（计算机软件与理论专业论文）基于网络接口和qos的网络性能管理的研究与实现.pdf

摘要 随着网络带宽的飞速提升、实时业务和多媒体应用的普及，网络规模以指 数规律增长，i p 网络的控制机制和行为特征也日趋复杂和难以理解。为了认识 和掌握现代网络的行为特征和性能表现、保证和提高现有网络服务质量、推动 网络和信息基础结构的健康发展，有必要建立一套高效可行的网络管理系统。 本文在介绍了计算机网络系统管理技术发展状况及当前在该领域主要采用 的技术之后，着重讨论了网缉陛能管理功能的技术，包括性能指标体系的划分， 网络性能测量方式的分类，以及针对不同性能指标体系所采用的不同性能监测 和分析技术。本文一方面阐述了在自主开发的网络系统管理软件s h u c e n t e r 中， 如何利用s n m p 协议和m i b 信息库实现基于网络接口的性能实时监测功能模块， 该模块很好地反映了各种网络接口( 设备) 的运行健康程度。另一方面，对基 于q o s 的性能指标的测量做了深入的探讨，针对现有链路性能测量方式和工具 的不足之处，提出了两点改进：其一是提出使用p o i s s o n 采样周期，这种采样 周期通过产生独立的、指数分布的随机采样时间间隔，防止了测试数据包与网 络上已有流量之间的互相干扰；其二是针对q o s 性能测量的特点，提出使用i p 数据包分级技术来模拟网络上不同q o s 等级的业务流量，使得q o s 性能指标的 测量更加科学和精确。最后，本文详细阐述了这些改进的实现技术，并在 s h u c e n t e r 中得到了很好的应用。 关键词：s n m p ，性能管理，q o s 性能，网络接口性能，p o i s s o n 采样 第i 页 a b s tr a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fb a n d w i d t h r e a l t i m eo rm u l t i m e d i a b a s e d a p p l i c a t i o n s ，t h ec o n t r o ls y s t e ma n db e h a v i o rf e a t u r e so fi pn e t w o r k b e c o m em o r ea n dm o r ed i f f i c u l tf o rp e o p l et ou n d e r s t a n da n dm a s t e r a n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mo fh i g h l e v e le f f i c i e n e ys h o u l db es e tu pi n o r d e rt om a s t e rm o d e r nn e t w o r kf e a t u r e so rp e r f o r m a n c e ，i n c r e a s et h e q u a l i t yo fn e t w o r ks e r v i c e sa n dp u s ht h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to fn e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h en e t w o r ks y s t e mm a n a g e m e n t a n dt h eb a s i cm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yw i l lb ei n t r o d u c e df i r s t l y t h e nt h i s p a p e rc o m e st oad e e pd i s c u s s i o no fs o m ed e t a i lt e c h n i q u e so fp e r f o r m a n c e m a n a g e m e n t ，i n c l u d i n gd i f f e r e n ts y s t e m so fp e r f o r m a n c em e t r i c s ，t h r e e k i n d so fn e t w o r km e a s u r e m e n ta n dd i f f e r e n ti m p l e m e n tt e c h n i q u e so f p e r f o r m a n c em e t r i c s a tt h es e l f d e v e l o p e dn e t w o r km a n a g e m e n ts o f t w a r e ， s h u c e n t e r ，t h ea u t h o r ，w i l li m p l e m e n t t h en e t w o r ki n t e r f a c eb a s e d p e r f o r m a n c e r e a l t i m e i n s p e c t i o ns y s t e mb yu s i n gt h e s n m pa n dm i b m e a n w h i l e ，ad e e ps t u d yo fm e a s u r e m e n to fq o sb a s e dp e r f o r m a n c em e t r i c s w i l la l s o b ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r t h ea u t h o rw i l lo f f e rt w o p r o p o s a l s ，i n c l u d i n gt h ep o i s s o ns a m p l ea n dp r i o r i t yo fi pp a c k e t s ，i n o r d e rt oi m p r o v et h ee x i s t i n gw a y sa n dt o o l so ft h ep a t hp e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t ，a n dw i l lg i v ead e t a i l e ds t a t e m e n to ft h e i ra p p t i c a t i o n ， w h i c ht u r n so u tt ob ev e r ys u c c e s s f u li nt h es h u c e n t e r t h i s p r o j e c t i sf u n d e d b y t h e d e v e l o p m e n t a l f u n do f s h a n g h a i e d u c a t i o n a lc o m m i t t e e t h ep r o j e c tc o d e i s ：0 1 a 3 8 k e yw o r d s s n m p ，p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t ，q o s p e r f o r m a n c e ，n e t w o r k i n t e r f a c e p e r f o r m a n c e ，p o i s s o ns a m p l e 第i i 页 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：j 盏塑靼日期笙堕! 旦日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送 交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：翌鱼型! 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 第一章计算机网络系统管理概述 1 1 网络系统管理概述 网络系统管理的概念在不同的研究领域之间存在着意义上的差别，通常情况 下被定义为一组服务，这组服务通过利用各种各样的工具、应用程序和网络设备 来协助网络系统管理人员监视网络状况，维护网络的正常运行1 2 2 1 。从这样一个普 遍采用的定义中，可以看到网络管理的目的就是要确保用户能够得到符合他们需 要的服务质量的网络信息服务：而对网络维护者来说，网络系统管理的目的贝口是 要确保网络的优化运行，发挥网络的最佳效益，并为网络的发展规划提供依据。 从监视和维护网络的角度出发，网络系统管理的任务是多方面、多层次的， 必须要靠各种功能的管理模块协调运作来实现管理任务。国际标准化组织i s o ( i n t c m e t o r g a n i z a t i o n f o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 为网络系统管理制定了一套o s i 系统 管理标准，定义了五个管理功能域，即：配置管理、性能管理、故障管理、安全 管理和计费管理。这5 个功能域相互联系并合作，覆盖了网络系统管理所需要的 主要功能，为网络系统管理的功能分析、设计和实现提供了基本概念，如图1 1 所示。 - 配置管理 配置管理是最基本的网络系统管理功能，负责监测控制网络的配置状态。具 体地讲就是在网络建立、扩充、改造以及业务的开展过程中，对网络的拓扑结构、 资源配置、使用状态等配置信息进行定义、监测和修改。配置管理主要提供资源 清单管理、资源提供、业务提供、网络拓扑结构服务等功能。资源清单管理是所 有配置管理的基本功能；资源提供是为满足新业务需求及时地配备资源；业务提 供是为客户分配业务或功能。配置管理建立和维护管理信息库( m 工b ) ，使m i b 可以被所有的管理功能域使用。 - 性能管理 性能管理保障网络的有效运营和提供约定的服务质量。在保证各种业务服务 质量的同时，尽量提高网络资源利用率。性能管理包括性能监测功能、性能分析 功能和性能管理控制功能。性能管理中获得的性能监测和分析结果是网络规划和 第l 页共弦页 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 网络资源分配的重要根据，因为这些结果能够反映当前或即将发生的资源不足。 在发现网络性能严重恶化时，性能管理要与故障管理互通，对问题作出及时响应。 _ 故障管理 故障管理的作用是迅速发现和排除网络故障，动态维护网络的有效性。故障 管理的主要功能有告警监测、故障定位、测试、业务恢复以及修复等。同时还要 维护故障日志。在网络的监测和维护中，故障管理参考配置管理的资源清单来识 别网络元素。在有质量保证承诺的业务受到故障影响而导致服务质量无法达标 时，故障管理要与计费管理互通，以赔偿用户的损失。 n e 配置 _ 安全管理 图l - 1 网络管理功能域及萁联系 安全管理的作用是提供信息的保密、认证和完整性保护机制，使网络中的服 务、数据和系统免受侵扰和破坏。主要包含风险分析功能、安全服务功能、告警、 第2 页共6 2 页 旦生哩竖业! 生坠竺! ! ! ! 竺耙坐! 塑堕 日志、报告功能和网络系统管理系统保护功能。安全管理与其他管理功能有着密 切的关系：要调用配置管理中的系统服务对网络中的安全设施进行控制和维护： 发现网络安全故障时，要向故障管理通报安全故障事件以便进行故障诊断和恢 复；还要接收计费管理发来的与访问权限有关的计费数据的事件通报。 计费管理 计费管理的作用是正确地计算和收取用户使用网络服务的费用，进行网络资 源利用率统计和网络的成本效益核算。计费管理主要提供费率管理和账单管理功 能。一般情况下，收费管理过程的启动条件由配置管理中的业务提供选项设置。 网络系统管理的这些功能域是分层次的2 2 1 。越靠近客户和管理者，功能的层 次就越高，而越靠近被管对象，功能的层次越低。高层功能需要低层的支持。例 如，在配置管理中，资源清单管理功能是一个面向客户和管理者的高级功能，这 个功能需要定义配置信息功能、设置被管对象属性值功能等低层功能的支持。 1 2 网络系统管理发展概况 当前网络系统管理技术领先的两个模型是建于t c p i p 上的s n m p 协议 ( s i m p l e n e t w o r k m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，简单网络管理协议) 管理标准和o s i 提 出的c m i p 协议( c o m m o n m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o np r o t o c o l ，通用管理信息协议) 管理标准。其中，c m i p 标准是支持面向对象的，它支持属性和操作，比较难实 现，而s n m p 支持标量数据，相对容易实现。如同t c w i p 是网络的工业标准一 样，s n m p 也已是业界事实上的标准，被广泛地应用于各个网络系统管理系统。 i n t e m e t 发展初期，i c m p 协议( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，因特网 控制报文协议) 发展成为种管理网络的方法。该协议基于t c p i p ，在当时起 了很大的作用。但是，随着网络的规模越来越大，i c m p 的低效率满足不了要求， 其给予的信息对于制定网络决策通常是不够的。在这种情况下，在工业界需要一 个标准网络管理协议来规范。于是互联网工程任务组i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n g f a s k f o r c e ) f 5 1 定的s n m p 得到了发展，很多厂商都支持s n m p ，s n m p 在i n t e m e t 中十分兴旺发达，成为一般用户首选的网络管理标准。由于s n m p 的广泛使用， 为了满足更多要求，s n m p v 2 扩充了s n m p 的一些功能，部分弥补了s n m p v l 的一些不足，而在s n m p v 3 中又重点增加了安全性的要求。 第3 页熟6 2 页 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 到了2 0 世纪9 0 年代中期，远程网络监控( r e m o t em o n i t o r i n g ，r m o n ) 协议得到了广泛的应用。因为它可以使网络管理员监视整个子网的运行情况，弥 补了s n m p 只能管理网络中的单个设备的不足。r m o n 也在不断的发展之中， r m o n 2 把r m o n m m 规范扩展到包含在m a c 层上，通过读取封装的伊协议 的报头信息，增强了管理站分析和监视协议流量情况的能力：面向交换的远程网 络监控( s w i t c h m o n i t o r i n g ，s m o n ) 协议则适应网络结构从共享型向交换型发展 的趋势，突破了r m o n 在交换型网络中自身无法解决的限制。 同时，w e b 技术的迅速发展，使b r o w s e r s e r v e r 模式得到了广泛的应用。基 于w e b 的网络管理是目前网络管理发展的一种趋势。除此以外，管理员还发现了 w e b 技术的其它好处。为了迸一步优化网络配置和降低网络的扩展和维护费用， 他们正在重新考虑传统的客户服务器模式。因为w e b 浏览器对计算机的硬件要 求很低，因而管理员可以把很多的计算和存储任务转移到w e b 服务器上去完成， 而允许用户依靠简单、廉价的计算平台去访问它们。这种”瘦客户机胖服务器” 模式降低了硬件要求并且提供给用户更大的灵活性。w e b 技术的引入使得分布式 网络管理从理论转向实际应用，并使得传统的网络管理模式从m a n a g e r a g e n t 模 式变为新的b r o w s e r s e r v e r 两级模式。 由于存在着对网络系统管理工具的迫切需求，国内外许多厂商开发并推出了 形形色色的网络系统管理软件。大部分网络系统管理产品都有一定的通用性，可 适合多种网络管理的需要，而且是软硬件结合的。如m 的t i v o l i n e t v i e w ，能 支持多种协议，拥有较全面的企业资源管理功能，包括网络管理软件、分布式系 统监控功能、事件处理和自动化管理，可以满足局域网和广域网络系统管理的需 要；s u n 公司的s u n n e t m a n a g e r 运行在x w i n d o w s 上，用于管理t c p i p 网络， 完整地支持s n m p ；惠普( h p ) 公司的o p e n v i e w 能够广泛监视性能测量指标， 快速辨别并解决系统中现有的和潜在的性能问题，准确发现系统瓶颈：c a u n i c e n t e rt n g 具有w e b 服务器管理和全面的企业安全管理，实现网络智能化、 简化桌面系统和服务器管理等功能；c i s e o 公司的c i s c o w o r k s 注重管理c i s c o 的 各种设备；m i c r o m u s e 公司的n e t c o o l 以多重故障收集和故障过滤作为其主要卖 点。 第4 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 坐! ! 塑型! 坐里竺! ! ! ! ! 型! ! 坐竺! 堕 1 3 网络系统管理的基本技术 1 3 1 网络系统管理系统 网络系统管理系统是网络监视和控制工具的集合，它要求：首先是必须能执 行大多数或全部的管理任务，有单一操作接口，此接口拥有功能强大、用户界面 友好的命令集：其次是使用最少数量的专用设备，即网络管理所需要的大多数软 件和硬件都被组合到现有的用户设备中。 网络系统管理系统由在现有网络组件中所添加的硬件和软件组成。执行网络 系统管理任务的软件存在于主机或通信处理器中( 如：前端终端处理器、网桥、 路由器) 。在网络管理系统设计中把整个网络看作一个统一结构来处理，每个节 点都有为系统所知的地址、标签和相互链接的具体属性。网络的活动元素定期反 馈统计信息到网络控制中心。 图1 2 显示了网络系统管理系统的结构。每个网络节点都包含一系列用于执 行网络管理任务的软件n m e ( n e t w o r km a n a g e m e n te n t i t y ，网络管理实体) 。 网络控制主机 服务器( 代理) 图1 - 2 网络系统管理系统的元素 每个n m e 都执行以下的任务： - 采集与通信和网络相关活动的统计信息。 - 在本地存储统计信息。 第5 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 一一 生! ! ! 型! ! 生旦韭! ! ! ! 竺堕些塑堕 一响应从网络控制中心传来的命令，包括：把采集到的统计信息传输到网 络控制中心、改变参数( 例如传输协议中使用的个计时器) 、提供状态信 息( 例如参数值、活动连接) 、产生人工流量来测试网络。 当本地条件发生显著变化时向网络控制中心发送消息。 网络中至少应有一台主机被设计成网络控制主机或者管理站。除n m e 软件 之外，网络控制主机还包括一系列n m a ( n e t w o r km a n a g e m e n t a d p l i c a t i o n ，网 络管理应用程序) 的软件。n m a 包含一个操作界面，允许授权用户来管理网络， 通过显示信息和发送命令到全网络中的n m e 来响应用户命令。这种通信通过应 用程序级别的网络管理协议来执行，该协议以与其分布式应用程序一样的方式来 使用通信结构。 除了网络控制主机以外的其他网络节点包含一个用于响应管理站系统请求 的n m e ，一般被管理站中的n m e 认为是代理模块( a g e n tm o d u l e ) ，简称代理 ( a g e n t ) 。代理在终端系统上实现，该终端系统支持终端用户应用程序，也支持 提供通信服务的节点，例如前端控制器、簇控制器、网桥和路由器。 由于网络管理软件依赖于主机操作系统和通信结构，一般情况下，大多数管 理软件都设计为在单一供应商的设备上使用。但是，近年来，已经出现了为管理 多供应商网络而设计的标准化网络管理系统。 为了维持网络管理功能的高度可用性，通常要使用两到三台网络控制主机。 在平时，一台机器空闲或者只是简单地采集统计信息，而其余的用于控制。如果 主要的控制主机出现故障，即可启用备用系统。 1 3 2 网络管理协议 ( 一) 管理信息协议c m i p 2 0 世纪7 0 年代末，i s o 提出了o s i 模型之时，就提出了网络管理标准的框 架，并制定了相应的协议标准即公共管理信息协议c m i p 。c m i p 管理功能强大， 它的参数不仅可以在管理站和管理节点之间传递网络系统管理信息，而且可以要 求被管理节点执行一些动作。但是c m i p 的命令和操作都是基于面向连接协议栈 的，协议很复杂，编程非常困难，实现成本高。 ( 二) 单网络管理协议s n m p v l ，s n m p v 2 ，s n m p v 3 第6 页燕6 2 页 上海大学硕士学位论文 堕! ! 壁些型型! 卫型! ! ! 苎! ! ! 韭型坐! 堡堡堕 简单网络管理协议s n m p 以其n a g , 实现等优点成为目前t c p i p 网络中应用 最为广泛的网络管理协议。1 9 9 0 年5 月，r f c1 1 5 7 定义了s n m p 的第一个版本 s n m p v l ，直到1 9 9 8 年正式形成s n m p v 3 ，s n m p 在广泛的使用中得到了逐步的完善。 关于s n m p 的详细内容，将在第三章3 1 节中进行阐述。 ( 三) 网络监控协议r m o n s m o n 简单网络管理协议只是用来管理网络中的单个设备，而远程监视( r m o n ) 用 来监视子网的运行情况，增强了对网络的管理功能，是对s n m p 的重要补充。同 时随着网络结构从共享型向交换型发展，r m o n 受到了自身无法解决的限制，从 而产生了面向交换的s m o n ( r f c 2 6 1 3 ) 。 1 4 性能管理 1 4 1 性能管理的任务和目的 “没有度量，就谈不上管理”。性毹管理作为0 $ i 网络管理的一个功能域， 主要任务是完成对网络运行性能的监视工作，分析网络中存在的各种已有的或潜 在的问题，从而帮助网络管理员调整网络结构以及相关健康参数，提高网络运行 性能【2 。它可以为一些重要的网络过程，比如一个跟踪需求增长的规划过程，或 是一个潜在的资源短缺的资源供给过程提供关键的数据输入。正像故障管理是保 证网络资源运行在无故障无差错状态一样，性能管理根据配置管理的资源目录来 监视和测量资源以及引导网络控制消息的去向。 性能管理的目的是维护网络运营效率，并将网络服务质量( q o s ) 维持在经 济一有效的状态。服务质量是由一个评估过程来维持的，这个过程首先进行网络 特性描述，接着进行性能指标的设定和测量，然后通过对网络参数的控制来改进 服务和性能。服务质量的一个重要方面是把业务供给的过程变成一个服务质量的 量度过程，这样就将配置管理和性能管理结合在一起了。 1 4 2 性能管理的功能 性能管理能够使网络中的资源使用性能和链路通信的有效性得到评估。它的 主要功能包括性能监测功能、性能分析功能以及性能管理控制功能，另外还要有 第7 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a i u n i v e r s i t y 在发现性能严重下降时启动故障管理系统的功能。具体的功能模块可以分为数据 监测、问题隔离、性能指标调节、根据统计数据进行预测和网络资源规划。 性能监测功能 性能监测功能联机监测网络性能数据，报告网络元素状态、控制状态和拥塞 状态，以及业务量性能。网络服务质量的降低，往往是由于设备的偶然性或间歇 性问题造成的，丽这类问题又难以按故障检测的方法检测出来。因此，需要设计 性能监测功能，通过连续采集性能数据的方法对网络服务质量进行监测，并尽量 做到在网络性能降低到不可接受的程度之前及时发现问题。 性能监测功能作为一个测量过程，在具体实现的时候需要考虑以下几个主要 参数： 1 ) 输入监测属性，即选择合适的性能指标，例如延时响应、吞吐率、资源 利用率等。根据具体的监测属性来确定具体的测量点和测量手段。 2 ) 选择测量间隔，即采样周期，确定何时对测量点进行一次测量动作。测 量间隔的选择对测量数据的有效性和准确性具有较大的影响，如果单单从实现的 简单性来考虑，采用固定周期的采样方式是相当理想的。但是，如果考虑到网络 本身的特性等诸多因素，固定周期采样存在着局限性和潜在的缺陷，本课题对此 进行了具体的分析，并提出使用一种更加科学的采样方式_ p o i s s o n 采样。利 用这种采样周期，可以很好的避开网络本身的特性对测量工作的干扰，从而获得 更加科学和准确的测量数据。 3 ) 设置开始、保持、继续和中断等开关，控制测量工具的有效运行。 4 ) 如果因为组件故障，测量不能依据其定义执行，那么要定义此时所遵循 的应变规则。在多数情况下，测量都是简单的端接。如果测量临时中断，那么在 故障排除之后应当自动恢复。在任何情况下，这些意外的事件，即便是可以自动 恢复的，也应该准确的显示给用户，以确保能够对测量的结果作出合理的解释。 5 ) 性能测量结果通常存储在平台中，留待以后分析。对于测量数据，利用 现有的或是自行开发的图形显示控件，如曲线圈，图表等进行直观的显示，同时 结合最小值、平均值和最大值的计算进行简单的分析。一些复杂的分析需要设计 单独的应用模块来进行。 性能监测与故障管理中的告警监测有很大的关系，二者都是对设备和通信链 路中的问题进行检测。但告警监测是对故障事件进行检测，而性能监测则是对单 位时间内性能低于设定阈值的异常事件的数量进行检测。即性能监测感兴趣的是 第8 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a i u n i v e r s i t y 统计数据，而不是各个故障事件的特性数据。 性能监测的主要应用有： 1 ) 防范服务：检测和统计设备或链路出现性能降低问题的次数。在系统 中存在原因不明的问题时，可以利用防范服务对问题进行定量分析，查找导致性 能降低的偶然性或间歇性原因，以便能够预测故障的发生。 2 )验收测试：在网络设备或工程的验收测试中，性能监测可以用于检验 新安装的设备的质量。 3 ) 履行合同：在某些情况下，客户要求担保通信业务。此时，性能监测的 数据可以用于计算收费和折扣。 性能分析功能 性能分析功能对监测到的性能数据进行统计分析，维护性能日志，形成性能 报告。同时结合当前数据和相关的历史数据预测网络近期的性能变化趋势，并分 析、寻找显现的和潜在的瓶颈问题。在网络性能异常的情况下向网络管理员进行 告警，在特殊情况下，直接启动故障管理功能进行反应。 传统的性能分析方法是基于解析的方法。解析的方法又分为预测法和解释法 两种。预测法是根据网络的结构以及各个网络元素的性能，推测网络的总体性能 的方法。解释法则是从网络的结构以及观测到的总体性能出发，推测各个网络元 素的性能。这些基于解析的方法都具有局限性，对于比较复杂的关系难以迅速得 到正确结果。种更新、更有效的分析方法是基于人工智能的网络性能分析方法， 这种方法利用专家系统对网络性能进行分析，提高了分析的水平和速度，增强了 性能管理的智能化特性。 性能管理控制功能 性能管理控制功能控制性能监测数据的属性、阈值以及报告时间表；按照网 络业务量控制的原则、策略和方法，调整业务量的控制方式，控制业务量的测量 及报告时间表。 1 5 服务质量q o s 2 0 世纪7 0 年代，i n t e r n e t 的最早的雏形a 褂狐n e t 研制成功并投入使用， 2 0 世纪9 0 年代，i n t e m e t 伴随着商业化的进程而迅猛发展，基于i n t e m e t 的应用 第9 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 和服务也得益于i p 网络技术的飞速进步而呈现出复杂性与多样性。特别是当前 力兆以太网的应用发展迅猛，以太网的范围在不断的扩大，带宽在不断的升级， 随之而来的便是视频、语音、数据业务的流量大小呈几何倍数增长，流量的类型 也异常丰富。另一方面，流量的方向_ 鱼发生了很大的变化，扩展至0 了多主机一多 服务器、多主机一多主机，它们在大型园区网或i n t e m e t 范围内纵横交错。 面对口网络技术和应用的如此发展，各种各样的网络用户不再满足于 i n t e m e t 所提供的尽力而为( b e s t e f f o r t ) 服务，他们希望网络服务是分层次的， 不同层次的服务具有不同等级的质量保证。商业客户希望i n t e r n e t 也能像他们用 惯的专网一样，可以提供有保证的高性能、高可靠性的服务；运营商则希望细分 客户群，提供不同等级的服务，挖掘针对不同客户群的多种利润增长点。由此而 产生了服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 的概念，而且得到了广泛的重视和不 断的发展。1 9 9 7 年，i e t f 发布了资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ， r s v p ) r s v p 和综合业务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e ，i n t s e r v ) 文档( r f c 2 2 0 5 ) ， 1 9 9 8 年，i e t f 针对i n t s e r v 模型的局限性又提出了区分服务模型( 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 r ) 文档( r f c 2 4 7 5 ) 。 q o s 按术的产生和发展，保障了网络服务的品质，同时对网络的性能管理功 能提出了新的更高的要求。比如，性能监测功能需要针对q o s 性能参数进行准 确的测量，这要求对不同等级业务的p 数据包作出响应的设置和解析。而性能 管理控制功能则需要增加策略化的q o s 等级配置和控制模块，进行网络用户的 细分，对于同样需求的用户、同样需求的业务，策略化地一次性管理和配置。这 里的策略指的是一系列的高级规则，它们决定如何为网络中的各种业务和用户分 配网络资源。 1 6 本课题相关说明 课题来源 本课题获得了上海市教委发展基金资助，项目名称为：基于w e b 的分布式 智能化网络管理。项目编号：0 1 a 3 8 ； s h u c e n t e r 网络系统管理软件 s h u c e n t e r 是我们自主开发的网络系统管理软件。它是针对中小型规模的 第l o 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 异构网络环境下的企事业、学校而专门设计的套高性能、高可靠性的计算机 网络系统管理软件，可实现从桌面、工作站、大型主机的不同层次的一体化管 理。管理的范围包括应用程序、数据库、网络、系统和互连网等五个方面。它 采用了业界流行的分布式对象环境下两大主流技术：公共对象请求代理体系结 构c o r b a 和分布式组件对象模型d c o m ，具有良好的可扩展性；完全遵从简单网 络管理协议s n m p ，远程监控r m o n v l r m o n v 2 ，支持数十种管理信息库m i b ：应 用了代理技术，充分实现了工作站平台和w i n t e l 平台下操作系统的数十项指标 实时监控；整合了网络安全的密码技术和认证技术，应用非对称密钥系统和身 份验证手段来保证系统的安全性和完整性。s h u c e n t e r 实现的主要功能包括： 拓扑管理，事件分析，性能统计，网络配置，系统安全，资产管理，病毒扫描， 软件分发以及常用工具。本课题主要承担其中的性能管理功能模块的研究与实 现。s h u c e n t e r 运行情况如图卜3 所示。 网络模拟环境 图1 3s h u c e n t e r 运行界面 为了实现本课题的研究，我们在所使用的测试网络环境是在上海大学计算 中心的网络基础上搭建的，网络模拟环境结构如图卜4 所示。 第1 1 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 第1 2 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 二堡! ! 塾墅型竺塑! 竺堡! 箜哑出! 塑：竺! z 第二章lp 网络性能测量技术 2 1 国际lp p m 工作组 在测量大规模网络性能时，如果没有统一的度量标准，那么测量结果将 难以理解并且无法在不同的实现方法之间进行比较。1 9 9 5 年以来i e t f 的i p p m ( i pp e r f o r m a n c em e t r i c s ，i p 性能度量标准) 工作组开展了关于i n t e m e t 数据传 送业务的质量、性能和可靠性方面的度量标准化工作。目前i p p m 已经设计出 一个i n t e m e t 性能测量的通用框架，为路径的连通性、单向延迟、单向分组丢失 率和往返延迟等性能指标制定了度量标准，以便使i n t e m e t 用户和i s p 准确地理 解i n t e m e t 上端到端路径的性能和可用性。 2 2 性能指标 度量网络性能的指标必须是可以被客观量化的，而不能只反映“好”与“不 好”。网络性能的度量指标可以从不同的角度进行确定。最常采用的一种性能指 标体系是基于网络接口的性能指标，它的实现依赖于s n m p 协议和接口的管理信 息库信息。在本课题中，我们不仅在s h u c e n t e r 网络系统管理产品中实现了这 一套性能指标体系，同时又从另一个角度深入研究和实现了基于q o s 的性能指 标。通过这些工作，使我们的网络系统管理产品能够适应网络o o s 技术发展对 网络系统管理的需求。 2 2 1 基于网络接口的性能指标 整个网络是否能够高效、畅通的运行，很大程度上取决于网络中各个节点， 即各种网络接口( 设备) 的运行健康程度。网络管理体系中，从s n m p 协议到 m i b 信息库，都很好的支持和实现了对网络接口的性能统计和管理功能。在 s h u c e n t e r 中，我们定义了一套基于网络接口的性能指标，包括网络接口的利用 率、接口的吞吐率、接口的出错率( 误码率) 和接口的丢包率。这些指标又都 可以细分为输入、输出和综合三种度量方式，这样可以更准确地反映网络接口 的性能状况，更精确地定义性能瓶颈。具体的实现将在第三章中进行阐述。 第1 3 页共6 2 页 i ：海大学硕士学位论文 ! 堡! ! ! 望塑! 坚兰坠坐堕! 也! 型堕：塑堕 2 2 2 基于q o s 的性能指标 基于q o s 的性能指标可以很好的反映网络链路性能状况，表征用户得到的 网络服务质量所达到的等级。延迟、延迟抖动、丢包率和带宽是网络中表征连 接性能的常用度量尺度，它们很好的弥补了基于网络接口的性能指标的不足， 两者结合起来对网络性能管理起到了相辅相成的作用。 一延迟d e l a y 延迟是一项很重要的网络q o s 性能指标，很多网络业务对延迟十分敏感， 如对v o l p ( v o i c e o v e r i p ) 来说，延迟超过l o o m s ，对话双方就会察觉到，如果 超过2 5 0 m s ，则会明显感到不舒服，甚至对话无法进行。 就延迟的度量方式来看，延迟可以分为双向延迟( r o u n d t r i p d e l a y ，r t d ) 和单向延迟( o n e w a yd e l a y ，o w l 3 ) 。双向延迟可以利用基于互联网控制信息 协议( i c m p ) 的测量工具，如p i n g 或t r a c e r o u t e 等程序测得，主要反映的是测 试数据包从网络一端到达另一端后再返回到本地的总时间。但是随着大规模网 络非对称性现象的出现，测量单向延迟的需求也就随之而来。 就延迟的组成部分来看，在每一个中继段中延迟主要包括传输延迟 ( t r a n s m i s s i o nd e l a y ) 、传播延迟( p r o p a g a t i o nd e l a y ) 和交换延迟( e x c h a n g e d e l a y ) 这三部分。 传输延迟是指输出速率一定的情况下，设备同步一个分组所需要的时间， 即接收到分组的第一个b i t 与接收到分组的最后一个b i t 的时间间隔，也可称为 串行化延迟。它取决于链路的带宽以及分组的大小。例如，以3 m b i l j s 的速度同 步6 4 字节的分组大约需要1 7 1 u s 传输，而以1 9 2 k b i t s 的速度同步6 4 字节的分 组需要2 6 m s 。 传播延迟是指一个数据位从发送方到达接受方所需的时间。由于即使在最 好的情况下，它也比光速小得多，所以这种延迟会很明显。它取决于距离和介 质，而与带宽无关。对于广域网链路，以毫秒计的传播延迟是正常的。贯穿美 国大陆的传播延迟在3 0 m s 左右。 交换延迟是指设备从接收分组开始到传输开始的时间间隔，它取决于设备 中的队列长度和调度策略。在分组交换网中也可称为排队延( q u e u i n g d e l a y ) ， 主要表现为分组在传输路径中经过各种交换设备时所引起的缓冲延迟的积累。 例如，在先进先出队列调度机制中，新到达的分组的排队延迟等于已在该输出 第1 4 页共6 2 页 上每人掌硕士学位论文 一一一 一 堡! ! ! 窭! 型! ! 生! 兰! ! 坚! ! 兰! 竺鲤! ! 竺! ! 兰堕堕 端口上排队的所有分组传送延迟的总和。而在基于q o s 的调度算法中，分组的 排队延迟取决于分组的优先级和交换设备中的队列长度。 并非通信流中所有分组的延迟都相同，每个分组的延迟随中转网络的状况 差异而不同。如果网络没有被拥塞，则路由器上没有队列，总的分组延迟由每 个中继段的传输延迟和传播延迟所组成，这是网络的最小延迟。如果网络发生 拥塞，排队延迟将影响端到端的延迟，并导致通过同一连接传输的分组的延迟 各不相同。 图2 1 描述了随着链路速度的增加，3 种延迟对于总延迟的影响。从中可以 看出，随链路带宽的增大，传输延迟与传播延迟相比变得越来越不重要。如果 队列为空，则交换延迟可以忽略，但随着队列中等待分组的增加，交换延迟将 锐增。 o c l 9 2 ( 9 6 g b i t j s ) 0 c 4 8 ( 2 4 g b i t s ) o c l 2 ( 6 2 2 m b w s ) 链o c 3 ( 1 5 5 m b i t l s ) 堕d s 3 ( 4 5 m b i g s ) 度t 1 ( i5 m b i t s ) o 5 0 1 0 0 占总延迟的百分比 图2 - 13 种延迟随带宽增加的变化情况( 分组为15 0 0 个字节) 一延迟抖动d e l a yj i t t e r ( 或d e l a yv a r i a t i o n ) 延迟抖动是指分组延迟的变化程度。这种变化主要是由于数据包在分组交 换网络中传递时，每个分组可能沿着不同的路由路径到达目的地，而使得每个 分组的延迟各不相同。由于延迟抖动可以估算接收方分组的最大延迟，而不是 单个的分组延迟，所以延迟抖动是很重要的。接收方可阻根据应用程序，添加 一个能够存储抖动范围内分组的接收缓冲区来补偿抖动。发送连续信息流的回 访应用程序( 如交互式语音电话、视频会议以及分配) ，都属于这一类。 - 丢包率l o s s r a t e 丢包率是指传输期间网络丢失的分组数量，通常指的是在特定时段内丢失 的分组占传输的分组总数的比例。网络拥挤时丢弃分组以及传输线破坏分组都 会导致分组丢失。一般的，当输入的分组远远超过输出队列的限制时会发生丢 弃分组现象，当接收分组的输入缓冲区不够用时分组也会被丢弃。丢弃的分组 第1 5 页菸6 2 页 上海大学硕士学位论文 一一! 生! ! ! 坚! ! ! ! 坚堕! ! ! ! ! 竺韭塑坐! ：型堕 浪费了网络资源，因为在到达它们被丢弃的位置前，它们已经消耗了一定的网 络资源。某些应用程序在分组丢失后不能很好的工作，甚至无法正常工作，这 些不能容忍分组丢失的应用程序要求网络提供分组丢包率保证。如对于网络语 音业务而言，一般要求不高于1 的丢包率。 设计良好、正确预定或预定未满的网络通常很少发生分组丢失的情况。对 于网络已经为之预留了所需资源的保证服务应用，分组丢失的情况也很少发生。 光纤的比特差错率( b e r ) 为1 0 一，因此分组丢失的主要原因是网络拥塞导致 的丢弃分组。但在“尽力而为”的传输模式下，分组丢弃是无法避免的，虽然 只有在必要的情况下才会丢弃分组。 一带宽b a n d w i d t h 带宽是指给定介质、协议或连接的额定吞吐量，实际上也就是应用程序在