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基于校园网的端到端性能测量研究 摘要 随着网络用户和网络新应用的不断增加，网络的规模和复杂性日益提 高，网络需要提供更高的服务质量。因此网络的性能和网络的总体运行情 况是网络用户、网络管理人员和服务提供商都迫切关注的内容。网络性能 测量就是通过对网络进行测量来获取网络的性能参数，以准确的、可靠的 测量数据来描述网络的性能，对网络的总体运行状态做一个恰当的评估， 并据此确定网络的问题所在，进一步解决问题使网络性能得到优化，从而 达到人们对网络性能的要求。 本文首先阐述当今网络发展面临的挑战和网络测量的重要意义，之后 阐述了网络测量的基本概念，详细分析各种网络测量方式的特点及这些测 量方式所存在的问题，然后针对学校校园网的特点，确定了一种基于校园 网的端到端被动测量方案，最后通过利用l b n e t 开发包设计包含特定内容 的测量数据包，和使用w in p c a p 开发包对网络中的测量数据包进行捕获识 别，在校园网局部实现了端到端的被动测量，并比较端到端主动测量和被 动测量的结果，由此分析校园网环境下被动测量在端到端性能测量中的应 用情况。 关键词：校园网端到端性能测量数据包识别 r e r e a r c ho ne n d t o e n dp e r f o r m e n t m e a s u r e m e n tb a s e do nc a m p u sn e t a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s i n go ft h ei n t e r n e tu s e r sa n dt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k t e c h n o l o g i e s ，t h es c a l ea n dc o m p l e x i t yo fn e t w o r ke x p a n d sc o n t i n u o u s l y ；w h i c hc a i l sf l o r h i g h e rq u a k 锣o fn e t w o r ks e r r i c e t h u sa ut h ei n t e r 】n e tu s e r s ，m a n a g e i sa n di n t e r n e t s e n 唁c ep r 仉，i d e rp a ym u c ha t t e n t i o nt ot h ep e r f b r m a n c eo fn e t w o r l a n dh o wi tr u n so n t h ew h o l e n e t w o r kt b m o g r a p h yc a ng e tt h ep e r f o m a n c ep a r a m e t e ro ft h eg i v e n n e t w o r kb ym e a s u r i n gt h en e t w o r ka n di td e s c r i b 鹪p e r f o m a n c eo ft h en e t w o r kb y p r e c i s ea n di e u a b l em e a s u r i n gd a t a ，a n de v a h l a t e sh o r wt h en e t w o i 。kr u n so nt h ew h o l e t h e na s c e r t a i nt h ep r o b l e m si nt h en e t w o r k ，a n do p t i m i z et h ep e r f b m a n c eo ft h eg i v e n n e t w o r l 【a c c o r d i n g l yt oa c h i e v et h ed e m a n do fn e t w o r l 【u s e l t h i sp a p e rn r s t l yd e s c r i b e st h ec h a l l e n g e sf a c i n gt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o i ka n d t h ev i t a li m p o r t a n tm e a n i n go fn e t 、) r o r km e a s u r e m e n t ，t h e ng i v 伪ad e 6 n i t i o no f n e 锄r o r km e a s u r e m e n t ，a n da n a b z e st h em e a s u r i n gw a y so fs e v e r a ll i n d sa n dt h e p r o b l e m si nd e t a i l t a i l o r e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a m p u sn e 铆o r k ，t h i sp a p e rg i v e s a ne n d - t o e n dp a s s i v em e a s u r i n gm e t h o dw h i c hi sb a s e do nc a m p u sn e t w o r ka ti a s t ， b yd e s i g n i n gt h em e a s u r i n gp a c k e tw h i c hi n c h l d e ss p e c i a lc o n t e n tb yl i b n e ts o f h v a r e p a c k e t a n du s i n gt h ew i n p c a ps o f t w a r ep a c k e tt oc a p t l i r ea n di d e n t i i i yt h em e a s u r i n g d a t ap a c k 武i nt h en e t ，i tm a k et h ee n d - t o - e n dp a s s i v em e a s u r e m e n tw o r ki nl o c a l c a m p u sn e 细o r ka n df u r t h e r m o c o m p a r e st h ea c t l l a l 聆s u h so fa c t i v em e a s u r e m e n t a n dp a s s i v em e a s u r e m e n t k e yw o i m s ：s c h o o ln e 时o r ke n d t o e n d p e r = f o i m a n c e m e a s u r e m e n t i d e n t i 黟d a t ap a c k e t 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者躲序目裤 矽g 年占月阳日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：廖耽耷导师虢 年月日 基于校四网的埔到靖性能测量 1 1 论文研究的背景 1 1 1 网络发展面临的问题和挑战 第一章绪论 随着网络技术的飞跃发展，网络用户和网络新应用迅速增加，网络的广泛应用已经 改变了人们的生活和工作方式，网络已经成为2 l 世纪必不可少的基础设施之一。 2 0 0 7 年7 月1 8 日，中国互联网络信息中心( c n n i c ) 发布的第2 0 次中国互联网络 发展状况统计报告显示：截至2 0 0 7 年6 月，中国网民总人数达到1 6 2 亿i l j 。半年之 后，0 8 年1 月q 州i c 发布了第2 1 次中国互联网络发展状况统计报告，该报告显示： 截止2 0 0 7 年1 2 月3 1 日，我国网民总数已达到2 1 亿人，略低于美国的2 1 5 亿，位于 世界第二位。仅半年时间，中国网民增加了4 8 0 0 万，国家项级域名c n 在2 0 0 7 年也迅 速崛起，与2 0 0 6 年同期相比涨幅高达4 倍，即每天增长2 万个，创下了世界域名史上 的增长奇迹l z j 。 同时报告显示，网络新业务的应用在网民人数迅速增加方面起了很大的拉动作用 网比如网络媒体、数字娱乐、电子商务、网络下载等。这些特殊的应用对当今i n t e n l e t 提出了越来越高的服务质量要求。除了服务质量之外，网络发展还面临着其他方面的问 题，主要体现在以下三个方面： 1 、网络服务质量问题 因特网开展了丰富多彩的数据、语音和视频等增值业务和实时服务。然而如何调配 这些丰富的网络资源，来满足不同业务对网络资源的需求和达到不同业务各自的服务质 量要求却成为网络发展的难题。比如在网络视频方面，第2 1 次中国互联网络发展状况 统计报告显示8 9 7 的网民因为网络速度过慢而不浏览网络视频1 2 j 。 2 、网络的安全问题 网络的开放性与终端的智能化使得网络面临着前所未有的安全威胁，第2 1 次中国 互联网络发展状况统计报告显示9 0 8 的网民计算机感染过病毒；4 4 8 的网民的账 号和个人信息被改、被盗；2 6 7 的网民遭遇黑客攻击i z j 。 3 、网络的可管理问题 传统的网络管理与性能监控主要是利用简单网络管理协议s n m p 来实现的。基于 s n m p 的网络管理与监控所能提供的反映网络运行状况的信息量有限，不能满足对不同 网络性能信息的需求。此外，基于s n m p 的网络管理涉及到对网络设备中心信息库m i b 中的信息进行访问的权限管理问题，广泛的部署s n m p 管理系统会对网络的安全性造成 潜在的威胁；另一方面，周期轮询m i b 会降低网络设备、特别是核心路由设备对数据 包的处理速度，从而对网络的整体性能造成负面影响。 基于校园网的靖到靖性能测量 1 1 2 网络性能测量研究的重要性 网络管理员为了解决网络故障，必须了解网络的运行环境、网络应用和服务的实际 情况。因此，包含有网络性能数据采集和分析技术的网络性能测量技术成为了网络管理 的核心技术之一【3 j 。利用网络测量技术测量网络可以熟悉网络应用和服务及网络运行情 况，获取网络延迟、带宽、吞吐率等网络性能参数，以支持可区分的服务1 4 j 1 5 j1 6 j 。针对 网络测量和网络管理中所面临的问题，网络性能测量研究的重要性主要体现在以下四个 方面【刀： 1 、网络测量可以为开发高性能网络设备和设计网络协议提供理论基础。 2 、网络测量是提供服务质量保证的前提条件。 3 、网络测量是诊断网络运行状况、进行网络管理的重要技术手段。 4 、网络测量是保障网络安全，防范大规模网络攻击的重要方法。 1 2 国内外的研究现状 国内外，特别是国外对网络性能测量正在进行着大量的研究，涌现出了大量的测量 项目和研究机构。网络测量的分类标准有多种【8 】，已有的测量项目和主要采用主动测量 和被动测量的测量方式。目前，典型的涉及到网络性能测量项目和机构如下： 1 2 1 国外研究现状 p m a 项目：美国应用网络研究国家实验室n l a n r ( n a t i o n a ll a b o r a t o 巧f o ra p p l i e d n e m o r ki k s e a r c h ) 的被动测量项目p m a ( p a s s i v em e a s u r e m e n ta i l da 1 1 a l y s i s ) 是由美国国家 科学基金会n s f 资助的，旨在为高级网络提供协作性的服务支持。它不仅采用o c3 m o n 数据搜集系统采集a t m 的数据流，也可以使用c o r a lr e e f 根据一定的规则集进行数据 采集，并可使用p e d 等语言对采集的数据进行分析【9 】1 1 0 】； a m p 项目：主动测量工程a m p ( a c t i v em e a s u r e m e n tp r o j e c t ) 是n l a n r 的测量分析组 ( m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i st e 锄) 开展的另一个核心研究项目，旨在测量和分析通过高速 网络互联的网络节点间的性能。a m p 在全球部署了近1 5 0 个监测器，采用主动测量方式 测量网络往返延迟、丢包率、拓扑结构和网络吞吐量等网络性能参数i l u ； c a i d a 研究机构：c a i d a ( c o o p e r a t i v ea s s o c i a t i o nf o ri i i t e r n e td a _ t aa n a l y s i s ) 是美国 加州大学圣地亚哥分校u c s d ( u i l i v e r s i t ) ，o f c a l i f o m i as a j ld i e g o ) 圣地亚哥超级计算中心 s d s c ( s 锄d i e g os u p e r c o m p u t e rc e n _ t e r ) 的研究部，该机构在n s f ( n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ) 组织d a r p a ( d e f e n s ea d v a i l c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) i s p ( i n t e m e ts e i c e p r o v i d e r s ) 硬件供应商的资助下对网络进行研究，研究内容包括i m e m e t 拓扑结构、网络 负载、网络性能、网络路由、监测异常活动、带宽估计、负载刻画、长期趋势识别、能 力计划、安全迹象检测等1 1 2 j1 1 3 j ； 2 墓于校园网的端到靖性能测量 n i m i 项目：n i m i ( n a t i o n a li n t e m e tn l e 踟r e m e n ti n 觚t m c t l 玳) 项目是由美国国家科学 基金n s f 和d a 砒) a 资助的国家因特网测量基础结构，其目标是建立一个全球化的、分布 式的、大规模的i n t e m e t 测量机构。该项目已经设计出了轻负载、可升级、可动态配置、 具有安全验证的测量探针来测量各种网络性能参数，n i m i 项目分3 个阶段：m 破i ，m 破 i i ，m 破i i i ，并逐渐迈向智能化1 1 4 j ； s u n ，e v o r 工程：该工程是由非盈利性的国际学术研究组织a d v a n c e dn e m o r k & s e n ，i c e si n c 开展的一个研究项目，旨在建立一个用于长期测量广域网端到端单向延迟、 丢包率和路由信息的测量框架，并已建成为拥有分布全球的多个测量节点的测量平台 1 1 6 j 。s u r v e y o r 采用i p p m 定义的标准测量方法，采用主动测量方式测量i n t e m e t 的路径性能， 包括单向延时、损耗、路由拓扑等。s u r v e y o r 项目的特点在于：采用标准的测试方法使 测量结果具有可比性；利用g p s 卡进行时钟同步使单向性能指标的测量准确率提甜巧j 。 1 2 2 国内研究现状 国内清华大学提出了大规模互联网络性能监控模型l i p m ( l a r g es c a l ei n t e r n e t p e r f o m a l l c em o l l i t o rm o d e l ) ，该模型借鉴了国际标准化组织i s o ( 1 1 1 ei n t e m a t i o n 甜 o 礓a i l i z a t i o n 矗) rs t a i l d a r d i z a t i o n ) 的层次结构思想，将整个模型分为数据采集、数据管理、 数据分析、数据表示四个层次，并融会了删( t e l e c o m m u l l i c a t i o nm a n a g e m e n tn e 咖d 【) 在对象管理方面的方法，易于实现和维护。 西安交通大学提出了互联网应用性能测量系统n a p m ( n e t 、0 r ka p p l i c a t i o n p e r f o 肌a n c em e a s u r e m e n t ) ，提出应用探针和区域探针的分布式体系结构【1 7 j 。 哈尔滨工业大学计算机科学与工程系实现了一个大规模网络测量的原型系统【s j 【博j ， 能够针对大规模网络进行路由i p 拓扑结构的自动发现，并进行可视化显示。该课题组 对全国范围内的近1 7 万个m 进行了探测，获得了1 6 1 2 个路由i p 结点间的2 9 4 0 个连接关系， 并结合各个i p 的地理信息，生成了分层次的地理拓扑图，与实际结构相比，其准确度达 到9 0 以上。 1 2 3 存在的问题 国内外目前已有的网络性能测量项目中，其测量方式普遍采用主动测量、被动测量 或两者相结合的测量方法。但是不管是主动测量还是被动测量技术都存在着不足之处， 这些不足和缺陷是测量方法固有的缺陷，是不可避免的。比如在主动测量方面，主动测 量需要向网络发送的探针是实际的网络业务流量，因此会干预网络，对网络性能造成影 响并使测量值失真。在被动测量方面，被动测量是在网络节点上布置数据采器，对通过 该节点的网络业务流量进行分析、提取业务特征获得到网络性能指标。由于不需要发送 实际的业务流量测量网络，因此不会对网络性能产生影响，可以获得客观的数据，但是 现有的被动测量主要是在一个特殊点观察网络行为，虽然能对观察点的网络行为详细的 基于校四网的靖到靖性能测量 分析，却难以对网络的整体以及网络的端到端行为进行性能分析；其次，随着网络流量 的高速发展，被动测量难以进行实时测量，并且保证不丢包也变得更加困难；另外，协 作是被动测量的前提，否则无法在测量点安装必要的软、硬件设备，因次其测量范围由 此而受限，但是由于网络覆盖范围之大，结构之复杂使协作问题成为被动测量难以实施 的主要问题之一。 因此由于测量技术固有的缺陷和网络本身的原因，主动测量和被动测量技术在网络 测量中的所存在的问题是不可避免的，只能尽量减少误差或通过其他方法弥补不足之 处。 1 3 课题研究的意义 随着信息技术发展和办学内在需求的双重推动，校园网建设取得了较大进展，越来 越多的学校校园网联入因特网，但是目前却没有一个专门针对校园网网络特点而设计的 网络管理系统。校园网络因其使用群体层次高、频度大、范围广，因而更加需要高质量 的网络性能，如何通过分析用户行为，合理分配流量，提高用户使用网络的效率已成为 校园网络管理的一个重要课题。 校园网与因特网或其他的企业网相比较，有其自身的网络特点。比如说网络内部速 度快、规模大，用户群体活跃，网络环境开放。在上网方式方面，所有用户都是通过学 校统一分配的端口接入网络，不存在上网方式的区别；其次，各网络用户都集中在校园 内，不存在上网地域性的差别；同时，基本上每个学校都有一个专门的部门管理学校的 网络，很容易进行网络重建或安装其他的硬、软件，网络测量中所遇到的安全、保密等 问题也更容易解决。 校园网与因特网的差异决定了可以选择一种更适合校园网的测量方式。因此，如何 选择一种既适合校园网又能尽量减少误差的测量方式是本文首先要解决的问题。对于像 校园网这样与因特网有单个连接点的机构而言，测量设备如果安装在靠近默认路由器的 链路，同时测量客户和服务器的网络行为，就能了解到更为全面的端到端网络性能，并 且在校园网中被动测量技术所面临的协作问题就可以非常容易地解决。因此，针对校园 网的这些特点，一些在因特网中不方便进行的网络性能测量方法就可以在学校校园网中 实现。本文就是利用分组标识方法实现端到端的被动测量方式，在局部测量中以取代传 统的端到端主动测量方式，尽量减少测量的误差。 1 4 研究内容及创新点 1 4 1 研究内容 本文研究的目的是：利用校园网的特点实现端到端的被动测量，并与端到端主动测 4 基于校园网的靖到靖性能涮量 量进行比较，进一步探讨被动测量在校园网端到端性能测量中的应用情况。其主要研究 的主要内容如下三点： l 、分析数据包协议结构，设计并构造符合要求的用于测量的数据包； 2 、分析端到端性能测量的被动测量方式和主动测量方式的实现原理，利用w i n p c a p 开发包和l i b n e t 开发包设计一个数据包构造和识别的原型系统，进行基于被动测量 和主动测量的端到端性能测量； 3 、分析主动测量和被动测量的测量结果，探讨被动测量在校园网端到端性能测量 中的应用情况。 1 4 2 创新点 在校园网环境下，利用l i b n e t 开发包的构造和修改数据包的功能，设计特定内容的 测量数据包，让其在被动测量中起到主动测量探针的作用，并通过w i n p c 印开发包对测 量数据包进行分析和识别，以实现基于被动测量的端到端性能测量。 1 5 文章的结构 本文的结构安排如下： 第一章：作为绪论，阐述论文的研究背景和意义，分析网络测量技术和测量项目研 究现状，结合校园网的特点阐述论文的研究内容和主要创新点；最后简述论文的总体结 构。 第二章：介绍网络测量概念，分析常用的网络测量方法的差别和应用环境，阐述端 到端性能参数指标体系，性能指标之间的关系，以及网络层次模型各层的性能差异。 第三章：分析校园网络的特点，并由此确定在校园网络中端到端被动测量的方案。 然后阐述端到端被动测量的实现原理及被动测量中的关键技术、流程及关键算法。 第四章：实现i c 御时间戳数据包的构造、捕获和识别，实现校园网网络性能端到 端的主动测量和被动测量，并比较主动测量和被动测量实验结果。 第五章：总结与展望。对本文工作进行总结，并指出下一步的研究方向。 蓉于校园网的端到端性能测量 1 6 本章小节 本章首先阐述论文研究背景和意义，说明网络发展所面临的问题和挑战以及网络测 量的重要性，介绍涉及网络性能测量的国内外测量机构和测量项目的研究现状，并分析 目前网络性能测量方式所存在的问题。然后在比较了校园网与因特网、其他企业内部网 的差别之后，提出在校园网的端到端性能测量中使用被动测量实现的方案。 6 童i 于校园网的瑚r 到端性能测量 第二章网络测量研究概述 2 1 网络测量的基本概念 网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件包或硬件工具来测试表征网络性能 的指标，获取网络拓扑结构，节点属性，业务量特征等一系列活动的总和。网络测量可 以借鉴物理学中测量物理量的方法f 1 9 】。网络测量包含以下三个要素： 1 、测量对象：被测量的节点或链路、测量节点、链路或网络的具体特征，如链路 的时延、吞吐率、丢包率或路由器的路由效率、时延、丢包率，w r e b 服务器的应答延迟、 吞吐率、系统容量、最大稳定连接数等； 2 、测量环境：包括测量点的选取、测量时间的确定、测量设备、通信网络类型等 等： 3 、测量方法：针对某一具体的网络行为指标，应选取合适的测量方法，测量方法 至少应满足：首先，稳健性当被测网络的动态变化，不会使测量方法失效；其次， 可重复性同样的网络条件，多次测量结果应一致；再次，准确性测量结果应能 反映网络的真实情况，应有一定的可信度。 对于链路性能的监测测量，可分为基于路由器的测量，端到端测量和路由器协作测 量。在许多场合下更倾向于采用端到端网络性能测量方案，端到端网络性能测量是通过 边缘主机的协作来获取网络性能统计，并尽可能地减小对网络运行的影响，即只有边缘 主机参与其中，不需路由器提供配合与支持，在尽可能减小对网络造成负荷的前提下， 获取和网络性能相关的统计数据达到网络推测的目的。端到端网络性能测量主要包括时 延、丢包率测量、带宽测量等【2 0 。 2 2 网络测量方式 网络测量的主要目的是在网络正常运行的同时，通过测试信息包对网络延时、丢包 率等一些具体参数的测量。网络测量根据是否发送测量数据包可分：主动测量和被动测 量。这两种方法的作用和特点不同，可以相互作为补充。在端到端的性能测量中，目前 主要采用主动测量方式。 2 2 1 主动测量方式和被动测量方式 l 、主动测量方式 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数据包，注入网 络，并根据测量数据包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 7 基于校园网的端到靖性能测量 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，而且用于测量流 的数据包本身就是业务流量，因此还会增加网络负担。主动测量在端到端性能参数的测 量中应用十分广泛，目前大多数端到端测量系统都涉及到主动测量。 2 、被动测量方式 被动测量是指在链路或设备，如路由器，交换机等上安装数据采集器对网络进行监 测，因为是通过采集已有的网络数据包分析网络性能，因此不需要产生多余流量。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。通常情况下，被动测量 非常适合用来进行流量测量。 主动测量与被动测量各有其优、缺点，而且对于不同的性能参数来说，主动测量和 被动测量也都有其各自的用途。因此，将主动测量与被动测量相结合网络性能测量方法 的发展趋势。但由于正如前文所描述校园网网络的特点，在该系统中采用主动测量和被 动测量相结合的方式。 2 2 2 单向路径测量方式和往返路径测量方式 不管是主动测量还是被动测量可以采取单向路径测量和往返路径测量两种测量方 式，单向路径测量和往返路径测量方式所关心的性能参数不同。使用单向路径测量可以 获得单向丢包、单向时延参数等。而使用往返路径测量获得的是往返时延、时延抖动参 数等。目前国际上成熟的基于单向路径测量和往返路径测量网络性能测量理论有两种： 一种是r t d p ( r o u n dt r 邙a n dp a c k a g el o s sp r o t o c 0 1 ) ，另外一种是o w d p ( o n ew a yd e l a y a n dp a c k a g el o s sp r o t o c 0 1 ) 【3 8 】。 1 、基于往返路径测量的r t d p ： 由源地址向目的地址发送带有时间戳的请求数据包当目的端收到数据包时，返回 应答数据包，应答包返回到源端时，再打上本地时间戳，由这两个时间差值计算出往返 时延；若在指定的时间内( 该时间是指数据包最大的生存周期，也即t t l 的值) ，源端口 未接收到数据包则作为该数据包丢失处理并记录到数据库。最后，对数据库中的数据进 行处理，就可得到往返时延、时延抖动、丢包率和网络吞吐量等性能指标。 i 玎d p 测量方式所面临的问题： r 1 d p 方法是建立在网络路径对称理论基础之上，它是一种往返路径测量，它假设 数据包往返的路径基本上一致，但是大量实验数据表明：在因特网往返于源站和目的站 之间两条路径相同的概率近乎为零，两路径的性能参数也大相径庭，因此在因特网的测 量中，r t d p 测量方式并不能很好反映端到端网络性能。 2 、基于单向路径测量的o w d p ： 由源端地址向目的地址发送带有时间戳的数据包，当目的端收到数据包时，即刻打 8 基于校园网的端到靖性能测量 上本地时间戳，通过目的端和源端的时间差值计算出单向时延；若在指定的时间内，目 的端未接收到数据包则作为该数据包丢失处理并记录到数据库最后对数据库中的数据 进行处理，就可得到单路时延、时延抖动、单路丢包率和网络吞吐量等性能指标。 o w d p 测量方式所面临的问题： 实现o w d p 单向路径测量的主要技术难度在于解决收发测量数据包的计算机时钟 同步问题，因为o w d p 是利用收发计算机本地时戳的差值作为单向时延，那么如果收发 计算机的时钟不同步，这个指标就没有实际意义。由于网络延时很小，通常为几百毫秒 的数量级，这就要求源端口和目的端口时钟同步精度高，否则会造成很大误差。为了达 到计算机网络中各个测试用计算机时钟系统的高精度同步，最佳的方法是在各计算机端 口安装g p s ( 全球卫星定位系统) 接收机，利用g p s 系统时钟作为系统的同步时钟源。g p s 时间系统采用原子时ati ( i n t e m a t i o n a la t o r i l i ct i me ) 秒长作为时钟基础，可以使网上 计算机达到精确同步。只要在网络性能测试的计算机上安装g p s 接收机，通过g p s 时 钟调校计算机的时钟系统就可以解决网络中的计算机精确同步问题。 单向测量和往返测量都各有其特点，r t d p 方法易于实现，但是r t d p 方法建立在网 络对称理论基础之上，它假设信息包往返的路径基本上一致，以此来推测网络的延时。 而大量实验数据表明：在因特网中，往返于源端和目的端之间两条路径相同的概率近乎 为零。而单向测量避免了往返测量路径不一致的问题，但利用单向测量方法却要面对被 测试路径的计算机源端和目的端时钟同步问题，虽然可以通过在各测试的计算机端口安 装g p s 物理接收机解决该问题，但是会导致测量的开销增大，另外由于地域和协作问题， 在各被测试的计算机上安装设备也较难实现。 因此选择哪种测量方法是进行网络性能测量首先要解决的问题，测量方法的选取跟 被测量的网络拓扑结构、地域的差异、机构间的协作等都有关系。 2 3 网络性能指标体系 目前，国际标准化组织i s o 对网络性能测量的研究主要有两个组织进行： i t u 工作 组和和i e t f 的i p p m ( i pp e r f o 姗a l l c em 吮i c s ) 工作组。其中，i t u 工作组的研究主要是针 对a ，帧中继等各种数据网络，近年来也进行了专门针对i p 网络的性能参数的研究； 而i e t f 的i p p m 工作组仅针对i p 网络中的性能测量【2 1 】圈。 用户和网络运营商为了对网络性能和可靠性具有最精确全面的理解。需要定义一系 列的定量参数用以描述网元、链路、端到端路径以及路径和网络设备集合( c l o u d s ) 性能 和可靠性，这些经过严格定义的定量参数称为测量指标。d 网络测量指标框架由i e t f 提 出【2 3 】，该框架指出测量指标必须遵守以下定义标准： l 、测量指标必须是具体和严格定义的； 2 、对该指标的测量方法必须是可重复的( r e p e a t a b l e ) ，即在多个不同时刻相同的环 境下采用相同测量方法可以得到相同的结果； 9 纛于校园网的端到瑞性能测量 3 、测量指标必须是无偏的，即对相同的i p 技术实现具有相同的测量结果； 5 、测量指标必须具有区分性，即对测量结果可以理解和反映出不同的实现技术； 6 、测量指标对用户和网络运营商理解网络性能必须是有用的； 7 、测量指标必须避免人为的性能目标。 2 3 1 网络性能参数 因特网的测量有许多常用的指标。例如：时延、时延抖动，丢包率、带宽、连通性、 路由和跳数、网络系统的性能等【2 4 】。其中主要的几个性能参数的概念及测量分析如下： 1 、时延( d e l a y ) 时延是指测量数据包从源端的发送时刻到目的端到达时刻的时间差。时延由固定时 延和可变时延两部分组成。固定时延基本不变，由传播时延和传输时延构成；可变时延 由介质访问时延和排队等待时延两部分构成1 2 5 1 。传播时延是电信号在链路上传播所需要 的时间，通常为每公里5 微秒；传输时延由数据包的大小和链路带宽所决定，数据包越 大，传输时延越大，因为主干带宽一般比较大，所以传输时延的差异主要体现在低带宽 链路上；介质访问时延与网络媒体的特性和网络负载有关，轻负载时介质访问时延可以 忽略不计，对于点到点的全双工链路而言，介质访问时延为零；排队时延是指数据包在 路由器中排队所造成的时延，它与路由器本身的特性、链路拥塞状况等相关【z 引。 时延直接反应了网络性能，时延越大越说明数据包在路径上的排队等待时间越长， 路径上拥塞也越大，当端到端的时延大于某个阀值时，网络应用往往会因为超时而失效， 同时时延变化的不确定使得实时应用难以实现1 2 6 j 。 根据端到端测量的路径，时延可分为单向时延和是往返时延两种。 ( 1 ) 单向时延( o n e w a y - d e l a y ) 假设在t 时刻由源地址发送数据包，在t + t 时刻目的地址收到该数据包的最后一 个位，则源地址和目的地址间的单向时延为t 。测量单向时延的意义在于：i n t e m e t 中 路径往往是不对称的，或者即使路由是对称的但双向具有不同的性能特征，或者有些应 用的性能只依赖于单向时延。但是因为存在源地址与目的地址时间同步的问题，使测量 单向时延的难度远大于测量双向时延。相应地，单向时延指标可分为单次测量单向时延 指标和多次采样统计测量时延指标两种【2 7 j 。 ( 2 ) 往返时延( r o u n d 仃i pd e l a y ) 假设在t 时刻由源地址向目的地址发送请求数据包，在t + t 时刻源地址收到目的 地址应答数据包的最后一个位，则源地址和目的地址间的往返时延为t 。测量往返时 延的意义在于：网络应用往往需要客户机和服务器之间发送请求和应答，以完成信息传 递，网络中路由不对称性的存在，使得只有测量双向时延才能得到完成一次握手，获取 不同路径的总时延。相应地，双向时延也可以分为单次测量双向时延和多次采样测量双 向时延【2 引。 l o 基于校园网的靖到靖性能测量 2 、时延变化( d e l a yv a r i a t i o n ) 时延变化是指：同一个数据流中不同的两个数据包时延的差值称之为时延变化或时 延抖动。如在一个数据流中选定两个数据包，其单向时延分别为d t l 和d t 2 ，则该时延 变化为l d t l - d t 2 l 。 在时延变化的定义中，涉及到在一个至少包括两个数据包的数据流选取数据包。数 据包的选取方法通常用选取函数来实现。选取函数可以采用如下形式： ( 1 ) 在一个指定的时间间隔中的两个连续数据包； ( 2 ) 在一个指定的时间间隔中序号为n 和m 的两个数据包； ( 3 ) 在一个指定的时间间隔中单向时延最大和最小的两个数据包1 2 引。 3 、丢包( 1 0 s s ) 和丢包率( 1 0 s sr a t e ) 丢包是指某一时间段内被测网络传输及处理中丢失或出错的数据包数。丢包率是指 丢包总数占传输总包数的比例【3 0 】【3 引。丢包产生的原因是，当网络发生拥塞使得路由器 缓存溢出或数据包延迟过大而数据包丢失。因为丢包会导致数据包在网络中重传，因此 丢包会进一步造成网络负载增大，性能恶化。 为了减少丢包对网络的影响，可以对网络丢包率进行评估。评估网络的丢包率一般 采用直接发送测量包来进行测量，如果要进行准确的评估与预测，则需要一定的数学模 型。 目前评估网络丢包率的数学模型主要有贝努利模型、马尔可夫模型和隐马尔可夫模 型等【3 1 1 。m a y a y 萄1 1 i k 等人所作的1 7 2 小时的测量试验结果表明，在不同的数据采样间隔 下( 2 0 m s ，4 0 m s ，8 0 m s ，1 6 0 m s ) 采用三种不同的丢包率分析模型进行分析得到的结果完 全不同，在不同的估计精确度的要求下实验结果也各有不刚3 2 l 。因此在描述丢包率方面， 目前还需要更精确的数学模型。 4 、连接性( c o 衄e c t i v i 够) 连接性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。连接性也称可用性、连通性或者可达性，严格说应该是网络的基本能力或属性， i t u t 建议可以用一些方法进行定量的测量。除了连接性，目前还提出了连通率的概念， 根据连通率的分布状况建立拟合模型【3 4 j 。 5 、带宽( b a i l d w i d m ) 带宽是指单位时间内物理链路理论上所能传送的最大比特值。带宽一般分为瓶颈带 宽和可用带宽p 引。 瓶颈带宽是指当一条路径或通路中没有其它网络流量时，网络能够提供的最大的吞 吐量。对瓶颈带宽的测量一般采用包对( p a c k e tp a i r ) 技术，但是由于交叉流量的存在 会出现时间压缩或时间延伸现象，从而会引起瓶颈带宽的高估或低估，导致测量值失真。 除此之外，瓶颈带宽的测量方法还有包列等其它测量技术。 可用带宽是指在网络路径或通路存在网络流量的情况下，能够提供给某个业务的最 大吞吐量。因为网络流量的出现与否及其占用的带宽都是随机的，因此导致可用带宽的 基于校园网的靖到靖性能测量 测量比较困难。可用带宽的测量一般利用单向时延变化情况来估计可用带宽的值，其基 本思想是【3 6 】【3 7 】：当以大于可用带宽的速率发送测量包时，单向时延会呈现增大趋势， 而以小于可用带宽的速率发送测量包时，单向时延不会变化。所以发送端可以根据上一 次发送测量包时单向时延的变化情况动态调整此次发送测量包的速率，直到单向时延不 再发生增大趋势为止，然后用最近两次发送测量包速率的平均值来估计可用带宽。 瓶颈带宽反映了路径的静态特征，而可用带宽真正反映了在某一段时间内链路的实 际通信能力，所以可用带宽的测量具有更重要的意义。 6 、流量参数 i t u t 提出两种流量参数作为参考：一种是包吞吐量：即以一段时间间隔内在测量 点上观测到的所有传输成功的数据包的数量除以时间间隔；另一种是基于字节吞吐量： 用传输成功的数据包中总字节数除以时间间隔。i n t e 如e t 流量的高突发性以及网络的异构 性，使得网络呈现复杂的非线性，因此建立流量模型越发变得重要。 早期的网络流量模型有p s t n 的流量模型，一种p o i s s o n 模型描述数据网络的流量， 以及后来的分组火车模型，m a r k o v 模型等等。随着网络流量子相似性的发现，基于自相 似模型的流量建模研究也取得了不少进展和得到了广泛的应用，譬如分形布朗运动模型 和分形高斯噪声模型以及小波理论分析等等。但是对高速的巨大的网络流量进行直接测 量是几乎不可能的，并且大量的流量日志也使流量分析变得相当困难【) 刿俐。因而为了 解决这一问题，在近几年，流量采样测量研究已成为高速网络流量测量的研究重点。 2 3 2 性能参数间的关系 在上述的性能指标参数中，有些参数都存在着必然的联系，它们之间的关系如下： l 、时延和时延抖动：时延抖动是由时延所衍生的一个参数，因为时延抖动是由同 一数据流的不同数据包的端到端的时延的差值计算而来的。 2 、丢包与丢包率：丢包率是由丢包所导出的一个参数，丢包率是丢失的数据包数 目占发送总的数据包的比值。 3 、丢包与时延：当一个数据包在从源端到目的端的传送过程中有一个很大的时延 的时候，我们就可以看作该数据包丢失了，造成了丢包的现象。这一个“很大的时延 的值是由数据包的t t l 值所决定的，们凡的值决定了数据包的最大生存时间2 5 5 秒，但在 实际应用中一般为一个毫秒级的值，当数据包的时延超过指定的t t l 值时，就可以将该 数据包作为丢包处理了。 4 、丢包率与包时延的分布及固有时延关系：在丢包率较小的情况下，包时延的分 布多具有单峰性；随着丢包率的增大，包时延的分布不再具有单峰性，而是呈现出越来 越分散的特点，并且随着丢包率的增大，固有时延的发生次数呈现逐渐减少的趋势，当 丢包率增大到一定程度，固有时延的发生次数就很少了【4 l j 。 2 3 3 网络性能参数的层次模型 1 2 基于校园网的瑚t 到靖性能测量 国际标准化组织i s o 将网络从逻辑上划分为7 层，从下到上依次为物理层、链路层、 网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。不同层次的网络性能参数的内容着重点和 所代表的意义都不一样，其区别如下： 物理层：主要的性能参数是基于物理设备的，如链路的连通性，物理带宽，传输时 延和接口的比特吞吐率等； 链路层：主要的性能参数是基于数据链路的帧，如链路层交换机的帧吞吐率，链路 的帧传输时、帧丢失率等；。 网络层：主要的性能参数是基于端到端的i p 包的性能参数。如路由器的i p 包吞吐率， 端到端的连通性，i p 包传输时延，时延抖动，丢包，丢包率等； 传输层：主要的性能参数是基于端到端的t c p 连接或u d p 包的性能参数。如端到端 的t c p 连接上的t c p 包的丢包率，u d p 包传输时延，时延抖动等； 应用层：主要的性能参数是基于为用户提供的端到端的应用服务的可用性和服务质 量相关的一些参数。如西大视频点播服务的i p 视频包的物理带宽，传输时延，时延抖动， 丢包，丢包率等。 对于这五个层次模型的网络性能参数，不同层次的网络性能参数的内容着重点不一 样，不同的机构或用户所关心的性能参数是不一样。一般情况下，可以将物理层和数据 链路层、网络层以及传输层和应用层分开研究，通过选取不同的测试点获取不同的性能 指标，如网络节点指标、链路指标、性能指标。本文通过在终端系统上安装测试点( 如 下图) 获取网络层端到端的性能参数，如连通性、带宽、丢包、丢包率、时延及时延抖 动等分析网络性能。下图2 1 是以图形方式给出的网络性能参数的层次模型1 4 2