复杂，在实施过程 第2 章网络测量概述 中有很大的难度。 在r f c 2 3 3 0 中，建议网络测量可采用柏松抽样，相对于随机附加抽样而占， 柏松抽样的时间间隔符合柏松分布，频域分析难度降低。根据柏松分布的特征， 在网络测量中该抽样方式的突出优点在于测量结果之间独立、与被测网络不产生 同步，并且是对测量结果的无偏估计，能够相对准确地收集周期行为的测量样本。 而且当新的探测到达时，不会倾向于被预测控制。对测量对象无干扰、无共振效 应【1 5 】，这些性质使得其比起其他抽样，更适合用来采集互联网测量的样本。但是， 因为柏松分布里含有的指数是无界函数【2 4 1 ，有可能出现超过预想长度的时间间隔， 必须给定一个最大值作为阈值，才能保证该过程的收敛性。 2 3 3 几个常用的性能参数测量方法 ( 1 ) 时延测量 利用i c m p 协议实现时延测量。最常用的就是p i n d 2 7 】，它最初是用在网络诊断 中，来探测主机之间是否连通，返回探测过程的一些参数值，比如：可达否、r t t 、 丢包率等。因为p i n g 易于掌握，测试简单有效，已被加入t c p i p 协议族的工具中口。 在网络测量中，p i n g 属于主动测量，需要对测量结果进行修正以确保结果的有效性， 但是不适合在自动运行的程序中使用。但是i c m p 报文也是用来进行d o s 攻击的主要 方式，因此在许多i c m p 协议都被过滤了，并有可能会完全被阻塞。路由器可以限 制i c m p 回复的速率来避免被消耗过多的网络带宽和路由资源。这意味着利用i c m p 协议测量时延的结果是不可靠的。 当对方的主机或者中间节点屏蔽了i c m p 数据包，使得p i n g 无法测量时，也可 以利用u d p 或者t c p 来实现往返时延的测量任务，其实现原理与i c m p 类似。u d p 没有t c p 协议所固有的拥塞控制算法【6 5 1 ，在u d p 报文使用达到高峰时，为了减少 它们对t c p 流的影响，u d p 报文的速率可能会收到限制。i c m p 和u d p 测量包都是 无连接的，容易被防火墙屏蔽过滤。可以采用t c p 来承载测量包，基于t c p 的测量 比较可靠。但是t c p 协议在时延的测量方面也有局限。每一个t c p 报文到达响应主 机时会增力 i t c p 协议栈的开销，报文与相应的数据结构相匹配也需要占用相当的 c p u 时间，因此，用t c p 协议封装测量出来的时延不仅有t c p 协议栈产生的时延还 有t c p 协议栈产生的时延。 还可以利用其他协议来作为测量包发送的承载协议】，其具体方法的原理与 上述方式相似，其关键步骤是承载包必须能够按时发送，目的端接收到测量包立 即回馈信息。网络时延是随网络动态变化而相应变化的量，其变化可以反映网络 的变化，但是也是应为其变化，使得网络时延的研究难度增加。网络时延变化能 够反映网络负载的动态变化。对于流媒体等实时。可以用i p e r f 对网络时延变化进 行测量。 1 2 山东轻t 业学院硕l 学位论文 ( 2 ) 带宽测量 带宽是网络性能中经常讨论的性能参数，带宽是网络固有的资源，带宽能够 有效地反映被测网络带宽的利用情况，对于网络总体状态的研究非常重要口。在网 络测量中，测量的带宽包括链路带宽和有效带宽。链路带宽指的是某条链路固有 的能提供的最大的通行流量，类似于流水管道所能通过的最大流量，而与管道中 是否有流水和流水量如何无关。有效带宽是指某一刻能通过的最大流量，类比于 流水管道就是在当前状态下还能通过最大流量的度量，它跟当前管道中水流有直 接的关系。因为通信中的流量是动态变化的，那么有效带宽也是动态变化的。 目前带宽的测量有三种常用的策略。数据包对n 策略 6 9 1 是通过瞬间发送成对 测量包，认为这些测量包在经过的相同的链路上携带相同的信息，也就是说一个 包通过该链路，那么另一个包也有极大地可能通过该链路。这种方法能够收集更 多性能信息，便于分离链路性能信息。如b p r o b e 、s p r o b e 、c a p p r o b e 等。变长分 组策略【1 7 】是采用不同大小的测量包，每种大小的测量包多次发送，统计测量包大 小和时延值，统计求的时延最小的时的测量包大小，根据测量包大小和时延变化 的关系，以线性回剧3 3 】的方法来估算带宽。如p a t h c h a r 、p c h a r 等。最后一种是s l o p s 是通过发送固定速率的一组测量包，然后根据其单向时延来估计带宽的，如： s p r u c e 、p i p e c h a r 、p a t h n e c k 等。 ( 3 ) 丢包率测量 相对于时延和带宽测量而言，丢包率的测量需要比较复杂的模型，否则很难 得出正确的结论。目前常用的模型有贝努力模型【5 6 1 、马尔科夫模型【2 1 1 、隐马尔科 夫模型【6 9 】。对于任何评估丢包率的模型来说，其主要评估的参数都是平均丢包率 和丢包突发性。贝努力模型基于测量包丢失的相互独立