（通信与信息系统专业论文）ip网络测量仪网络设备测试方法研究与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，随着互联网日益广泛的应用与口网络规模和用户数目的不断扩大， 用户对服务质量、网络安全要求也越来越高越高。网络测试和网络管理工具是保 证网络高效、可靠运行的重要手段，其中分布式网络测量仪可以有效地监视网络 状况、定位网络故障。本文主要研究p 网络测量仪中流量产生器的设计和r f c 2 5 4 4 基准测试模块的分析与实现。 首先介绍了嵌入式i p 网络测量的关键技术和实现背景，说明了m 网络性能的 测量指标和测量方法，并阐述了嵌入式l i n u x 系统下g u i 的开发流程；其次，分 析了流量产生器的概念及l i b n e t 开发流程，在l i b n e t 库基础上生成各种完整的协 议包并提高了发送速率；第三，分析r f c 2 5 4 4 测试基准测试模式和测试条件，对 此模块进行设计和实现；最后，针对现有系统不足和对后续开发工作提出了一些 建议。 关键词：网络测量1 b n e t 流量产生器r f c 2 5 4 4 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h es c a l eo fi pn e t w o r ke x p a n d sa n dt h en u m b e ro fu s e r s i n c r e a s e sq u i c k l y ，t h en e t w o r kc u s t o m e r sr e q u i r eh i g h e rq u a l i t yo fs c 耐c ea n db e t t e r n e t w o r ks e c u r i t y i ti so fg r e a ti m p o r t a n tf o rn e t w o r kt e s t i n ga n dn e t w o r km a n a g e m e n t t o o l st oe u s 珊et h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fn e t w o r k b yt h e s et e s t i n g m e t h o d s ，d i s t r i b u t e dn e t w o r km e a s u r e m e n te q u i p m e n t sc a nb ea p p l i e dt oe f f e c t i v e l y m o n i t o rn e t w o r ks t a t u sa n dt ol o c a t en e t w o r kf a u l t s ，觞w e l l 嬲t op r o v i d ep r e c i o u s a n a l y z s i sd a t af o ri m p r o v i n gt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft r a f f i cg e n e r a t o ra n dr f c 2 5 4 4m o d u l eo ft h ei pn e t w o r kt e s t e r a y em a i n l ya d d r e s s e d f i r s t l y ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ee m b e d d e di pn e t w o r km e a s u r e m e n ta n dt h e i r i m p l e m e n t a t i o na y ed i s c u s s e d ，a n dt h ei pn e t w o r kp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ti n d i c a t o m a n dm e a s u r e m e n tm e t h o d sa t eh i g h l i g h t e d ；h la d d i t i o n , t h eg u it e c h n o l o g yo ft h e e m b e d d e dl i n u xs y s t e mi se l a b o r a t e d ；s e c o n d l y ，w ei n t r o d u c et h ec o n c e p t so fn e t w o r k t r a 伍ca n dt h em e t h o d st og e n e r a t et r a f f i c ，i l l u s t r a t et h el i b n e td e v e l o p m e n tp r o c e s s ， a n di m p l e m e n tat r a f f i cg e n e r a t o rb a s e do nl i b n e t 、析t l lw h i c hv a r i o u sp r o t o c o ld a t a p a c k e t a sa n do fd i f f e r e n td a t ar a t e sc a l lb ep r o d u c e d t h i r d l y , w ea n a l y z et h et e s t i n g p a t t e r na n dt e s t i n gc o n d i t i o no fr f c 2 5 4 4 ，a n di m p l e m e n tat e s t i n gm o d u l eo fr f c 2 5 4 4 ； f i n a l l y ，s y s t e m i cd e f i c i e n c i e sa n ds u b s e q u e n td e v e l o p m e n ta l ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：n e t w o r km e a s u r e m e n t f i b n e tt r a f f i cg e n e r a t o rr f c 2 5 4 4 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子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己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：曼垒茎垄日期查垒：! ：! 至 西安电子科技大学 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西安电子科技大学。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再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 近年来，网络技术的飞速发展以及i n t e r n e t 网的广泛应用，促使各种传统网络 如有线电话网络，无线电话网络及有线电视网络与计算机网络加速融合，母技术 的重要性被逐渐提升到了空前的程度。由于传统服务的加入以及互联网自身的发 展，互联网的规模迅猛发展，网络结构日益复杂。网络用户希望得到更好的服务， 网络提供商需要加强网络管理，提高网络利用率，尽力提供最好的服务。此外， 互联网也要为电话，数字电视等服务提供可靠载体。因此，网络运行状况的测量 和分析显得非常重要，对网络的测量可以为诸如如何提高服务质量提供重要参考， 发现网络瓶颈，优化网络配置。本论文研究分布式网络测量系统中嵌入式网络性 能测量仪的关键技术及其实现方法。 1 1t c p i p 网络发展现状 现代意义上的i n t e m e t 是在建立于2 0 世纪6 0 年代末的a r p a n e t ( 美国国防 部高级研究计划局网络) 的基础上发展起来的，在刚开始的十几年中它主要服务 于科研教育部门。研究实现互联过程中，计算机软件起了主要的作用。1 9 8 0 年 t c p i p 协议正式问世，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，并资助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，促使了 t c p i p 的迅速普及( 目前主要采用i p v 4 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r mb e m e r s l e e 发明了w r o d 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 括超文本链接成为可能，也使普通用户通过浏览器自由地访问网络上的信息，促 使了i n t e m e t 成为不可抗拒的潮流。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，如电子商务、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、网络游戏，手 机上网等等。 i n t e m e t 虽然在我国起步较晚，但近年来一直处于高速发展之中。2 0 0 9 年7 月， 中国互联网络信息中心( c n n i c ) 在京发布了第2 4 次中国互联网络发展状况统 计报告。报告显示，截至2 0 0 9 年7 月，我国互联网普及率以2 2 6 的比例首次 超过2 1 9 的全球平均水平。同时，我国网民数达到2 9 8 亿，宽带网民数达到2 7 亿，国家c n 域名数达1 3 5 7 2 万，三项指标继续稳居世界排名第一，显示出中国 互联网的规模价值正在日益放大。同时，随着3 g 时代的到来，无线互联网将呈现 2 i p 网络测量仪网络设备测试方法设计与实现 出爆发式的增长趋势，网络求职、网络购物等实用型互联网应用率也大幅增长。 这些均表明我国互联网发展日趋成熟，网络媒体、网络商务等互联网深层次应用 比例大幅的提升，我国互联网正经历着由娱乐化应用向价值应用时代的转变。 3 3 8 0 0 7 2 9 8 0 0 ? f 2 1 0 0 9 尸 1 3 7 0 0 9 4 0 0 | 7 9 5 0 1 1 1 0 0 5 9 1 0 3 3 7 0 2 2 誓 l-iiliii1l 数据来源：中国互联网络信恳中心( c n n i c ) 图1 1 历次调查上网用户总数 q 州i c 报告显示( 如图1 1 所示) ，我国网民规模已经接近3 亿，较2 0 0 8 年 增长4 1 9 ，互联网普及率达到2 2 6 ，略高于全球平均水平( 2 1 9 ) 。这是继 2 0 0 8 年6 月中国网民规模超过美国，一举成为全球第一之后，中国的互联网普及 再次实现飞跃，赶上并超过了全球平均水平。与此同时，调查显示，过去半年来， 9 0 6 的中国网民使用过宽带接入互联网，也就是说，2 7 亿中国网民使用了宽带 访问互联网，较2 0 0 8 年增长一个多亿。网民规模的增长推动中国互联网网络价值 的提升。随着网民规模的快速增长，网络的商业价值倍增。 随着用户数量的急剧增加及新业务的不断出现，网络技术的发展总的来说具 有以下几大特点：通信速率越来越高；综合性越来越强：网络技术和网络环境越 来越复杂。排除网络的故障、解决网络的瓶颈、提高网络的性能不仅是保护了网 络部门的利益，更是保护了用户自己的利益。怎样面对网络中出现的诸多疑难问 题，使网络在一个合理的状况下运行，为数据用户提供高质量的服务，是摆在网 络运营维护人员面前的关键问题。诊断工具的先进性是运营好网络的必要条件， 如何方便地查找网络的故障、实时跟踪网络资源的利用情况、预见网络的故障所 在等都取决于测量仪器。由此，网络测量仪器成为了一个关键的课题。 1 2 国内外研究现状 网络测量是指通过收集数据或分组的踪迹，以分析不同的网络应用在网络中 一 一 一 一 一 一 一 舢 舢 。 第一章绪论3 的分组活动情况的技术，它是对网络进行有效管理的前提。网络测量近年来获得 了广泛的关注，在测量方法和测量体系结构方面上取得了一定的成果，具有特定 功能的测量工具【l j 也应运而生。 二十世纪七十年代末，国外一些学术团体和标准化组织开始研究由第三者进 行的网络软件硬件测试技术。除了一些知名的仪表制造厂推出系列化的仪表外， 很多其他公司也加入了这一领域，提出了各种各样的测量体系结构。典型的体系 结构或项目有：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 ) 开发的网络分析基础结构 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 ) 【2 】；美国国家科学基金n s f 和d a r p a 资助 的国家i n t e m e t 测量基础框架( n i 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 ti n f r a s t r u c t u r e ) 吲；i n t e r n e t 数据分析合作组织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 a a n a l y s i s ) 提出并实现的s k i t t e r 和c o r a l r e e f ii n t e m e t2 的s u r v e y o r ：由s l a c ( s t a n f o r dl i n e a ra c c e l e r a t o rc e n t e r ) 发起的端到端性能监控项目p i n g e r ( p i n g e n d - t o e n dr e p o r t i n g ) h ；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 d p a s s i v en e t w o r kd i s c o v e r y ) 1 5 j 项目；由w i s c o n s i n - m a d i s o n 大学的p a u lb a r f o r d 提 出的g i m i ( g l o b a li n t e m 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 ) 1 6 】；此外还有日本的m a w i ( m e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i so fw i d e a r e ai n t e r n e t ) 1 7 j 、欧洲p p n c g ( p a r t i c l ep h y s i c s n e t w o r kc o o r d i n a t i n gg r o u p ) 【8 】的测量项目、加拿大t r i u m p 实验室和新西兰 w a n d ( w a i k a t oa p p l i e d n e t w o r kd y n a m i c s ) 1 9 j 项目所采用的测量监控方案，i e t f ( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 的i p p m ( i n t e m e tp e r f o r m a n c em e t r i c s ) 工作组 也制定了相应的性能指标和测量方法的建议。 另外，美国硅谷有数家大的网络测试实验室，如t o l l yg r o u p 、k e yl a b s 、l a n q u e s t 等等，它们拥有先进的测试工具、规范的测试方法、一批富有经验的测试技术人 才，专门提供独立公正的第三方的测试服务，提供权威的测试报告。测试实验室 本身也组织公开的对比评测，为用户、系统集成商在设计网络、选购网络产品方 面提供咨询和指导，有些实验室还为网络工程建设提供第三方的测试、评估和监 控。 国内清华大学提出了大规模互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 m e t p e r f o r m a n c em o n i t o rm o d e l ) l 姗，借鉴了i s o ( mi n t e m 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 ) 的层次结构思想，将整个模型分为数据采集、数据管理、数据分 析、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 tn 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 k a p p l i c a t i o np e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ) 1 1 j ，提出应用探 针和区域探针的分布式体系结构。北京航空航天大学提出了可定制的网络测量基 础架构c n m i ( c u s t o m i z a b l en e t w o r km e a s u r e m e mi n f r a s t r u c t u r e ) 1 1 2 】，利用j a v a 4 口网络测量仪网络设备测试方法设计与实现 平台实现系统的可移植性和可扩展性。 目前，我国网络测试还处于起步阶段，各个方面与国外的差距都比较大，从 网络设备测试到网络系统测试都比较薄弱。网络测试仪器主要由国外公司垄断， 如安捷伦( a g i l e n t ) 的网络分析仪、应用分析仪，福禄克( f l u k e ) 的网络测试仪 o n e t o u c h ，o p t i v i e w ，n e t t e s t 的i pi n t e r e m u l a t o r ，思博伦( s p i r e n t ) 公司的 s m a r t b i t s 2 0 0 0 6 0 0 0 ，以及i x i a 公司的认等，这些公司占很大的市场分额【l 3 1 。 国内从事网络测试仪器的研制与生产的企业很少。国内一些科研院所对网络性能 测试的研究，主要还停留在网络性能测试方法的讨论和研究，均未形成产品。 市场上现有的便携式网络测试仪只关心物理层连通和往返性能测试，而在具体应 用层面测试有很大局限性。比如：西安文华科技有限公司生产的n a 3 1 0 0 网络测 试分析仪是一款集监测、分析、统计、解码等功能为一体的网络测试与维护工具， 但是该仪器主要关注物理层的测试，分析的结果不便于普通用户分析网络的性能。 且不是手持便携式仪器。北京通测科技有限责任公司生产的c t 3 2 1 b 2 m 误码测试 仪，虽然经过几代的改进，但主要用于数字传输网误码等差错性能的测试，与本 项目的定位不同，本项目的测试内容更贴近网络应用。 网络规模快速扩大，用户要求进一步提高网络服务质量，使得网络业务提供 商扩大了测试仪器的投资，相应的也刺激了对网络测试仪器的需求。同时，网络 业务提供商要求网络设备生产商提供可靠、高效的网络设备，使得网络设备生产 商也扩大了在网络性能测量研究方面的投资。据赛迪顾问预测，2 0 0 9 - 2 0 1 1 年中国 通信测试市场将保持1 3 左右的增长率，2 0 11 年市场规模有望突破4 5 亿元。 1 3 口网络研究的主要意义 i n t e m e t 已经渗透到社会生活的各个角落。随着i n t e m e t 的飞速发展，m 业务 量的快速增长和新应用的涌现，人们越来越关注网络的性能，因此对其的测量和 研究也就成为一项具有重要意义的工作，以下指出几种研究的需要【1 4 】： l 、m 网络性能监控的需要 网络测量为网络开通后提供性能检验、考核指标的手段，为网络工程提供验 收依据，为网络运营提供实时或阶段性性能监控工具；通过测量可进行网络诊断， 如发现网络瓶颈节点或链路，确定镜像服务器的位置，有效配置资源，为网络规 划、改造、及时解决性能问题提供参考和依据( 如，若检测到w e bs e r v e r 处于拥 塞状态，可采用负载均衡策略进行处理；发现网络瓶颈，通过扩容予以解决等) ； 通过网络流( f l o w ) 的测量可提供计费依据。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 、m 网络安全评估、入侵检测与防护的需要 第章绪论 5 网络安全是用户和i s p 、a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) 考虑的首要问题 之一，借助于端口扫描等手段对i p 网络进行脆弱性分析( v u l n e r a b i l i t y a 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。 网络入侵( i n t r u s i o n ) 一般是由于系统固有的安全漏洞合法工具的滥用( 如 p a c k e ts n i f f e r ，p o r t s c a n 等) 不正确的系统维护措施低效的系统设计和检测能力。 3 、研究网络新技术的需要 网络测量为q o s 控制技术如接入控制、拥塞控制技术提供了定量选择参数的 依据。实验测量和行为规律分析也可以对协议的设计提供参考。流量整形机制， 首先需要按五元组( 源，i p 地址，两端口地址，m 协议) 对业务流进行分类，这 就涉及到捕获分组头的问题，即被动测量。 新一代的网络设备，基于网络测量掌握口网络及其业务特征可以使新技术达 到最佳的运用，使设备工作在最佳状态。n g i 将采用m v 6 协议，这样网络的业务 量规律、性能行为模式将发生新的变化，需要进行网络测量尽快掌握这些规律。 无线网络的发展也对i p 网络测量的研究提出新的课题，除了考虑传统因素外，还 应考虑节点移动性，信道衰落等。 4 、网络管理的有力补充 网络管理技术促进了网络测量技术的研究，研究网络测量的体系结构、机理、 方法时，可以借鉴网管的体系结构及相关技术。反过来( 事实上) 网络测量又是 网络管理的基础，属于网管基础性的研究范畴，也是现有网络管理技术的强有力 的补充。 传统网络管理一般需要被管设备支持简单网络管理协议( s i m p l en e t w o r k m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，s n m p ) ，限制了网管的广度和深度，采用s n m p 的网络拓扑 发现能力小于5 0 。实际运营的网络往往需要进行协议分析、流量分析、端到端 性能分析、网络承载的业务类型分析、预测和快速定位故障，对协议和应用的设 计、实现和改进提供指导，对这些问题传统网络管理功能严重不足，而网络测量 与分析恰好弥补了这一缺陷。 通过测量建立网络的业务模型( s e r v i c em o d e l s ) 管理网络，也可提供对s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t , 服务等级协议) 的管理。通过测量发现并改正病态路由， 对路由长期观察制定选路策略，在网络受到破坏后的网络资源自组织等。 我们通过研究设计测量仪表，一方面，能解决网络实际运营过程中存在的问 题，快速排除故障。另一方面，通过长期监控建立网络运行的性能基准，对网络 的优化提供重要的借鉴。同时，也将使我国拥有具有自主知识产权的网络测试仪 表，对我国互联网络的运营、管理和维护具有重要的实际意义。 6m 网络测量仪网络设备测试方法设计与实现 1 4 主要贡献及论文安排 本文来源于国家自然科学基金重点项目：“基于网络探测的m 网络拓扑发现和 性能分析的研究( 6 0 1 3 2 0 3 0 ) 和国家自然科学基金项目“下一代互联网性能测量 关键技术( 6 0 5 7 2 1 4 7 ) 。该项目主要内容为：研究m 网络探测及性能分析技术， 包括网络性能、拓扑、无线的探测和分析原理及技术、网络性能评价及分析预 测技术；探讨基于网络探测的新技术和新应用；研究从大规模数据中解析网络和 业务特性、网络和信息安全的理论及方法、架构及探测测量监控为一体的综合网 管体系；保证i p 网络安全有效运行，为发展有自主知识产权的网络探测体系及网 络新方法奠定基础。 本论文针对p 网络性能测量的一些关键技术和方法设计并实现了端到端便携 式p 网络性能测量仪s m a r t t e s t e r 2 1 0 0 ，该测量仪采用了嵌入式l i n u x 操作系统和 基于a r m 微处理器的硬件平台，实现了对口网络性能的测量。论文重点研究了m 网络性能测量仪表的两项关键技术口网络测量仪流量产生和r f c 2 5 4 4 测试基 准研究，进行了编程实现，并且通过实际测试达到了设计的要求，从而为进一步 掌握被测设备的真实状况和网络真实的行为特征、网络协议和控制机制等提供可 靠的理论依据。另外论文还对基于特定嵌入式设备的图形用户界面的高效g u i 设 计进行了研究。 本文的创新之处在于：针对仪表测试功能，基于l i b n e t 库实现流量发生器的 设计，构造和发送完整协议数据包，实现网络流量可控：依据评测网络互连设备 的r f c 2 5 4 4 基准测试指标，提出测试方法，对r f c 2 5 4 4 模块进行软件设计与实现。 本论文的内容安排如下： 第一章：介绍t c p i p 网络发展现状、国内外网络测量及仪表的研究和全文内 容安排； 第二章：介绍嵌入式m 网络测量的关键技术和实现背景，着重说明了i p 网络 性能的测量指标和测量方法：阐述了嵌入式l i n u x 系统下图形用户界面的开发和嵌 入式l i n u x 系统下网络编程原理；对r f c 2 5 4 4 基准测试进行概述； 第三章：介绍了基于a r m 微处理器的硬件平台和嵌入式网络测量软件平 台设计方案，描述了嵌入式m 网络测量仪的软件总体架构；说明了i p 网络测量仪 的主要模块功能和实现，提出在口网络测量仪中嵌入r f c 2 5 4 4 模块； 第四章：分析网络流量概念及流量产生方法，在l i b n e t 基础上设计流量发生 器，产生了各种完整的协议数据包，控制和提高了发送流量； 第五章：主要分析了r f c 2 5 4 4 基准测试性能指标及其各项具体测试方法，利 用l i n u x 网络编程对各项参数进行模块设计和实现，可应用于网络互联设备测试； 第六章：结束语。总结全文，并展望后续工作。 第二章口网络测试技术概述 7 第二章ip 网络测量技术概述 随着i n t e m e t 应用的普及和深入，各行各业对从信息产业获得了巨大的推动力， 如电子邮件和电子商务等等，同时，i n e t e m e t 的飞速发展也迫切需要提高其性能， 人们越来越需要良好的服务质量、充分的安全保证，i s p ( i n t e m e ts e r v i c e sp r o v i d e r ) 也需要加强对i n t e m e t 网络的管理。新一代i p 网络技术的研究与发展，需要了解网 络的运行规律以及验证新的协议、算法、策略机制的效能，使得系统研究口网络测 量成为必然而迫切的需求，m 网络性能测试也越来越受到国际上的普遍关注。 2 1m 网络测量技术及方法 2 1 1i p 网络测量的基本概念 网络测量就是遵照一定的方法和技术，用软件或硬件工具对一个已存的网络 或者网络设备进行性能测试，以发现问题、考核指标、评估性能，如验证网络配 置、拓扑结构是否合理，系统是否存在瓶颈，系统运行是否稳定等。网络测量还 可以借鉴物理学中测量物理量的方法。 实际网络测量包含以下三个要素【1 5 】： 测量对象：被测量的节点、链路或应用等。测量节点、链路或者网络的具体 特征，如链路的时延、吞吐率、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、吞吐率、系统容量和最大稳定链接数等； 测量环境：包括测量点的选取、测量时间的确定、测量设备以及通信链路的 类型等； 测量方法：针对某一具体的网络行为指标，应选取合适的测量方法，测量方 法至少应该满足稳健性即被测网络的一点变化，不会使测量方法失效；其次， 可重复性即同样的网络条件，多次测量结果应一致；再次，准确性也就 是说测量结果应能反映网络的真实情况。 2 1 2i p 网络测量的测量指标 参与制订网络测量的组织或机构有：i n t e r n e t i 程任务组( i n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ，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 ) ，b m w g ( b e n c h m a r k i n g m e t h o d o l o g yw o r k i n gg r o u p ) ，r m o n m i b ( r e m o t em o n i t o r i n gm i b ) ，t 1 a 1 3 ， i t u - ts g l 2 ，s g l 3 等，此外i e t f 的p s 舢v m ( p a c k e ts a m p l i n g ) 和i p f ( i pf l o w i n f o r m a t i o ne x p o r t ) 也定义了有关的度量。m t fi p p m 制定了i p 性能度量的框架。 8i p 网络测量仪网络设备测试方法设计与实现 i p 网络是由节点、链路，运行于其上的协议以及各种应用组成，这里按照测量 对象可以将测量指标【1 4 】分为以下几类： 1 、节点性能测量指标 网络节点是指网络互连设备，包括各协议层的网络连接设备，例如网络层的 路由器、传输层应用层的主机设备等。节点性能测量指标包括： 吞吐量：单位时间内传送通过网络中给定点的数据量，也指被测设备在不丢 弃测试帧的前提下所能支持的最大速率。 转发率：单位时间内转发的数据分组帧的数量。 丢弃数：在一段时间内网络传输及处理中丢失或出错的信息分组帧数。 丢弃率：分组帧丢弃数与总分组帧数的比率。 节点处理时延：数据分组或帧进入节点到离开节点的时延。 背靠背性能：从空闲状态开始，针对某种传输媒质，以最大帧速率发送突发 传输流，在无帧丢失时的最大突发长度。 2 、链路性能测量指标 网络链路是指连接两个相邻的同层网络节点的物理或逻辑链路。同层网络节 点可以是物理层、数据链路层、网络层或传输层端到端应用层的网络连接设备。 其中，网络链路指标包括： 带宽：单位时间内所能传送的比特数，包括链路的可用带宽和容量。 信道利用率：一段时间内信道处在占用状态的时间与总观察时间的比值。 带宽利用率：实际使用的带宽与链路容量的比率。 链路的帧传输延时：包括在链路上的传播时延和末端节点的排队时延之和。 3 、端到端测量指标 端到端路径指标包括一条端到端网络路径上所对应的协议层次上的性能指 标。包括： 瓶颈带宽：端到端路径上的最大带宽( 容量) 。 可用带宽：端到端可用带宽是指一条端到端路径在不降低竞争业务吞吐率的 前提下能给一个新的流提供的最大吞吐率，即最大剩余带宽。 时延：数据分组在网络中传输的延时时间( 包括单向时延和往返时延) 。 时延抖动：连续的数据分组传输延时的变化。 大批量传输容量：网络传输具有拥塞意识的单个连接能传输的最大数据速率。 分组丢弃率：端到端路径上分组丢弃的比率。 4 、网络测量指标 网络性能指标包括网络边界上入、出端点对之间的性能指标和网络整体所体 现的性能指标。两个端点之间的性能指标是网络的基本性能指标，通过对这些基 本指标进行综合分析、计算，可得出网络整体的性能指标，例如，网络吞吐量、 第二章i p 网络测试技术概述 9 网络分组丢弃率、网络互连通性等。 5 、网络协议测试 协议测试主要包括： 一致性测试( c o n f o r m a n c 冶t e s t i n g ) ：主要测试协议实现是否严格遵循相应的 协议标准，判断网络产品的协议是否符合协议的国际标准，它是协议测试的最基 本内容。 互操作测试( i n t e r o p e r a b i l i t yt e s t i n g ) ：关注同一个协议标准，不同协议实现 之间的互连通问题。 性能测试( p e r f o r m a n c et e s t i n g ) ：用实验方法观测被测协议实现的各种性能 参数。 稳健性测试( r o b u s t n e s st e s t i n g ) ：检测协议实体或系统在各种恶劣环境下运 行的能力。 6 、网络应用测量指标 针对于网络应用的性能测试主要针对于特定的应用，如w e b 应用，评价指标包 括： 应答延迟( r e s p o n s ed e l a y ) ：从请求建立网络连接到应答结束拆除连接之间 的时间。在不同的时刻对不同的请求一般不相同。 平均应答延迟( m e a nr e s p o n s ed e l a y ) ：大量请求( 通常指一个测试集中的 所有请求) 的应答延迟的平均值。侧重于评价w e bs e r v e r 的平均性能。 吞吐率( r e s p o n s ep e rs e c o n d ) ：非空闲状态下，系统在单位时间内响应的请 求个数。所谓非空闲状态，就是指在计算吞吐率时只考虑系统负载不为零的时间 段。 系统容量( s y s t e m c a p a c i t y ) ：非空闲状态下，系统单位时间内能够响应的最 大请求数，即为上述吞吐率的最大值。这是评价w e b 性能的一个重要指标。对一台 特定的w e bs e r v e r 系统而言，其系统容量一般是一个固定值，由机器的软、硬件配 置和运转情况所决定。 系统带宽( s y s t e mb a n d w i d t h ) ：系统在单位时间内传输的字节数，通常也称 为吞吐量。它侧重于描述系统中与传输有关的组成部分的性能。 最大稳定连接数( m a x i m u ms t a b l ec o n n e c t i o n s ) ：在性能比较稳定、没有明 显下降的前提下，系统能够支持的最大同时连接数。 2 1 3i p 网络测量的关键技术 网络测量的关键技术【1 6 】包括：探测分组的选择、“噪声 分组的过滤、测试点 的选择、业务模型分析以及时钟的同步。下面分别介绍。 l o 网络测量仪网络设备测试方法设计与实现 1 、探测分组的选择 对大多数指标测试，可以通过捕获网络上实际运行的业务量数据，进行分析 获得，但有相当一部分指标，需要采取主动探测技术。探测分组序列设计包括： 确定分组类型、分组大小、发送间隔、探测分组数目和相邻两次探测之间时间间 隔的大小。针对不同目的常有：单分组、分组对、四分组、分组链等技术，测试 序列中分组大小及分组间隔的安排要根据实际的网络类型和测试指标确定。通常 带有一定的技巧性。另外探测分组中携带的信息对单向测量也很重要，如加上分 组序列号、时间标记等。 2 、“噪声 分组的过滤 采用主动测量时，难免受到“噪声”分组( c r o s st r a f f i c ) 的影响。所谓“噪声” 分组指夹杂在探测分组当中，或处于探测分组之前、之后对测量结果造成影响的 业务分组( 即背景流量) 。例如采用分组对( p a c k e tp a i r ) 或多分组( m u l t i - p a c k e t ) 技术 测量链路的瓶颈带宽时，难以保证探测分组在瓶颈链路处彼此相邻排队，可能会 在中间插有其它分组，导致时间扩展( 瓶颈带宽低估) ，或瓶颈链路之后在第一个 分组前插入其他分组，导致时间压缩( 瓶颈带宽高估) 。造成时间压缩和时间扩展 的分组就是测量过程中的“噪声。消除这些噪声可采用以下的方法。 ( 1 ) 求均值，但是由于“噪声 的随机性，该方法会造成较大误差； ( 2 ) 在带宽估计的分布值中，选择密度最大的点。如采用直方图统计技术，但 是事先不知道带宽的分布情况，直方图的条( b i n ) 的宽度不好给； ( 3 ) 采用在统计学中使用的非参数估计方法一核密度( k e r n e ld e n s i t y ) 估计算 法。 3 、测试点的选择 被动测量通常要访问路由器的数据，如果逐一访问每个路由器，会对网络造 成很大的开销。实验证明：在局域网的一台c i s c o4 0 0 0 系列路由器上，进行g e tn e x t 查询，在轮询期间使得路由器的吞吐率下降1 5 2 0 。 4 、业务模型分析 以前的业务模型一般基于泊松过程或贝努利过程，难以适应现在的网络业务 情形。研究表明：l a n 、w a n 、v b r 视频、w e b 、公共信道信令( c c s s s 7 ) 等 的业务具有自相似性( s e l f - s i m i l a r i t y ) 或长范围相关性( l o n gr a n g ed e p e n d e n c e ) 。 网络业务自相似性通常用h u r s t 参数来描述，估计h u r s t 参数普通的方法( 如w h i t t l e 估值器) 有些问题，因为人们对网络的使用受生活规律的影响具有某种周期性， 而基于小波分析估计h u r s t 参数可以克服周期性趋势的影响，我们对此做了验证，给 原始数据加上周期性的正弦干扰、方波干扰，小波估计法仍能正确的估计出h u r s t 参数。还可通过测量研究业务流( f l o w ) 的特征、网络的存活性( s u r v i v a b i l i t y ) 、 比较w r e b 服务器系统的性能等。 第二章口网络测试技术概述 l l 5 、时钟的同步 网络测量的精度主要受测量方法或算法的影响。v e mp a x s o n 利用在一对节点 之间进行正向、反向时延测量来确定收发时钟的误差，包括相对偏移( r e l a t i v e o f f s e t ) 和频差( s k e w ) 。后来又有人采用线性回归算法( 1 i n e a rr e g r e s s i o na l g o r i t h m ) 、 分段最小算法( p i e c e w i s em i n i m u ma l g o r i t h m ) 来消除时钟的不同步的影响，s u eb m o o n 等提出了基于线性优化的算法( 1 i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，测量和仿真表明线性优 化算法与其它算法相比，快速、稳定且易实现。 除了以上网络测量的关键技术外，还有其他许多问题，如网络测量和分析中 的抽样问题( 建议采用增量随机抽样，如p o i s s o n 抽样等) 、统计方法的应用等。 2 1 4p 网络测量的主要方法 必须采用一定的测量方法和测量系统研究网络性能指标。所以根据i p p m 在 r f c 2 3 3 0 中所指的，m 网络测量的方法必须满足结果重现性和连续性。所谓结果重 现性是指在相同的网络环境下( 相同的网络设施和负载) 不同的时刻采用该测量 方法进行测量，具有一致的测量结果。所谓连续性是指当网络环境具有微小的变 动，采用该测量方法得到的测量结果不应该有很大的变化。网络测量的方法按照 是否给网络注入测量分组可分为主动测量和被动测量；按照测量点的分布可分为 单点测量和多点测量；按照与被测网络的关系可分为合作测量和非合作测量；按 照测量方向可分为单向测试和环回测试。 1 、主动测量和被动测量 主动测量是将探测分组注入网络进行测量，如通过在一端发送探测分组，而 在另一端接收该分组，可以观测探测分组的行为和到达时间，估计端到端的延时、 丢包率等网络性能指标，如i e p m 、n i m i 、n l a n r a m p 、s u r v e y o r 、s k i t t e r 等网络 性能测量项目都采用了主动测量的方法。被动测量是在网络的某处布置数据采集 器，收集流过该处的网络业务流，进行分析、提取业务特征，获得性能数据，如 n l a n rp m a 、c o r a lr e e f 等网络测量项目。 2 、单点测量和多点测量 大部分的网络测量项目都采用分布式多点测量，如：n i m i 、r i p e 、n l a n r a m p 、p m a 、s k i t t e r 、i