（计算机应用技术专业论文）校园网综合性能测量与评价的研究.pdf

扛苏太擎研士学位谤主 摘要 随着校园网规模的不断扩大，校园网管理者，既是网络设备管理者，需要对 校园网内的网络设备进行管理和维护：又是网络接入服务者，需要为校园网用户 提供接入服务；也是网络业务提供者，需要在校园网内提供w e b 服务、f i p 服务、 e - m a i l 服务等。因此校园两管理者对校园网性能的测量和评价，也提出了更高的 要求。 当前，主要是i e t f 的m 性能度量工作组0 n t 盯n c tp r o t o c o lp e r f o r m a n c e m e t r i c sw o r k i n gg r o u p ，i p p mw g ) 和r r u - t 的第1 3 研究组( s t u d yg r o u p1 3 ， s o1 3 ) 进行口网络性能方面的研究和性能指标的制订。m 和m 。提出了定 义性能指标的原则与总体框架，也有许多针对网络性能监控问题的研究项目和研 究成果，但是没有一个可以很好地解决校园网性能测量与谔价闽题的实髓；模型。 本文在充分分析了现有的性能指标评价体系的基础上，综合校园网管理的特 点，提出了一种校园网的性能综合评价模型，从链路性能、端到端性能和业务性 能这几个方面来评价校园网性能；用一种树形结构来定义校园网中的评价对象和 评价指标，并确定了该模型的性能指标及测量方法；，提出了一种层次化多指标综 合评价的方法该体系可以满足校园网管理者对校园网性能层次化及综合评价， 从不同的角度和层面上对校园网性能进行描述，有助于及时发现和定位性能瓶 颈。 ， 时钟同步问题是端到端测量中主要的问题，本文实现的基于双向主动测量协 议( f 盼! 国口) 的测量，消除了时钟同步的限制，并且易于在校园网内部署实现。 网络层析技术是一个新兴的领域，它利用端到端的性能测量结果，来推断链路性 能，不需要额外的部署，就可以获得链路性能参数，本文应用这项技术，基于 r t t 测量对校园网链路性能进行推测。考虑到应用层协议数量相对于业务数日的 稳定性，而各项业务都是基于协议实现的，本文以协议性能为测量对象，用主动 测量的方法，实现常规业务性能的测量。 最后以校园网为环境，开发了基于w e b 抟术的校园瞬性能测量系统。这种 在b s 技术上开发的网络性能测量系统，可以充分发挥b s 的优势，大大加强了 对网络的监测能力，系统可以实现对校园鼹的定时监测和实时观测。 江苏大学项士学位话文 关键词：校园网、网络性能、性能指标、端到端性能、双向主动测量协议、业 务性能、网络层析 l i 江苏太学_ 硪士学位论文 a b s t r a c t a st h ec a m p u sn e t w o r k0 0 1 l l t i l l l l e $ t oe x p a n d , t h ec a m p u sn e t w o r km a n a g c l - s m a n a g ea n dm a i n t a i nt h en e t w o r kf a c i l i t i e s w i t h i nt h ec a r l a p u sn e t w o r k , p r o v i d e l t c c e & s8 既、，i c 嚣t ot h ec a m p u sn e t w o r ku s e r 写w e bs e r v i c e s , f i ps 胃v i s ，e - m a i l s g l - v i c e $ e t c t h e r e f o r e , t h ee a a p u sn e t w o r km a n a g e r sh a v eh i g h e rd e m a n d sf o r m e a s u r i n ga n de v a l u a t i n gt h ec a m p u sn e t w o r kp e r f o r m 跹e e o nt h eb a s i so ff u l l y 锄_ a l y 五n gt h ee x i s t i n gp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ns y s t e ma n d i n 把粤嘶n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a m p u sm a n a g e m e n t , t h i st h e s i si n t e n d st oe x p l o r ea p e r f o m a n e ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ee a m p m n e t w o r kp e r f o r m a n c e t h i sm o d e l i n v e s t i g a t e st h ec a m p u sn e t w o r k 职d b r m 锄f r o m l i n kp e r f o r m a n c e ，e n d - t o - e n dp e r f o r m a n c ea n ds e l v i e l ep e r f o r m a n c e ；i te m p l o y sat r e e t od e f i n ee v a l u a t i o nt a r g e ta n dm e t t l e si nt h ec a m p u sn e t w o r k 讲缸咖a n c ea n d c o l l f l t mt h ep e r f o r m a n c em e t r i c sa n dm e a s u r e m e n tm e t h o d s ；i tb r i n g sf o r w 缸x la i n t e g r a t e de v a l u a t i o nm e t h o dw i t hm u l t i 4 e v e la n dl a i e r a r e h i c a lm u l t i p l ee v a l u a t i o n m e t t l e st oi n t e g r a t e de v a l u a t et h ec a m p u sn e t w o r kp e r f o r m a n c e i ti sp o s s i b l of o r c a m p u sm a l l a g a t st o 血出t h em u l t i - l e v e l so f t h ec a m p u sp e r f o r m a n c ea n di n t e g r a t e d e v a l u a t i o n , a l s ot o p r e s e n t t h e c a m p u sn e t w o r kp e r f o r m a n c 蟹f r o md i f f e r e n t p e r s p e c t i v e sa n dl e v e l st h a ta r eh e l p f dt od i s c o v e ra n dp o s i t i o np e r f o r m a n c e b o t t l e n e e k 曼 t h em e a s u r e m e n tb a s i j do nt w o - w a ya c t i v em e a s u r e m e n tp r o t o c o lf f w a m p ) r e a l i z e di nt h i st h e s i se l i m i n a t e st h ei 芑s l a i e f i o n so fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n , a n di t i s e a s i e rt oi m p l e m e n to nt h ec a m p u sn e t w o r k n e t w o r kt o m o g r a p h yt e c h n o l o g yc a n i n f e rl i n kp e r f o r m a n c em e t r i c sw i t h o u ta d d i t i o n a ld e p l o y m e n t i nt h i st h e s i s ，b a s e do i l t h i st e e l m o l o g ya n dt h er t tm e a s u r e m e n t , t h el i n kp e r f o r m a n c ec o n j e c t u r ei nt h e c a m p u sn e t w o r kc a db ea c h i e v e d t a k i n gp e r f o n m n c eo f t h ep r o t o c o la st h em e a s u r e o 巧e c ta n d 眇u s i n gt h ea c t i v em e a s u r e m e n tm e t h o d s , t h i st h e s i si n t e n d st oi m v l e m e n t t h es e r v i c e sp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t o f i n a l l y b a s e d0 1 1w e bt e e l m o l o g y , t h i sl h e s i sd e v e l o p saa 呻n e t w o r k p e r f b i m 蠲c el l l e a s u r e m e n ts y s t e mf o rc a m p 璐玳抽竹r k w i t hb $ t e d m o l o g y , t h i s h i 江苏大学硕士学位论文 n e t w o r kp e r f o r m a n c em a n a g e m e n ts y s t e mf u l l yt a k e st h ea d v a n t a g e so fb sm o d e l ； g r e a t l ye n h a n c e st h en e t w o r km a n a g e m e n ta b i l i t ya n di m p l e m e n t sr e g u l a rm o n i t o r a n dr e a l - t i m eo b s e r v a t i o n0 1 1t h ec a m p u sn e t w o r k k e yw o r d s ：c a m p u s - n e t w o r k , n e t w o r kp e r f - o 加a 女呛e p e r f o r m a n c em e t r i c s ， e n d - t o e n dp e r f o r m a n c e ，t w a m p , n e t w o r kt o m o g r a p h y i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论 文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密函 学位论文作者签名：关敲瑶 沙岬年f 月i f e t 指导教师签名s 呼瞳脘 硼年l 1 月i 岁日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容以外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：知砩 日期：加1 年，月，y 日 江苏大学顶士季住论主 1 课题的研究意义 第1 章引言 i n t c m c t 是从a r p a n e t 的基础上发展起来的，最初是一个主要服务于科研 教育部门的计算机网络，采用。尽力而为”的传输机制，无( 1 0 s 保证，无售后 服务，安全问题也由用户自行解决但i n t e m e t 的发展速度超出了人们的想象， 到目前为止，除了传统的浏览、聊天、网络新闻、电子邮件等业务外，新的业务 类型不断涌现，如远程教育、网上银行、在线交易、网络视频、m 电话、网络 游戏等，据中国互联网信息中心( c n n f c ) 发布的第二十次中国互联网络发展 状况统计报告m 显示，截止到2 0 0 7 年6 月，我国的网民数达到了1 6 2 亿人， 上网计算机达到6 7 1 0 万台，c n 下注册的域名数达到6 1 5 万个，增长速度非常 之快。随着通信网络、计算机网络与有线电视网络逐渐融合，口技术将获得更 为普遍的应用。网络规模不断的扩大，网络用户不断的增加，要求网络安全、可 靠。近一段时问，由于计算机病毒爆发、网络安全危机等因素，网络设备超负荷 运转，从而导致网络性能不断下降。这就需要对网络性能进行检测和分析，及时 改善和提高网络性能。由于i u t e r n e t 的初衷不是象电信网那样提供商业服务的， 所以它一开始就不象电话网那样是有规则地组织起来的，在发展过程中各个i s p 主要靠提升网络硬件设施来保证服务质量，网络架构和技术都是按照经济规律来 发展的，具有一定的盲目性，所以目前的i n t e m e t 存在很多问题：没有一个正常 盈利的商业模型；网络缺乏有效的管理和运营手段；面临着安全，q o s 等问题； 无法有效支持实时业务等。新一代理网络技术的研究与发展需要了解网络的运 行规律，验证新的协议、算法、策略机制的性能，这就使得口网络测量这一基 础课题成为必然而迫切的需求研究网络性能测量就是了解网络行为、进行 阿络控制、实施q o s 保证、提高网络性能的重要环节和基础，具有十分重要的 意义。 始于1 9 9 3 年的校园网建设，近年来发展迅速，尤其是2 0 0 0 年后商业网站的 热潮带动了校园网的发展。校园网不仅包含网站和网页的建设，也开始关注网络 平台上运行的应用系统，如远程教育系统、多媒体点播系统、校园一卡通系统、 江苏大学项士学位论文 电子图书馆系统等，也就是说，不再仅仅是将学校“接入”网络，而是尽可能地将 学校的运作“搬”到网上来，实现校园教学、科研、后勤等各个领域的“数字化”。 把校园搬上网络，让数字j 电”进生活，正成为我国越来越多高校和中小学校的 选择。面对着蓬勃发展的校园网，网络监测、网络管理显得尤为重要。学校是网 络人群比较集中的地区，也是网络技术活跃的地区，各种潜在的威胁隐藏在我们 的网络中，在这样的网络环境中，网络监测和管理的迫切性尤为突出。目前的网 络还显得十分脆弱，一个小小的蠕虫病毒，就会使网络趋于瘫痪，一个并不高明 的攻击行为，就会严重影响正在运行的网络服务，这给网络管理人员提出了比较 高的要求。如何维护网络的安全运行，掌握网络的运行状况，成为摆在网管人员 面前的一项课题。 1 2 课题的研究背景 目前，i n t e m 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、时延、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 测量、d n s 系统性能测量等) 。 网络性能测量这一学科领域从2 0 世纪8 0 年代起逐渐受到重视，近年来，关 于i p 网络性能测试的研究得到了越来越多的重视，国际上一些组织已经或正在 开展相关的研究。 i e t f 的i p 性能度量工作组( i n t e r n e tp r o t o c o lp e r f o r m a n c em e t r i c s w o r k i n gg r o u p ， i p p mw g ) 提出了定义性能指标的原则与总体框架，并定义了 评估i p 网络数据传输业务的质量、性能和可靠性的一些指标，如连通性、单向 丢包、单向时延、环回时延，i p p mw g 已经提交了多个r f c 和草案，虽然其中定 义了具体的度量，但实际的实现方法和应用不在文档范围之内，i p p mw g 只是努 力地促进有效的测试工具和程序的共享。 i t u t 的第1 3 研究组( s t u d yg r o u p1 3 ，s g1 3 ) 也提出了y 1 5 4 0 ( 原i 3 8 0 ) 建议。1 ，其中定义了衡量i p 网上i p 分组传输性能的四个参数：速度( s p e e d ) 、精 确性( a c c u r a c y ) 、可靠性( d e p e n d a b i l i t y ) 、可用性( a v a i l a b i l i t y ) 。另外还 2 豇苏大学项士学往论吏 提出了y 1 5 4 1 ( 原i 3 8 1 ) 建议圈，规定了i p 通信业务一i p 性能和可用性指标与 分配，将i p 业务按q o s 分为六类。 国际上有许多针对网络性能监控问题的研究项目和研究成果，有些研究得到 了广泛的应用。目前主要包括第二代i n t e r n e t 计划中的s u r v e y o r 工程田，n s f 资助的n i m i 工程岫、a 肝工程啪等这些研究项目都着眼于i n t e r n e t 应用的未 来发展，即对高速率和高服务质量的强调。研究主要集中于两个方面：主动式网 络性能监控和被动式网络性能监控。主动式网络性能监控研究端到端的性能测量 和分析优化，主要成果有s u r v e y o r 软件系统，可以监测端到端的单向时延；被 动式网络性能监控即流量分析，主要成果有c o m i o c x m o n 监测平台 s u r v e y o r 是a d v a n c e dn e t w o r k s e r v i c e s 公司联合其他组织提出的基于 i p p mw g 标准的网络测试基础架构，能够测量参与组织之间的互联网的路径性能， 在该项目中还提出了分析性能数据的方法和工具。 s u r v e y o r 是个建立在全球参与站点上的测量平台，部分由n s f 支持。建 立了一个广域范围内长期测量网络端到端单向时延，单向丢包率和路由信息的测 量架构，它采用i p p u 己经定义好的标准钡i 量方法，利用主动测量的方式来得蓟 拓扑和性能数据。设有5 5 个监测点，在1 8 8 3 条路径上进行单向时延测量 s u r v e y o r 的测量架构有三个主要组件：测量机器，中央数据库和分析服务 器，测量机器将所收集到的数据传给数据库保存，分析端从数据库中取出数据进 行分析，同时也作为一个w e b 服务器，用户可通过h t t p 请求来察看分析后的结 果。 与其它项目相比，s u r v e y o r 的特色主要表现在采用标准的测试方法，使的 结果具有可比性；利用g p s 卡进行时钟同步，对于单向的测量准确率较高。 美国的n i w i ( n a t i o n a li n t e r n e tm e a s u r e m e n ti n f r a s t r u c t u r e ) 是由p a x s o n 等人开发的通用大规模网络性能澳4 量基础设施，它先后得到了n s f ( n a t i o n a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ) 和d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 的支持。该测量系统建立在现有网络之上，提出了一个基于探针( p r o b e ) 的分布 式可扩展动态的网络测试基础架构，采用层次化的系统结构和分布式方式，测量 设施可以扩展至整个互联网。n i m i 主要采用主动测量技术，采用p i n g ，r a c e r o u t e ， m t r a c e 等工具，通过在互联网中部署大量探针机器，利用探针机器之间的相互 江苏太学硕士擘隹论文 合作进行测量从而监测互联网通路性能状况。 与其它几个测量基础设旋不同的是，n i m i 是专为实现大规模网络测量而构 建的平台，它创建了一个通用的测量架构，具有良好的可扩展性和协作性，可以 灵活的在底层架构之上添加自己所需的测量工具。 为了加强对互联网的研究，美国在n s f 支持下成立了网络应用研究国家试验 室( n l a n r ) 。目前n l a n r 主要包括两个子项目，一个是基于主动测量的a m p ( a c t i v e m e a s u r e m e n tp r o g r a m ) ，另一个是基于被动测量的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 ) 。还有一个基于控制信息监视的工程正在进行之中。其中，a m p 主要 测量r t t 、丢包率、拓扑和流量。p m a 主要进行基于包头追踪的分析，另外还有 来自于参与p m a 项目服务器的s n 肝信息和基于b g p 数据的分析。 n l a n r 建立了网络分析基础设施n a i ，它致力于通过对互联网的性能测量和 流测量，理解互联网系统级的服务模型，其研究环境与背景主要是n s f 的超高带 宽网络服务( v b n s ) ，并扩展到其它高性能连接( h p c ) 网络，如a b i l e n c e 等。n a i 中测量数据分为四类被动方式收集的包头数据、主动性能数据、用s n m p 协议 采集的数据以及反映网络路由稳定性和状态的数据。n a i 是一个全面的分析基础 设施，它包括大量测量数据并能对其进行多种形式的分析，同时n a i 还支持广泛 的信息共享与研究合作。 另外还有一些项目如r i p e s ，p i n g e r 等都是和网络测试相关的。 当前，i n t e m e t 性能监控的研究正面临诸多挑战，国际上有许多针对网络性 能监控问题的前沿研究项目正在展开，但是针对校园网性能的研究还较少。江苏 大学网络信息中心开发了适合校园网管理的基于s n m p 的网络管理系统，作为 校园网监测的另一主要方面，本课题将对校园网性能测量和评价作深入的研究。 1 3论文的研究内容和体系结构 论文在讨论各种网络性能测量各个要素的基础上，对性能指标体系进行了深 入研究，提出了一种校园网综合性能评价体系，并明确了相对应的性能指标及其 测量方法，在此基础上，设计了一个网络性能测量系统框架。具体来说，研究工 作包括如下几方面： ( 1 ) 在充分分析校园网管理的特点和现有的网络性能指标体系的基础上，提 4 江苏太擘项士学位论文 出了一种适用于校园网性能评价的综合评价体系，用一种树形结构来描述评价对 象和评价指标，并确定了评价体系中的性能测量指标 ( 2 ) 提出了种层次化综合性能评价方法，实现了从点到面、从局部到整体 的校园网性能的综合评价。 ( 3 ) 使用双向主动测量协议( t w o l a ya c t i v em e a s u r e m e n tp r o t o c o l , t w a 肝) ，实现了对端到端往返时延和丢包率的测量，并根据误差理论，对测量数 据进行处理；运用s l o p s 原理，基于双向测量实现可用带宽测量 ( 4 ) 对网络层析技术进行了深入研究，之前的研究，大多是基于单向测量的， 在r t t 测量的基础上，对链路性能进行推测，消除了对时钟同步的依赖。 ( 5 ) 根据校园网内的业务服务功能的不同。分成基础业务和常规业务进行研 究。考虑到应用层协议数量相对于业务数量的稳定性，将常规业务性能测量根据 使用的应用层协议的不同进行划分根据协议的工作流程，确定协议的性能评价 指标，用主动测量，模拟用户行为的方法实现对业务性能的测量。 ( 6 ) 设计了一个网络性能测量系统架构，搭建了一个主动测量的网络性能测 量平台，通过在校园网内的统一部署、简单测量，实现层次化综合网络性能评价。 系统具有很好的可扩展性，可以很方便地将测量范围扩展到校园网内的每台主 机。 本文的剩余部分内容安捧如下： 第二章讨论了网络性能测量的要素、性能指标，测量方法，测量包的选取与 发送规律，测量中的抽样与误差处理等问题。 第三章从产生背景、评价对象、评价指标、评价方法等方面详细讨论并确定 了校园综合性能评价体系。 第四章讨论了用主动测量的方法，实现综合性能评价体系中各个性能指标的 测量。 第五章在综合评价模型的基础上，设计了一十网络性能测量系统架构，详细 讨论了如何部署、测量。 第六章是结柬语，对全文进行了总结，并指出了目前的研究进度和进一步的 研究方向。 5 江苏大学硕士学位论文 第2 章网络性能测量概述 网络性能可以采用以下方式定义乜1 ：网络性能是对一系列对于运营商有意义 的，并可用于系统设计、配置、操作和维护的参数进行测量所得到的结果。可见， 网络性能是与终端性能以及用户的操作无关的，是网络本身特性的体现，可以由 一系列的性能参数来测量和描述。在网络性能测量中涉及到多方面的内容。 2 1网络性髭测量的要素 ( 1 ) 测量对象：被测量的节点或链路，测量节点、链路或网络的什么特征， 如链路的时延、带宽、丢包率，路由器的路由效率、时延、丢包率，w e b 服务器 的应答时延、吞吐率、系统容量、最大稳定链接数等； ( 2 ) 测量环境：包括测量点的选取、测量时间的确定、测量设备、通信链路 的类型等； ( 3 ) 测量方法：针对某一具体的网络行为指标，选取合适的测量方法，测量 方法应满足： 稳健性：被测网络的轻微变化，不会使测量方法失效； 可重复性：同样的网络条件，多次测量结果应一致； 准确性：测量结果应能反映网络的真实情况。 2 2网络测量指标的制定原则 为了测量网络性能，i p 网络测量指标框架最早由i e t f sb m w g ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e sb e n c h m a r k i n gm e t h o d o l o g yw o r k i n gg r o u p ) 定义。 在r f c 2 3 3 0 哪中给出了i p 性能指标的框架，该框架指出，测量的指标必须遵守以 下定义标准： ( 1 ) 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，即在多个不同时刻、相同的环境 下i p 网络性能测量研究与实现采用相同测量方法可以得到相同的结果； ( 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； 6 扛苏大学硕士擘住论吏 ( 4 ) 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； ( 5 ) 测量指标对端用户和网络运营商了解网络性能必须是有用的 2 3网络性能结构模型 从空间的角度来看，网络整体性能可以分为两种结构：立体结构模型和水平 结构模型 2 3 1立体结构模塑 i p 网络就其协议栈来说是一个层次化的网络，因此，对i p 网络性能的研究 也可以按照一种自上而下的方法进行可以以i p 层的性能为基础，来研究i p 层 不同性能与上层不同应用性能之间的映射关系。 2 3 2水平结构模型 对于网络的性能，用户主要关心的是端到端的性能，因此从用户的角度来看。 可以利用水平结构模型来对i p 网络的端到端性能进行分析 2 4 网络性餐参数 网络性能参数就是对网络性能进行度量和描述的工具，i e t f 和i t u - t 都各 自定义了一套性能参数，并且还在不断的补充和修订之中 2 4 1i e t f 的指标体系 i e t f 将性能参数称为“度量( m e t r i c ) ”蛳由i p p m ( i pp e r f o r m a n c e m e t r i c s ) t 作组来负责网络性能方面的研究及性能参数的制定。i e t f 对i p 网络 性能参数的定义包括； ( 1 ) 连通性( c o n n e c t i v i t y ) 阻 连通性是指风络能够成功她将测量数据包在规定的时间内从源端传送到目 的端，i p 连通性的测量结果为一布尔( b o o l e a n ) 类型值。i p 连通性从时间上可分 7 江苏走学项士学位论文 为瞬时连通性和时间段上的连通性：从方向性上又可分为单向连通性和双向连通 性。 。 在测量过程中，真正具有实际意义的，是时间段上的单向连通性测量和双向 连通性测量，两者具有同等重要的意义。其实对于连通性来说，前者包含在后者 的范围之内，只要双向连通性成立，单向连通性自然为真。 时间段上的双向连通性严格定义为姨如果源端s r c 与目的端d s t 在 仃，r + d r ) 间具有双向连通性，即任取时刻五，五，以及时间间隔媚和d 互，若 有h 五，五十媚，正，瓦+ d 五e ( r ，t + a d ，并r t , + d 墨兰互： 若在五时刻从s r c 发往d s t 的i p 包将在五+ 媚时刻到达口在正时刻从d s t 发往s r c 的p 包将在五+ d 夏时刻到达，则称s r c 与d s t 间在叮，r + 上的双向 连通性值为真。 ( 2 ) 时延 i p 包传送时延是指i p 包的到达时刻与发送时刻的时间差，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 时延由中间路由器处理时延和排队等待时延两部分构成。i p 包传送时延测量结 果为一时间值，单位为秒。 传送时延分为两种单向时延蚴和双向时延3 。 单向时延的定义为在时刻r ，i p 包从s r c 发出口在时刻r + d r ，i p 包成功 到达d s t ，则s r c 至i ) s t 的i p 包单向传送时延为d t 。 双向时延的定义为在时刻r ，i p 包从s r c 发出，署的主机为d s t ，当d s t 收到该i p 包时，立刻向s r c 回送，在时刻r + d r 。i p 包到达s r c ，则s r c 至d s t 的i p 包双向传送时延为d 丁。 ( 3 ) 丢失率“4 i p 包丢失是指在时刻r ，i p 包从s r c 发往d s t ，d s t 在2 5 5 秒内没有收到该 i p 包。i p 包丢失为一布尔类型值，正确收到该i p 包，则其值为0 ；若没有收到 该i p 包，则其值为1 。现实中具有实际意义的是i p 包丢失率概念，i p 包丢失率 的值为 0 ，1 其间的一个实数。i p 包丢失率是指等从s r c 向d s t 发送n 个i p 包， 江苏太擘硕士学位论文 若其中i p 包丢失值为1 的包个数为l ，则i p 包丢失率的值为l n 。在实际测量 中，发送i p 包的过程应是一个泊松抽样过程。 ( 4 ) 时延抖动“9一 i p 包时延抖动的定义为：在一个从s r c 至d s t 的数据流中任意选定两个i p 包，其单向时延分别为d 五和d 五，则该数据流的i p 包时延变化为l 媚一码i i p 包时延变化的值为一大于等于0 的实数。 以上i p 包时延变化的定义是基于单体测量的，和前面的情况一样，更具有 意义的是基于泊松抽样的测量。这种测量是以泊松抽样过程产生测量间隔瓦和 五，在毛和五之间利用选取函数选择两个i p 包作为测量包根据单体测量方法 计算时延变化，可进行n 次这种抽样，最后对得到的结果作统计处理。 ( 5 ) 流量参数 对于流量参数，i e - f r f 针对整批数据传送能力( b u l kt r a n s f e rc a p a c i t y ，眦) 的测量框架提出了个r f c 3 1 4 8 1 咀，其中分析了传输层上的各种拥塞控制机制， 并提出了一些与流量有关的辅助( a n c i l l a r y ) 参数。 2 4 2 1 1 1 j - t 的指标体系 i t u _ t 对i p 网络性骆参数的定义包括： ( 1 ) i p 包传输时延( i pp a c k e tt r a n s f e rd e l a y ，i 哪) i p 包传输时延定义为穿过一个基本段或n s e 传送i p 包所经历的时间( 无论 传送成功还是错误) i p t d 是两个相关i p 包传送参考事件的时间差( t r t i ) ，其 中离开事件发生在t 。，进入事件发生在k 这里( t p t o ，并且( t ：t j c l 的所有时间 2 ) i p 网络服务可用性参数 i p 网络服务可用性参数有两个，一个是i p 服务不可用百分数( p i u ) ，另一 个是i p 服务可用百分数( p i a ) ，并且p i u = i o o - p i a ； i p 服务不可用百分数( p e r c e n ti ps e r v i c en a v a i l b i l i t y ，p i u ) 是i p 服务 应用期间服务不可用时间占服务总时间的百分数； i p 服务可用百分数( p e r c e n ti ps e r v i c ea v a i l b i l i t y ，p i ) 是i p 服务应 用期间服务可用时间占服务总时间的百分数 2 5 网络性能测量方法和技术 网络测量作为分析网络行为、了解网络状况和定位网络故障的有效手段，需 要服务于各种不周目的的测量需求和不同用户，由此引出了各种不同的测量方 式。例如，用户希望了解自己的主机与两络另一端的服务器的连通性，他可以通 过p i n g 主动发起探测，获得端到端的连通状况；如果用户关心的是某台路由器 的使用状况，他可以通过获取路由器中的信息的方式达到目的；若用户想要了解 一条链路上所有流量的信息，可以通过借助专用设备的方式捕获这条链路上的所 有数据包。根据获取数据的方式和技术特征的不同，目前己有的各种不同测量方 式可以归为兰类：主动测量、被动测量和控制信息监视 2 5 1主动溯量 主动测量是由测量用户主动发起测量，在选定的测量点上利用测量工具有目 l l 江苏大学硕士学位论文 的地主动产生测量流量，注入网络，并根据测量数据流的传送情况，通过获取测 量引发髂数据并对其进行分析，以得到网络性能参数和网络行为参数，来分析网 络的性能。主动测量本身会产生新的测量流量，如p i n g 可以获得网络连通状况， 得到丢包率，往返时延等参数；t r a c e r o u t e 可以获得网络行为参数，具体而言 就是网络路由信息参数。主动测量在性能参数的测量中应用十分广泛，目前大多 数测量系统都涉及到主动测量。 要对一个两络进行主动测量，需要一个测量系统，这种主动测量系统一般包 括以下四个部分；测量节点( 探针) 、中心服务器、中心数据库和分析服务器。 有中心服务器对测量节点进行控制，由测量节点执行测量任务，测量数据由中心 数据库保存，数据分析则由分析服务器完成。 2 5 2被动测量 被动测量是指在通过在网络中的一个或多个网段上借助包捕获器捕获数据 的方式记录网络流量，在链路或设备( 如路由器，交换机等) 上利用测量设备对网 络进行监测，并对流量进行分析，被动的获知网络行为状况。这种测量方式不必 主动发送测量包，不需要产生多余流量，也不会占用网络流量，被动测量非常适 合用来进行流量测量。 2 5 3 控制信息监视 控制信息监视主要用于获取各种网络控制信息，主要包括与数据传输有关的 控制信息，譬如路由更新消息、网络管理信息和链路利用率。这种方式的特殊之 处在于无需主动发送测量包，但是又会产生一定的流量，与主动测量和被动测量 都存在着一定的差异。 2 5 a测量方法的比较 主动测量可以获知用户感兴趣的端到端的网络状况和网络行为，具有灵活方 便的优点，如果用户关心某些网络性能参数状况，则只需由用户使用相应的测量 工具即可发起测量，通常不需要多个节点之间的相互协作，也不需要对于中间节 点具备一定的控制权限，因此对于一般用户而言，主动测量方式具有更高的可行 江苏太学项士学位论文 性并且由于主动测量方式通过测量自身发送的探测数据包来获得相应的参数， 不会捕获网络中已经存在的流量，因此不会对网络用户信息的隐私和安全形成威 胁。在研究者进行大规模网络测量的初期以及满足网络用户日常的测量需求的时 候，主动测量是一种快速有效的方式 由于主动测量需要向网络注入新的流量，必然会给网络带来一定的负担，尤 其是对于路由( t r a c e r o u t e ) ，吞吐量( t r e n o ) ，带宽( p a t h c l i a r ) 等参数而言，完 成单次测量需要注入的流量较大，带来的影响也比较大如果测量没有经过精心 设计，没有充分考虑减少测量流量的方法，主动测量甚至可能引发h e i s e n b e r g 效应渊嘲，即涌量流量会干扰网络并使结果产生偏差主动测量带来的影响主要 体现在两个方面t 对于测量本身准确度的影响，由于测量的流量过大，测量本身 又无法区分网络正常用户流量和测量流量，因此可能会使测量结果产生偏差，导 致测量不准确；对于用户业务的影响，如果测量本身流量过大，则会产生测量流 量和用户流量争夺网络资源，从而干扰用户正常业务的情况，这也是我们所不希 望的。 被动测量的优点是显而易见的，由于被动测量无需主动发送测量包，它不会 引入额外的测量流量，因此不会产生上述的h e i s e n b e r g 效应。可以获得更为准 确的测量结果。同时由于采用捕获链路上所有数据包的方式，被动测量可以非常 详尽地刻画该测量点或该链路的网络行为。 但是被动测量需要在网络中布置大量的包捕获器才能够获知整个网络甚至 是一条通路的信息，因此实现的复杂度较高。不仅如此，对于某些性能参数( 如 吞吐量) 而言，即使存在多个包捕获器互相进行协作，依然难以通过被动测量的 方式了解端到端的性能。另一方面的局限性在于被动测量结果的准确度严重依赖 于包捕获器的性能，对于高速网络丽言，由于包捕获器性能的限制，容易出现数 据包捕获不完整从而使测量结果不准确的现象。另外，由于被动测量方式需要对 捕获点位置处的所有用户信息进行获取和分析处理，目前网络中传输的大部分数 据又没有经过加密处理，因此被动铡量的应用可能会引发侵犯隐私，影响网络安 全的问题 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将会 江苏大学项士擘住论文 给网络性能测量带来新的发展。 控常8 信息监视获取正常的网络操作中用于描述网络行为的数据，通过对这些 数据的分析获知网络性能，无需引入额外的测量流量，但是在获取控制信息的时 候也会占用部分网络带宽以传递控制信息。在实际应用中，这种方式需要接入权 限和设备的支持，因此使用这一方式进行大规模测量存在一定的难度，目前使用 这种方式进行i n t e r n e t 测量的大多是骨干网络设备的拥有者。 2 5 5测量方法的其它分类 测量方法可以按照不同的方法进行分类，例如； 按照测量系统所处的位置可分为：基于路由器的测量、端到端的测量以及路 由器协助测量。 按测量点的分布分为：单点测量、多点测量。大部分的网络测量都是分布式 的多点测量。 按与被测网络的关系分为：合作测量、非合作测量。合作测量对网络运营者 来说，可以掌握网络的运行状况，找出瓶颈，业务分布情况等，以便有效的管理 网络、充分利用网络资源。非合作测量是指被测网络不乐意被别人测量，测量的 目的是想了解对方网络的情况，这在军事上有非常重要的意义 2 6 测量包 网络性能测量中，影响测量结果的一个重要因素就是测量数据包的类型。 2 6 1测量包大小选取 在测量过程中，对测量数据包大小的选取是我们首要考虑的问题。因为一方 面不同的测量数据包可能会反映网络不同的性能状况，也就是说在参数的精度方 面存在差异，而这种差异是一定要极力避免的，这也从某种程度上说明了对测量 数据包的合理选取能够尽可能小的减少这种差异，提高我们测量的准确度；另一 方面，对测量数据包的合理选择能够冲淡对背景流量的影响，使被测量网络系统 的性能不会由于测量包的加入而产生大的波动。 在实际网络性能的测量中，对数据包大小的选取应该是一个试验选取的过 1 4 江苏大擘硕士学位话支 程，主要是通过必要的测试来考察不同大小的测量包会对用户业务性能参数( 一 般选丢包率) 产生多大程度的影响，进而筛选出最佳的测量数据包数据包过大 或过小都会产生稍微过大的丢包率，在测量流量速率一定的情况下；测量包长度 越小，测量包到达间隔就越小，以包单位时间的测量流量到达速率就越大，和 用户流量争抢缓冲就越激烈；另一方面，如果测量包长度越大，则测量包占据缓 冲的时间就越长，和用户流量争抢缓冲就越激烈。因此应该存在一个合理的中问 值，使得和用户流量争夺缓冲最不激烈 对数据包大小的选取会对网络性能的测量产生比较重要盼影响，因面对数据 包大小的选取是必须认真考虑的因素之一 2 6 2测量包发送规律对性能参数的影睛 在测量过程中，测试包采用何种发送规律是一个关键性的技术问题。根据 文献 1 7 】 1 8 1 9 】，采用指数分布间隔发送测试包将构成一个泊松过程，此外， 根据上面讨论的