（通信与信息系统专业论文）ip网络吞吐量测量方法研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 目前，i p 网络测量是一个热点研究课题，它的目的是用测量手段取得 网络的性能和服务质量参数，为服务质量控制、管理和计费等提供支持。 在用i p 网络测量来进行网络性能评估的研究中发现，在i p 网络中，端 到端的吞吐量是用户最为关心的。因此把吞吐量作为衡量网络性能的重要参 数是必然的。吞吐量可以在不同的网络层次反映网络容量，吞吐量的测量对 协议的设计和应用的开发有着非常重要的意义。 本文讨论了i p 网络吞吐量的测量方法，重点围绕t c p 传输层来开展研 究，分别提出了直接测量与间接测量两种方案。 直接测量采用t t c p 协议，根据t c p 流性能和其传输的特点，使用s o c k e t 编程技术和网络数据精确传输控制，按照吞吐量的定义设计了测量算法；间 接测量在详细分析了已有t c p 吞吐量分析模型的基础上，根据t c p 的拥塞机 制对t c p 的拥塞控制过程进行建模，在建立分析模型的基础上提出了测量算 法。通过n s 2 的仿真实验表明，新模型相对于已有的分析模型，能够更加精 确的反映t c p 吞吐量的大小和变化趋势。 此外，论文工作还包括开发了网络性能测试系统n e t m e a s u r e m e n t ，该系 统集成了主动测量和被动测量两种技术。基于本论文设计的直接测量算法实 现的t c p 吞吐量测量工具，已经被用于该测试系统的开发中。 关键词：n s 2吞吐量拥塞控制 网络测量 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t a tp r e s e n t m e a s u r e m e n to fi pn e t w o r ki sah o tr e s e a r c hi s s u e ，w i t ht h e g o a lo fa c q u i r i n gt h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r ka n dq u a l i t yo fs e r v i c et h r o u g h m e a s u r i n gi no r d e rt os u p p o r tt h ec o n t r o l ，m a n a g e m e n ta n db i l l i n go fs e r v i c e d u r i n gt h er e s e a r c ho fi pn e t w o r kp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，i ti sf o u n dt h a t e n d t o e n dt h r o u g h p u ti nn e t w o r ki sm o s tc o n c e r n e db yu s e r s s oi ti si n e v i t a b l e t ot a k et h r o u g h p u ta sa ni m p o r t a n p a r a m e t e rt om e a s u r en e t w o r kp e r f o r m a n c e t h r o u g h p u tc a nr e f l e c tn e t w o r kc a p a c i t yi nd i f f e r e n tn e t w o r kl a y e r s f o rt h i s r e a s o n ，t h em e a s u r e m e n to ft h r o u g h p u tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l eo nt h ed e s i g n o fp r o t o c o l sa n dt h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h em e a s u r e m e n to ft h r o u 【g h p u ti ni pn e t w o r k ， p a r t i c u l a r l yt h et c pt h r o u g h p u ti nt r a n s p o r tl a y e r ，a n dp u t sf o r w a r dd i r e c ta n d i n d i r e c tm e a s u r e m e n tr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h e d e f i n i t i o no ft c pt h r o u g h p u t ，d i r e c tm e a s u r e m e n ti s d e s i g n e d i nt e r m so ft h ef e a t u r e so ft c ps t r e a ma n di t sc h a r a c t e r i s t i c so f t r a n s p o r t i n g ，s o c k e tp r o g r a m m i n gt e c h n i q u ea n dt h ep r e c i s et r a n s p o r t sc o n t r o l o fn e t w o r kd a t aa r eu s e di nt h em e a s u r e m e n t o nt h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so f e x i s t e dt c pt h r o u g h p u tm o d e l s ，w eb u i l dan e wm o d e la n dp r o m o t et h e m e a s u r e m e n tm e t h o da c c o r d i n gt ot h et c pc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e t h e e m u l a t i o ne x p e r i m e n to fn s 2s h o w st h a tt h en e wm o d e lo fi n d i r e c tm e a s u r i n g t h r o u g h p u tc a r r e f l e c tt h ea m o u n to ft c p t h r o u g h p u ta n dc h a n g et r e n dr e l a t i v e t ot h ee x i s t e dm o d e l sm o r ea c c u r a t e l y f u r t h e r m o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s oi n c l u d e st h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k p e r f o r m a n c em e a s u r i n gs y s t e mc a l l e dn e t m e a s u r e m e n t t h a ti n t e g r a t e sd i r e c ta n d i n d i r e c tm e a s u r e m e n tm e t h o d s m e a n w h i l e ，t h et c pt h r o u g h p u tm e a s u r e m e n t t o o l s ，w h i c ha r eb a s e do nt h ea l g o r i t h mp r o m o t e db yt h i sd i s s e r t a t i o n ，a r e a p p l i e d i nt h ea b o v es y s t e m k e yw o r d s ：n s 2 ：t h r o u g h p u t ：c o n g e s t i o nc o n t r o l ；n e t w o r km e a s u r e m e n t 独创性声明 本人声明所里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的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：皴复日期：刎6 6 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： ；是堇 导师签名： 2 e l 期：扣7 ，6 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 选题目的及意义 目前，i p 网络已经作为承载网络得到了广泛的部署和应用，通信业内也 都在研究如何将多种业务，包括传统的电信业务和视频等多媒体业务承载在 i p 网络上。与此同时，i p 网络作为电信运营网络也存在一些固有的缺陷： 服务质量问题无法解决、协议过于开放，无法实施有效的管理等。在这种情 况下，i p 网络的测量问题逐渐成为了一个研究的热点。通过网络测量可以检 验l p 网络是否提供了某种服务质量，或验证一种保证服务质量“，的技术是否 达到了预期效果。同时，对i p 网络来说，可测量也是可管理的一个基础。 更为重要的是，l p 网络测量将使人们对i p 网络的运行模式有更加具体的、 量化的认识，从而使i p 网络从一种技术上升为一门科学。 随着网络测试的发展与测试方法的日趋多样化，提出了对网络整体性能 进行综合评价的需求。网络测试和分析评价己经成为人们认识网络、了解网 络、更好使用网络的重要手段。互联网运营商要在了解网络性能的基础上合 理分配网络资源、提高网络利用率；互联网服务提供商需要通过配置网络性 能测试系统来监测网络行为特征，从而配置应用系统，使之提供更高的服务 质量t z l ；网络用户需要一定的标准和手段以了解应用系统的网络性能，从而 确定应用系统提供的网络服务质量状况，以此作为选择满足不同需求服务质 量的应用系统的依据。 i n t e r n e t 迅猛发展与网络测试分析领域相对滞后的现状共同使得互联网 这个庞大而重要的有机体变得越来越不可预期。为了解决诸如此类的问题， 必须加强对网络测试与评价的研究。 我们在网络性能检测评估的研究中发现，在一个网络中，端到端的吞吐 量是用户最为关心的。对于许多应用而言，吞吐量支配了整个应用的持续时 间，这决定了用户能够感觉到的性能，因此把吞吐量作为衡量网络性能的中 要参数是必然的。吞吐量可以在不同的网络层次来反映网络容量，吞吐量的 测量对于协议的设计和应用的开发有着非常重要的意义。譬如，设计无线网 络链路层协议时，需要遥过测量吞吐量来对不同帧的发送算法进行评价；改 进t c p 协议中，需要通过测量吞吐量来对流量控制策略进行评价。因此网 络吞吐量的测量尤为重要。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 网络测试的应用 测量网络的拓扑结构，对大规模网络结构进行动态描述n ，并根据网络 的变化分析网络的性能，对网络效率和行为作出评价至少具有以下几方面的 应用： 故障诊断：一些网络元件的故障会干扰整个网络的运行，例如，广播风 暴、非法分组长度、地址错误、安全性攻击等，需要对这些故障进行诊断。 协议排错：网络开发者经常要对网络应用和网络协议“新的、改进的” 版本进行测试。而网络测量能够为新协议和应用程序的正确运行提供手段， 使其和标准保持一致，或使老的版本向后兼容。网络测量可使用统计技术来 分析经验数据，从而提取出网络应用或网络协议的特征。流量特征化“- 使设 计的网络协议和网络设备具有更好的特性。 性能评价：网络测量可用来考察某个协议或某个应用在因特网中的性能 水平。网络测量的详细分析能够帮助确定性能“瓶颈”。一旦解决了被确定 的性能问题，就能够研制性能更好的新协议。 其他用途：网络测量还有许多其他的用途，例如，用于选择服务器i s p 设备，用于验证网络配置，用于设计因特网的新应用，用于配置网络或服务 器，用于广域网中的负载平衡以及用于计费等方面。 网络测量可放在不同的层次上，如在应用程序上，在主机上或在网络上： 也可以放在不同层次实体的交互过程中，如应用程序到主机或网络的交互 中。因特网的测量有许多常用的指标。例如，分组时延( 单向或往返时延) 、 丢包率( 即分组丢失率) 、带宽( 包括容量、瓶颈带宽、可用带宽) 、可达性、 路由和跳数、网络系统的性能( 包括服务器性能、客户性能和网络路径性能) 等。 1 3 网络测试的发展现状 根据测试的规模与测试的内容，网络测试的发展可以大致分为两个阶 段，第一个阶段从上个世纪7 0 年代到9 0 年代中期，在这个时期，网络测试 主要侧重于对网络单一性能指标的测试，而且测试的规模也小；9 0 年代中 期以后为网络测试发展的第二个阶段，主要侧重于建立全方位网络性能测试 与分析的测试系统或测试基础设施( i n f r a s t t u c t u r e ) ，其发展也很快从理论走 向实践，从研究走向生产。目前，一些信息网络发达国家，不仅网络设备提 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 目前，一些信息网络发达国家，不仅网络设备提供商有自己专门的测试机构， 很多网络应用商也有自己的测试部门。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，网络测试领域起步较晚。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，对该领域的研究也取得 了可喜的进步。 近些年来，关于l 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 t p r o t o c o lp e r f o r m a n c em e t r i c sw o r k i n gg r o u p ，i p p mw g ) ”j 正在研究并定义一 套标准的度量，用于评估i p 网络数据传输业务的质量、性能和可靠性。到 目前为止，i p p m w g 已经提交了多个r f c 和草案，虽然其中定义具体的度 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。 1 4 国内外目前研究网络测试的机构 国外对网络性能测量已经和正在进行着大量的研究。美国应用网络研究 国家实验室n l a n r ( n a t i o n a ll a b o r a t o r yo f a p p l i e dn e t w o r kr e s e a r c h ) 的测量 和运营分析小组m o a t ( m e a s u r e m e n ta n d0 p e r a t i o na n a l y s i st e a m ) 开发了网 络分析基础结构n a l ( 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 ) ，目的是建立一个测量 体系结构，通过原始数据的收集和发布，分析测量结果，并进行可视化，为 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：被动收集分组头；主动测量；收集路 由和网管数据。目前的研究包括：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 ) ； 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 ，开发出了o c x 的监视器，o c xm o n ) 。 另外对测量结果还进行了可视化。 美国国家科学基金n s f 和d a r p a 资助了国家i n t e r n e t 测量基础结构 ( 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 ，简称n 1 m i ) 项目，其目标是要建 立一个全球化的、分布式的、大规模的i n t e r u e t 测量结构，已经设计出了轻负 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 ， 简称n p d ) ，测量各种性能参数。n i m i 项目分3 个阶段：m a r ki ，m a r k i i ， m a r k i l i ，逐渐迈向智能化。由斯坦福线性加速器中心( s t a n d 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 ，简称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 d p a r t i c l ep h y s i c s ) 团体开发的端到端性能监控p i n g e r ( p i n ge n d t o e n d 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 r e p o r t i n g ) ，在全世界布有监视点，采用p i n g ( i c m pe c h o r e q u e s t ) 来测量i 册， p a c k e tl o s s 等，进而推算系统的性能。改进的版本包括采用p o i s s i o n 分布的 采样，以及加入t r a c e r o u t e r ，考虑了采样速率、开销大小的影响。 s l a c d o e e s n e t 运用p i n g e r 工具建立了一个测量结构：i e p m ( i n t e r n e t e 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 y u 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 r en e t w o r k d i s c o v e r y ) 项目，顾名思义，它是一个被动共享的测量，通过发送u d p 、t c p 报文让客户机向性能服务器汇报网络性能，同时在网关处还加了一个性能捕 获主机辅助测量。r i p e ( r e s e a u xi pe u r o p e e n s ) 是对在欧洲运营l p 网络的组 织( 主要是i s p ) 和个人开放的一个合作性机构，它的目标是确保泛欧l p 网络 运行所必须的管理和技术相互协调。r i p e 通过发送3 种不同大小的u d p 分 组来测量不同链路之间的性能，它用g p s 来实现同步。 国内的国防科学技术大学等单位在基于i c m p 协议的i p 拓扑探测方面 的技术比较成熟。目前，哈尔滨工业大学计算机科学与工程系实现了一个大 规模网络拓扑测量的原型系统，能够针对大规模网络进行路由i p 拓扑结构 的自动发现，并进行可视化显示。 1 5 题目来源与主要研究内容 本文来源于国家8 6 3 项目“t c p i p 实时传输图象效率评估方法研究”。 目的是研究网络多媒体传输技术和网络测试技术。多媒体传输技术是研究 t c p i p 网络环境下的多媒体应用问题，提出实现多媒体传输和应用的技术 方案和途径，据此建立实验原型系统，开展实验研究。网络测试技术包括功 能性测试，研究网络故障排查、定位的测试技术；其次是性能测试，建立网 络性能指标体系，研究网络性能指标的测试技术等，以评定网络的能力和水 平。在网络性能指标体系中，网络吞吐量是衡量网络性能的重要参数。 本文作者在读期间的工作领域是网络性能测量与分析，主要是网络性能 测量技术，包括测量算法设计与实现、测量结果分析以及测量技术在网络监 控系统中的应用研究，其中重点研究了端到端的吞吐量的测量方法。在详细 调研了国际上现有的测量实验和测量方法以及t c p 吞吐量分析模型的基础 上，根据测量原理，提出了直接测量与间接测量两种算法。对现有的模型进 行改进，提出了一种新的间接测量t c p 吞吐量的算法。并将真接测量算法 实现并应用于网络测试软件系统n e t m e a s u r e m e n t 的开发中。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 6 论文基本结构 论文全文共分为五个部分 论文第一部分描述了开展i p 网络测试的研究背景及重要意义，概括了 论文的主要工作。 第二部分对网络性能测量技术研究概况进行了简单的介绍，并对网络测 试指标进行了分析，对t c p 吞吐量以及带宽等相关术语进行了界定，并对 当前的带宽及t c p 吞吐量测量方法，技术已及研究进展进行了介绍和分析。 第三部分介绍了t c p 吞吐量的测量算法，分别从直接测量和间接测量 改进现有的传输层t c p 吞吐量的测量，并通过仿真软件n s 2 及t c p t r a c e 实 验等验证了算法的准确性。 第四部分介绍了t c p 吞吐量测量算法在网络性能测量软件 n e t m e a s u r e m e n t 当中的应用，介绍了在软件中的实现。使用具备该算法的测 量工具，在搭建的实验平台上，测量在不同背景流量下的t c p 吞吐量，并 得出实验结论。 最后是结论和对下一步研究工作的展望。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2 网络测试技术概述 2 1网络测试技术概述 网络测量技术通过收集数据或分组的踪迹，来显示和分析在不同网络应 用下网络中分组的活动情况。遵照一定的方法和技术。利用软件和硬件工具 来测试或验证表征网络性能的指标的一系列活动的总和。 2 1 1网络测试方法 网络测量的分类标准有多种。根据测量的方式，分为主动测量和被动测 量；根据测量点的多少，分为单点测量与多点测量；根据被测量者知情与否， 分为协作式测量与非协作式测量；根据测量的内容，分为拓扑测量与性能测 量等。 主动测量方式通过发送测量包来获取网络性能数据，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，通常不需要多个节点之间的协作， 具有灵活方便、可操作性强等优点。例如用p i n g 命令可以获得回路延迟和 丢包率等性能参数。用t r a c e r o u t e 工具可以获得网络路由信息。主动测量通 过分析探测数据包和响应数据包来获得相应的性能参数，不会捕获网络中现 有的流量，因此不会对网络用户信息的隐私和安全造成威胁。在研究者进行 大规模网络测量的初期或满足网络用户日常的测量需求时，主动测量是一种 快速有效的方式。 被动测量方式使用接入网络的探针来记录和统计链路上数据包的网络 特性。被动测量不必发送主动测量包，也不会占用网络带宽，对网络影响较 小，可以获得更为准确的测量结果。人们常常用被动测量来监测网络流，如 计算经过路由器或者两个网络节点间的报文数量来获得网络流量的大小，而 如果捕获链路上所有数据包，则可以非常详尽地获知网络流量特征。 两种测量方式都存在一定的缺陷。主动测量需要向网络发送大量的测量 包，因此会影响网络的性能，进而影响测量结果的准确性。被动测量难以了 解端到端的性能，也难以获取全局性能视图，并且，测量时需要多方的协作， 因此测量范围受限，实现复杂度较高。在高速网络中，测量结果的准确度依 赖于包捕获器的性能和抽样方法。另外，被动测量需要捕获和分析用户数据 包信息，可能会侵犯用户隐私，影响网络的安全。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 2 网络测试指标 为了对网络性能和可靠性有最精确全面的理解，需要定义一系列的定量 参数用以描述链路、端到端路径以及路径和网络设备的可靠性等，在 r f c 2 3 3 0 中给出了l p 性能指标的框架，这些框架必须严格遵守以下标准， 包括： ( 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； ( 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。 常用的网络性能测试指标有： ( 1 ) 连通性( c o n n e c t i v i t y ) ：是网络性能的基本指标，反映了数据能否在 各网络组件之间互相传达的属性； ( 2 ) 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：单位时间内传送通过网络中给定点的数据量； ( 3 ) 带宽( b a n d w i d t h ) ：单位时问内物理通路理论上所能传送的最大比 特数； ( 4 ) 时延( d e l a y ) ：数据离开源点的时间t 1 与到达目的点的时间t 2 的 时间间隔t 2 t 1 ； ( 5 ) 时延抖动( d e l a yv a r i a t i o n ) ：数据分组流中不同数据分组时延的变 化； ( 6 ) 丢包( 1 0 s s ) ：某一时间段内被测网络传输及处理中丢失或出错的信 息包数； ( 7 ) 丢包率( p a c k e tl o s sr a t e ) ：丢包总数占传输总包数的比例。 通常，吞吐量，带宽、时延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闽的交互。而丢包率影响丢 包重传机制和应用的长期吞吐量。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 1 带宽类及吞吐量指标 ( 1 ) 带宽类指标 i e t fi p p m 工作组迄今为止已完成了包括i p 网络性能参数框架和连接 性、单向延时、单向丢失等一系列性能指标标准的制定“，但对于带宽定义 以及测量的标准化问题一直没有明确提及。 现将与带宽相关的比较通用的基本概念解释如下： 链路带宽：也称为链路容量，是指连接两个节点的链路在物理设计上能 够达到的最大数据传输速率。 瓶颈链路带宽n ，；路径中链路传输速率最低的带宽连接( 瓶颈链路) 所 能达到的理想带宽，瓶颈链路带宽限制了发送节点沿路径可发送的最大速 率。 可用带宽：也称为有效带宽w ，指网络现有流量未消耗的链路带宽部分， 更精确的表述为在一个时间段内链路队列保持相同长度的情况下主机通过 链路能传输的最大数据量。 瓶颈可用带宽：路径所有链路可用带宽中的最小值。 ( 2 ) 吞吐量 r f c 3 1 4 8 中定义了一个块传输能力b t c ( b u l kt r a n s f e rc a p a c i t y ) 也可以 称为可获得的t c p 吞吐量( a c h i e v a b l et h r o u g h p u t ) ”，是单一t c p 连接可以 获得的最大吞吐量。t c p 吞吐量是一个描述端到端路径的性能参数。 b t c 8 鬲* b ( 2 - 1 ) a r 其中b 为在t 时间段内节点s 成功地向节点t 传输的字节数，不包括包 头，并且重传的数据包只应该计算一次。这是目前i p p m 定义的唯一一个和 t c p 吞吐量有关的指标。 网络中的数据是由一个个数据包组成，对每个数据包的处理要耗费资 源。随着i n t e r n e t 的日益普及，网络用户访问i n t e r n e t 的需求在不断增加， 些企业也需要对外提供诸如w w w 页面浏览、f t p 文件传输、d n s 域名 解析等服务，这些因素会导致网络流量的急剧增加，面流量管理作为内辨网 之间的数据通道，如果吞吐量太小，就会成为网络瓶颈，会给整个网络的传 输效率带来负面影响。 我们必须注意到b t c 和有效带宽是不同的。首先，b t c 指标需要传输 协议支持拥塞控制，因此是和协议相关的，一般是指t c p 协议；而有效带 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 宽指标则是不依赖于具体的传输协议的。其次，b t c 指标依赖竞争带宽资源 的t c p 连接之间如何去共享带宽，而有效带宽指标则假定平均流量负载保 持不变，评估链路在饱和之前可以提供的带宽。 2 2 带宽类指标测试技术 按照不同的标准，可以将带宽测量技术分为不同的种类，按照测量对网 络造成的额外负载可以将带宽测量技术分为淹没带宽测量技术和非淹没带 宽测量技术n ”。淹没带宽测量技术向被测链路逐渐增加流量直至出现丢包现 象( 或先发送b a c k t o b a c k 帧，再逐渐降低流量，直至不出现丢包) ，再适当 降低流量大小，反复数次，直到不出现丢包的最大吞吐量，即为带业务网络 中的有效带宽；在没有背景流量的被测网络中进行以上测量，得到的为容量。 淹没带宽测量因对网络影响较大，一般要求停业务，且测试仪数据包发送和 接收处理能力要较强。该方法适用于设备性能测量、网络建设调试以及网络 验收等。 根据带宽指标分为通路带宽和链路带宽，可以将带宽测量分为端到端 ( e n d t o e n d ) 带宽测量和链路( h o p b y h o p ) 带宽测量。端到端测量技术主要测 量路径的容量和有效带宽，链路测量主要测量路径中各链路容量和利用率 ( 有效带宽) 。端到端指标主要应用于应用层和传输层协议。链路带宽主要用 作网络规划、操作和调试及其流量工程，确定瓶颈链路。 2 2 1s io p s 测量技术 s l o p s ( s e l f - l o a d i n gp e r i o d i cs t r e a m ，自加载周期性探溺流) 技术可以用于 测量网络层可用带宽。当探测包的相对单向延迟没有明显增加趋势时，说明 链路没有拥塞，认为此时探测速率低于可用带宽；当相对单向延迟有明显增 加趋势时，说明链路出现了拥塞，认为此时探测速率高于可用带宽。因此， 在测量过程中，可以根据单向延迟趋势与可用带宽的关系，反复调整探测速 率，使测量结果接近于通路的网络层可用带宽。测量时需要发送端和接收端 相互协作共同完成测量工作。发送端负责发送u d p 测量包，接收端负责接 收测量包并对其所反映的带宽状况作统计和分析，同时还要在收发两端建立 一个t c p 连接以传递一些控制信息。 测量过程大致分为两个阶段： ( 1 ) 初始测量阶段 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 发送端发送一背靠背包列，该包列包含6 0 个包，包的尺寸不超过路径 的最大传输单元( m t u ) 。将包长与传输时间的比值确定为可用带宽的初始 上边界。并根据该上边界，采用步进式探测方式确定可用带宽下边晁。若瓶 颈带宽低于1 5 0 k b p s ，则不再进行后续测量，直接将初始测量结果作为可用 带宽值。 ( 2 ) 主要测量阶段 发送端需要发送多个包列组，每个包列组由6 个包列构成，每个包列中 又包含了1 0 0 个探测包，探测包长为5 0 0 b y t e 。发送端以恒定速率r ( n ) 发送 一个包列组，接收端计算出该包列组中各个包列内测量包的相对单向延迟， 并以此判定各个包列所具有的延迟变化趋势，我们定义了两个判定延迟增长 趋势的参数：线性增长参数和阶梯式增长参数。若一个包列组中，过半数的 包列呈现延迟增长趋势，那么说明此时的发包速率r ( n ) 大于当前可用带宽 a ；若大多数包列未呈现延迟增长趋势，则此时的发包速率r ( n ) 小于当前可 用带宽a 。接收端将此信息通过t c p 连接传送给发送端，发端遵循类似二 项搜索的迭代算法。如果r ( n ) 小于可用带宽a ，则发送端按照一定的策略 增大r ( n ) 并发送新的测量流r ( n + 1 ) ；如果r ( n ) 大于可用带宽a ，则发送端 按照一定的策略减小r ( n ) 并发送新的测量流r ( n + 1 ) ；如果r ( n ) 近似等于可 用带宽a ，测量结束，得到可用带宽的近似值。 ( 3 ) 趋势判定算法 图2 。2 给出了背景流量恒定的情况下，排队延迟与可用带宽的关系。如 探测- 一 速率l 亨哥用带宽 排队+ 延迟ii 图2 1排队延迟与可用带宽关系图 f i g 2 - lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u e u i n gd e i a ya n da y a i b i eb a n d w i d t h 果发送速率r 比路径的可用带宽a 低( r a ) ，会导致接收端监测的探测包的排队延迟不为0 且呈上升趋势。因此 当出现排队延迟有上升趋势的起始点所对应的发送速率即为可用带宽。 当网络中背景流量有一定波动的情况下，排队延迟也会存在波动，所以 还要通过其他一些机制才能判定排队延迟趋势。 源端发送的一个包列中包含了k 个探测包，其延迟序列为 d i ， d 2 d k 。将这些探测包分为n 个组，再对组内的各探测包捧队延迟求平均 值，得到序列 a d ) 。然后，按如下公式计算趋势系数岛、6 ： 小掣n1 。荆阶f 1 0 ：髫 2 ， 1 一 、7 i ，其它 屯_ 舀南 趋势系数西、6 2 共同反映了增长趋势是否明显。在数值上6 。取值为【o ， 1 1 ，当延迟增长趋势非常明显时岛接近1 ，不明显时岛接近0 ；6 2 取值为【一1 ， 1 】，当延迟增长趋势非常明显时6 ：接近1 。 我们认为也 0 6 6 或者如 0 5 5 时认为延迟增长趋势趋势明显；最 0 5 4 或者6 ， o 4 5 时认为趋势不明显。 ( 4 ) 速率调整算法 当得到延迟趋势后，工具通过类似二项搜索的迭代算法来调整速率： 获取可用带宽的初始边界r 。与r 。； 令r ：( r + r ，) 2 ，发送探测包： 若r 。一r s ，给出a 的范围 r - r 。 ，令a = ( r 。+ r 。，) 2 。退出；否 则转： 判断单向延迟增长趋势，如趋势不明显，断定r a ，令r 。= r ，转。 2 2 2v p s v p s 技术从包模型的角度进行测量，又可以称为单包模型技术。v p s 技 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 术首先假设传输延迟和包大小是线性关系，路由器是存储转发的，连接是单 通道的，并且链路上的通讯没有引起测试包排队。 目前v p s 方法主要的代表工具有p a t h c h a r , c l i n k ，p c h a r ，n e t t i m e r 等。这些 工具的源端使用i c m pr e q u e s t 包，由于可能受到中间路由器的影响( 路由器 可能屏蔽掉i c m p 业务，或者在处理i c m p 包时的优先级比较低) ，还可能受到 目的端系统i c m p 包的响应比较迟缓的影响，因而会造成结果不够准确。该 方法的另一个缺点是存在测量上限，通路最大m t u 和端系统的时问粒度决定 了其能够测得的带宽上限。 ， 2 2 3p t d p t d 主要测量端到端通路带宽。其最基本的模型就是包对( p a c k e tp a l 0 和包列( p a c k e tt r a i n ) 。包对用于测量瓶颈带宽，包列用于测量可用带宽。 包对算法主要用在b c p r o b e 等工具中，目前的包对算法主要包括基于发 送端的包对s b p p 幅e n d e rb a s e dp a c k e tp a l 0 、基于接收者的包对r b p p ( r e c e i v e rb a s e dp a c k e tp a i r ) 、只有接收者的包对r o p p ( r e c e i v e ro n l yp a c k e t p a i r ) 和包束模型p b m ( p a c k e tb u n c hm o d e ) 等。 2 3 吞吐量测量技术 吞吐量是衡量发送能力的物理单位，而且很常用，但其测量比想象中的 要复杂。首先是吞吐量的概念容易让人混淆，不同的网络层次，吞吐量有不 同的理解，但目前很少有人对这些不同类型的吞吐量进行归类研究；其次吞 吐量受很多因素影响，要精确测量吞吐量必须充分考虑这些因素，而一些现 有的测试工具只是考虑的部分因素，而且有以偏概全的嫌疑。t c p 吞吐量测 试的更多的是跟t c p 协议相关的速率特性；发送探测包测试吞吐量时，必须 考虑探测流模拟实际网络流量的程度，因为实际网络中的业务流量是动态变 化的，探测流如果不能接近实际网络流，测量结果也会失去意义。 吞吐量测量技术根据测量原理的不同，可以分为两类：直接测量技术和 基于模型的间接测量技术。 直接测量技术的基本思想是为测量建立一个t c p 连接，通过这个t c p 连 接传输一个大的文件，从而获得端到端路径的吞吐量测量值。为了能够达到 t c p 拥塞控制过程中的均衡速率( 均衡速率指的是拥塞避免过程中的速率) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 端到端的会话时间必须达到1 0 s 以上f 稳定过程的建立需要一定的时间) 。只有 这样，测量结果才能够较为准确地反映吞吐量的大小。其基于直接测量算法 的网络吞吐量测量工具有t r e n o ，c a p ，t t c p ，n e t p e r f m ，和i p e r f 等。 间接测量技术的基本思想是建立吞吐量的相关模型，然后测量模型的相 关参数，通过模型计算出吞吐量的一个近似值。这种方法不需要传输大量的 数据，从而不会占用很多的带宽，同时可以实现在线实时测量。但是这种方 法由于测量原理上的局限，不可能得到十分精确的结果，同时测量结果受到 模型以及模型参数的影响。 基于这种思想的网络吞吐量测量工具p r o b e b i n g 以及t r e n o 为代表。通 过在用户模式诊断工具中实现t c p 拥塞机s j j ( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) ，t r e n o 被 用来测量i n t e r n e t 路径上单一流的突发传输带宽，它是两种已有算法的融合： t r a c e r o u t e 和一种理想化的t c p 拥塞控制算法。t r e n o 同时使用i c m pe c h o 包 和l o w t t l u d p 包来探测网络状态，这些包中含有序列号，以供t r e n o 确定探 测包及其响应包，从而收集数据来分析t c p 的拥塞状况。问接测量吞吐量的 工具还有n w s 1 ( n e t w o r kw e a t h e rs e r v i c e ) 和d u l p a t s 。n w s 采用基准技术和 时间序列模型来测量吞吐量。d u a l p a t s 的原理和n w s 基本相同，但采用了双 包技术( 两个不同大小的探测包) 以及动态采样速率调整算法来提高测量的准 确性。n w s 己经广泛地应用于网格计算以及其他应用中。 对于不同网络层次，吞吐量会有不同的定义。下面我们就根据不同网络 层次分别对吞吐量的测量技术做以介绍。 2 3 1链路层吞吐量测量技术 根据r f c 2 5 4 4 n ”，吞吐量被定义为网络设备在不丢失任何一个帧情况下 的最大转发速率。以太网吞吐量最大理论值称为线速，即指网络设备有足够 的能力以全速处理最小的数据封包转发。吞吐量表示的是网络设备每秒能处 理的数据量，最大传输能力。所以这时，我们所研究的链路层的吞吐量指的 是链路层网络设备的吞吐量。 链路层吞吐量测试可以解决下列的问题： ( 1 ) 测试端对端广域网局域网的吞吐量； ( 2 ) 越w a n 连接的l p 性能，并用于对照服务等级协议( s l a ) 将目前 使用的w a n 链路的能力和承诺的信息速率( c i r ) 进行比较； ( 3 ) v p n 时进行基准测试和拥塞测试； ( 4 ) 测试网络设备的模式、帧大小或网络速率的对应关系，用对调制 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 解调器、f r a d s 、集线器、交换机或路由器等设备的优化与设置的评估。因 而，终端主机、链路、交换机路由器等网络元素的特性，通过延迟和吞吐量 的尺度，共同决定了提供给应用的服务质量。 端对端测试有很多的测试手段和方法，主要分起来有两类：一类是基于 p c 软件的测试，另一类是使用专门的测试仪器进行的测试。通常对于流量 比较大的( 如大于3 0 m b p s 以上) 测试主要是使用测试仪器进行的，这是因 为测试仪器不像基于p c 的测试软件那样要受到操作系统、网卡、设备驱动 和配置等诸多方面的影响，测试仪能提供稳定、独立和可重复性的测试结果。 最简单( 也是最常用和有效) 的链路层吞吐量测试方法，就是将测试接 入点选在链路两端的以太网络上的测试方法。测试时在发送端指定发送速 度，在接收器上计算收到的帧的速度。吞吐量是接收器收到的好帧数量时 间，测试通过改变帧长度，重复以上测试得到不同速率下的测试结果。( 注： 可以反复进行测试，来确定在不同的传输速度时的吞吐量。) 吞吐量的测试 需要由被测试链路的双端进行端对端的测试。 对于企业的网管和维护工程师来说，在进行端对端的测试中是不需要了 解或测试物理网络的。由于i p 是承载应用业务的网络互联平台，这样的端 对端链路测试中的物理网络可以是无线网络、路由网络、透明网络甚至是非 对称的网络( 如x d s l 和c a b l em o d e m ) 。 有一点需要强调的是，在维护一个运行中的网络时，吞吐量测试是必须