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摘要 随着i n t e r n e t 技术和网络业务的飞速发展，用户对网络资源的 需求空前增长，网络也变得越来越复杂。越来越多的网络应用程序需 要了解网络延迟、带宽、吞吐率等网络性能参数，以支持不同的服务 质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。不断增加的网络用户和应用，导 致网络负担沉重，网络设备超负荷运转，从而引起网络性能下降。这 就需要对网络的性能指标进行提取与分析，对网络性能进行改善和提 高。因此网络性能测量便应运而生。迅速准确测量网络可用带宽也有 助于保护网络安全，保证互联网的正常运行。 网络带宽表征网络传输信息的能力，包括链路带宽和可用带宽， 直接反映了端到端路径的基本状况，是对网络进行性能管理和服务质 量控制的基础。现在已出现各种各样的带宽测量算法和工具，但是， 目前还没有一种能适用于那些网络应用程序如w e bs e r v i c e s 的应用， 这些程序不能在对方端点安装测量程序。现有的带宽测量算法和工具 中，仅p a t h c h a r 算法不需要目的端的协作。而p a t h c h a x 算法有只能 测量链路带宽，且要求网络路径对称等缺点，从而为其应用带来不少 限制。 本文在深入分析现有带宽测量的模型与方法后，提出一种新型的 算法t p t a ( t i m e s t a m p - b a s e dp a c k e tt e t r a da l g o r i t h m ) ：探测源 端主动向网络发送带有时间戳选项的i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o l m e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 回显请求的四元分组，根据分组长度之差与四元 分组通过待测链路的时间差的变化，以及链路的带宽和背景流量的关 系，计算出该链路的带宽和可用带宽，并在仿真和实测中验证了该方 法的准确性和抗干扰能力。它具有如下优点： 1 由于该方法是通过探测源端主动向网络发送带有时问戳选项的 i c m p 回显请求的四元分组，那么根据时间i c m p 记录的信息可以得到 需要的时间测量值，从而不要求目的端的协作： 2 由于指定路由器把它当前的时间值记录在分组的报文头部然后 返回，此值在经过后续链路和路由器时不会改变，即与后续链路无关， 所以不要求网络路径对称； 3 通过测量分组的时间差值可以过滤部分排队失败的数据，又没 有下游链路的拥塞的问题，因而有较强的抗干扰能力。 4 由于该算法采用的是四元分组方法，消除了因测量分组通过数 据链路层和物理层后分组长度的增加而引起的测量误差，因而具有更 高的准确性。 5 可以测量路径上任一链路的链路带宽和可用带宽，也可以逐跳 测量，从而可以得到路径的瓶颈带宽和可用带宽。 关键词：时间戳，网络测量，链路带宽，可用带宽 i i a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g ya n d n e t w o r kb u s i n e s s ，t h ed e m a n d sf o rn e t w o r kr e s o u r c e si s i n c r e a s i n gu n p r e c e d e n t e d l y ， s ot h en e t w o r ka l s ob e c o m e sm o r e c o m p l e x t os u p p o r td i f f e r e n tq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。m o r e a n dm o r en e t w o r ka p p li c a ti o np r o g r a m sn e e dt ol e a r nt h en e t w o r k p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha sd e l a y ，b a n d w i d t h ，t h r o u g h p u t a n ds oo n t h en e t w o r kp e r f o r m a n c ed r o p ss i g n i f i c a n t l yb e c a u s e o ft h en e t w o r kl o a db e c o m i n gh e a v y ，a n dn e t w o r ke q u i p m e n t o v e r l o a d e db yt h ei n c r e a s i n gn e t w o r ku s e r sa n da p p l i c a t i o n s ， w h i c hd e m a n du st oe x a m i n ea n da n a l y s i st h en e t w o r kp e r f o r m a n c e s ot h a tt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e d t h e r e f o r et h e n e t w o r k p e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n tb e c o m e sa ni m p o r t a n ta n d p o p u l a rt h e m e e f f i c i e n tn e t w o r km e a s u r e m e n tw i l l b ea l s o h e l p f u li ns e c u r i n gt h en e t w o r ka n da s s u r i n gt h en e t w o r kw o r k s s m o o t h l n a sam e t r i cu s e dt od e s c r i b et h ec a p a c i t yo ft h en e t w o r k t r a n s f e r r i n gi n f o r m a t i o n ，b a n d w i d t hr e f l e c t se n d t o e n dp a t h d i r e c t l y ，i n c l u d i n g1 i n kc a p a c i t ya n da v a i l a b l eb a n d w i d t h ， w h i c hi st h eb a s eo fm a n a g i n gt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ea n d c o n t r o l l i n gt h eq u a l i t yo fs e r v i c e s t h e r ea r em a n yk i n d so f a l g o r i t h m sa n dt o o l so nb a n d w i d t hm e a s u r e m e n t ，b u ta m o n gw h i c h t h e r e s t i l lh a sn oa p p r o p r i a t et o o l sf o rt h en e t w o r k a p p li c a t i o np r o g r a m ss u c ha sw e bs e r v i c e s t h a ti sb e c a u s et h e p r o g r a m sc a n ti n s t a l1p r o g r a m so nt h eo t h e re n d n o n eb u tt h e p a t h c h a rd o e s n tn e e dt h ec o ll a b o r a ti o no ft h eo t h e re n d ，y e t t h ep a t h c h a rh a ss o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha si tc a no n l ym e a s u r e 1 i n kc a p a c i t y ，a n dn e e dt h en e t w o r kp a t ht ob es y m m e t r i c a l ， w h i c hr e s t r i c ti t sa p p li c a ti o n i i i a f t e ra ni n d e p t hs t u d yo nt h ef o r m e rm o d e l sa n da l g o r i t h m s o nb a n d w i d t hm e a s u r e m e n t ，t h i s p a p e rb r i n g sf o r w a r dan e w a l g o r i t h m - - t i m e s t a m p b a s e dp a c k e t t e t r a da l g o r i t h m ( t p t a ) ： t h es o u r c ee n ds e n d sp a c k e tt e t r a dw h i c hh a st h eti m es t a m p o p t i o n sw i t hi c m pe c h o b a s e do nt h er e l a t i o n s h i d so ft h e d i f f e r e n c eo ft h ep a c k e t sl e n g t h ，t h ec h a n g e so ft h et i m e d i f f e r e n c et h a tt h ep a c k e t sp a s st h r o u g ht h el i n k ，t h el i n k c a p a c i t ya n dt h ec r o s st r a f f i c ，t h e1 i n kc a p a c i t ya n da v a i l a b l e b a n d w i d t hc a nb ew o r k e do u t t h et p t ah a sb e e nv e r i f i e d c o n c i s e l yi nn e t w o r ks i m u l a t o ra n dp r a c t i c e t p t ah a st h e s e c h a r a c t e r i s t i c s ： i td o e s n tn e e dt h ea s s i s t a n c eo ft h ed e s t i n a t i o ne n d b e c a u s et h es o u r c ee n ds e n d sp a c k e tt e t r a d ，h a v i n gt h e 。t i m es t a m po p t i o n sw i t h i c m pe c h o ，t ot h en e t w o r k f u r t h e r m o r e ，t h er e q u i r e dt i m em e a s u r e m e n tc a nb eg o t t e n a c c o r d i n gt ot h ei c m p i td o e s n td e m a n dt h a tt h ep a t hi ss y m m e t r i c a l b e c a u s e w h e nt h er o u t e rs e tt h et i m ei nt h ep a c k e t sh e a d e r ，t h e t i m ew i l ln o tc h a n g el a t e r ，t h a ti st os a y ，t h et i m eh a s n o t h i n gt od ow i t ht h ef o l l o w i n gl i n k s i th a st h ec a p a c i t yo fa n t i j a m m i n g b e c a u s ei tc a n f il t r a t ep a r to ft h ed a t at h a tf a ili nq u e u i n g ，a n di t d o e s n tb ei n t e r f e r e db yt h ec r o s st r a f f i ci nt h e f o l l o w i n gl i n k s i th a sag o o da c c u r a c y t h a n k st ot h ep a c k e tt e t r a d i t e li m i n a t e st h ee r r o rc a u s e db yi n c r e a s eo ft h el e n g t ho f t h ep a c k e tw h e nt h ep a c k e tp a s st h r o u g hd a t a - li n kl a y e r a n dp h y s i c a l l a y e r i tc a nm e a s u r el i n kc a p a c i t ya n da v a i l a b l eb a n d w i d t ho f a n yl i n ka tt h es a m et i m ei nap a t h ，a l s oi tc a ng e tt h e b o t t l e n e c kb a n d w i d t ha n dt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t ht h r o u g h h o p b y h o pm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：t i m es t a m p ，n e t w o r km e a s u r e m e n t ，l i n kc a p a c i t y ， a v a il a b l eb a n d w i d t h v i p 网络带宽测量 1 1 网络测量的重要性 第一章绪论 随着i n t e r n e t 技术和网络业务的飞速发展，用户对网络资源的需 求空前增长，网络也变得越来越复杂。不断增加的网络用户和应用， 导致网络负担沉重，网络设备超负荷运转，从而引起网络性能下降。 这就需要对网络的性能指标进行提取与分析，对网络性能进行改善和 提高，因此网络性能测量便应运而生。发现网络瓶颈，优化网络配置， 更加有效地进行网络性能管理，提供网络服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的验证和控制，对服务提供商的服务质量指标进行量化、比 较和验证。是网络性能测量的主要目的之一。 另一方面，随着互联网的发展，网络黑客通过不断发展的攻击工 具对网络中的计算机、网络信息进行破坏。如何有效保护网络安全， 保证互联网的正常运行已经成为现代计算机通信领域里一个重要的 课题。例如，d d o s ( d i s t r i b u t e dd e n i a lo fs e r v i c ea t t a c k ) 1 攻 击是以瘫痪目标网站服务器或网络服务器，而使得该目标网站无法正 常的运作为目的的所谓分布式拒绝服务攻击。采用大量发送服务要求 的方式使得系统管理员很难区分是正常服务请求还是恶意攻击。目前 d d o s 攻击己经成为影响i n t e r n e t 安全的重大威胁之一，但是d d 0 s 攻击的防范、预测和反击研究工作还没有突破性的进展。今天业界的 普遍看法是，d d o s 攻击己经成为i n t e r n e t 基本架构所带来的难以避 免的缺陷之一，目前没有能准确预测d o o s 攻击发生的。对于大型网 站，服务器前端对外连接链路的闲忙与服务器的闲忙是相对应的，测 量链路的可用带宽对于了解服务器的状况具有重要的参考意义。所以 迅速准确测量服务器前端的可用带宽是检测d d o s 攻击的重要手段。 1 2 网络性能概述 评价网络性能有几个关键的网络性能参数，介绍如下： 硕士学位论文 ( 1 ) 连通性( c o n n e c t i v i t y ) 2 。它是网络服务中最重要的一项。 除去底层线路问题，另外，路由转发表不一致也有可能导致网络节点 间的断连。路由方面的原因主要是路由的错误配置，或路由收敛不稳 定。网络的路由错误可能会从一个路由器传到另一个路由器，从而导 致大范围的影响。 ( 2 ) 延迟( d e l a y ) 3 ，4 。根据r f c l 2 4 2 ，存储转发模式下延迟定义 为：输入帧的最后一位到达输入端口和输出帧的第一位出现在输出端 口的时间问隔。测量延迟出于很多原因：一些应用在端到端延迟大时 运行性能会发生明显的下降；网络上延迟的不稳定( 抖动) 导致不能 支持某些实时性应用如v o i p ( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 、视 频会议。这一参数的最小值意味着在不考虑等待队列导致的延迟下， 仅由于信号传播时间和包传输时间导致的延迟，借助这一值可以了解 无负载条件下的网络特征。延迟值的大小反映了网络的拥塞等级。延 迟有两种定义方式：单向延迟。仅仅测量数据包从发送端到接收端 的过程。但这种测量有一个很大的问题，就是发送端和接收端的时钟 同步问题。解决这个问题一般采用g p s 。双向延迟，与单向延迟相 比，则要简单得多。由于时钟同步问题，节点间的网络延迟很难精确 测量，一般都是测r o u n d - t r i pt i m e ( r t t ) 。r ，r t 指的是一个包被发送 到网络上，它从发送端到接收端后又回到接收端所经历的时间。r t t 参数的影响因素有：点到点的距离、标准队列的长度和拥塞等级。长 期的r t t 数据可用来作趋势分析和数据关联。r t t 的变化通常意味 着配置的变化和拥塞等级的变化。 ( 3 ) 延迟抖动( d e l a yj i t t e r ) 。指数据块从发送方到达接收方所经 历的时间的长短变化。引起延迟抖动的原因较多，有网络系统本身缺 陷引起的，也可能由网络的硬件或软件引起的，最常见的是由网络自 身的流量传输状况造成的。很多应用对于瞬间的延迟抖动非常敏感， 而对于平滑的延迟抖动则没有什么影响。 ( 4 ) 丢包率( l o s s ) 4 。它指的是包丢失率。当它很大时，意味着 我们不能依赖网络的服务。如果端到端的丢包率大于某阂值，某些应 用将不能正常运行( 如4 6 的丢包率将会严重影响视频会议的运 行) 。对于t c p 连接来说，丢失一个包会等待4 s ，这会造成数据重传， i p 网络带宽测量 从而增加了数据的延迟。 ( 5 ) 带宽和可用带宽( c a p a c i t ya n da v a i l a b l eb a n d w i d t h ) ，网络 带宽则是表征网络信息传输能力的度量( m e t r i c ) ，是反映网络q o s 的 重要参数。带宽有时又称为链路带宽( l i n kb a n d w i d t h ) 。我们连接 i n t e r n e t 是要通过i s p ( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e ) ，而连接的性能 等级和收费一般都是基于带宽的，高的带宽意味着高吞吐率和更好的 应用q o s 用户需要带宽测量工具来检验他们被分配的带宽与他们付 费的带宽是否一致，i s p 也需要带宽监测工具来安排扩容计划，并检 验链路的拥塞情况和未充分利用的链路，以及运营商之间的对等连接 服务 5 。带宽是i p 网络最重要的资源之一，带宽作为评价网络连接 性能的重要度量参数，和时延、包丢失等其他度量一样直接影响着客 户性能，对其准确的估计与测量是网络运行维护必须解决的问题之 一，而相关测量算法和估计模型的研究一直是网络测量领域的研究热 点和难题 6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 。尽管提供给用户的带宽总量不断增长， 带宽资源仍是非常有限的，这是因为宽带业务的快速增长导致网络可 用带宽大量消耗，根据应用需求和路径状况对带宽资源实施全面管理 需要快速有效和精确的带宽测量方法作为基础。 1 3 带宽测量 在i p 网络中，带宽指的是链路或者路径的数据传输速率 1 2 ， 用比特率度量其大小。在讨论带宽测量相关技术之前，有必要分清“瓶 颈带宽”和“可用带宽”。这两个名词以经常被不当使用和互换，但 实际上是描述两个不同的网络性质。下图用于说明两个带宽术语。 k 图1 - 1 描述带宽术语的网络情景示例 j 鹰重枷气 旱 哥雪m丫凰挑 硕士学位论文 1 3 1 瓶颈带宽 网络中的传输路径由从数据源到目的地的一系列存储转发链路 所组成。链路的带宽是物理容量的度量，是指该链路上数据报文的最 大传输速率。网络路径的瓶颈带宽( b o t t l e n e c kb a n d w i d t h ) 或者容量 是指源节点到目的节点之间处理能力最低的链路所能达到的最大的 数据传输速率，也就是说，当传输路径上没有其他业务流时，该路径 所能提供给一个业务流的最大传输速率。传输路径上带宽容量最小 的链路称为该路径的瓶颈链路。 例如，如图1 - 1 ，假设在主机a 和主机b 的网络路径由3 个链路 组成，物理容量分别是l 。= 1 0 0 m b p s ，l z = 2 0 0 m b p s ，l s = 1 0 m b p s l a 物理 容量最小，是窄链路。瓶颈带宽则为l o m b p s 不管网络状况怎样， 主机a 与b 之间的传输流量都不可能超过l o m b p s 设路径p 由一系 列先进先出的存储转发的n 个链路组成，链路1 对应的带宽分别是 c 。c o 是s 的发送速率，则在主机s 和主机r 间的最大带宽为 c = m i n c( 卜1 ) i j n ， 1 3 2 可用带宽 业务流很少是单独存在于一条路径上的，而经常是和其他业务流 共享网络。网络路径的可用带宽是指网络在不降低其他业务流的传输 速率的情况下，能提供给一个业务流的最大传输速率。是在存在背景 流量的情况下，路径上各链路未用容量的最小值。路径的瓶颈链路又 叫窄链路( n a r r o wl i n k ) ，路径的可用带宽又称紧链路( t i g h tl i n k ) 。 一台主机不可能以高于链路带宽的速率发送数据，但可能以高于可用 带宽的速率发送数据，只是会导致包丢失从而引起背景流量减少它们 的发送速率。可用带宽不是物理容量的测量，会随着路径上各链路的 利用率的变化而改变。 再次考虑图1 - 1 上的例子。主机a 与主机b 问路径的窄链路是 l 。= l o m b p s 如果l 3 每一时刻的利用率是5 0 ，那么其可用带宽是5 m b p s 现在假设l 2 = 2 0 0 m b p s 正有大背景流量通过，9 9 的时间链路是 i p 网络带宽测量 繁忙的。那么其可用带宽是2 m b p s l 2 比l s 的可用带宽要小，但l 3 仍然被视为窄链路带宽为1 0 mb p s l 2 在这一特殊时刻由于它的背景 流量而被认作紧链路。在这样一种情景下，l 2 经常被误认为是窄链路， 即使l 2 在下一时刻其利用率发生巨大变化。若一条路径由n 条链路组 成，在时间区域 t 。，t 。 上，在每一链路上的平均利用率为u - ，则可 用带宽可以表示为： a = 璺i 已c l 【1 u 】 ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中对于链路利用率的计算没有一个很精确的定义或表达。 另外。也没有对某一时刻的可用带宽和某一时段的可用带宽加以区 分。 下面给出链路可用带宽的“可用”定义： 定义1 某一时刻单一链路“可用”，是指该链路的开始节点处于 空闲状态。 我们可以借助一个状态阶跃函数来描述节点在某一时刻所处的状 态。 。 定义2 定义t 时刻n o d e 。( 1 i n ) 的状态函数如下 n o d e 一胞d ( f ) = 蛊豁 ( 1 3 ) 相应的l i n k 。( 表示n o d e 。一。和n o d e 。之间的链路，l i 剑) 在某一时 段 t 。，t 。 的链路空闲率可以表示为 f r e 乞( t i ，f 2 ) = 击r 舭一慨- l ( t ) d t ( t - 4 ) 而l i n k 。在某一时段 t 。，t ： 的可用带宽就可以表示为( 假定该链路 的容量为c 。) a v a i l b w i ( ，t 2 ) = q n 它q ( ，f 2 ) ( 1 5 ) 显然，当l i n k 。处于空闲状态时，对于一个新到来的包，n o d e - 一 可以立即转发该包。也就是说，当l i n k 。处于空闲状态时，包在n o d e n 所经历的排队时延为0 。考虑到实际应用中，不存在“同时发生”的网 络事件，因此有如下推论：对于一个新到来的包，若该包在n o d e “ 所经历的排队时延为0 ，则说明在该包被n o d e 。接收的时刻，l i n k t 处于空闲状态 硕士学位论文 假设一条网络路径由n 段首尾相连的存储转发链路组成( 从n o d e 。 到n o d e 。) ，可用带宽最少的链路出现在网络链路的第b 段，l i n k 。的 容量为c b ，则该网络路径在某一时段i t 。，t 。 的可用带宽为 a v a i l 一6 “，f 2 ) 2 g f r e e b ( 1 i ，f 2 ) ( 1 6 ) 1 3 3 瓶颈带宽测量和可用带宽测量的应用范围 瓶颈带宽测量在网络管理，如容量提供和流量工程中是最有用 的。瓶颈带宽测量主要适用于在确定一台主机，经过特定的网络达到 某一主机时，所能达到最大传输速率。 可用带宽的测量主要用在那些必需根据网络状态提供相应级别 的服务和优化的应用中，如w e bs e r v i c e s ，这些应用基于网络负载， 在不影响背景流量的情况下进行调整，从而达到最好的性能。可用带 宽测量还用于用户测量不同网络路径的负载，然后进行网络性能的分 析。 这二者在需要建立长期通信的应用上都有着重要作用。在长期通 信情况下，一台主机使用瓶颈带宽测量来选择有足够带宽的服务器， 根据可用带宽来控制数据流量。 1 4 本文工作意义 由于网络测量的复杂性，目前已有的带宽测量方法都各有其局限 性，而且一般都有各种前提假设，这些假设在实际应用中常常是很难 全部满足的。这也是目前在带宽宽测量上，并没有如p i n g ，t r a e e r o u t e 等广泛使用的工具的主要原因。而且，目前的主动带宽测量方法一般 要求在测量路径的两端安装程序协作处理，根本不满足如w e b s e r v i c e s 等网络应用程序的需要。 本文在深入分析现有带宽测量的模型与方法后，提出一种新型的 算法t p t a ( t i m e s t a m p b a s e dp a c k e tt e t r a da l g o r i t h m ) ：通过探 测源端主动向网络发送带有时间戳选项的i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o l m e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 回显请求的四元分组，根据分组长度之差与四元 分组通过待测链路的时间差的变化，以及链路的带宽和背景流量的关 i p 网络带宽测量 系，计算出该链路的带宽和可用带宽，并在仿真和实测中验证了该方 法的准确性和抗干扰能力。对比其他的带宽测量工具，它具有如下优 点： 1 由于该方法是通过探测源端主动向网络发送带有时间戳选项的 i c m p 回显请求的四元分组，那么根据时间i c m p 记录的信息可以得到 需要的时间测量值，从而不要求目的端的协作； 2 。由于指定路由器把它当前的时间值记录在分组的报文头部然后 返回，此值在经过后续链路和路由器时不会改变，即与后续链路无关， 所以不要求网络路径对称； 3 通过测量分组的时间差值可以过滤部分排队失败的数据，又没 有下游链路的拥塞的问题，因而有较强的抗干扰能力。 4 由于该算法采用的是四元分组方法，消除了因测量分组通过数 据链路层和物理层后分组长度的增加而引起的测量误差，因而具有更 高的准确性。 5 可以测量路径上任一链路的链路带宽和可用带宽，也可以逐跳 测量，从而可以得到路径的瓶颈带宽和可用带宽。 1 5 论文基本结构 本文结构组织如下：第一章概述了网络测量的重要性，定义了相 关术语；第二章对现有带宽测量方法的进行分类介绍：第三章分析比 较了现有的主动式的瓶颈带宽和可用带宽测量方法：第四章详细描述 了本人提出的带宽测量算法的原理和基本步骤，从理论和实测上说明 其特点；第五章总结本文工作，并展望将来在该领域进一步的研究工 作。 硕士学位论文 第二章带宽测量的分类 网络测量的分类标准有多种。比如。根据测量方式，可以分为主 动测量和被动测量；根据测量基准，可以分为基于流、基于网络接口、 基于连接、基于节点对和基于路径的网络测量；根据测量点的多少， 可分为单点和多点测量：根据被测量者是否知情，可分为协作式测量 与非协作式测量。根据测量所采用的协议，分为基于b g p 协议的测量、 基于t c p i p 协议的测量以及基于s n m p 协议的测量；根据测量的内容， 分为拓扑测量与性能测量。 本文重点介绍网络测量方式，即主动测量和被动测量。 2 1 主动测量 2 1 1 主动测量方式的测量原理 主动测量 1 ，2 是由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 ) 组织提 出的数据分析方法。主动测量是指在测试前选定的测试点上，利用测 量工具有目的地主动向被测网络注入测试流量，并根据这些测试流量 的传送情况来分析网络技术参数的测试方法。 2 1 2 主动测量的优缺点 主动测量的优点如下： 使用方便，适合端到端的网络性能测量，对于需要关心的内容 只要在本地发送测试包观察网络的响应即可； 容易进行场景仿真，对q o s 和s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 的检验简单明确； 由于该方法不涉及用户的网络信息，所以对用户而言是很安全 的。 但它也存在一定的缺点，主要包括； 它增加了网络潜在的负载，可能会对网络造成较大的影响，如 i p 网络带宽测量 果在测试中进行细致的测试规划，可以降低主动测量的安全隐 患； 主动测量会引起h e i s e n b e r g 效应，即额外的流量可能会干扰 网络，并使结果分析产生偏差。 2 2 被动测量 2 2 1 被动测量方式的测量原理 与主动测量相对应的是被动测量 1 1 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ，目前开展的被 动测量项目有 1 6 ：受美国国家科学基金会n s f 资助的美国应用网络 研究国家实验室( n l a n r ) 的测量项目p m a ( p a s s i v em e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i s ) ，它采集a t m 的数据流，根据一定的规则进行数据采集， 并可使用p e r l 等语言对数据进行分析：b e r k e l e yu n i v e r s i t y 和i b m 共同开发的s p a n d ( s h a r e dp a s s i v en e t w o r kp e r f o r m a n c ed i s c o v e r y ) 项目，通过对捕捉到的u d p t c p 分组进行分析得到连接带宽、丢包率 等性能。被动测量主要在一个特殊点观察网络的行为，不增加和修改 通过网络的数据负载，因此对网络的行为基本没有影响。这种方法能 够达到对观察点网络行为的详尽理解，但难以获得对网络的整体理 解。或者对网络的端到端的行为的理解。 在被动测量方式中，记录网络活动的探针被接入到网络中的某个 点上在大多数情况下探接到网络节点之间的连接上，然后使用包过 滤器捕获通过该点的数据包，汇总和记录那条连接上业务流量的信 息。因为包过滤能够捕获网络流量而不会对网络造成什么影响，所以 使用被动测量可以消除额外的流量负载和h e i s e n b e r g 效应。被动测 量使用设备监视经过它的流量，这些设备可以是专用的( 如 s n i f f e r ) ，也可以是嵌入在其它设备( 如路由器、防火墙、交换机和 主机) 之中的( 如r m o n ，s n m p 1 7 和n e t f l o we 1 2 使能设备等) 。测量 软件或系统周期性地轮询被动监测设备并采集信息( 在s n m p 方式时， 从m i b 中采集) 和，以判断网络性能和状态。 硕士学位论文 2 2 2 被动测量的优缺点 被动测量的优点如下： 在测量时并不增加网络上的流量，测量的是网络上的真正流 量； 能够达到对观察点网络行为的详尽理解； 但它也有其本身所固有的缺点： 关于隐私和安全的问题：被动测量方式可能要查看网络上的所 有数据包，容易捕获网络中的敏感信息，给用户信息的保密和 安全带来一定威胁： 只能获得网络局部数据，无法了解网络整体状况或对网络的端 到端行为的理解：被动测量只能固定在网络的某一点收集数 据，而不能根据网络的整体情况来调整收集策略； 被动测量在网络排错时特别有价值，但在仿真网络故障或隔离 确切的故障位置时会受到限制； 被动测量的前提是协作，否则无法在测量点安装必要的软、硬 件设备，测量范围由此而受限。 2 2 3 测量评价指标 测量指标的的评价标准有： 测量时间 测量时间指测量系统测量某指标所花费的时间。即测量系统在_ t 时刻对被测系统实施测量，在t 十t 时刻完成测量，则t 即为测 量时间。 测量时间反映了测量的实时性。测量时间越短，实时性越强，测 量系统越能够快速反映网络的状态。当网络系统状态发生变化时，测 量系统能快速检测和反映出变化的状态，特别对于短期指标的测量 ( 例如快速检测到网络发生拥塞，实施负载均衡等流量工程手段) ，测 量系统的测量时间非常重要。 精确性 测量精确性一般用测量误差来表示。测量误差越小则测量结果越 i p 网络带宽测量 精确。假设被测系统某指标测量实验值为a ，该指标的实际值为a o ， 测量的误差定义为：r l = ia a ol a 0 1 0 0 。 当指标的实际值a o 并不己知时，一般使用理论值代替a 0 。例如在 没有背景流量的状况下，测量链路容量得到的实验值为b ，该链路带 宽设计的值( 或者从路由器m i b 中获得对应端口的接口处理能力) 为 b o ，则测量误差为：r i = ib - - b oi b o x l 0 0 。 稳定性 假设实际值发生微小变化，则实验值a 仅发生微小的变化，即 其中a o 为在某时刻的指标实际值，a 7 为该对应时刻的测量值。 尽管在理论上各测量方法具有可重复性，但网络环境、运行状态 等是不可确定，致使各测量过程不可能在相同的网络状态下进行测 量，因而各次测量的实验值随网络状态的变化相应变化，但该指标微 小变化时，测量实验指标不能突变，即测量的实验值是连续的。 测量负载 在一次测量过程中，测量系统向被测系统注入和接收探测数据包 的数量称为测量负载。 基于s n m p 的被动测量需要轮询m i b 参数，主动测量更是通过发送 探测包检测网络状态特别是带宽测量系统，需要向被测系统注入大 量的数据包，造成网络拥塞。测量方法造成的负载越小，对被测系统 正常业务影响越小，测量负载是窄带被测网络和在线测量必须重要考 虑的问题。 但是，上述指标是相互影响的，比如说减少测量时间，降低测量 负载可能会导致精确性和稳定性的下降 1 8 。 2 3 小结 尽管被动测量具有不产生额外流量的优点( 其实基于s n m p 的信 息查询方法需要在s n m p 代理和s n m p 管理工作站之间定期传送信息 流，也要占用一定的带宽) ，而且十分准确，但由于被动测量基本上 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，使用 s n m p 需要有中间路由器有管理权限，所以不适用于端到端( 如w e b s e r v i c e s ) 的带宽测量。尤其是要测量那些跨越好几个网络的路径时， 硕士学位论文 端到端的测量是唯一可行的方法。主动策略通过控制自身发送的探测 包流，可以较快和方便地得到所需数据。特别是端到端的主动测量， 无需访问中间设备，仅通过链路或路径的发送端及接收端的协同可得 到网络带宽，从而普通用户也可方便地使用。所以，目前带宽测量研 究主要集中于主动测量技术。 i p 网络带宽测量 第三章现有主动带宽测量技术分析 3 1 数据包延迟模型 本节概述数据包延时的网络模型，利用这些模型导出的网络特性 可作为测量方法的基础。通过分析方法建立数据包延时模型而不是对 测量数据集进行曲线拟合推导网络特性的好处是：很难确定一组测量 数据集的特性是否能表示整个i n t e r n e t 的特征，而且很难确定在不 同的网络条件下结论是否仍然成立。 对探测数据包在路径中的排队进行分析，建立包延迟的确定性模 型，有助于设计适当的算法来测量每跳的链路带宽与可用带宽。根据 发送探测数据包方式不同，可分为单数据包模型与多数据包模型。这 里对网络条件做出如下假定，作为推导网络模型的基础： 包交换网络( p a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k ) ：包交换网络将数据流 分割成小型数据包，每个数据包在整个网络中独立发送。这里假 设i n t e r n e t 为包交换网络。 存储一转发交换( s t o r e - a n d - f o r w a r ds w i t c h i n g ) ：存储一转发交换 必须在接收到数据包最后一位后才会转发整个数据包，与直通 ( c u t - t h r o u g h ) 交换相比，存储一转发交换虽然引入更多的延时但 更容易实现，i n t e r n e t 大部分使用存储一转发交换。 先入先出( f i f o ) 和去尾( d r o p - t a i l ) 的排队策略：先入先出是最常 用的排队服务策略，路由器按照数据包到达的次序发送服务队列， 使用去尾的丢弃策略，在队列长度超过一定值时，丢弃最后到达 的数据包。 在链路带宽测量中背景流量的影响可以滤除：背景流量可能引起 测量流量的排队难以预测，通过一定的过滤策略可以消除非测量 流量的影响。也可以假设背景流量到达时间和包大小服从一定的 分布。 网络层单信道链路：在单信道链路传输的数据包传输延时等于包 大小与链路带宽的比值。而在多信道链路( 如i s d n 可以由两个并 硕士学位论文 行的6 4 k b s 信道构成) 每个信道都有一个单独的带宽，聚合带宽 是所有链路带宽的总和，数据包传输延时等于包大小与传输该数 据包的信道带宽的比值。 3 2 链路带宽测量技术 当前研究的带宽测量方法主要分为两类：一类是根据包大小与传 输时延的线性关系而提出的可变包大小( v p s ，y a r i a b l ep a c k e ts i z e ) 测量方法，又称单包算法。这类方法的典型代表是p a t h c h a r 1 9 ， e l i n k ，p c h a r 等。另一类被大家普遍看好的方法就是，基于背靠背 的包对( b a c k - t o - b a c kp a c k e tp a i r ) 2 0 的时延间隔和带宽关系而 提出的包对测量方法。下面将分别讨论基于可变包大小技术和基于包 对技术的网络窄链路带宽测量算法，先分析算法的基本原理，然后再 研究算法的性能和存在问题。 一 3 2 1 基于单包模型的测量 单包模型是最早的链路带宽测量技术。由j a c o b s o n 完成的测量工 具p a t h c h a r 是单包模型应用的典范，文献 2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 提出的链 路带宽测量技术都是改进的单包模型。 现在网络路径上数据传输过程是这样的：数据包通过输入链路到 达路由器，路由器将该数据包放入缓存器的队列中，等待其他先到或 者优先级更高的数据包被路由器转发，路由器根据路由表查询算法将 数据包转发到相应的输出端口，输出端口将数据包以字节组成的数据 流形式发送到链路上，链路以字节形式传输至下一个路由器的输入端 口。由以上的数据包转发过程描述，可以将数据包转发的延迟分为排 队延迟( q u e u i n gt i m e ) 、传输时延( t r a n s f e r sd e l a y ) 和传播时延 ( t r a n s m i s s i o nl a t e n c y ) 几个部分。 以一个数据包的传输过程为例，如图3 - 1 所示。首先，它从发送 端到达第一个路由器的这段信号传播时延( t r a n s m i s s i o nl a t e n c y )