（计算机应用技术专业论文）端到端网络瓶颈测量研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着i i l t 锄e t 的蓬勃发展，全世界的数据通信量爆炸性的增长，人们对网络稳定、可 靠、高效运行的要求越来越高。然而，1 1 1 t 锄e t 的性能受到网络结构、网络设备的处理速 度、链路可用带宽、用户数量等诸多因素的影响，时常由于部分网络节点的问题导致网络 拥塞、网络延迟增大等网络整体性能下降的现象。因此，对于i i l t 锄e t 网络瓶颈的研究有 十分重要的现实意义。 带宽和延迟是网络性能参数中最重要的两个因素，也是制约网络整体性能、影响网络 应用服务的重要因素，因此，对网络瓶颈的研究就是对网络以这两个参数作为衡量瓶颈指 标的研究。本文在网络测量内容及体系结构基础上，论述了带宽瓶颈测量的理论、方法模 型及相关应用，着重研究了可用带宽瓶颈定位的问题。目前，在可用带宽瓶颈定位的诸多 工具中，p a m n e c k 具有准确性高、快速、非目的端部署等特点而广泛应用。然而，在出现 突发的背景流量和网络急剧的延迟抖动的情况下，该工具定位网络瓶颈的准确性急剧下 降。本文针对p a m l o c k 算法中无法有效的适应网络的动态变化的问题，结合该算法自身 可以准确测量延时的特点，提出了一种基于延迟值分布函数的自控式采样的算法，并在实 验和实际应用中都取得了较好的效果。 本文还对网络瓶颈的持久性进行了研究，通过p a t l l l l e c k 获得的网络实时测量数据从 时间上和路由节点位置两方面研究了瓶颈的持久性，验证了网络瓶颈的相对持久理论。最 后，开发了一个基于p a l l t l l e c k 应用的网络瓶颈监测系统，用于实时网络测量应用及研究。 关键词：网络瓶颈；带宽瓶颈；p a t l l i l e c k ；持久性 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fi n t e r n e ta n dt h ee x p l o s i v eg r o w t ho ft h ed a t a c o m m u n i c a t i o nt r a f f i ca r o u n dt h ew o r l d ，s t a b i l i z a t i o na n dr e l i a b i l i t ya r er e q u i r e df o rn e t w o r k h i g he f f e c t i v e l yw o r k i n g h o w e v e r ，i n t e r n e tp e r f o r m a n c ea f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha s n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，p r o c e s s i n gs p e e do fr e u t e r sa n ds w i t c h e s ，a v a i l a b l eb a n d w i d t ho fl i n k s ， t h ea m o u n to fu s e r sa n ds oo n t h ep r o b l e m so fp a r t i a ln e t w o r kn o d e so f t e nb r i n gt h en e t w o r k p e r f o r m a n c et od e c l i n i n g ，a c c o m p a n i e dw i t hn e t w o r kd e l a y , n e t w o r kc o n g e s t i o na n do t h e r s i m i l a rp r o b l e m s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fi n t e m e tb o t t l e n e c k sa r eo f g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a n d w i d t ha n dd e l a ya r et h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e ，a n d a l s oa r et h ek e yf a c t o r sf o ra p p l i c a t i o n so fn e t w o r ks e r v i c e s a n dt h e ya r et h em a i nc o n t e n tf o r n e t w o r kb o t t l e n e c k sr e s e a r c h ，a st h ec r i t e r i o n so fl o c a t i n gn e t w o r kb o t t l e n e c k s o nb a s i so f c o n c e p t sa n dp r i n c i p l e sa b o u tt h en e t w o r km e a s u r e m e n ta n di t sa r c h i t e c t u r e ，t h eb a n d w i d t h b o t t l e n e c k sm e a s u r e m e n tt h e o r y , m e t h o d s ，m o d e l sa n dr e l a t e da p p l i c a t i o n sa r ed i s c u s s e d , e s p e c i a l l yf o rl o c a t i n ga v a i l a b l eb a n d w i d t hb o t t l e n e c k s p a t h n e c ki sat o o lt h a tc a nf a s tl o c a t e t h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hb o t t l e n e c k s ，a n di ta l s on e e d n tt h ec o o p e r a t i o no fd e s t i n a t i o n b u t u n d e rt h ec o n d i t i o nw i t hb u r s t i n gc o m p e t i n gt r a f f i ca n ds u d d e nd e l a yv a r i a t i o n , i tc a n n o t c o r r e c t l yl o c a t et h eb o t t l e n e c k s i nv i e wo ft h ep r o b l e m st h a tt h ea l g o r i t h mf o rp a t h n e c k l o c a t i n gn e t w o r kb o t t l e n e c k so fa v a i l a b l eb a n d w i d t h ，w h i c hi su n a b l et od ot h ee f f e c t i v e a d a p t a t i o nf o rt h en e t w o r kd y n a m i c a l l yc h a n g i n g ，w ep r o p o s e dan e wa u t o - c o n t r o ls a m p l i n g a l g o r i t h mb a s e do nt h el e n g t ho fd e l a yd i s t r i b u t e df u n c t i o n ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fp a t h n e c k m e a s u r i n gt h ev a l u eo fd e l a y i th a ss o m ei m p r o v e m e n ti np r a c t i c e f u r t h e r m o r e ，w ea l s oh a v es o m er e s e a r c hf o rt h ep e r s i s t e n c eo fa v a i l a b l eb a n d w i d t h b o t t l e n e c k s t h r o u g ht h ed a t ao b t a i n e db yp a t h n e c k ，w em a k ea l la n a l y s i sf o rp e r s i s t e n c ef r o m t i m ea n dl o c a t i o no fr o u t e r sa n dp r o v et h et h e o r yo fb o t t l e n e c k sp e r s i s t e n c e a tl a s t ，w o d e v e l o p e dam o n i t o r i n gs y s t e mf o rn e t w o r kb o t t l e n e c k sb a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fp a t h n e c k k e y w o r d s ：n e t w o r kb o t t l e n e c k s ；b a n d w i d t hb o t t l e n e c k s ；p a t h n e c k ；p e r s i s t e n c 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含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，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 姆吼趟坐 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名：选童当 指导教师签名： 盖。星鱼： 日 期：邋：堑：羔 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着i i l t e n l e t 的蓬勃发展，各种新的网络应用与需求层出不穷，如网上购物、电子银行、 网上炒股等实时业务己经在全球范围内得到广泛应用，这导致了全世界的数据通信量出现 了爆炸性的增长。与网络规模不断扩大，宽带接入用户不断增长对应的却是用户的数量的 迅猛增长、网络复杂性的提高和用户对网络连接速度与服务质量抱怨的增加，中国互联网 络信息中心( c n n i c ) 在2 0 0 8 年7 月2 4 日发布的第2 2 次中国互联网络发展状况统计报告【l 】 中数据显示：截至2 0 0 8 年6 月底，中国网民数量达到了2 5 3 亿，首次大幅度超过美国，跃居 世界第一位，宽带网民数达n 2 1 4 亿人，也跃居世界第一互联网已经发展成为国内增长 最快、市场潜力最大的产业之一，而用户对当前互联网网络速度的满意程度为4 0 8 ，对 当前互联网总体满意度仅有3 8 9 ，网络的服务质量( k s ) 、可靠性和效率成为用户主要关 心的问题。而网络尽力而为( b e s t e 饷n ) 的服务和网络流量的突发特性使得人们长期以来对 数据通信网的流量特征、路由行为、资源利用、延迟与带宽特性和总体性能缺乏理解，也 缺乏精确的模型描述。为了深入了解i i l t e n l e t 运行的内在机制，近些年来人们一直在对网络 进行大规模的测量与测试，通过对测量数据的分析与模型化研究各种网络行为并进行性能 分析，得到了反映网络运行状况的性能指标，并由此展开了对网络性能全方面的研究。而 网络测量就是网络性能研究与网络规划的重要手段之一。 网络测量的目的是为了了解网络运行行为，认知网络运行规律，研究制约网络运行的 性能因素，为网络正常、有效的运行提供支持。在现实网络运行中，存在许多制约网络运 行性能的因素，如包延迟、丢包率、吞吐量和带宽等，人们对影响这些因素的瓶颈进行了 相应的研究。目前研究最为广泛的是端到端的带宽瓶颈和延迟瓶颈，这两个因素正是网络 瓶颈测量研究的核心内容。带宽瓶颈是网络瓶颈一个重要内容，是从网络带宽指标的角度 反映网络瓶颈。而延迟瓶颈则是从网络传输过程中时间延迟这个指标的角度反映网络瓶 颈。人们通常以带宽瓶颈作为网络的主要瓶颈。故对网络带宽瓶颈测量的研究是网络瓶颈 测量的主要研究内容。 网络瓶颈带宽和可用带宽是网络带宽的评价的两个重要标准。网络带宽是网络性能的 最基本、最重要的指标参数，也是衡量网络服务质量的重要指标之一，对其准确的估计与 测量是网络测量必须解决的问题之一，而相关测量算法和估计模型的研究一直是网络测量 领域的研究热点和难题。因而对网络瓶颈的研究也一直是网络测量领域的热点和难题，同 时也是对网络性能研究的热点和难点。通过对网络瓶颈的测量，可以使用户了解网络中各 个组件运行情况，并就异常组件的运行状况反映给用户，为用户提供改进网络性能及服务 质量解决方案的依据。 近年来，以i t u t 提出的通用电信服务评估标准为基础，s l a ( s e i c el e v e la g r e 锄e n t 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 服务水平协议) 作为服务提供商与用户签署的法律文件保证服务质量，在业界得到广泛的 关注。随着关键的商业活动对服务应用的依赖程度的不断增加，s l a 已逐渐成为服务系统 中不可分割的一部分，s l a 的实施无疑对传统的服务理念和管理方式提出了新的挑战。以 i p 业务为核心的新一代的电信网管理变得更加复杂，更加强调应用层服务的可用性和网络 性能的确定性。带宽和延迟作为i s p 与用户共同关心的网络资源，直接反映了网络的性能状 况和业务保证能力；同时，从应用层定位业务端到端性能瓶颈，可以弥补传统网管软件的 不足，为i p 网络的科学管理、有效控制和合理利用提供科学依据。因此，网络端到端性能 瓶颈测量可以帮助我们更及时发现网络故障，更好的保证网络的正常运行。提供反映链路 健康状态的各项指标信息，对用户业务所经过的网络环境进行评估，了解网络运行状况， 为网络扩容、规划提供必要的数据。 本文主要研究了网络瓶颈的测量技术，讨论了瓶颈带宽和可用带宽测量的模型、方法、 工具及需要解决的关键问题，对网络瓶颈的持久性也做出了相关研究，并构造了一个网络 瓶颈监测系统对采集的实时数据进行分析和对比，以更加直观详细地表现网络瓶颈测量研 究的成果，从多个层次反映网络拓扑结构中网络瓶颈，为改进网络性能状况、提供更好的 网络服务质量提供理论基础和技术支持。 1 2 国内外研究现状 网络瓶颈测量技术是基于网络测量技术的不断发展而发展起来的，尤其是带宽测量技 术的发展更是促进了网络瓶颈测量的深入发展。从2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代初，出现了 简单的主动测量工具，如p i n g 、t r a c e r o u t e 等，用以测量网络基本性能指标如往返时间 ( i u 哪、丢包率、路由跳数等；到了9 0 年代中后期，测量技术得到了长足的发展，能测 量更全面的网络性能指标如带宽、瓶颈带宽、可用带宽、延迟、背景流量等。 瓶颈带宽的测量从9 0 年代初就开始引起人们的关注，随着带宽测量技术的不断发展 而逐渐发展起来并已经成为带宽测量的一个重要组成部分。到目前为止，瓶颈带宽的测量 主要采用了以下两种方法：( 1 ) v p s ( v a r i a b l ep a c k e ts i z e ) 【2 】：该方法主要利用不同大小 包的各种最小延迟求逐条链路的带宽，然后比较最小带宽。其主要测量工具有p a t h c h a r t 引、 p c h a r 【4 】、c l i n k 5 】和b i n g 【6 】等；( 2 ) p p t d ( p a c k e tp a i r p a c k e t t r a i nd i s p e r s i o n ) 7 1 ：该方法 主要基于包分散技术实现，背靠背发送两个或多个数据包，根据背靠背数据包由于排队形 成的间隔估计瓶颈带宽。b o l o t 引、c a r t e r 与c r o v e l l a 9 1 、p a x s o n 【1 0 1 以及d o v r o l i s 1 l 】等人使 用数据包对测量路径的瓶颈带宽，但缺点是测量结果易受背景流量影响，并且不能提供端 到端延时的性能参数，难以满足如i p 电话、视频会议等应用的需要。p a x s o n 1 2 】、s t o i c a t l 3 】、 b a n e r j e e 与a g r a w a l a 1 4 】使用的多数据包方法与前述方法相比，同时考虑了同一个流中的 其它数据包和端到端延时。主要测量工具有s p r o b e i l s 】，p a t h r a t e0 6 】，t c p a n a l y l l 7 】和 n e t t i m e r t l 8 。 c a r t e r 和c r o v e l l a 提出了一种测量有效带宽的方法叫c p r o b e 1 9 1 ，它是测量可用带宽 的先驱。它通过传输较短的i c m p 数据包列来估计可用带宽。可用带宽测量值为探测通信 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 被最后一个i c m p 到达回复和第一个i c m p 到达回复分成的间隔。可用带宽测量主要分为 两类即包速率方法( p r m ，p a c k e tr a t em o d e l ) 2 0 】与包间隔方法( p g m ，p a c k e tg a pm o d e l ) 【2 1 1 。p 跚是基于“自引入阻塞 ( s e l f - i n d u c e dc o n g e s t i o n ) 概念的个测量模型，通过发送 不同速率的数据包所成的线性关系，来推导出链路的可用带宽，典型的测量工具有 p a t h l o a d 2 2 】。p g m 是在包对队列基础上发展而来的，其原理比较简单，主要是运用数据 包队列在瓶颈链路中传播时间差值与数据包长度的比值来推断可用带宽。相关测量工具 有：s p r u c e 2 3 1 、i g i 2 4 】和d e l p h i 2 5 1 。 上面介绍了网络瓶颈中带宽瓶颈的主要研究内容，而延迟瓶颈是网络瓶颈研究的又一 个方向。目前很少有人对延迟瓶颈做相应的研究，但延迟的测量和分析己经有了一些研究 成果。延迟一直是人们很关注的一个重要的网络参数，也是网络性能的一个重要参考指标。 d l m i l l s 在1 9 8 3 年使用p i n g 研究了延迟和不同包大小之间的关系以及重传超时算法【2 6 1 。 d s a n g h i 等人在1 9 9 2 年研究了三条链路的特征，实验发包的间隔为3 9 6 m s ，实验持续时 问为l 小时，发现r t t 每9 0 秒钟显著增加一次，该现象被确定是某些路由器的设置问题 【2 7 1 。j c b o l o t 利用周期性发送u d p 包的方式测量往返延迟，分析了i n t e m e t 中的端到端 的包延迟和丢失行为【2 引。此外，a a c h a r y a 等人在1 9 9 6 年研究了l m 的分布特征以及变 化特钳矧。s b m o o n 在1 9 9 8 年研究了在一个连续的媒体流中包延迟和包丢失之间的相关 性 3 0 1 。g a l m 铬等人在1 9 9 9 年分别对单向延迟和往返延迟概念和测量方法做了详细的介 绍【3 1 l 【翊。这些研究成果一直沿用到今。 国内对于网络瓶颈的研究也主要集中在对带宽瓶颈的研究，尤其是基于网络带宽的测 量方面的研究，一些主要研究机构如中国科学院计算技术研究所信息网络室网络测试实验 室、中国互联网络信息中心等，他们从整体上研究网络体系结构和网络性能评价标准，包 括网络带宽测量研究、网络延迟分析等各个网络的性能指标的研究，同时研发出相关的测 量及测试的软件工具。 目前，研究网络瓶颈的工具和方法都是基于网络带宽测量技术，延迟瓶颈方面的研究 相对较少。但随着网络带宽相关理论、测量方法、分析模型研究的逐渐深入，网络延迟测 量技术的不断发展，网络瓶颈测量技术会越来越成熟。 1 3 本文研究内容 本文主要研究了网络瓶颈的主动测量技术，针对现有的网络瓶颈定位方法进行了分 析，选取了几种典型的网络瓶颈测量工具进行了深入研究和测试，并且构造了一个系统用 于对这几种工具的测量数据分析和对比，力图能直观、详细、全面的反映网络中的网络瓶 颈点。本文所做的工作主要包括： ( 1 ) 研究了网络测量以及带宽测量相关理论，对网络测量基本理论以及带宽测量技术 进行了分析研究。 ( 2 ) 对现有的网络瓶颈测量技术的原理和优缺点进行了详细的分析。包括对瓶颈带宽 测量技术和可用带宽测量技术的研究。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 详细介绍了一个新的网络瓶颈定位工具_ p a t l m e c k ，并结合其瓶颈定位特点提出 了一个新的改进的算法，取得了较好的效果。 ( 4 ) 基于p a t l m e c k 工具构造了一个网络监测系统，用于采集网络实时数据，分析网络 瓶颈相关特性，并对网络瓶颈的持久性的进行了研究。 1 4 本文结构安排 本文分为六章，各章内容组织如下： 第一章简要说明了网络瓶颈测量的研究背景及意义，分析了国内外的研究现状，并 介绍了本文的研究内容、目标以及结构安排。 第二章阐述了网络测量以及瓶颈带宽测量的相关知识，其中包括网络测量的研究领 域与主要应用，以及瓶颈带宽测量相关的一些基本模型和概念。 第三章分析了网络瓶颈测量方法，其中包括直接测量方法及问接测量( 通过对瓶颈 带宽的测量，来定位查找网络瓶颈) ，提出了网络瓶颈评价标准。 第四章详细介绍了基于p a t h n e c k 网络瓶颈定位方法及原理并提出改进算法。 第五章对网络瓶颈持久性作了相关研究及实验。 第六章总结了本文的相关工作以及还有待解决的问题。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 2 1 概述 第二章网络测量概述 网络测量技术源于上世纪7 0 年代，并在上世纪末期随着计算机网络的发展得到迅猛 发展。在网络测量方法、测量工具和网络中流量模型构建等各个方面都在不断的探索并取 得了一定的成果。由于国内计算机网络技术起步较晚，网络测量技术的研究是在上世纪 9 0 年代末期随i i l t 咖e t 网络在中国的迅猛发展而逐步发展起来。近些年随着网络规模的不 断扩大，网络用户的不断增加，导致网络流量激增，迫切要求网络服务提供商( i s p ) 在网 络规划和设计时对现有网络进行测量。网络流量测量，网络流行为的研究以及网络设备的 性能分析，都可以为下一步网络的发展提供依据。 网络测量是获得网络行为指标和参数的最有效的手段，是为最终建立高效、安全、可 预测和可控网络的基本环节。网络测量技术研究主要解决以下问题：测量需求和目的，测 量指标，测量方法和测量理论，测量实施时间、地点，测量频度的测量实施策略，测量精 度和可靠性分析，测量对网络影响，测量代价，测量实现技术等。具体研究领域包括： 1 ) 网络测量指标与算法：精确的测量网络运行行为以及活动状况的定量数据，网络测 量的主要参数包括站点的连通性、网络延迟、丢包率、路由信息、带宽、路径瓶颈、突发 业务量的频率、拥塞程度、动态瓶颈、吞吐量、带宽利用率、服务器和网络设备的响应时 间、最大的网络流量、网络服务质量( 包括图像、数据、语音等服务的质量) 等。在网络层 测量中，需要测量的一类属性是网络固有的，如网络拓扑和相关链路的链路容量，在较长 的时问内稳定，不会发生较大的变化：而另一类属性反映了网络的当前状态，如排队延迟、 连接可用性、路由的动态性、路径的可用带宽和带宽利用率，与网络路径状况和承载的网 络业务密切相关，随时间不断的动态变化。 2 ) 测量结果分析与模型化：使用模拟方法或统计方法推导出网络行为正式的描述模 型，找出其中的特征不变量和变化因素，用以预测将来某个时间的网络行为。 3 ) 网络控制，利用网络测量与模型化知识，对网络资源进行合理配置和优化，以实 现网络资源利用的最大化和最佳的总体网络性能。 从研究手段和方法上看，网络数据的采集、分析是网络测量技术的基础研究方法。 网络流量、网络拓扑和网络行为的建模分析研究是在此基础上的升华。从网络测量技术的 数学分析看，网络测量技术就是要将网络的拓扑结构、带宽、性能等参数映射成一个随时 空变化的函数。但是，由于网络的分布化，不协作性和异质性，再加上网络流量的复杂特 性，使得网络测量技术研究工作极具挑战性。 网络测量技术是了解网络行为，认识网络规律的基本方法及手段，是当前计算机网络 的研究重点领域之一。利用网络测量技术获得网络各项性能指标，是评价网络性能和行为， 建立和理解网络行为模型，设计高性能网络协议和网络设备，科学的指导网络规划与建设， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 保证网络正常运行与关键业务完成的重要条件，是建立高效、稳定、安全、可靠、互 操作性强、可预测、可控网络的重要前提和必要手段，是计算机网络研究必不可少的一部 分。 2 2 网络性能测量指标 网络性能指标反映网络某一物理或逻辑组件的特征【3 3 1 。它是描述网络性能的有效参 数，根据定义内容不同，基本指标主要包括：连通性( c o n n e c t i v i t y ) 、延迟( d e l a y ) 、丢包 率( l o s sr a t e ) 、延迟抖动( d e l a yv a r i a t i o n ) 、吞吐量( t h r o u g h p u t ) 、带宽( b a n d w i d t h ) 等。 连通性：是指在某时刻，源发送端向目的端发送某种类型的数据包，该数据包可以到 达目的端。连通性主要用于描述网络的可靠性，是网络业务完成的基本条件。如常用的 p i n g ( p a c k e ti n t e m e tn e t w o r kg r o p e r ) 命令就是用来判断从源端到目的端的连通性，同时也 可以测量出r t t 延迟的大小。 延迟：通常是指单向延迟( o n e - w a yd e l a y ) 即数据包的发送时刻石与数据包到达目的端 时刻乃的时间间隔( 正一正) 。延迟是网络性能重要的指标之一，尤其是对于实时性很强的 网络应用服务，其大小显得尤为重要。延迟的测量往往经过多次测量采样后取平均值。单 向延迟可以比较准确的反映网络的实际服务质量，但是由于测量单向延迟需要在发送端与 目的端分别测量数据包发送和到达的时间，且发送端与目的端时钟必须同步，相对测量要 求复杂些，于是产生了一种简便的测量延迟的方法，即数据包发送端发送时刻z 与数据包 返回发送端的时刻互的时间间隔( 互一z ) 称为往返延迟( r o u n d t r i pd e l a y ) ，通常简称为： i u - r 。在不考虑网络链路对称性或者精确度要求不是很高的情况下，r t t 延迟能够比较客观 的反映出网络实际运行性能情况，故r t t 在实际测量中运用的比较多。 延迟抖动：数据流中数据包之间延迟( 单向延迟) 的变化。在测量数据包结构大小相 同的前提下，若第f 1 个数据包的延迟为4 - l ，第f 个数据包的延迟为4 ，则延迟抖动定义 为lz 一以i 即两者之间的绝对值。延迟抖动从不同数据包之间的角度来反映网络延迟 的变化，直接影响网络应用之间的交互。例如：在语音网络中，如果网络中抖动延迟很大， 则通讯语音之间的会出现不连贯、时断时续的现象。 丢包率：某一段时间内网络传输及处理中丢失或出错数据包个数占传输包总数的比 例。网络发生拥塞使得路由器缓存溢出或数据包延迟过大，会导致数据包的丢失。丢包会 造成数据包的重传，导致网络负载增大，性能恶化。丢包率可描述网络当前负载状况和对 网络性能进行预测。 吞吐量：测量交换设备的数据包转发能力，通常指在不丢包的情况下每秒转发数据包 的数量。网络的吞吐量大小用m b p s 来表示。吞吐量是针对网络设备而言的，是对物 理设备的硬件要求，实际测量中的吞吐量比设备标识的要小。 带宽：指单位时间内物理通路理论上所能传送的最大比特数。带宽越大，网络单位时 间内能传输的数据就越多。网络带宽是表征网络信息传输能力的度量，是反映网络q o s 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 的重要参数，也是网络测量的重要指标之一。 2 3 网络测量技术 网络测量的直接目的是获取与网络运行有关的流量数据，通过对这些流量数据的分析 研究来获取与网络运行状态相关的性能参数指标。从总体上分析，网络测量包括流量描述、 网络监控和流量控制三个方面【3 4 1 。 流量描述的研究内容首先是识别流量的模式，尤其是峰值流量的模式，以及这些模式 的变化。同时，流量模式的分析应该具有多个时间尺度。其次是分析流量在网络上的分布， 流量的分布可以是基于一些对象的：流、网络接口、链接、节点、节点对、路径或者目标 节点。第三，根据不同路由器和网络上不同服务类型数据的表现来预测未来的流量负载。 第四，对流量模式的研究可以预测流量的变化趋势，从而为未来的协议设计等工作提供指 导。 网络监控是网络测量领域的重要组成部分。首先网络监控可以监视网络目前运行的状 态，找出错误或者可能导致错误的设备和操作。其次，由于网络服务的多样化，服务质量 的控制越来越重要。网络监控可以监视网络服务的质量和连续性，可以保证服务质量和等 级得到有效执行，可以对某个特定的服务提供性能上的监控。第三，随着m p l s ( m u l t i p m t o c o l 呦e ls w i t c h i n g ) 等具有网络流量工程功能的路由协议的应用，网络监控可以用来 检测流量工程策略的有效性，同时可以在网络性能的参数到达阀值的时候采用相应的策 略。第四，网络监控还担负了在边界路由器监视不同服务提供商之间的流量任务，这一任 务包括对网络内部和网络之间流量的交换进行估计，以及为服务提供商之间各式各样的流 量交换提供服务。 流量控制指的是可以根据网络测量的结果对网络流量进行一定程度上的控制。首先， 可以针对网络事件来动态地对网络性能进行优化。其次，网络测量为m p l s 等协议提供 了一种对流量信息进行反馈的机制。第三，网络测量可以用来支持基于测量的接入控制， 可以根据已经存在的流对带宽的需求为将来的流分配资源。 网络测量技术根据其测量过程中数据包的发送方式可分为主动测量和被动测量【3 5 1 。 2 3 1 主动测量技术 主动测量【3 6 j 是由a m p ( a c t i v em e a s l l r e i i l e n tp r o i e c t ) 组织提出的数据分析方法。主动 测量是指在选定的测量点上利用测量工具有目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来分析网络的性能。要对一个网络进行主动测量，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。由中心服务器对测量节点进行控制，由测量节点执行具体的测量任务，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。主动测量的优点是对测量过程 的可控性比较高，灵活、机动，易于进行端到端的性能测量；缺点是注入的测量流量会改 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 变网络本身的运行情况，使得测量的结果与实际情况存在一定的偏差，而且测量流量还会 增加网络负担。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。一 2 3 2 被动测量技术 被动测量【3 7 】是指在链路或设备( 如路由器，交换机等) 上利用测量设备对网络进行 监测，而不需要产生多余流量的测量方法。它通过在网络中选定的节点安装数据采集器收 集流经节点的网络业务流进行分析、提取业务特征，获得性能数据。被动测量的优点在于 理论上它不产生多余流量，不会增加网络负担，另外由于它在一个特殊点观察网络的行为 不会增加和修改通过网络的数据负载因此对网络的行为也没有影响。其缺点在于被动测 量基本上是基于对单个设备的监测，很难对网络端到端的性能进行分析；从被动捕获得到 的包中难以甚至不可能获得我们想要的某些信息测量的范围比较小并且难以获得对网 络的整体理解；实时采集的数据量可能过大；另外还存在用户数据泄漏等安全性和隐私问 题。所以被动测量非常适合用来进行流量测量，也经常用于测量业务量的特征。 此外，根据测量方法所获得的节点支持以及数据采集点的位置，可以将测量方法划 分为基于路由器测量，基于路由器协作测量，端到端测量三种。基于路由器的测量主要由 路由器中的管理软件来完成测量，一般用于来监测网络内部网络的拓扑、流量、时延、丢 包率等。基于路由器协作测量是在边缘主机上执行测量，但需要路由器的配合，在路由器 增加新的功能或协议基于路由器测量和基于路由器协作测量一般都需要i s p 的支持，同 时需要各个i s p 之间的协作。端到端测量的目标是在只有边缘主机参与下，无需路由器的 配合，在现有的网络协议和网络资源配合的情况下获取网络性能统计结果，并且尽可能减 小对网络造成的负荷。由于端到端测量不需要i s p 支持，因此成为网络测量方法研究的重 点领域。 通常，网络测量技术将上述的两种不同测量方式结合在一起对网络性能进行，目前 常常采用端到端的主动测量技术对网络性能进行测量研究。 2 4 网络测量体系结构 网络测量的体系结构f 3 8 】从层次上说，是一个数据工程。从高层到低层依次为数据表示、 数据分析、数据管理、数据采集。如下图所示： 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 图2 1 网络测量体系结构 ( 1 ) 数据采集 数据采集是关键，包括主动测量采集、被动测量采集。利用主动测量易于控制的优点， 合理地设置测量分组：同时也利用被动测量不影响系统性能的优点，适当选择测量探针的 位置( 包括考虑通过测试点的业务) 数据采集着重考虑以下几个问题：一是数据采集时，尽 量照顾到各种性能指标；二是提供一个向第二层统一的访问接口；三是数据采集的粒度要 满足所测指标的需求，尽量减轻网络的开销；四是采样间隔的选择，这应视具体情况而定。 ( 2 ) 数据管理 由于测量得到的数据是非常庞大的，需要合适的数据存贮方法、维护、检索策略。为 便于分析，还需要将数据格式化。考虑到数据共享，一般运用数据库技术，同时考虑到灵 活性，也采用文件存贮方式。在数据存贮以前，作必要的预处理，以压缩存贮量。 ( 3 ) 数据分析 数据分析需要研究如何定义每个行为指标，分析其包含的因素，如算法、误差来源、 测量单位等，还要考虑测量环境、测量方法、测量工具的影响。将所有这些影响因素量化 描述，即对应一个指标。由基本的性能指标能组合出新的指标，还可定义反映网络整体性 能的综合指标。 在测量得到原始数据后，首先对某一指标的大量样本采用统计学的方法进行分析，得 出均值、方差等基本统计量；其次由一些数学模型( 如时间序列预测、回归分析、判断预 测、小波分析等) 做出性能趋势预测：进而采用数据挖掘( d a t am i m n 曲技术进行关联分析， 得出网络本质的行为规律。经过这些步骤，通过归纳、综合、分析、演绎对每一个指标给 出合理的定义和分析算法。 ( 4 ) 数据显示 数据显示即直观形象地表示出测量结果，可以根据网管人员和用户的意见，结合现有 的图形用户界面g u i 技术，以直方图、二维、三维坐标曲线，扇形图，报表等形式显示 出来。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章网络瓶颈测量技术 网络中最基本的组成构件是由路由器、交换器等物理设备构成的节点和由传输介质 连接物理设备所构成的链路。数据流在网络传播过程中必然受到节点和网络链路的制约， 故影响网络正常运行的瓶颈因素由硬件设备的网络节点和网络链路的性能所决定。目前， 硬件节点设备如路由器、交换机的性能随着电子制造技术的发展而越来越趋向于完善和成 熟：相对而言，网络链路性能的广泛性、复杂性及不确定性等因素一直是人们研究的重点。 网络链路的性能有许多参数指标来表征，如网络带宽、延迟、丢包率、吞吐量、链路利用 率等网络测量的基本性能特征。其中，带宽和延迟是网络链路性能方面的两个重要指标， 也是网络测量研究的重要内容，也是产生网络瓶颈的两个重要因素。因此，对网络瓶颈的 测量研究也主要集中在对带宽和延迟的瓶颈测量研究上。 带宽是口网络中最重要的资源之一，同时也是衡量网络链路性能的一个最直接、最 有效的指标。虽然网络主干带宽和接入带宽不断增加，但随着网络上的各种应用业务量不 断增加，注入到网络中的流量也在不断增加，消耗了大量的网络带宽，导致网络性能并没 有得到显著改善，反而经常出现网络拥塞等现象。因此，通过对带宽瓶颈的测量来查找网 络结构中的瓶颈链路、合理使用带宽资源、优化网络拓扑结构仍然是网络研究中值得重点 关注的关键问题。利用网络带宽瓶颈信息可以更好的解决网络容量设计，网络带宽分配管 理和应用设计的问题，规划网络业务，减少网络瓶颈，均衡业务流量配置，才能使网络性 能得到真正提升。而对网络带宽瓶颈的测量是获得网络带宽瓶颈信息最好的途径，正对 i p 网络带宽瓶颈的测量和估计得到了广泛的关注，其相关的算法和测量模型也一直是网 络测量领域研究的重点和难题。 网络带宽瓶颈测量对许多网络应用和协议都有重要意义。端到端系统的传输协议及 其应用利用带宽测量技术检测网络性能，请求网络带宽分配，选择满足带宽要求的链路， 定位瓶颈链路。主干网使用带宽瓶颈测量技术检测网络拥塞，进行网络规划和路由设定， 动态分布网络流量。拥塞控制中，t c p 通过带宽瓶颈测量技术，可以将源端发送数据包 的速率控制在网络可以处理和承受的范围之内。应用层组播路由利用带宽瓶颈测量技术可 以更有效的动态创建组播路由树，使组播路由树避开瓶颈链路选择最佳链路传播，从而使 数据包的延时和重复达到最少。服务器的动态选择中，网络用户可以利用带宽测量技术从 不同的服务器镜像中选择最佳服务器。此外带宽瓶颈测量技术还可对流量工程，q o s 管 理，覆盖网路由配置，内容分发网络的请求路由协议，对等网络的资源定位和传送，网络 缓存的位置选择和维护策略，内容服务器中的流调度和接纳控制策略，各种流媒体应用以 及服务等级验证与计费等提供有力支持。 网络瓶颈测量的另一个内容就是延迟瓶颈的测量，延迟瓶颈研究相对带宽瓶颈的研 究而言关注较少，但是在语音通讯网络、视频流媒体网络通讯等对实时性要求很高的应用 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 服务中具有很强的实用性。瓶颈延迟的大小反映了延迟瓶颈在多大程度上影响着端到端延 迟。端到端路径中存在多条路由，对于不同路由延迟瓶颈是否相同以及不同瓶颈之间的延 迟差异的研究则更深入的刻画了延迟瓶颈对于端到端延迟的影响。延迟瓶颈位置和原因的 研究可以更加准确地了解影响网络速度的链路位置和原因，从而可为下一代i i l t c n l e t 的高 效设计提供科学依据。延迟瓶颈原因的研究还有利于确定能否在延迟方面对网络做进一步 改进以及能够在多大程度上进行改进。 3 1 1 基本概念 网络瓶颈测量中，最常见的概念就是带宽，根据带宽测量的相关理论，带宽可以分为 以下几类： ( 1 ) 链路带宽 链路带宽就是连接两个节点的链路在物理设计上能够提供的最大传输能力，也就是在 i p 层上最大的传送速率，一般来说就是在连接两点间的路由器传送分组的最大处理能力。 链路带宽也就是我们通常意义上说的“带宽 。 ( 2 ) 瓶颈带宽 端到端瓶颈带宽是指一条端到端的路径p = a o ，a 。，a ：，a t ) ( 源点为，依次经过节点 口o ，a ，呸，口f 一。，到达a 。，连接a i 一。到a i 的链路l 的链路带宽为g ) 上最小的链路带宽值 c m = m i n ( q ，i = 1 ，2 ，n ) ，只要链路端到端的路由不变，瓶颈链路的值也相对保持不 变，与网络中的背景流量无关。 ( 3 ) 可用带宽 可用带宽就是指路径在不降低原有传输速率的前提下还能够再提供的最大传输能 力，即未被背景流占用的剩余带宽。对于含有n 条链路的端到端路径，其可用带宽可以由 以下公式所示： a = m i n q ( 1 一) ( 3 1 ) 其中a 表示路径可用带宽，g 表示路径第f 跳间的链路带宽，u 表示实际网络流量 占有的带宽比例。将链路中可用带宽最小的链路称为瓶颈链路。与链路带宽的相对稳定性 不同，可用带宽具有实时的可变性。 如下图3 1 所示：矩形框表示链路带宽大小，对应链路厶，厶，厶的带宽大小分别为： q ，c 2 ，g ；阴影部分表示链路中当前背景流量所占带宽大小，空白部分表示可用带宽 大小；根据上面定义可知：q 为端到端路径的瓶颈带宽，彳为端到端路径的可用带宽。 通常将瓶颈带宽所在的链路称为窄链路( n a r r o wl 心，将可用带宽最小的链路称为紧 链路( t i g l l tl 址) ，故图3 1 中窄链路为厶，紧链路为厶 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 2 测量模型 上l 三2厶 图3 1 带宽定义 ，、 ， 。i 目的端) 、 实时网络具有动态变化的不确定性，因而存在许多影响网络测量的不确定性因素。要 想对