（计算机科学与技术专业论文）基于主动探测方式的网络性能测量研究及实现.pdf

国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 摘要 随着 工 n t e r n e t 及其应用的飞速增长， 网络规模不断扩大， 带宽成倍增长， 异构化 程度不断增加，网络日益复杂。为了理解网络的行为模型，对网络实施科学管理和有 效控制，提高网络的应用效能，开展实时、精确的网络测量技术研究具有十分重要的 意义。 按测量方式分，网络性能测量方法主要分为主动测量和被动测量两种。主动测量 方式由于具有能灵活测量端到端的网络性能、易于配置和安装等特点而被得到广泛的 应用。然而现有的主动测量工具并不能很好完成网络测量任务。经过分析研究，这主 要是由于封装探测报文的协议都不是专门设计用来测量网络的，因而不可避免的存在 各种局限。为此，网络研究人员提出了一种新的解决方案一一i p m p 协议，一种专门用 于网络测量的协议。 本文首先对现有主动测量理论和技术存在的局限性， 以及 i p m p 协议的在网络测量 方面的特点进行了深入分析和研究，并依据最新的工 n t e r n e t d r a f t 对 i p m p 协议的定 义，在f r e e b s d 上完成了工 p m p 协议的原型实现。其次，利用工 p m p 协议的特点，结合 现有的网络带宽测量理论，提出了一种新的带宽测量方法。最后研究了网络应用层性 能测试的内容、方法及指标等。 关键词:网络测量，报文延迟，带宽测量，i p m p 协议 第i 页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 abs t r ac t wi t h t h e i n c r e a s i n g d e v e l o p m e n t o f i n t e r n e t a p p l i c a t i o n s , t h e s c a l e o f i p n e t w o r k e x p a n d s c o n t i n u o u s l y , t h e n e t w o r k b a n d w i d t h i n c r e a s e s i n d o u b l e a n d i t s s t r u c t u r e b e c o m e s m o r e a n d m o r e i n h o m o g e n e o u s a n d c o m p l e x . i n o r d e r t o u n d e r s t a n d i n g t h e b e h a v i o r a l m o d e l o f i p n e t w o r k , p r o v i d i n g s c i e n t i f i c m a n a g e m e n t a n d e f f e c t i v e c o n t r o l t o t h e n e t w o r k , i t w i l l b e o f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r s t u d y i n p r e c i s e l y a n d r e a l - t i m e n e t w o r k m e a s u r e m e n t n e t w o r k m e a s u r e m e n t c a n b e c a t e g o r i z e d i n t o a c t i v e a n d p a s s i v e m e a s u r e m e n t . b e c a u s e o f b e i n g a b l e t o m e a s u r e n e t w o r k e n d - t o - e n d p e r f o r m a n c e a n d b e i n g d e p l o y e d e a s i l y , t h e a c t i v e m e a s u r e m e n t i s w i d e l y u s e d i n n e t w o r k m e a s u r e m e n t . h o w e v e r , c u r r e n t a c t i v e me a s u r e m e n t t o o l s a r e n o t w e l l s u i t e d t o t h e n e t w o r k me a s u r e m e n t t a s k , m o s t l y b e c a u s e t h e p r o t o c o l s t h a t me a s u r e m e n t p a c k e t s c a n b e e n c a p s u l a t e d h a v e n o t b e e n d e s i g n e d f o r me a s u r e m e n t o f t h e m o d e r n i n t e r n e t . a i m i n g a t s o l v i n g t h e p r o b l e ms , n e t w o r k r e s e a r c h e r s p r o p o s e d a n e w s c h e m e , i p mp p r o t o c o l , w h i c h i s s p e c i f i c a l l y d e s i g n e d f o r n e t wo r k me a s u r e me n t . f i r s t , t h i s p a p e r p r e s e n t s s e v e r a l c u r r e n t a c t i v e n e t w o r k m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s , a n a l y s e s t h e i r l i mi t a t i o n s , a n d d i s c u s s e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f i p mp p r o t o c o l f o r n e t w o r k m e a s u r e m e n t . a ft e r t h a t , t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e i m p l e m e n t a t i o n o f i p mp p r o t o c o l i n f r e c b s d o p e r a t i n g s y s t e m b a s e d o n t h e i p mp p r o t o c o l d e f i n i t i o n i n t h e l a t e s t i n t e r n e t d r a f t s e c o n d , a c c o r d i n g t o t h e e x i s t i n g n e t w o r k b a n d w i d t h m e a s u r e m e n t t h e o r y , t h i s p a p e r p r o p o s e s a n e w me t h o d o l o g y f o r b a n d w i d t h m e a s u r e m e n t u s i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f i p mp p r o t o c o l . a t l a s t , t h i s p a p e r r e s e a r c h e s t h e c o n t e n t , m e t h o d o l o g y , a n d m e t r i c s o f p e r f o r ma n c e t e s t i n g i n n e t w o r k a p p l i c a t i o n l e v e l k e y w o r d s : n e t w o r k me a s u r e m e n t , p a c k e t d e l a y , b a n d w i d t h m e a s u r e m e n t , i p mp p r o t o c o l 第 i i 币页 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， 论又中 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谢意。 学 位论文题目 : 基于主 动 探测方式 的网 络 性能 测量 研究 及实现 学 位 论 文 作 者 签 名 : 雪 酬日 期:a . 3 年 q - 月 a ;) 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: 墓于主动探测方式的网络性能测量研究 及实现 学位论文作者签名 作者指导教师签名: 考 殊 武 一擞 卫 葬 一 日 期:乡 加 ; 日 期 : 1 0 又 年 l 月 方 日 年i )月 奋 )日 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 图 目 录 图4 . 1工 p m p e c h o 分组格式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 二1 8 图4 . 2工 p m p 选项. . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， ， 二1 9 图 4 . 3路由记录格式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 图4 . 4 i p m p e c h o r e q u e s t 报文在网络中的处理过程 . . . . 2 1 图4 . 5报文在 f r e e b s d内核中的处理过程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 图 4 . 6 f r e e b s d操作系统源代码组织图 . . . . . ， 二 ， . . . . . . . . . . . . . . 2 4 图4 . 7 p r o t o s w结构的定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 二 . . . . 2 5 图 4 . 8一个协议的五个主要入口点 . . . ，二， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 图4 . 9工 p m p 协议的p r o t o s w结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 图5 . 1由h 跳组成的网络通路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 图5 . 2 v p s 探测中r t t组成示意图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 图5 . 3报文对在网络路径中的传输. .， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 图5 . 4背景流量对报文对的千扰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 图5 . 5不同网络负载下的带宽测量分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 图5 . 6两台主机由交换机相连构成的网络通路. . . . . . . . . . . 3 7 图 5 . 7测量带宽分布图. . . ， . . . . . . . . ，. . . . . . . . . . . . 4 0 图 5 . 8带宽测量结果分布 . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 图 6 . 1 l o a d r u n n e r 测试过程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 图 6 . 2 w e b服务器响应时间测试 . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . 5 3 一一一一 1 v 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 沦 文 表 目 录 表 4 . 表 4 . 表 4 . 表 4 . 表 5 . 表 5 . 表 5 . 表 6 . 表 6 . 表 6 . 表 6 . 表 6 . 表 6 . 表 6 . 1 p r _ t y p e 指明协议的语义 . ， . . p r - f l a g 。 的值 . . i n t e r n e t域协议 . ， . . 2 5 。 . . 2 6 4 i p m p 协议的p r o t o s w 结构说明 . . . . . . 1常用带宽测量工具 . . . . . . . . . . . . . . . ， 2带宽测量实验结果 二 . . . . . 3带宽测量比较 . ， . ， ， 1我国上网用户上网方式统计. . . . 2网络延迟和响应时间 . . . . . . . . . 3页面对象数对往返行程次数的影响， . 4被测站点的相关情况. . . . . . . . . . . . . 5测试次数及时间安排. ， . . . 6 w e b 服务器响应时间测试结果 . . . 7事务完成情况统计. ， ， ， ， ， . 2 7 27 ，万0口 八八qd .4l一 卜blin曰11llc 吐工d通sla二ds 一一，-一 v 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 第一章 绪论 网络技术的出现对现代科技与世界经济的发展以及人类生活产生了巨大而深刻的影 响， 其发展之迅猛是其他科学技术所不能及的，而网络性能测量技术对网络技术的发展和 应用起着十分重要的作用，对它的研究和探讨具有非常重要的理论、应用和实践价值。 1 . 1课题研究背景 进入2 0 世纪9 0 年代以 来， 工 n t e r n e t 的发展呈现出爆炸性的增长趋势， 并且这种增长 还将继续。 第十二次中国互联网络发展状况调查报告显示n q截至2 0 0 3 年7 月， 我国的国 际出口带宽总量由2 0 0 1 年7 月的3 2 5 7 m 增加到 1 8 5 9 9 m ，上网计算机台数由8 3 9 万台增加 到2 5 7 2 万台，上网人数突破 6 8 0 0 万。 随着网络应用范围的迅速扩大和应用程度的深入， 网 络用户越来越多， i n t e r n e t 变得 越来越庞大， 越来越复杂， 一些特殊的应用，比如视频会议、i p电话、 远程教育等对当今 的 工 n t e r n e t提出特殊的服务质量要求等等，这些都对网络的设计、管理和应用提出严峻 的挑战。要设计、管理和利用好网络，必须要求有效地获取性能特征方面的准确数据，网 络性能测量技术是准确而有效地获取性能特征的唯一手段。它通过对网络实际和有效带 宽、数据包的延迟和丢失等的wj ji 试以及对网络拥塞、数据的突发性等运行状况的监测，获 得网 络性能 特征的 准确数据， . 从而对网 络的设计、 管理起着非常重要的 作用。同时，通过 j性能测试对网络的性能特征有了清楚认识和准确把握，我们才能对网络更加有效地加以利 用。然而网络的异构性、复杂性造成了网络测试与测量的困难，因此网络测量、测试、监 控与管理技术成为人们急待解决的难题。 在国外，互联网性能监测这一行业己经非常发达，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 y工 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。 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成熟的电子商务环境。 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， 这一市场己 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 身竞争能力的要求己 经为这个市场的发展打 下了初步的客户基础。 第 1 页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 1 . 2网络测量研究现状 自 从美国国 家科学基金会在二十世纪八十年代中期确立它的网 络计划以 来， 高质量的 访问因特网对教学、 科研以及日 常的生活都起着越来越重要的作用。 但这些年来，因 特网 变得越来越复杂，即使是经验丰富的网络工程师对数据传输服务的路径、 可靠性和性能等 也只能有一个非常模糊的认识。没有准确的 工 。 t e r n e t性能方面的数据，以及收集和分析 这些数据的 有效工具， 教育、 科研机构，以 及其他需要这些性能数据的用户或组织， 就很 难对网络的建立、管理和应用等作出正确决策。 为了 解决 诸如此类的问 题， i n t e r n e t 工 程任务组i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 专门 成立了一个 i p p m up p e r f o r m a n c e m e t r i c s ) 工作组， 专门负责发展一套 用于衡量 工 n t e r n e t数据传输服务的质量、性能、可靠性等方面的度量标准。同时许多组 织、团体、机构或公司纷纷建立了它们的测量项目，这些组织及测量项目 如: m o a t o f n l a n r ( m e a s u r e m e n t a m p 项目 的目 的是为了 增强参与站点和用户对高性能网络运行情况的理解， 帮助网络用户和提 供商分析问 题. a m p 项目 使用的测量工具有p i n g , t r a c e r o u t e 等， 测量包括端到端的r t t , 包丢失、拓扑以及吞吐量等性能指标。 s u r v e y o r : s u r v e y o r 是 一个建立 在全球参与 站点 上的 测 量平台， 部 分由n s f 支持。 s u r v e y o r测量工 n t e r n e t 的 端到端路径性能， 包括单向 延时、丢包、 路由 测量等。 并研究 相应的分析方法与工具。设有5 5 个监测点，在 1 8 8 3条路经上进行单向时延测量。 n i m i ( n a t i o n a l i n t e r n e t m e a s u r e m e n t i n f r a s t r u c t u r e ) ， : n i m i 项目 最v 1 由 美国 自 然科学基金会发起，是美国 b e r k e l e y大学 v e r n p a x s o n编写的n p d ( n e t w o r k p r o b e d a e m o n )软件的改进结构 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 n f o r i n t e r n e t d a t a a n a l y s i s ) 6 :开展网 络测量、 分析、 可视化工具的 研发， 维护全球因 特网平台的健壮性和可扩展性， 受到n s f ( n a t i o n a l s c i e n c e f o u n d a t i o n )、d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y )、 i s p ( i n t e r n e t s e r v i c e p r o v i d e r s ) 和硬件供应商的资助， 研究对象包括i n t e r n e t拓扑结 构、网络负载、网络性能、网 络路由， 监测正/ 异常活动， 关注带宽估计， 负载刻画， 长 期趋势识别，以 进行流量工程设计、能力计划、安全迹象检测等等。 i n t e r n e t 2 m e a s u r e m e n t w o r k i n g g r o u p : 正 在开 发 一 个i n t e r n e t 2 的 分 布 式 测 量 平 台。 该平台 将用来分 析端到 端的网 络 性能， 研究q o s 性能 特征等。 并 采用n e t f l o w , m r t g , s n m p 等技术提供每天、每周、每月及每年的流量和性能分析报告。 第 2页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 此外，一些大公司也投入这方面的研究 实验室参与的m i n c ( m u l t i c a s t i n f e r e n c e 如i b m 公司的g j . w a t s o n 研究小组，a t . 被动测量 ( p a s s iv e m e a s u r e m e n t ) : 观察实际 存在网 络的 流量情况; . 性能尺度( p e r f o r m a n c e m e t r i c s ) : 研究可用来刻画网 络流量行为特性的尺度和指标; . 流量统计 ( t r a f f i c s t a t i s t i c s ) : 理解并开发实际的网 络流量模型; . 可视化监测 ( v i s u a l i z a t io n ) :找到有效的方法来显示网络中所发生的情况。 有关的会议还有如由 c a i d a主办的将于今年 1 2月举行的首届带宽评估专题研讨会 b e s t 2 0 0 3 ( b a n d w i d t h e s t i m a t i o n w o r k s h o p )，。 等。 随着网络性能测试的研究与发展，许多公司、组织或团体等开发出 大量的网络性能测 试方面的z具， 其中 应用 或电 子 商务方面的 有c o m p u w a r e e c o s c o p e , o p t i m a l a p p l i c a t i o n e x p e r t , c l e v e r - t o o l s w e b b o y 等; 带宽/ 吞吐量方面的有b i n g , c l i n k , n e t p e r f , n e t t i m e r , p a t h c h a r , p c h a r , t r e n o , t t c p a n d n t t c p等;延迟方面的有 p i n g , f p i n g , t r a c e p i n g 等; 连接的利用率方面的 有i p t r a f , l i b p c a p 等。 1 . 3课题研究内容 基于对网络测量的重要性的认识，人们在这一领域进行了大量的 研究，取得了很多可 第 3 页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 喜百 而藕丁骊赢花石丽绍 的 复 杂 性、 异 构 性 等 特点 使 人 们 对 网 络 的 监 测 和 管 理 带 来 了 很 大的困 难， 人们对网 络行为 特点的了 解还远远未达到所期望的程度， 对网 络测量的 研究也 远未停止。本课题的基本任务是对现有的网络主动测量理论、方法及工具等进行跟踪和研 究，分析其存在的局限性及产生的原因，寻求改进的方法。本课题具体所做的工作如下: ( 1 )对网络性能测量及其相关技术进行了广泛的调查与研究。调查研究的内容主要 分三个方面:网络性能测量指标体系、网络性能测量理论及方法及网络性能测量项目 及工 具。 ( 2 )对现有网络延迟和路由 测量技术的局限性进行了分析，介绍了一种新的解决方 案一一i p m p ( i p m e a s u r e m e n t p r o t o c o l ) 协议。根据 a . j . m c g r e g o r最新一期 d r a f t ( d r a f t - m c g r e g o r - i p m p - 0 2 ) 对i p m p 协议的定义，以及在研究t m a t t h e w l u c k i 。 对i p m p d r a f t 0 . 3 实 现的基础上， 在f r e e b s d 操作系统上完成了i p m p 协议的原型实现。 ( 3 )带宽是反应网络性能的重要尺度，也是目 前网络测量领域内 研究的重点和难点。 本文对现有的网络带宽测量方法及数学模型进行了分析，并利用 i p m p协议的特性提出了 一种新的带宽测量方法。 ( 4 )研究了应用层性能测试的原理、方法及测试工具等，并运用测试工具对几个商 业网站进行了性能测试及分析。 1 . 4论文结构 全文共分五章，具体组织如下: 第一章，介绍了课题研究的概要情况，包括课题研究背景、研究现状及研究内容等; 第二章，阐述了网络测量的主要内容、测量的方法、测量系统的体系结构以及网络测 量的应用等; 第三章，分析了现有延迟和路由测量技术存在的局限性; 第四章，介绍了一种新的网络测量协议，并对该协议在网络测量方面的特性进行了分 析，最后讨论了该协议在f r e e b s d 操作系统上的实现; 第五章， 对现有的带宽测量技术进行了介绍和分析，结合 i p m p协议及现在网络带宽 测量技术，提出一种新的带宽测量方法; 第六章，介绍了网络应用层性能测试的内容、方法及测试工具等。 最后给出了本文的结论，并对下一步工作进行了展望。 1 . 5本文的研究成果 本文首先对现有主动测量理论和技术存在的局限性，以 及 i p m p协议的在网络测量方 面的 特点进行了 分析和研究， 并依据最新的工 n t e r n e t d r a f t 对i p m p 协议的定义， 在f r e e b s d 上完成了i p m p 协议的原型实现。 其次， 利用i p m p 协议的 特点， 结合现有的网 络带宽测量 第 4页 国防科 学 技 术 大 学研 究一 生 院学位 论 文 理论， 提出了 一种新的带宽测量方法。以第一作者的身份在中国教育和科研计算机网第十 - 届学术年会上发表论文一篇 ( 见本文附录)。 第5 页 国 防 科 学 技 术 大学 研 究 生 院 学 位 论 文 第二章 网络测量概述 目前，工 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、延时、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 服务性能测量、d n s 系统性能测量等) 。 夸 2 . 1网络测量指标体系 在一个运行的网络中，人们希望定义一套系统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 )的性能和可靠性，使得用户和网络提供商对网 络19 k , 和可 靠性具 有最精 确全 面的 理 解。 这些 经过 严格定 义的 定 量参 数称为 测量 指 标体 系。 i p 网络测量指标框架最早由i e t f s b m w g ( b e n c h m a r k i n g m e t h o d o l o g y w o r k i n g g r o u p ) 定义， i p p m 继续进行i p 网 络性能指标定义、测量方法等方面的建议和研究。 r f c 2 3 3 0 给出了i p 性能指标的 框架。该框架指出， 测量指标必须遵守以 下定义标准: . 测量指标必须是具体和严格定义的: . 对该指标的测量方法必须是可重复的，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; . 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; . 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; . 测量指标对端用户和网络运营商理解网络性能必须是有价值的; . 测量指标必须避免人为的性能目 标。 对网络性能和可靠性指标的研究最先被用在协议设计与实现、网络模拟仿真分析网络 性能等。这些指标体系称为解析框架 ( a n a l y t i c a l f r a m e w o r k )或称为 a 一 框架 ( a - f r a m e w o r k ) 。 在该框架下的主要指标有链路传播时if5 l ( p r o p a g a t i o n t i m e o f a l i n k ) 、 数据包大小为 k的链路带宽 ( b a n d w i d t h o f a l i n k f o r p a c k e t s o f s i z e k )、路径跳 ( h o p ) 数。使用 a - 框架的分析性能问 题往往需要大量的简化假设， 正是这些简化假设造 成与实际系统的差异。 大量有效的性能和可靠性指标并不能符合a 一 框架， 必须使用实验指 标来描述，例如t c p 最佳吞吐量。 目 前，i p p m 定义的指标和建议的精确测量方法如下: ( i ) 连 通 性( c o n n e c t i v i t y ) ， 连通性指在某个时刻 t ，原地址发送某种类型的数据可以达到目的地址。连通性包括 单向 连通性 ( o n e - w a y c o n n e c t i v i t y )、双向 连通性 ( t w o - w a y c o n n e c t i v i t y )。 连通性 主要用于描述网 络的可靠性，是网络业务完成的基本条件。 ( 2 ) 单向 延 迟 ( o n e - w a y d e l a y ) “ 第 6 页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 一在 面菇 舀 l flf; s r c p h # t 1m ll d s t , a t刻 在 源 地 址 发 送 数 据 包 p ， 在 t 十 t 时 刻d s t 收到该数据包的最后一个b i t ， 则单向 延迟为 t 。 延迟直接影响应用的性能。 当 端 到端的延迟大于某个阐值时， 应用往往会因为 超时而失效。并且延迟抖动的不确定使得实 时应用运行根本不可能。 延迟造成传输层协议流控机制实施困难。 延迟一般由三部分组成: 传输延迟、传播时延以及排队等待时间，因此测量得到最小延迟的值一般仅仅包含传输延 迟和传播时延。只 有在背景流量非常小的测量环境下才能得到最小延迟。延迟越大越说明 数据包在路径上的排队等待时间越长，路径上拥塞越大。测量单向延迟因为存在两端时间 同步的问题而难度远大于测量双向延迟。 测量单向延迟的意义在于: 工 n t e r n 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，或者有些应用的的性能 只依赖于单向延迟 ( 使用t c p 进行文件传输)。相应地，单向延迟指标可分为单次测量单 向 延迟指标和多次采样统计测量延迟指标两种。 ( 3 ) 单向 丢包 ( o n e - w a y p a c k e t l o s s ) ， 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。丢包进一步造成 数据包在网络中重传， 网络负载增大， 性能恶化。 和单向延迟与双向延迟比较相同的原因， 双向丢包率并不能代替单向丢包率测量。单向丢包根据一次测量数据包发送的不同可以分 为单次测量丢包 ( t y p e - p - o n e - w a y - p a c k e t - l o s s ) 和多次采样测量丢包，典型的多次测量 丢包率如 t y p e - p - o n e - w a y - p a c k e t - l o s s - p o i s s o n - s t r e a m ,测量数据包发送数据间隔成 p o i s s o n 分布。 ( 4 ) 双向 延 迟 ( r o u n d - t r i p d e l a y ) 1 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，使得只有测量双向延迟才能得到完成一次握手不同路径的总延迟。相 应地，双向延迟也可以分为单次测量双向延迟 ( t y p e - p - r o u n d - t r i p - d e l a y )和多次采样 测 量 双向 延 迟， 典 型 的 双向 延 迟 如t y p e - p - r o u n d - t r i p - d e l a y - p o i s s o n - s t r e a m . ( 5 )工 p p m 还定义了其他性能指标，如: 数据包延迟变化 ( i p p a c k e t d e l a y v a r i a t i o n m e t r i c ) . ， ， 单向 丢失 模式 ( o n e - w a y l o s s p a t t e r n s a m p l e m e t r i c s )， 块传输能力b t c ( b u l k t r a n s f e r c a p a c i t y )， ， ，以 标 识具有拥塞控制单个传输连接 ( 例如 t c p )的网络传输数据能力， 数据包失序 ( p a c k e t r e o r d e r i n g )等。 i p p m 正在开发单向 指标测试的通信协议， 使得实现单向指标的不同厂商设备实现可以 互操作的基本功能集。i p p m 还在设计存储 i p p m指标的m i b ，可以 和现有的网络管理系统 进行通信。测试指标体系相关的 研究组织还有c a 工 d a m e t r i c s 工作组等。 网络往往被分为通信子网和资源子网， 根据这种划分可以将指标分为面向 端系统的指 标和面向网络的指标。 所谓面向端系统，指该指标直接影响终端用户的应用性能;面向网 络的指标主要对通信网管理、运营、 规划等提供指导意义。面向端系统的性能指标包括端 到端延迟 ( e n d - t o - e n d d e l a y )、延迟抖动 ( ,t i t t e r )、丢包率 ( p a c k e t l o s s r a t e )、 第 7页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 吞吐量 ( t h r o u g h p u t )。 延迟和丢包率是端到端网 络应用q o s 的最基本性能指标， 延迟幅 度和抖动直接影响网 络应用之间的交互。 而丢包率和丢包分布影响丢包重传机制和应用的 长期吞吐量。 端到端延迟由 传输延迟、 传播时延的 排队时间构成。 排队延迟的不确定性造 成了延迟抖动。许多流媒体要求连续播放及视频和声频同步，因此往往在端系统采用一定 的措施消除延迟抖动。有些可靠性高的应用，要求准确传输保证而并不需要严格上界，如 f t p 。 吞吐量的定义比较复杂， 涉及带宽、 有效带宽、 t c p 连接的吞吐量、 带宽效率等。 面 向网络的性能指标包括利用率 ( u t i l i z a t i o n r a t e )、带宽容量 ( c a p a c i t y )、可达性 ( r e a c h a b i l i t y )、局域性 ( l o c a l i t y )、突发性 ( b u r s t i n e s s )、负载 ( p a y l o a d )、 流量特征 ( t r a f f i c c r o s s - s e c t i o n )、单个流指标 ( i n d i v i d u a l f l o w m e t r i c s :例如流 强度、持续时间等)、累计流相关指标 ( a g g r e g a t e f l o w m e t r i c s )等，面向网络的性能 指标并不反映单个端应用的性能，而用以描述通信链路、设备、承担负载等运行状态。各 个性能指标是相互关联的，例如网络负载较大，则应用端到端性能下降。链路负载大造成 缓存溢出 或者链路质量差而路径丢包严重， 数据重传， 对端系统而言即延迟增加。因 此研 究面向端系统和面向网络的指标之间及其应用级和网络级性能指标之间的关系具有重要 的意义。 2 . 2网络测量的方法 i p p m 在r f c 2 3 3 0 0 ” 中指出 测量方法包括以 下几种: a )采用注入测试流量的方法来直接测量一个性能度量参数。例如:对给定时间，给 定路由，给定长度的 i p 分组的往返延迟的测量; b )从其他性能指标推论目的性能指标。例如精确测量传播时延和路径中各链路的带 宽，推导出给定长度的i p 分组在路径上的最小端到端延迟; c )从一系列累计的测量指标中分解估计各组成的指标值。例如精确测量某链路在不 同数据包大小情况下的延迟，估计传播时延。 d )从过去时刻指标植估计将来某时刻的性能指标。例如精确测量过去时刻的流量和 相应的延迟，建立流量模型及流量和延迟的关联，估计现在和将来的流量及其在 该流量下的延迟。 测量方法和测量系统必须满足结果重现性 ( r e p e a t a b l e ) 和连续性 ( c o n t i n u i t y ) 所谓结果重现性指在相同的网络环境下 ( 相同的网络设施和相同的负载)不同的时刻采用 该测量方法进行测量， 具有一致的测量结果。 所谓连续性是指当网络环境具有微小的变动， 采用该测量方法得到 测量结果不应该有很大的变化。 根据测量过程中是否向被测系统中发送探测数据包 ( p r o b e p a c k e t )可以 将测量方法 分为主动测量和被动测量。主动测量指测量系统产生探测数据包并注入网 络中， 观测探测 数据包的行为和到达时间，估计网络性能指标。主动测量是处于网络边缘的端用户了解网 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。 本文对网络测量性 第 8 页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 能测量的研究主要是针对主动测量方法。 2 . 2 . 1 主动测量 主动测量:在网络上布置测试平台，主动发送测量流量，从a到b ，获得两端点间的 测量结果信息。如发 i c m p 包或 u d p 包。 优点是灵活，方便。它是端到端之间的测量，可 得出端与端之间的网络性能信息。不足:由于需要向网络发送流量，会增加网络负担， 对 网络性能产生影响。大量的流量可能会在瓶颈处产生拥塞，从而使测量值偏离实际值。 因主动测量能获得网络的路径分布，如用 t r a c e r o u t e工具，因而网络的路由行为分 析和网络的拓扑探测及可视化常用到主动测量技术，而下一代网络的软、硬件规划和网络 本身的稳定性取决于可靠的路由，由此可见主动测量的重要性。除此之外，主动测量还应 用在b g p 路由表的使用和路由的不对称分析等方面。 到目 前为止， 人们所做的大多数项目 都涉及到主动测量【 t8 ) 。比 如， 美国的n 工 m i 项目 ， 利 用p i n g , t r a c e r o u t e , m t r a c e 等工 具 进 行主 动测 量; a m p 项目 19 ， 采 用p i n g 进 行双向 测量，测量r t t 、丢包率和拓扑。到了2 0