（计算机应用技术专业论文）gprs_ip业务监测系统设计与实现.pdf

摘要 g p r s 是当前g s m 网络向3 g 网络发展所经历的中间阶段。g p r s 允许网络利 用i p 基础结构传输数据应用，将来可以扩展到3 g 的语音和数据应用。g p r s 网 络监测包括语音和数据监测两部分。g p r si p 业务监测分析是网络运维管理、性 能提升、优化设计、业务部署的基础。 本文在调研i p 网络监测技术、完成大量网络测试实验的基础上，设计完成 g p r si p 网络监测系统。通过数据包采集与协议分析技术，分析网络流量特征与 业务性能。关键的研究工作包括网络监测性能指标、告警指标定义，“业务流 分 析高速查找排序算法，共享区的通信互斥，“业务流”结束算法等。其他相关的工 作还包括系统容错化设计、规范化编码、规范化测试等。目前g p r si p 监测系统 已经在中国移动g p r s 网络中投入实际使用。 作者在攻读硕士学位期间主要工作如下： 网络性能统计指标、告警指标的提取。通过对s n i f f e r 、a g l i n e t 、t c p d u m p 等 网络协议分析软件的研究与g p r s 网络运维管理需求，提取出网络监测系统中各 层次的性能指标，并将“业务流 作为性能指标的一个重要组成部分。系统可根 据用户的特定任务的要求，加入用户任务定制的性能指标。 研究基于“业务流 高速查找排序算法以及“业务流 终止判定方法。网络 海量数据传送，给传统的“业务流 查找排序算法带来了极大的挑战。在g p r si p 监测系统中，通过分析统计指标特性，作者提出了一种改进的哈希查找算法，完 成数据包“业务流的匹配，并在此基础之上利用一个记录数组进行排序，高效、 快速完成查找排序。“业务流”终止判定方法采用协议特征判断和固定时间判断相 结合的方式，进行流结束判断，弥补了仅通过协议特征进行流结束判断的缺陷。 g p r si p 高容错可恢复实现。为了保证系统能够稳健有效地运行，作者在系 统设计的初期阶段就将高容错可恢复性作为首要考虑因素。在g p r si p 监测系统 中，通过故障诊断机制来判别系统的运行状态，并且设置多种容错保护运行方式 来确保系统在任何非正常情况下都正确运行。 严密的共享区和共有数据块的加锁互斥技术。网络环境下海量数据处理，并 且数据帧到来的无规律性，对系统资源( 共享内存区) 和公有变量的调用带来极 大挑战。文中设计一整套较严密的公有资源加锁互斥机制，保证监测系统自身的 可靠性，并且通过了压力测试。 关键词：g p r s ：协议分析；监测；网络业务流；网络性能指标；告警指标； a b s t r a c t g p r si si m p o r t a n ta sam i g r a t i o ns t e pt o w a r dt h i r d - g e n e r a t i o n ( 3g ) n e t w o r k s g p r sa l l o w sn e t w o r ko p e r a t o r st oi m p l e m e n ta ni p b a s e dc o r ea r c h i t e c t u r ef o rd a t a a p p l i c a t i o n s ，w h i c hw i l lc o n t i n u et ob eu s e da n de x p a n d e du p o nf o r3 gs e r v i c e sw i t h i n t e g r a t e dv o i c ea n dd a t aa p p l i c a t i o n s t e s tg p r sn e t w o r k si n v o l v e st e s t i n gt h e t r a d i t i o n a lg s mn e t w o r k sa n dt h eg p r sa d d i t i o n st ot h e m s i n c eg s mn e t w o r k s n o w s u p p o r tb o t hv o i c ea n dd a t a ，t h ea n a l y z e rs h o u l db ec a p a b l e o ft e s t i n gb o t h b a s e do ns e v e r a ln e t w o r kt e s ta n dm e a s u r e m e n tp r o j e c t s ，ag p r s i pm o n i t o r s y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d t h en e t w o r ki s m o n i t o r e da n da n a l y z e db yp a c k e t c a p t u r i n ga n dp r o t o c o la n a l y s i s d u r i n g t h ep e r i o do fp o s t g r a d u a t e ，n e t w o r k p e r f o r m a n c em e t r i c ( i n c l u d i n gs t a t i s t i ca n dw a r nm e t r i c ) 、t h ea l g o r i t h mo fs o r t i n ga n d s e a r c h i n gi nv e r yh i g hs p e e dl i n k s 、t h el o c ko fs h a r em e m o r ya n dt h ea l g o r i t h mo f f l o wt e r m i n a t i o nw e r em a i n l yf o c u s e d a f t e ra n a l y z i n gt h em e t r i c sa n dc r e a t i n ga m e t r i c ss y s t e mf o rp a s s i v em o n i t o rn e t w o r k ，u s i n gt h es t a n d a r d i z a t i o np r o g r a m m i n g a n dt e s t i n g ，w ep r o d u c ea ne f f i c i e n c ya n dc r e d i b i l i t yg p r s i pa n a l y z e r t h em a i na c h i e v e m e n t sd u r i n gt h ep e r i o do fp u r s u i n gm ym a s t e rd e g r e ea r e d e s c r i b e da sf o l l o w i n g ： e x t r a c t i n gt h ep e r f o r m a n c em e t r i ci n c l u d i n gs t a t i s t i ca n dw a r n i n g m e t r i c b a s e d o na n a l y z i n gn e t w o r kp e r f o r m a n c em e t r i c s ，w ee x t r a c t i n g p e r f o r m a n c em e t r i c ss u i t e i nt h eo s il a y e r sf r o mt h en e t w o r kp r o t o c o la n a l y z e rs y s t e ma n dt e c h n o l o g y d o c u m e n t s ，w h i c ho t h e rt h i r dp a r t y ss o f t w a r es u c ha ss n i f f e r ,a g l i n e t ，t c p d u m p d oa sw e l l a n dw ei n t r o d u c et h eh o tr e s e a r c hn e t w o r kt r a f f i cf l o w ( av e r yg o o d m o d ef o ra n a l y z e rt h eu s e r sb e h a v i o ra n dr e d u c et h ea m o u n to fd a t a ) a sas u p p l e m e n t o fp e r f o r m a n c em e t r i c w ec a na l s oi m p l e m e n ts p e c i a lp e r f o r m a n c e m e t r i c a c c o r d i n gt ot h ec u s t o m s d e s i r e t h es t u d yf o rt h ea l g o r i t h mo fs e a r c h i n ga n ds o r t i n gu n d e rc u r r e n tn e t w o r k e n v i r o n m e n ta n dt h ec r e a t i o no fah a s hs e a r c ha l g o r i t h ma p p l i e dt oas o r tp r o c e s sa n d n e wn e t w o r kt r a f f i cf l o wt e r m i n a t i o na l g o r i t h m t h e r ei sac h a l l e n g ei nt r a d i t i o n a l a l g o r i t h mo fs e a r c h i n ga n ds o r t i n gw h e nm a s so fd a t et r a n s f e r r e di nt h en e t w o r k i n o u rg r p s i ps y s t e m ，w ep r o p o s e dau n i q u eh a s hf u n c t i o na n du s ear e c o r da r r a yt o i m p l e m e n tt h ee f f i c i e n ta n dq u i c ks e a r c h s o r tt a s ka c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so f p e r f o r m a n e em e t r i c s i ng p r si ps y s t e mw eu s et h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o t o c o l ， i l c o m b i n e dw i t hf i x e dt i m e , t od e t e r m i n et h en e t w o r kt r a f i l ef l o wt e r m i n a t i o n ，w h i c h m a k eu pf o r t h el a c ko fm e t h o do n l yu s i n gp r o t o c 0 1 f a u l t t o l e r a n c ea n dr e s t o r a b i l i t y t oe n s u r eo u rs y s t e mr u n n i n gw i t h o u te r r o r o c c u r r i n gd u r i n gal o n gt i m e ，w ec o n s i d e rt h eh i g h - t o l e r a n c ea n dr e s t o r a b i l i t ya sa n i m p o r t a n tf a c t o ra tt h eb e g i n n i n go fd e s i g n i n gt h eg p r s i ps y s t e m w ed e s i g n a n o t h e rp r o c e s sa p it oc h e c kt h er u n n i n gs t a t eo fg p r s i ps y s t e m ，t h em o n i t o r s y s t e mi sr e c o v e r e dt oi t sw o r k i n gs t a t ei m m e d i a t e l yw h e nf a i l e dt ow o r k u s i n g e x c e p t i o nd i a g n o s i st od e t e r m i n et h ec o n d i t i o n so fs y s t e ma n ds e tm u l t i p l ye x c e p t i o n p r o t e c t sm e t h o d t h i sm a d et h eg p r s _ i ps y s t e mc a nr u no na l lp o s s i b l ec o n d i t i o n s t h es t r i c tt e c h n o l o g yo fl o c km u t e xo ns h a r em e m o r ya n dc o m m o nd a t ab l o c k s w i t hm a s so fd a t as h o u l db ep r o c e s s e du n d e rn e t w o r ke n v i r o n m e n t sa n dr u l e l e s so f t h ec o m i n gd a t af r a m e s ，ac h a l l e n g eh a sb e e nr a i s e df o rt h es y s t e mr e s o u r c e s ( s h a r e m e m o r ya n dc o m m o nv a r i a b l e sw h i c ha r ec a l l e db ya p p l i c a t i o n s ) i nt h i sa r t i c l e ，a c o m p l e t es e to fs t r i c tm e c h a n i s mf o rt h ec o m m o nr e s o u r c e sh a sb e e nd e s i g n e df o rt h e r e l i a b i l i t yo fm o n i t o rs y s t e m ，w h i c hh a sb e e np a s s e du n d e rt h ep r e s s u r et e s t k e yw o r d s ： g p r s ；p r o t o c o la n a l y s i s m o n i t o r ； n e t w o r kt r a f f i c f l o w ； p e r f o r m a n c em e t r i c ss u i t e ；w o r r ym e t r i c ss u i t e i 插图索引 图2 1g p r s 系统结构8 图2 2g p r s 总体结构及接入接口和参考点8 图2 3g p r s 逻辑体系结构一览9 图2 4g p r s 协议层次结构1 0 图2 5g p r s 以太网监测接入点模型1 0 图2 6 流量工程组成模块“ 图2 7 通用主动测量模型1 3 图2 8 网络设备主动测量模型1 3 图2 9s n m p 工作模式1 3 图2 1 0 基于数据帧捕获的测量技术1 4 图2 1 l 被动测量系统连接图1 4 图4 1 系统三大主题程序信息交互图2 7 图4 2 监测程序总体框架一2 9 图4 3 监测程序各模块调用关系3 0 图4 4n d i s 结构31 图4 5 数据帧捕获驱动3 2 图4 6 数据帧捕获流程一3 3 图4 7 数据帧处理流程3 4 图4 8 网络分层结构：数据帧封装传递过程3 5 图4 9 以太网数据帧3 6 图4 1 0i p 数据包的格式3 6 图4 1 1t c p 数据帧的格式3 7 图4 1 2 协议解码模块3 8 图4 1 3m a c 处理模块3 8 图4 1 4m a c 解码协议分布处理3 8 图4 1 5 配置信息标志位改动( 监听程序，测试程序) 4 1 图4 1 6 配置信息检错4 1 图4 1 7 监测程序获得配置信息4 2 图4 1 8 配置信息共享内存块在读写进程中如何保护4 3 图5 1“业务流结束判断算法4 7 图5 2 检测程序轮询检查运行标志4 8 图5 3 多渠道获得配置信息4 9 图5 4 由宏生成配置信息文件4 9 i v 图5 5 缺省配置信息文件的更新5 0 图5 6 监听程序和缺省配置信息文件及配置信息共享内存关系5 0 图5 7 原始数据帧共享内存块的加锁5 1 图5 8 改进后的数据存储5 3 图5 9 哈希算法流程5 6 图5 1 0 基于哈希结构的排序算法5 7 图6 1 数据帧统计数据5 8 图6 2 6 4 b y t e 产生和捕获数据帧5 9 图6 32 5 6 b y t e 产生和捕获数据帧一5 9 图6 41 0 2 4 b y t e 产生和捕获数据帧5 9 图6 51 2 8 b y t e 产生和捕获数据帧5 9 图6 6 5 1 2 b y t e 产生和捕获数据帧5 9 图6 76 4 b y t e 和1 2 8 b y t e 丢包率比较5 9 图6 8 6 4 b y t em o n i t o r 和s i m p l e 比较6 0 图6 9 12 8 b y t em o n i t o r 和s i m p l e 比较6 0 v 附表索引 表3 1g p r si p 系统配置指标1 5 表3 2g p r si p 系统统计告警指标1 8 表3 3i c m p 告警信息一览表2 5 表4 1d l l 链接库a p i 函数设计2 8 表4 2 常用p r o t o c o lv a l u e 3 7 表4 3 协议字段对应3 9 表4 4 配置信息纠错能力4 2 表4 5 读写顺序影响4 3 表5 1 系统容错能力5 0 表5 2 查找算法比较5 4 表5 3 不同统计项目的键值5 5 v i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 储戤。忍例 聃加 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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。 本学位论文属于 1 、保密酣在 多 年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：璁鼬 导师签名：与霉鼍多 日期： 日期： 年月，日 年月 日 1 1g p r s 现状及其问题 第1 章序言 移动通信这个神奇新兴的产业，使人类居住的地球变得越来越小，在任何时 间、任何地点、与任何人进行任何类型的信息业务都能够得以实现。但是要做到 这些不是那么容易。它意味着移动通信网的覆盖面要大，覆盖质量要好，业务种 类要多，在本地、在全国各地、在全球任何地方，利用手机不仅可以打电话，还 可以看新闻、接收电子邮件、炒股、购物等。第三代移动通信( 3 g ) 正是为满足 这些需求应运而生的【1 】【2 】。 3 g 的实现，任重而道远，尤其要结合中国国情，走中国自己的3 g 路。选择 g p r s 技术过渡到3 g 是较好的方案。g p r s 可以利用现有的g s m 网络，一举在 全国推出数据乃至多媒体通信服务，延长g s m 的生存周期，充当3 g 的开路先锋， 拓展增值业务。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 技术是一种经济高效的分组数据技术，它 在目前普通g s m 网络的传统电路交换中增加了分组交换数据功能，数据被分割 成数据包而不是以稳定的数据流进行运输。按每数据比特的发送和接收来收费， 这样会大大降低使用费用，得到用户的支持。g p r s 技术为3 g 开路，首先可以满 足用户对数据的需求，并为3 g 打下了坚实的基础，这包括获得了用户，开拓了 3 g 的市场。 与g s m 电路交换数据相比，g p r s 非常重要的优点是引入分组交换能力、数 据速率高、“永远在线、费用低，因此，就有了应用基础和广泛的市场前景。实 际上g p r s 的基础还是g s m ，它是在g s m 之上增加g g s n 和s g s n 两个关键节 点，并部分修改软硬件而成的，因此g p r s 投资少，受到实际各国g s m 运营商， 特别是没有得到第三代移动通信运营许可证的g s m 运营商的高度重视。 目前世界上已经有超过1 0 亿的普通电话用户、7 亿移动电话用户和1 亿互联 网用户。世界电信业的发展趋势是移动语音业务的发展速度超过普通电话业务， 二者之间在不断融合；数据业务的发展速度超过语音业务，二者之问也在不断融 合。未来网络将是一个有线、移动与互联网三者合一的数字化的全球网络。移动 互联网产生孕育着无限商机，在未来的1 0 年内，世界移动通信和互连产业仍将持 续快速的发展，未来将会是移动互联的世界。g p r s 技术是目前阶段解决移动通 信信息服务的一种比较完善技术。在第三代移动通信网络实现之前，它将是移动 信息服务的主要解决方案。中国拥有世界上最大的g s m 网，相信g p r s 在中国 将有一个较快的发展。 2 0 0 1 年7 月1 2 日 5 1 ，中国移动通信集团宣布g p r s 业务开始运行。由于g p r s 网络包括固有的g s m 网络，又包含为了扩充数据传送业务的新的数据网络，所 以给传统的网络监测技术带来了新的挑战。g p r s 网络监测技术既包括g s m 网络 监测，又包括i p 网络监测。网络监测技术的实施，又是电信运行商保证用户服务 质量的基础。 1 2f i p r sip 业务监测技术研究意义 随着i n t e r n e t 的发展，人们看到了数据通信的巨大潜力，移动与数据的结合已 经成为移动通信的发展趋势。据预测，到2 0 0 5 年移动通信信物量中话音所占的比 重约为3 0 ，其余7 0 将是移动数据业务。移动数据通信在沉寂了近一个世纪之 后，开始进入快速发展阶段。 与此同时，根据i d c 统计，数据通信网的可信性远远低于传统的电话网，其 平均无故障时间( m t t f ，m e a n t i m e t o f a i l u r e ) 仅为2 5 天，6 0 的网络失效达 1 0 分钟直至几个小时。网络资源分配不合理，网络经常拥塞，影响应用的性能。 在某宽带城域网的测试结果更加使人担心，在2 0 0 1 年8 月份，网络的出口链路的 中断时间达到1 3 5 2 分钟；因为缺乏有效的网络检测平台，对网络流量分布和运行 状态不了解，网络负载流量规划极不合理，部分网络设备的接口利用率达到6 0 ， 网络设备的c p u 利用率达到9 0 ，部分设备的接口峰值利用率仅为4 ，平均利 用率不到1 【引。数据通信网络作为国家的基础设施若要取得进一步长足高速发 展，必须保证网络的性能、安全、稳定、有效和可控性，正面临和将面临一系列 严重的难题和挑战。 g p r s 技术可以说是g s m 中融入i p ，也可以说是i p 中融入了g s m ，所以 g p r si p 监测技术和g p r s 中语音监测技术一样，十分重要。 网络测试技术的研究对协议工程、网络设备开发、网络规划设计、网络操作 管理都是至关重要的。 1 )网络测试技术是及时了解网络运行状态，检测网络拥塞而性能恶化，提 供接入控制参考依据，动态分配调整网络资源，保证应用q o s 3 1 的基础 和必要手段。v o l p 、v o d 以及基于流媒体的远程教学等实时应用和q o s 敏感的应用需要网络提供一系列的机制保证应用得到足够的网络资源， 获得延迟、延迟抖动、丢包率等满意的性能参数。 2 )建立精确网络行为模型的重要手段。网络技术的快速发展，网络规模和 网络用户不断增加，新的网络应用不断出现以及各种网络应用业务量的 比例不断变化，各种不同的网络应用具有不同的流量特征、带宽要求、 数据包传递方式等行为特征，使得人们仅仅使用数学仿真、排队等统计 理论建立网络行为模型是远远不够的1 4 1 。通过测量建立网络流量基准模 2 型，可以检测网络攻击【7 8 】以及实现网络“迷彩 9 a o 】。 3 )网络测试技术是传统网络管理系统必要有益的补充，通过网络测试技术 可以分析网络承载的主要和关键业务，了解用户使用强度、频度、流量 等行为模型，预测和快速定位网络故障，改进协议和应用的设计和实现。 网络结构的异构性、网络规模不断扩大、网络技术飞速发展、带宽容量不断 增加、新的应用不断出现和应用业务量比重变化致使人们对网络的行为理解滞后， 宽带、灵活、精确、稳定、高效以及在线带服务网络测试技术是网络监测管理等 领域研究的热点 1 3 本文主要工作 本文作者在攻读硕士学位期间的工作领域是网络监测技术一一协议分析。参 与国家自然科学基金项目一项“基于端系统的网络在线测量理论与方法研究 ，参 与国家8 6 3 项目“城域以太网总体技术及测试方法研究。参与中国科学院计算技 术研究所和某大型通信设备公司的g p r si p 监测项目，并担任该合作项目的组长。 对网络监测技术的被动网络监测部分、t c p i p 协议栈行走流程，以及t c p i p 各 层协议字段和网络健康状态分析都有相当的理解。并且广泛阅读相关文献资料， 了解当前网络监测技术以及高速网络环境新的机遇与挑战。在中科院计算所客座 研究期间，从事网络流中提取网络性能指标、告警指标，网络环境下的高速查找 排序算法，“业务流结束算法，共享区的通信互斥等的研究。参与了i s o9 0 0 0 认证工作，熟知软件开发规范化行走流程。g p r si p 作为与某大型通信公司的合 作项目，最终用户为信令监测系统的用户，即各大电信、移动业务的运营商。在 程序进入商品化的过程中，本人在测试测量指标完成的基础上，对程序进行了容 错化设计、规范化编码、规范化测试，最终完成了较高效、可靠的g p r si p 监测 系统。 主要工作描述如下： 1 对网络监测技术及其相关的技术进行广泛的研究 对网络性能测量及其相关技术研究的调研，按照调研范围主要分为三个方面： 测量指标与测量方法标准，被动测量发展的动态方向，s l a 等级协定，以及测量 工具和测量实验。 网络带宽的增加以及高带宽需求的实时业务的出现，使得被动测量技术面临 高带宽、大规模、实时分析、提供符合各种粒度需求指标的挑战。基于“业务流 的数据包捕获是解决高速链路数据包捕获的较好解决方案之一。传统的网络分析 以数据报为基础f 净2 。“业务流 的概念是从包的概念中抽象出来的。“业务流 的概念最早来源于j a i na n dr o u t h i e r 在令牌环p a c k e tt r a i n 2 2 1 。c l a f f y 【2 3 1 中“业务 流”定义为符合一定规范的数据报和超时时间。所谓 业务流是被观测数据包 3 组的人为定义，相当于一次呼叫或者连接【2 4 1 ，在i p 网络中一般使用协议、源i p 地址、目标i p 地址、源端口号( p o r t ) 以及目标端口号( p o r t ) 五元组来定义数据“业 务流”【2 2 1 。对“业务流 的结束的算法进行调研【2 3 1 2 5 儿2 6 1 。“业务流 的引入，一 方面可以解决高速网络的存储问题，另一方面“业务流”的概念将过滤结合起来， 更具灵活性，可以进行用户行为、专门业务的分析。将“业务流 的概念应用于 g p r si p 监测系统中，这是我们的系统有别于其他的同类系统的最新技术。 t m f ( t e l e c o mm a n a g e m e n tf o r u m ) 电信管理论坛提出的s l a ( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ) 【2 9 。3 0 j 服务水平协议中：t m f t o m 实施s l a 服务的流程，s l a 中的网 络服务性能指标体系、服务性能监测技术、服务性能评估方法，以及最终的性能 报告，这些指标和方法也应用于我们的系统中。 测量工具，对于i s o 网络协议的第2 、3 层，使用测量仪表s m a r t b i t s 2 0 0 0 1 2 7 1 ， 利用该仪表进行程序的丢包性能测试、压力测试；对于i s o 网络协议的第4 7 层，使用测量仪表i pi n t e r e m u l a t o r ，利用该仪表进行系统的功能测试和性能 测试。 测量测试方法的调研，最新技术的引用，多种协议分析仪表的应用分析，为 g p r si p 网络协议分析系统的指标提出和方法的实现提供了理论基础。 2 网络测量测试技术应用于工程项目承担 在攻读硕士期间，本人先后参与了国家自然科学基金资助项目基于端系统 的网络在线测量理论与方法研究；国家8 6 3 专项城域以太网总体技术及测试方 法研究；并将网络协议分析研究成果应用于中科院计算技术研究所和深圳某大型 通信公司的g p r si p 的监测系统中。完成系统的需求调研，系统的详细设计，测 试方法编写，系统算法设计以及系统编码。并在该通信公司完成接口联调并将进 行验收测试。整个项目的参与和设计，以及项目的最终商业化的切身体验，使得 作者在技术上更为规范，更加增强了项目管理和进度观念，学术项目走向产业化 的过程，以及产业化的过程客户至上的概念。在项目编写和测试过程中积累了宝 贵的经验，以及项目的切身体验，将是作者宝贵的财富。 3 协议分析中性能指标和告警指标的提取 协议分析性能指标和告警指标的提取是网络监测系统的实现基础。g p r si p 项目性能指标是在阅读文献资料，分析相关软件和了解客户需求的基础上提取出 来的。其中包括各层的流量，协议分布，各层和协议相关的网络健康指标，各层 反映网络运行异常的告警指标，以及新的“业务流的概念应用下的性能指标， 等等。作者对每层的性能指标，告警指标原理进行了分析，确定了各个指标在实 际网络运行中的含义，尤其是告警消息的出现原因，为网管人员管理网络提供了 检查网络错误的头绪。 4 系统容错处理和恢复研究 4 作为一个可靠的网络监测系统，系统容错和恢复处理十分重要，保证系统在 未知的商业实际网络运行中稳健地运行，关键是利用多种容错技术达到系统高可 用性。利用容错技术中的故障诊断是指系统中能够正常工作的部分通过一定方法 测试其他部分能否正常工作。作者利用一个检查进程，定期向监测进程写标志位， 来判断监测进程是否正确运行。当监测进程的配置信息文件被不可预料的损坏后， 可以自动生成新的配置信息文件。及时相应用户需求记录系统配置信息更改，利 用类似容错中的监测点的方法，使得系统在异常中断后仍然仍从保存的配置开始 运行。容错技术的综合使用，使得我们的系统达到高可用性，自动检测和恢复， 使将来投入电信运营商运行时，能够用最少的人力，自动检测运行。 5 网络环境快速查找排序算法的研究 在网络环境中，海量的数据容量，要进行网络分层数据的查找和排序，需要 快速的查找算法，作者比较了多种查找算法的时间复杂度，选取哈希算法为网络 数据帧存储的基本算法，利用素数进制法构造哈希函数，尽量减少哈希算法的冲 突数日。同时为了满足海量数据帧的查找并排序，我们设计了适合本系统的排序 算法，将哈希查找并累加后的值用排序数组记录下来，并进行类似冒泡排序。算 法设计，一方面考虑网络海量数据的快速查找，另一方面，将我们的功能需求的 排序结合，设计适合本系统的排序算法。查找排序算法的研究比较，使得作者在 系统完成的中培养了严谨的学习作风。 6 共享内存区域的通信互斥研究 设计共享内存区为多线程通信手段时，线程间的通信互斥，使得多个线程访 问同一块数据帧共享内存区和程序段时不会出现读写混乱情况，防止数据帧在存 储时丢失，并且利用临界区加锁解锁，设计高可靠的系统，克服一切可能出现的 上层丢包，错误现象。该方法的合理有效运用，避免了设计初期运行时丢包和系 统错误情况。? 7 i s o9 0 0 0 认证工作，熟知软件开发规范化行走流程。 g p r s i p 项目作为中科院计算所申请i s o9 0 0 0 认证的一个重要组成部分，作 者完成了大量的评审文档工作。熟悉软件开发规范的行走流程，熟悉规范化程序 设计文档的编写，熟悉软件开发过程中各个阶段性评审和阶段性的评审报告的编 写，熟悉项目开发的版本控制工作，进而使同组开发人员开发的版本一致，有效 管理编码过程的进度和一致性。i s o9 0 0 0 认证的参与，进入规范化编码的新状态， 将对作者计算机人生有很大的益处。 8 网络测试技术测量结果的研究 利用所熟悉掌握的测量工具对监测软件进行了强度测试，丢包率分析，找到 系统设计应用的阀值和瓶颈，为进一步研究数据帧捕获效率和将来新的监测系统 的开发打下了很强的试验基础。 5 1 3 1本论文的主要贡献 1 完成被动网络监测性能指标，告警指标体系。并将“业务流 的概念引入 监测系统的总体设计和实现中，一来可以进行数据量的压缩，二来可以添 加特定用户任务，进行用户行为分析。 2 讨论了大量数据的快速查找和排序问题，给出一种基于哈希查找的排序算 法。并在实际网络监测系统应用达到了较好的性能。 3 提出利用协议特征和固定时间相结合的“业务流”结束判定算法，弥补了 单纯利用协议特征进行判断的缺陷，同时弥补固定时间判定算法中时间戳 选择对系统存储的波动。 4 考虑网络环境下海量数据造成的新的线程通信互斥问题，设计一整套较严 密的加锁互斥机制，保证监测系统自身的可靠性。 5 将容错处理和恢复研究应用于监测系统，例如故障诊断，类似监测点的方 法，保证监测系统的长时间可用性。 1 4 论文总体结构和章节安排 本论文的整体结构和章节安排如下：论文第一章描述g p r s 的发展状况和 g p r si p 监测的意义，指出性能测量技术是保证i p 网络q o s 的重要手段。概括 了论文的主要工作和创新之处，并且介绍了作者的主要工作。第二章是对g p r si p 业务监测技术的概述，主要介绍g p r s 的技术和系统结构以及协议模型，介绍 g p r s 监测系统的重要组成部分g p r si p 的监测指标和监测方法研究。第三章介 绍g p r si p 系统功能需求，所定义的配置指标和测试指标。第四章是g p r si p 系统的实现部分，介绍系统实现的总体流程和各模块的处理流程和处理技术。第 五章介绍g p r s 系统实现过程中运用的关键技术。第六章介绍系统测试手段，测 试结果，对系统完成的性能进行评估。第七章总结全文，提出进一步的研究内容。 6 第2 章g p r sip 业务监测技术概述 2 1g p r s 技术概述 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在 现有的g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务。在某种意义上，可以认为g p r s 是g s m 向i p 和x 2 5 数据网的延伸；反过来也可以说g p r s 是互联网在无线应 用上的延伸。在g p r s 上可实现f t p 、w e b 浏览器、e m a i l 等互联网应用。 g p r s 有以下两个显著优点。 g p r s 采用分组交换技术，与现有g s m 的电路交换技术比较，每个用户可以 有多个无线信道可用，而同一无线信道又可以由多个用户共享。它采用了“统计 复用 或“动态复用”的技术。所谓“动态复用”，就是用户只在实际发送数据时 才使用频率资源，这与g s m 网电路交换方式的“静态复用 不同，所谓“静态 复用 ，是不管用户是否正在发送数据，都占用着一个信道。因此使系统的总容量 减少，浪费了带宽资源的利用。“动态复用 可以使一个小区的所有移动用户共享 同一资源，从而大大提高了带宽资源的利用率。 g p r s 不仅仅是对发送数据的移动用户实施了“动态复用 ，而且还不影响g s m 网络资源的使用。目前移动通信业务中电话业务还是主要的，增加了数据业务是 否会影响电话业务? g p r s 在移动电话业务繁忙时，可以把数据信道供给移动电 话使用。在电话业务很忙时，将使数据传送延时，虽然延长了数据分组传送的时 间，但不影响正常的电话业务。同时，由于g p r s 是分组交换技术，应用了统计 复用技术，因此g p r s 开通的数据通信，是按发送数据的量计费，而不是按发送 的时间长短计费，所以对用户来说还可以节省费用。 2 2g p r s 系统结构和协议模型 2 2 1g p r s 网络总体结构 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 来实现的【4 5 , 4 6 , 4 8 】，使 得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图2 1 所示 图2 1 中，笔记本电脑通过串行或无线方式连接到g p r s 蜂窝电话上；g p r s 蜂窝电话与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站 发送到g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中一l , c m s c ) 连接到语音 网络上。s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信：g g s n 对分组数据进行 相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或x 2 5 网络。 7 图2 1g p r s 系统结构 来自因特网标识有