（通信与信息系统专业论文）互联网端到端带宽测量技术研究.pdf

摘要 摘要 2 1 世纪是一个以网络为核心的信息时代。在人们的日常生活中，电子邮件、 网上聊天、文件传送、w e b 浏览、视频点播( v o d ) 到电子商务，人们充分享受 了i n t e m e t 技术带来的快捷与便利。伴随着通信网络的发展，网络性能的测量和分 析一直是重要的研究课题。它对于人们了解网络行为、提高网络性能、改善服务 质量有着重要的意义，同时对各种底层协议和高层应用来说，了解网络通路上的 端到端性能参数是非常有意义的。 论文在分析i p 网络发展现状及其对测量的需求、i p 网络测量指标、测量方法 和关键技术的基础上，提出一种新的瓶颈带宽测量方法。该方法通过改变发送包 对间隔，分析收发包对间隔变化量的规律，可有效地中和不同背景流量对测量工 作的影响，并利用斜线与x 、y 轴的两个交点的一致性，再次判定瓶颈带宽测量值。 以往的测量方法，每次测量有可能获得几组不同的瓶颈带宽值。本文的方法，可 以通过一次测量，便迅速取得与真实值十分相近的测量值，因而具有高效、实时的 特点。 其次，利用测得的可用带宽数据，建立以泛函网络为基础的动力学模型，根 据现在和过去时刻的一组可用带宽值序列，估计下一时刻的可用带宽值。由于可 用带宽的实时性、非线性、自相似性，对于下一时刻数值的估算显得尤为重要。 在网络配制的过程中，可以根据本文估计值，合理调配网络资源，优化网络带宽 分配，更充分的利用现有网络资源。 关键词：网络测量瓶颈带宽可用带宽动力学模型 a b s t r a c t 3 a b s t r a c t 21c e n t u r yi sa l li n f o r m a t i o ne p o c hw i t hi n t e m e ta si t sc o r e p e o p l ee n j o ym u c h f r o mt h ee f f i c i e n c ya n dc o n v i e n c eo fi n t e m e ti nt h e i rd a i l yl i v e s ，i n c l u d i n ge m a i l ， n e t w o r kc h a t t i n g , f i l es h a r i n g , w e bs u r f i n g ，v o da n de c o m e r c e w i 也d e v e l o p m e n to f t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，m a i n t a n i n e da sav e r y s i g n i f i c a n tr e s e a r c ha r e a , t h e m e a s u r e m e ma n da n a l y s i so fn e t w o r kp e r f o r m a n c ea c t sc r u c i a l l yi n u n d e r s t a n d i n g n e t w o r kb e h a v i o r , e n h a n c i n gn e t w o r k p e r f o r m a n c e a n d i m p r o v i n gq u a l i 移o f s e r v i c e m e a n w h i l e ，u n d e r s t a n d i n gt h ep a r a m e t e r so fe n dt oe n dp e r f o r m a n c eo nt h e n e t w o r kl i n ki sv e r yi m p o r t a n tf o rb o t t o ml a y e rp r o t o c o la n dt o pl a y e ra p p l i c a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n ta n dt h er e q u i r e m e n ti m p o s e do nt h e m e a s 戮e m e 镌t h ec r i t e r i o n ，m e t h o d sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so fi pn e t w o r k ，t h i sp a p e r p r o p o s e dan e wm e t h o do nt h eb o t t l e n e c kb a n d w i d t hm e a s u r e m e n t i tw o r k sb y c h a n g i n gt h ei n t e r v a lo ft h es e n d i n gp a c k e tp a i rw h i l ea n a l y z i n gt h ev a r i a t i o np a t t e r no f t h et i m ei n t e r v a lo fp a c k e tp a i r ss e n ta n dp a c k e tp a i r sr e c e i v e d 。t h i sa p p r o a c hc a n b a l a n c et h ee f f e c to fd i f f e r e n tc r o s st r a f f i ca n di tc a l la l s or e j 媳萨t h ev a l u e so ft h e b o t t l e n e c kb a n d w i d t hu n d e rt h eg u i d a n c eo ft h ec o n s i s t e n c yo ft h et w op o i n ta tw h i c h t h e b i a si n t e r s e c t s 、衍t l lxa n dyc o o r d i n a t ea x e s s e v e r a lt h eb o t t l e n e c kb a n d w i d t h v a l u e sm a yb eo b t a i n e di nt h ep r e v i o u sm e a s u r e m e n t h o w e v e r , w ec a l la c q u i r eac l o s e e v a l u a t i o no ft h et r u ev a l u eq u i c k l yt h r o u g hao n c em e a s u r e m e n tb yt h i sw a y , a n d t h e r e f o r eh a v eah i g h - p e r f o r m a n c ea n dr e a l - t i m ef e a t u r e s s e c o n d l y , b yu s i n gt h em e a s 瑚e dd a t ao ft h ea v a i l a b l eb a n d w i d t h ，w ec a nb u i l da d y n a m i cm o d e lo nt h eb a s i so ff u n c t i o n a ln e t w o r k , s oi ti se a s yt oe s t i m a t et h ev a l u eo f t h ea v a i l a b l eb a n d w i d t ho ft h ec o m i n gt i m ev a l u ea c c o r d i n gt oag r o u po ft h ea v a i l a b l e b a n d w i d t hv a l u es e q u e n c eo fp r e s e n ta n dp a s tt i m e b e c a u s eo ft h er e a l t i m e ，n o n l i n e a r a n ds e l f - s i m i l a r i t y 凳a 1 麓r e so ft h ea v a i l a b l eb a n d w i d t h , t h e s ee s t i m a t ev a l u e sb e c a m e s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t f i n a l l y , t h i sc o m i n gt i m ev a l u ew i l lg i v eag u i d e l i n eo fa l l o c a t i n g t h en e t w o r kr e s o u r c e sr e a s o n a b l y , o p t i m i z i n gt h ed i s t r i b u t i o no fn e t w o r kb a n d w i d t h ， m a k i n gb e t t e ru s eo ft h ee x i s t i n gn e t w o r kr e s o u r c e si nt h ep r o c e s so ft h en e t w o r k c o n f i g u r a t i o n k e y w o r d ：n e t w o r km e a s u r e m e n t b o t t l e n e c kb a n d w i d t ha v a i l a b l eb a n d w i d t h d y n a m i c s 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子零淳技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做了明确的说 明并表示了谢意。 孛请学短论文与资料若有不实之处，本人承担一切翡法律责任。 本人签名：日期丝曼! 墨! g 廷安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属嚣安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题爵攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密嚣遵守此规定) 本学术论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 爨麓 硼，3 ，仗 蛆婢 第一章绪论 1 1 1 网络发展现状 第一章绪论 1 1 研究意义 近年来，徽电子技术、无线鼹络技术、软件技术迅速的发展，使得t c p f i p 嬲 络技术获得了更为普遍的应用。伴随着网络技术和网络业务应用量的加大，用户 对网络资源的需求也空前增大，同时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，从而弓l 起网络性能下降。 这裁需要对鼷络的性能指标进行提取与分析，对隧络性能进行改善和提高。因此 网络性能测量便应运而生。 网络性能测量的主要目的是发现网络瓶颈，优化网络配置，并进步发现网络 中可能存在的潜在危险，更加有效地进行嚼络性能管理，提供网络服务质量的验 证和控湖，对服务提供商的服务质量指标进霉亍量化、比较和验证。 1 9 9 4 年初，中国才进入i n t e m e t ，是世界上进入i n t e m e t 网较晚的国家，但近 年来一直处于高速发展之中。截至2 0 0 8 年6 月底，中国网民数量达到2 5 3 亿，网 民规模跃屠世界第一位。i p v 4 地蛙数量搀1 5 8 亿个，l p v 4 地址拥有量已经超过尽 本，跃升至世界第二位。 4 0 年前，i n t e m e t 从a r p a n e t ( 美国国防部高级研究计划局网络) 的基础上 发展出来，在踊开始的十几年中它和民众们联系很小，主要用具科研教育， 1 9 8 0 年t c p 1 p 协议正式闽世，美国d a r p a ( 国防部高级研究计划局) 为推广t c p i p ， 以极低的价格供各界试用，弗资助b b n 公司将其置于当时流行的b s d ( b e r k e l e y s o f t w a r ed i s t r i b u t i o n s ) u n i x 中，加之不同网络之间互联互通的迫切需要，促使 t c p i p 的迅速普及( 嚣前主要采用口讲版本) 。到9 0 年代初期，在c e r n ( 位于 瑞士的欧洲粒子物理实验室) 工作的物理学家t i mb e m e r s 。l e e 发踢了w o r l dw i d e w e b ，使用超文本标记语言( h y p e r - t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，h t m l ) ，使在网页中包 括超文本连接成为可能，因而使得普通用户可以通过浏览器自由地访问网络上的 债怠，从而促使了i n t e m e t 的巨大发展。到晷前为止，除了传统的溺览、聊天、霹 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、网络广告、网上视频服务、i p 电话、短信服务、网上人才服务、网络 游戏等等。互联网已经发展成为我国影响最广、增长最快、市场潜力最大的产业 之一，正在以超出人们想象的深度和广度迅速的发展。 互联网端到端带宽测量技术研究 第三代移动通信已在部分国家丌始运营，后3 代( b e y o n d3g e n e r a t i o n ，b 3 g ) 、 第四代移动通信( 4 g ) 科研工作早已启动。几乎所有的研究人员都认为4 g 应当 是一个全i p 的网络，将会采用i p v 6 ，克服了i p v 4 地址短缺，服务质量不高，安全 性差，移动性差等问题，并且实现即插即用，它能提供端到端的i p 业务。 表1 1c n n i c 历年中国互联网统计数字 发布时间网民数上网计算机c n 域名宽带用户 2 0 0 8 0 6 3 02 5 3 0 0 万8 4 7 0 万1 4 8 5 万2 1 4 0 0 万 2 0 0 7 0 6 3 0 1 6 2 0 0 万6 7 1 0 万 9 18 万 1 2 2 0 0 万 2 0 0 6 1 2 3 l 1 3 7 0 0 万5 9 4 0 万 4 ，1 0 9 ，0 2 0 个 9 0 7 0 万 2 0 0 5 0 1 1 99 4 0 0 万4 1 6 0 万4 3 万4 2 8 0 万 2 0 0 4 0 7 2 0 8 7 0 0 万3 6 3 0 万 3 8 万 3 1 1 0 万 2 0 0 4 0 1 1 5 7 9 5 0 万3 0 8 9 万3 4 万1 7 4 0 万 2 0 0 3 0 7 2 1 6 8 0 0 万2 5 7 2 万2 5 万9 8 0 万 2 0 0 3 0 1 1 65 9 1 0 万2 0 8 3 万1 7 9 万6 6 0 万 2 0 0 2 0 7 2 2 4 5 8 0 万1 6 1 3 万1 2 6 万2 0 0 万 2 0 0 2 0 1 1 5 3 3 7 0 万1 2 5 4 万1 2 7 万未统计 2 0 0 1 0 7 1 7 2 6 5 0 万1 0 0 2 万1 2 8 万未统计 2 0 0 0 0 7 2 71 6 9 0 万6 5 0 万9 9 万未统计 2 0 0 0 0 1 。1 8 8 9 0 万3 5 0 万4 8 万未统计 1 9 9 9 1 2 0 5 4 0 0 万1 4 6 万2 9 万未统计 19 9 8 0 6 3 0 1 1 7 5 万5 4 2 万9 4 1 5未统计 1 9 9 7 1 0 3 16 3 万2 9 9 万4 0 6 6 未统计 表1 1 描述了c n n i c 官方网站统计的自从1 9 9 7 年以来，中国的网络的用户数 据，可见中国网络发展十分迅速。 1 1 2 网络研究的意义 1 9 9 7 年l o 月3 l 号，我国的网民数量为6 3 万网民，截止2 0 0 8 年6 月，我国 网民总人数达到2 5 3 亿，宽带网民数达2 1 4 亿，如此可见i p 网络规模和用户数目 的增长速度是十分迅速的，给其运营、维护和管理提出更高的要求，需要大量的 网络测量工作。l o r dk e l v i n 嘲1 在一次著名的演讲中说过，“当我们可以测量并且用 数字表达我们谈论的东西的时候，我们才算得上对此有所了解；如果我们不能测 量或者是不能用数字表达所谈论的东西，那么我们对此的了解就是贫乏不足的。 由于网络刚开始就不想电话网那样是有规律的组织起来的，网络架构和技术都是 按照经济规律展起来的，具有一定的盲目性。我们要管理网络，优化网络资源， 第一章绪论 必须先了解它，网络测量熊够使我们了解网络，网络测量是理解网络 行为的最有效的途径，是对互发联髓进行控制的基础和蓊奏。而且它的的意 义不仅仅体魏在其溯量豹指标，圈时对嬲络设备和协议麴磷究发震也具有重要意 义。具体如下： ( 1 ) 蕊控网络状况 一般霹络用户评判两络质量的标准就是速度和稳定性，在我翻平时的使用当 中，嬲终经常出现阻塞或者缓慢，此裹4 ，就需要网络篱理员立刻分析出故障节点 豹位置，并实施有效地补救措施，基于s n m p 的网络管理系统可以通过轮询和接 收异常t r a p 消患的方法似乎可以得到设备及其各个端酲运行的状态，假对予详缨 鹩协议分析、基予应焉豹流曩特挺、端到蠛的性麓裣测及英计费繁籍等都无能鸯 力。这时管理员可以通过网络测量进行网络诊断，如发现网络瓶颈节点绒链路， 确定镜像服务器的位置，有效配置资源，为霹络靓划、改造、及时解决性熊阔题 提供参考和依据( 如，若检测到w 曲s e r v e r 处于拥塞状态，可以使用负载均衡策 略来进行处理；发现网络瓶颈，通过扩容予以解决等) ；实测的数据更具有真实性、 代表性，更能反映网络的真实状况。 ( 2 ) 为提高网络性能提供数据 l p 溺络服务震量翡提离依赖于放鹰蔫层、传输鬃、鼹络艨，甚至数链层、物 理层的共同努力，用户往往关心应用层面的q o s ，但各层的q o s 机制互相交错、 影响，相互律蔫，其策略、参数配置都必须以网络、用户、应用豹实际特征( 属 性) 、运行规律( 如亚务量特征，用户行为模式，控制机制对流量的影响等) 为壶 接依据，两这些数据主要靠测量获得。 ( 3 ) 为网络运营商提供参考 网络运营商铺设完一个地区的阚络以蜃，需要实时或阶段性酶性熊监控，刚 辩开通的时候，需要对新铺设的两络微性能检验、指标考核，这时就双网络测量 结果为参考，为网络工程提供验收依据。同时，在螽期的网络运符过程当中，建 立一定的收费标准，通过黯络流( f l o w ) 的测量可提供计费依据。l n t e m e t 早期发 展的主要任务是实现计算机豆联，用户在此基础上获得诸如e m a n 、f t p 、w w w 等簧统数据监务，蹲终只是“尽力藤是磁提供传输服务，无锄s 爨涯，无售后鞭 务保证，安全闻题也是由用户自行解决。两电信嬲是提供商业服务的，它所提供 的电信服务是一种商品，因两它既要保证q o s ，又要肖足够的安全性、苜靠性， 还要确保售后服务的能力，同时，湖络还登须有很强的可管理性和可维护性。用 户的接入管理、嬲终懿资源管理 业务系统积慰络层资源管理和控制的交互) 、网 络的安全管理、对网络节点及业务节点的监测、对业务进程的监视、完备的运行 维护体系等等这些关系到运蕾、管理的技术难点，这蝗都需要网络测量的支持。 ( 4 ) 嬲络安全的需要 4 互联网端到端带宽测量技术研究 目前上网用户遇到的最广泛的一个问题就是网络安全问题，各大软件商也随 之推出了一系列网络安全软件，如瑞星、卡巴斯基、诺顿等，各大软件商就是借 助于端e l 扫描等手段对i p 网络进行脆弱性分析( v u l n e r a b i l i t ya n a l y s i s ) ，能使网管 人员及时查漏补缺，合理配置防火墙及网络参数，制定相应的安全策略，在入侵 还没有发生前尽量杜绝它。然而，没有绝对安全的网络，极有可能在内部引发漏 洞，检测网络是否被他方探测、识别探测者身份和探测意图是网络安全领域的另 一个重要问题，对网络入侵的防范措施，可利用网络测量的各种手段进行：分析 用户、操作系统、路由器、数据库，判断有无入侵活动( 基于主机) ；对分组实时 监控，进行分组分析，捕获分组首部或内容，进行分析判断是否受到攻击( 基于 网络) 。而这些都建立在对网络长期观测所获得的正常行为、异常行为及其动态变 化模式的基础上。我们可以利用反向跟踪( i pt r a c e b a c k ) 技术定位攻击源，将其 屏蔽。 ( 5 ) 研究网络新技术的需要 网络技术在不断的发展，由原先的i p v 4 发展到了现在的i p v 6 ，网络的性能 有了大幅度的提高，同时网络规律也会有一定的改变，这就需要我们运用网络测 量来尽快地掌握这些规律。伴随着新一代网络技术，新一代的网络设备也出现了， 在关键的i p 转发和业务流程处理上采用了可编程的、专为i p 网络设计的网络处理 器技术，替代了原来的a s i c 技术，通过软件来控制处理流程。对于一些复杂的标 准的操作( 如路由表查找算法、q o s 的拥塞控制算法等) 则采用硬件协处理器来 提高处理性能。实现软件业务灵活性和高性能硬件转发的有机结合。由于其有了 业务灵活性，因此可以把近些年发展起来的m p l s 技术、v p n 技术、q o s 技术、 流量工程技术、可控组播技术、用户管理技术等诸多技术融合进来，成为拥有灵 活业务能力的高性能网络设备，对于新设备的使用，我们需要运用网络测量来掌 握i p 网络及其业务特征，这样才可以不断地调整这些新设备的参数，充分的运用 新设备的新特性，提高网络性能。伴随飞速增加的带宽、实时和多媒体应用的普 及、几乎持续地以指数规律增长的规模，i n t e m e t 的控制机制和行为特征也日趋复 杂和难以理解。为了认识和理解现代网络的行为特征和性能表现、保证和提高现 有网络的服务质量、推动因特网和信息基础结构的健康发展，有必要建立一套完 整的网络测量体系，使网络用户和网络运营商对网络测量有一个较为全面和深入 的认识。 第一章绪论 5 1 2 1 国外研究状况 1 2 囡内外研究状况 网络的飞速发展必然带动蔷网络测鬟豹快速跟进，翻外在硝络测量方面 起步较早，自从甄联网开始兴起时就已开始，有许多科研机构、大学、学术团体 秘金遂缀织了瓣络测量的研究。 美黧国家科学基金n s f 和d a r p a 资助的n l m i ( n a t i o n a li n t e m e tm e a s u r e m e n t i n f r a s t r u c t u r e ) 嘲顼强，其题檬是要建立个全球纯、分蠢式、大撰模i n t e m e t 测量 缩构，瞪经设计漱了轻负载、可升级、可动态配置、具有安全验证的测量探针 ( n e t w o r kp r o b ed a e m o n ) ，测量各种性能参数。n i m i 项霉分三个阶段：m a r kl 、 m a r ki i 、m a r ki i i ，逐渐迈囱智能纯。 由撕坦福线形加速器中心( s t a n f o r dl i n e a r a c c e l e r a t o rc e n t e r ，s l a c ) 发起的 为h e n p ( h i g he n e r g yn u c l e a ra n dp a r t i c l ep h y s i c s ) 露体开发的端到端鲶性麓监控 顼冒p 遮薛r ( p i n ge n d - t o e n dr e p o r t i n g ) 项强秘，在全球都布有监测点，采 用p i n g ( i c m pe c h o r e q u e s 0 来测量绫返黠延r t t 、p a c k e tl o s s 等，进瑟接算系统酌 性能。改进的版本包括采用p o i s s i o n 分布的采样序列，以及加入t r a c e r o u t e r ，并考 虑了采样速率、开销大小的影畴。此外，s l a c 囝o e , r e s n e t 运用p i n g e r 王其建立 ? 一个测量结构：i e p m ( i n t e m e te n d - t o 。e n da n dp r o c e s sm o n i t o r i n g ) 。 由b e r k e r l e yu n i v e r s i t y 和i b m 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 k d i s c o v e r y ) 秘颂疆，颥名思义，它采用被动燕享韵测量，通过发送u d p 、t c p 分 缀让客户机囱性能服务器涎报网络性麓，同时在网关处还加了一个性裁捕获主机 辅助测量。 美国n l a n r ( n a t i o n a ll a b o r a t o r yo fa p p l i e dn e t w o r kr e s e a r c h ) 的测量和运酱 分析小维m o a t ( m e a s u r e m e n ta n do p e r a t i o na n a l y s i st e a m ) 开发了一个瘸络分柝 基础结构n a i ( n e t w o r ka n a l y s i si n f r a s t r u c t u r e ) 强1 ，通过收集原始数据，分析测量结 果，并进行可视化，秀h p c ( h i g hp e r f o r m a n c ec o n n e c t i o n ，如v b n s 和a b i l e n e 网络) 团体的工程和研究服务。它收集网络数据的方法包括：被动收集分组酋部； 主动探测：路由数据和网络管理数据的收集。露前鹩研究包括：a m p ( a c t i v e m e a s u r e m e n tp r o j e c t ) ；p m a ( p a s s i v em e a s u r e m e n ta n a l y s i s ，舞发盎了o c x 豹监榄 器，o c x m o n ) 。另外对拓扑测量结粜还实现可视化( 软件c i c h l i d ) 。 在豫t f 的i p p mw o r k i n gg r o u p 的标准化工诈中，采雳s u r v e y o r 来测量参预 蠹之闯的i n t e m e t 路径韵性能，包括单向延时、分组丢弃、分组路宙测璧，僵霈 g p s 提供嚣孪钟同步。 6互联网端到端带宽测量技术研究 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 n t e m e td a t aa n a l y s i s ) 提出并实现了s k i t t e r 和c o r a l ，s k i t t e r 通过几个源向许多其它的地址空间发送探测分组来探测路径和性 能，进而将拓扑和性能属性可视化。c o r a l 用来测量高速链路的工作流( w o r k f l o w ) 特征6 1 。 美国斯坦福大学的研究人员总结了1 9 9 6 年以来主要的网络测量工具，例 如我们经常移植到l i n u x 系统的带宽测试工具p a t h l o a d 、p a r t c h a r 、p a r t h r a t e ，还有 测量吞吐率的n e t p e r f 等。如图1 2 所示，许多公司推出商业化的测量产品，如 a g i l e n t 的a d v i s o r ，a p p l i c a t i o na n a l y z e r f l u k e 的网络测试仪n e t t o o l ，o n e t o u c h ， o p t i v i e w ，s p i r e n t 公司的s m a r t b i t s 2 0 0 0 ，n e t t e s t 的i pi n t e r e m u l a t o r 等。 表1 2 主要的网络测量工具 测量 工具输入输出 主动，被动功能 b i n g i c m pe c h o主动r a wb a n d w i d t h 文本 【9 4 】r e p l y b p r o b e i c m pe c h o主动 带宽 t e x t c p r o b e 9 5 】r e p l y拥塞 c l i n k u d p j c m p主动带宽文本 【9 6 e c h o ，i c m p e r r r e s p o n s e i p e r f t c p , u d p主动 带宽，时延抖动，分组丢文本 【9 7 】 弃率 g u i n e t p e f f 负载产生器主动 单向吞吐率 文本 【9 8 】端到端时延 n e t t i m e r 分组采集 主动 分组捕获服务器 【7 ，9 9 】 分组紧连 被动 客户，主动探针 记录 ( t a i l g a t i n g )( t a i l g a t e r ) p a t h c h a r主动带宽，吞吐率，时延，丢 【1 0 0 】 u d p ；i c m p 被动弃绿，排队特征 g u l p a t h l o a d u d p 分组 主动 可用带宽 n e t l o g g e r 【1 0 1 】 格式输出 p a t h r a t e u d p 分组主动瓶颈带宽 n e t l o g g e r 【1 0 2 】格式输出 p c h a ru d p 主动 带宽，吞吐率， 延时，丢弃率， g u i 【1 0 3 】 i c m p 被动 队列特征 s p r o b e另外一个端 主动瓶颈带宽文本 1 0 4 1 点的i p 地址 u d p ，i c m 【pe r r 像e l l o r e s p o n s e 主动 g n u p l o t 【1 0 5 】 i c m p e c h o 被动 带宽 p p m t o 百f r e p l y 图形 t t c p 负载产生器主动吞吐率文本 n t t c p 1 0 6 】 v i z n e t 从网络或日志 文件中获得的被动带宽可视化实时动画 【1 0 7 】 实时数据 第章绪论 7 1 2 2 国内研究状况 1 善内测羹体系结梅 中国科学院分析了背景流的路由对可用带宽测量的影响的基础上，基于蒙特 卡洛( m o n t ec a r l o ) 隧枫抽样总想，提出了一种与以往测量方法截然不同懿探测理 论。该方法精随机发送单个小探测报文取代了醚前的探测理论所依赖的包对危队 列，其测量范懑不受源节点的最大发送速率的限制。该方法不仅可以计算整条路径 的可用带宽，也可以计算各段链路的容量和空闲率，进而分析得到各路由节点上 的流量变化，以及各链路上对应的不同类型的鹜景流的分布。 串簪科学院计算技术研究所依据包对理论，提出种带宽测量算法，可以解 决网络背景流量的干扰问题和首包的排队闯题。基于该方法开发的程序岂经应用 予大型弼络性能鳖测与分析系统n i p m a s ，取得了良好的效果。 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 w o r ka p p l i c a t i o n p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ) ，提出瘦用撩针帮送域撵针翁分毒式体系结构。 清华大学提班了大规模越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 r m a n c em o n i t o rm o d e l ) ，借鉴了l s 0 ( t h ei n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 的层次结构思葱，将整个模型分为数据采集、数据管理、数据分 拼、数据表示四个层次，融会了t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t n e t w o r k ) 在对象管理方面的方法，易于实现和维护。 西安电子科技大学通过结合s n m p 与i c m p 的相关特性阱，提出了种基于 d n m a i 分布式鼹络灏量稳分析基磁絮梅) 静爵定剿的掰络拓扑发现方法，势给 出了拓扑信息的采集、过滤算法与数据库结构的定义。最后，详绷描述了网络拓 扑图形的穗譬实现过程，著在网络测试平台上得到了实际测试结果。 2 国内网络测量发展趋势 ( 1 ) 测试产品的对象姨两络层向应耀溅试过渡。 豫先的测试工作主要是测测丢包攀，延迟等等，圭簧集中予下面三层，丽测 试的最终目的就是要确保网络产品能够承载各种各样的业务，因为下三层的性能 对其上层性能魏影响是菲线性酶，有辩候甚至是关联链授夺懿。所以溪l 试应用层 才是嬲络测试的真正意义所褒。现在一些主要的测试产晶公司发展了新技术， 纷 纷推盘了盘澄麴掰产品，推动了这个行监熬发浸方向。 ( 2 ) 网络安全性测试成为重点 去年a 次重大的网络病毒事件，必入能敲响了警钟。以前网络静安全性主 要是从终端的安全傲起的，然蜃是防火墙，现在要集成进路由器了。这是个穰 好的趋势，只有网络中间的中转设备( 至少要瓷各网络的入1 2 1 设备上) 具备安全能 互联网端到端带宽测量技术研究 力，安全问题才有可能得到解决。安全功能的转移给测试工作带来很多新的课题， 如安全和性能之间如何平衡等。这个发展趋势是必然的，也是很有挑战性的，目 前还有待深入的研究。 ( 3 ) 计算机作为测量工具 自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到测量技术领域，便使该 领域的面貌不断更新。相继出现的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器， 都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，从而既增加了测量功能，又提高了 技术性能。由于信号被采集变换成数字形式后，更多的分析和处理工作都由计算 机来完成，故很自然使人们不再去关注仪器与计算机之间的界限。近年来，新型 微处理器的速度不断提高，采用流水线、r i s c 结构和c a c h e 等先进技术，又极大 提高了计算机的数值处理能力和速度。在数据采集方面，数据采集卡、仪器放大 器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新，也有效地加快了数据采集的速 率和效率。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与测控技术发展的主潮流。对 微机化仪器作一具体分析后，不难见，配以相应软件和硬件的计算机将能够完成 许多仪器、仪表的功能，实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。这样的现代 仪器设备的功能已不再由按钮和开关的数量来限定，而是取决于其中存储器内装 有软件的多少。从这个意义上可认为，计算机与现代仪器设备日渐趋同，两者间 已表现出全局意义上的相通性。据此，有人提出了“计算机就是仪器”。同时，艾 德威特这样的网络软件技术公司也推出了一系列嵌在网页上面的网络监控工具， n e t f l o w 就是一款可以提供带宽监控和容量管理的工具，它可以优化网络，实现最 佳性能，通过全面了解网络流量和类型，提供实时网络行为以及流量如何影响网 络的总体状况。用户想要获得目前网络状况的真实数据，只需要拥有一台可以上 网的电脑，登陆产品网页即可。这样，大大的提高- r n 量工作的方便性，并且数 目庞大的用户群体可以为测试工具的不断改良提供坚实的经济基础。 ( 4 ) 无线网络测量 随着移动通信与无线网络技术的发展，第三代移动通信已在部分国家开始运 营，后3 代( b e y o n d3g e n e r a t i o n ，b 3 g ) 、第四代移动通信( 4 g ) 科研工作早己启 动。几乎所有的研究人员都认为4 g 应当是一个全i p 的网络，将会采用i p v 6 ，能 提供端到端的i p 业务，新的网络协议，新的全i p 网络领域，必将为网络测量带来 了大量更具有挑战性的课题。 1 3 本文的内容及章节安排 本文共分五章。第一章概述了i p 网络发展现状、网络测量的发展状况以及研 第一章绪论 9 究网络测量的意义。第二章介绍了网络测量的基本概念，三大要素，网络测量的 重要指标、关键技术以及其测量方法。第三章提惑了一种改进的瓶颈带宽测量方 法，介绍了查爨何使用e t h e r e 工具去完成对算法的验证性工作，并在实验室网络进 行了测量验证。第四章研究了可用带宽的测量方法，进行实地测量。运用测得的 数据进行基于泛函的动力学研究，由于可用带宽值具有实时性，因此，获得未来 时刻的可用蒂宽德显得更为重要。第五章，对本文中以提出的算法和研究所需要 的改进之处进行了陈述，展望以羼的网络测量前景。 第二章i p 网络测鬣的基本理论 第二章i p 网络测量的基本理论 网络测量是指遵照定的方法和技术，利用软件包或硬件工具来测试表馑网 络性髓的指标，获取网络拓扑结构、节点属性、业务壁特征等系列活动的总和。 网络测爨可以借箍物理学中测量物理量的方法。网络测夔包含以下三个鼹素h ”： 测量藩象：被测量戆节点或链路，测量节煮、链路或网络懿具俸特征，始链 路的时延、眷吐窭、丢包率，路由器的路由效率、时延、丢包率，w e b 服务器的 应答延迟、眷吐率、系统容量、最大稳定链接数等等； 测量环境：包括测量点的选取、测量时闻的确定、测量设备、通信两络类型 等等； 测量方法：针对菜一具体的随络彳亍受指标，疲选取合适豹测量方法，测量方 法至少应满足：酋先，稳健性被测网络的动态变化，不会使测量方法失效； 英次，可重复性同撵抟网络条件，多次测量缩果应一致；再次，准确性 测量结果应能反映网络的真实情况，应有定的可信度。 2 1 网络测量指标 1 测量网络性能的五项指标是国 ： ( 1 ) 可用性( a v a i l a b i l i t y ) ； ( 2 ) 昀应黠赫( r e s p o n s et i m e ) ； ( 3 ) 网络利用率( n e t w o r ku t i l i z a t i o n ) ； ( 毒) 嬲络吞吐量( n e t w o r kt h r o u g h p u t ) ； ( 5 ) 网络带宽容量( n e t w o r kb a n d w i d t hc a p a c i t y ) 。 ( 1 ) 可甩性 测试网络性能的第步是确定网络是否正常工作，最简单斡方法是使用p i n g 命令。通过向远端的机器发送i c m pe c h or e q u e s t ，并等待接收i c m pe c h or e p l y 来 判断远端的机器是否连透，鬻络是否正常工作。 p i n g 命令有非常丰富的余令选项，比如_ c 可以指定发送e c h or e q u e s t 的个 数，咚霹以指定每次发送的p i n g 包大 9 3 。 网络设备内部一般有多个缓冲池，不同的缓冲池使用不同的缓冲区大小，分 别用来处理不圊大小的分缀( p a c k e t ) 。恻始交换瓿孛通嚣具有三种类型酌爸缓冲： 类针对小的分缀，类针对中等大小的分组，还有一类针对大的分组。为了测 试这样的网络设餐，测试工具必须要具有发送不同大小分组的能力。p i n g 命令的 1 2 互联网端到端带宽测量技术研究 一s 就可以使用在这种场合。 ( 2 ) 响应时间 p i n g 命令的e c h or e q u e s t r e p l y 一次往返所花费时间就是响应时间。有很多因 素会影响到响应时间，如网段的负荷，网络主机的负荷，广播风暴，工作不正常 的网络设备等等。 在网络工作正常时，记录下正常的响应时间。当用户抱怨网络的反应时 间慢时，就可以将现在的响应时间与正常的响应时间对比，如果两者差值的波动 很大，就能说明网络设备存在故障。 ( 3 ) 网络利用率 网络利用率是指网络被使用的时间占总时间( 即被使用的时间+ 空闲的时间) 的比例。比如，e t h e m e t 虽然是共享的，但同时却只能有一个报文在传输。因此在 任一时刻，e t h e m e t 或者是1 0 0 的利用率，或者是0 的利用率。 计算一个网段的网络利用率相对比较容易，但是确定一个网络的利用率就比 较复杂。因此，网络测试工具一般使用网络吞吐量和网络带宽容量来确定网络中 两个节点之间的性能。 ( 4 ) 网络吞吐量 网络吞吐量是指在某个时刻，在网络中的两个节点之间，提供给网络应用的 剩余带宽。 网络吞吐量可以帮组寻找网络路径中的瓶颈。比如，即使c l i e n t 和s e r v e r 都 被分别连接到各自的1 0 0 me t h e m e t 上，但是如果这两个1 0 0 m 的e t h e m e t 被 1 0 m 的e t h e m e t 连接起来，那么1 0 m 的e t h e m e t 就是网络的瓶颈。 网络吞吐量非常依赖于当前的网络负载情况。因此，为了得到正确的网络吞 吐量，最好在不同时间( 一天中的不同时刻，或者一周中不同的天) 分别进行测 试，只有这样才能得到对网络吞吐量