（计算机应用技术专业论文）internet网络带宽测量技术研究.pdf

一 l ， l 蠢 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e a p p l i c a t i o no f t h em a s t e r sd e g r e eo fe n g in e e r i n g r e s e a r c ho nbd w i d t hm e a s lr e m e n t e s e a r c l l0 na n c i we a s u r e t e c h n o l o g y f o rin t e r n e tn e t w o r k c a n d i d a t e ：l i um i n s p e cialt y ： c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y s u p e r v i s o r ：g e n g y u s h u i h a n d o n gi n s t i t u t eo fl i g h ti n d u s t r y , j i n a n ，c h i n a j u n e ，2 0 1 0 i 卵 - ，j i 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，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作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名： 卒 同期：迎2 望年4 月一同 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，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，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名 导师签名： 同期：业年月五日 r 期：l ! 年月一同 厂 神 土 毒 j 山东轻t 业学院硕i j 学位论义 目录 摘要i a b s t r a c t l 第1 章绪论1 1 1in t e r n e t 网络带宽测量概述1 1 2 本论文主要工作概述3 第2 章in t e r n e t 网络测量技术概述5 2 1 网络测量的发展历程5 2 2 网络性能概述6 2 2 1网络性能测量的指标一6 2 2 2网络性能测量的要素一8 2 3 网络性能数据的收集方法8 2 3 1 查询设备的方法9 2 3 2 需要查洵的值9 2 3 3 观察所有流量9 2 3 4 生成测试流量1 0 2 4 网络测量的分类1 0 2 4 1 主动测量和被动测量。ll 2 4 2 单点测量与多点测量1 2 2 4 3 性能测量和拓扑测量1 3 2 4 4 路由器辅助测量、路由器的测量和端到端测量1 3 2 5 网络测量中存在的一些问题1 4 2 6 本章小结1 4 第3 章in t e r n e t 网络带宽测量技术1 7 3 1 in t e r n e t 网络带宽测量研究现状1 7 3 2 带宽测量指标体系1 8 日录 3 3 带宽测量分类2 0 3 3 1 基于物理层的带宽测量2 0 3 3 2 基于网络层的带宽测量2 0 3 3 3 基于传输层的吞吐量测量2 0 3 3 4 基于应用层的吞吐量测量2 l 3 4 带宽测量主要技术和对应的工具2 1 3 4 1 变包测量技术2l 3 4 2 包对包列分散测量技术2 3 3 4 3s l o p s 测量技术2 4 3 5 带宽测量方法评价标准2 7 3 6 带宽测量的影响因素2 7 3 6 1 主机处理能力瓶颈2 7 3 6 2 网络的影响2 8 3 7 本章小结2 9 第4 章基于校园网的带宽测试分析3 l 4 1 山东轻工业学院校园网介绍3 l 4 ，2 可用带宽测量算法分类3 3 4 3 基于自感应拥塞理论的可用带宽测量仿真实验分析3 3 4 3 1p a t h l o a d 工作方式分析3 3 4 3 2 仿真实验准备工作3 4 4 3 3 仿真实验3 6 4 4 测量工具p a t hlo a d 的改进3 7 4 5i m p r o v e - p a t h i o a d 与p a t h i o a d 的对比分析3 9 4 5 1 无背景流量下二者对比4 0 4 5 2 静态流下二者对比4 1 4 5 3 动态流下二者对比4 2 4 5 4 实验小结4 4 4 6 可用带宽存在的问题4 4 4 7 本章小结4 5 第5 章基于a m s 测试系统的校园网带宽性能测试分析4 7 5 1 基于校园网的a m s 系统测量分析4 7 2 山东轻t 业学院硕i j 学位论文 5 2 关于校园网建设的几点建议4 9 5 3 我校园网建设的发展自订景4 9 5 4 本章小结。5 1 第6 章结束语5 3 致谢一5 1 - ，一 t 参考文献5 3 在学期间科研成果5 7 3 n ，； 山东轻t 业学院顾f j 学位论义 摘要 以t c p i p 协议为主要协议的i n t e r n e t 网络，币在渗透到人类社会生活的每 个角落，已经逐渐成为人类社会的基础设施之一。i n t e r n e t 网络规模不断扩大， 异构化程度不断增加，带宽成倍增长，网络同趋复杂化。网络带宽是i n t e r n e t 中的一种重要资源，也是多种网络技术中的关键因素。在i n t e r n e t 网络中实时、 精确检测网络带宽，对于网络性能的监控和管理有重要意义。开展i n t e r n e t 网络 带宽测量技术研究，将为因特网的有效控制、科学规划、科学管理和合理利用提 供科学的依据。可用带宽作为带宽的一个重要因子，它的测量对于深入了解网络 行为，优化端到端的传输性能具有十分重要的意义。互联网规模的不断扩大、复 杂性的不断增加，对可用带宽的测量提出了越来越高的要求。 目前，带宽指标尚未被标准化，众多的带宽测量方法和工具距离大规模使用 并深入应用到人们预期的各个领域还有很大的距离，本课题系统地介绍了作为基 础的网络测量领域，深入地分析了现有的带宽指标并指出了这些指标存在的问题， 在此基础上归纳整理出一套比较准确且层次分明的带宽指标体系。分析目前常用 的测量技术与工具之后，有针对性的对自感应拥塞理论及其工具进行了深入研究， 应用其测量工具p a y l o a d 对校园网的某些链路的可用带宽进行了测试，通过测试 的结果，发现可用带宽的存在的一些问题以及p a t h l o a d 存在的不足之处，针对这 些缺点对p a t h l o a d 进行了改进。通过对带宽的研究，以及在校园网上做的大量实 验，希望对今后校园网的性能评估，校园网的建设起到作用，文章最后对校园网 的建设提出几点建设性意见。 关键词：带宽；带宽指标体系；可用带宽 山东轻t 业学院顺l ：学位论文 a b s t r a c t t a k i n gt h et c p i pa g r e e m e n ta st h em a i na g r e e m e n t si n t e m e tn e t w o r k ，i n t e m e ti s s e e p i n gt oh u m a ns o c i e t yl i f ee a c hc o m e r , a l r e a d yg r a d u a l l yb e c a m eo n eo fh u m a n s o c i e t yi n f r a s t r u c t u r e s t h ei n t e m e tn e t w o r ks i z ee x p a n d su n c e a s i n g l y , t h ed e g r e e i n c r e a s e su n c e a s i n g l y , t h eb a n d w i d t hg r o w sd o u b l e da n dr e d o u b l e d ，t h en e t w o r k c o m p l i c a t e sd a yb yd a y t h en e t w o r kb a n d w i d t hi si nt h ei n t e r n e to n ec a p i t a ls t o c k ，i s a l s oi nt h em a n yk i n d so fn e t w o r k i n gk e ya s p e c t i nt h ei n t e r n e tn e t w o r kr e a l t i m e ， p r e c i s ee x a m i n a t i o nn e t w o r kb a n dw i d t h ，h a st h ei m p o r t a n tm e a n i n gr e g a r d i n gt h e n e t w o r kp e r f o r m a n c e sm o n i t o r i n ga n dt h em a n a g e m e n t c a r r i e so u tt h ei n t e m e t n e t w o r kb a n dw i d t hm e a s u r i n gt e c h n i q u er e s e a r c h ，f o ri n t e r n e t sa c t i v ec o n t r o l ，t h e a v a i l a b l eb a n d w i d t ht a k e st h eb a n dw i d t ha ni m p o r t a n tf a c t o r i t ss u r v e yr e g a r d i n gt h e i n q u i r ed e e p l yn e t w o r kb e h a v i o r , o p t i m i z e st h ee n d t o e n dt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e t oh a v et h ev e r yv i t a ls i g n i f i c a n c e t h ei n t e m e ts c a l ee x p a n d s ，c o m p l e xu n c e a s i n g i n c r e a s eu n c e a s i n g l y , s e tm o r ea n dm o r eh i g hr e q u e s tt oa v a i l a b l eb a n d w i d t h ss u r v e y a tp r e s e n t ，t h eb a n dw i d t ht a r g e tn o ty e tb yt h es t a n d a r d i z a t i o n ，t h en u m e r o u s b a n dw i d t hm e a s u r i n gt e c h n i q u ea n dt h et o o li sa w a yf r o mt h el a r g e - s c a l eu s ea n d a p p l i e sp e o p l e sa n t i c i p a t e de a c hd o m a i na l s o t oh a v et h o r o u g h l yt h ev e r yg r e a t d i s t a n c e ，t h i st o p i ci n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l yn e t w o r ks u r v e yd o m a i n ，h a sa n a l y z e dt h e e x i s t i n gb a n dw i d t ht a r g e tt h o r o u g h l ya n dh a dp o i n t e do u tt h e s et a r g e te x i s t e n c e s q u e s t i o n ，k e y t o m i g h tu s i n g t h eb a n dw i d t hd e f i n i t i o n i n s u f f i c i e n t l y c l e a r c o n s u m m a t i o n ，l a c kt h ec o n s i d e r a t i o nt oi ta l o n gw i t ht h et i m ev a r i a t i o nd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ct h eq u e s t i o nt oc a r r yo nt h ea n a l y s i s ，b a s e do nt h i sh a sg i v e nq u i t e a c c u r a t ea n de a c hl e v e lc l e a r l yd e m a r c a t e db a n dw i d t ht a r g e td e f i n i t i o n a f t e ra n a l y s i s p r e s e n tc o m m o n l yu s e dm e a s u r i n gt e c h n i q u ea n dt o o l ，t a r g e t o r i e n t e dh a sc o n d u c t e d t h ed e e pr e s e a r c ht ot h es l o p sa l g o r i t h m ，a p p l i e di t sm e a s u r i n gt o o lp a t h l o a dt oc a r r y o nt h et e s t t ot h ec a m p u sn e t sc e r t a i nl i n ka v a i l a b l eb a n d w i d t h ，t h r o u g ht e s tr e s u l t ， d i s c o v e r ya v a i l a b l eb a n d w i d t he x i s t e n c es o m eq u e s t i o n s u s e da g e n t m a n a g e rt h e s y s t e mu s e re v a l u a t i o ns y s t e mt oa p p r a i s et h ec a m p u sn e t sb a n dw i d t hu s ef a c t o l t h r o u g ht ot h eb a n dw i d t hr e s e a r c h ，a sw e l la st h em a s s i v ee x p e r i m e n t sw h i c ho n 1 i n e d i di nt h ec a m p u s ，h o p et ot h en e x tc a m p u sn e t sp e r f o r m a n c ea p p r a i s a l ，t h ec a m p u s n e t sc o n s t r u c t i o nf u n c t i o n k e yw o r d s ：b a n d w i d t h ，b a n d w i d t hi n d i c a t o rs y s t e m ，a v a i l a b l eb a n d w i d t h i l l ，| 山东轻t 业学院硕i ：学位论义 第1 章绪论 1 1 in t e r n e t 网络带宽测量概述 近年来，以t c p i p 协议为主要协议的i n t e r n e t 网络，正在渗透到人类社会 生活的每个角落，已经逐渐成为人类社会的基础设施之一。i n t e r n e t 网络规模不 断扩大，异构化程度不断增加，带宽成倍增长，流量也爆炸式的增长，网络同趋 复杂化。网络带宽是i n t e r n e t 网络中的一种重要资源，也是多种网络技术中的关 键因素。网络带宽作为衡最网络使用情况的重要指标，越来越受到人们的关注， 它是政府或单位制定网络通信发展策略的重要依据，也是互联网用户和单位选择 互联网接入服务商的主要冈素之一。在i n t e r n e t 网络中实时、精确检测网络带宽， 对于网络性能的监控和管理有重要意义。开展i n t e r n e t 网络带宽测量技术研究， 将为因特网的有效控制、科学规划、科学管理和合理利用提供科学的依据。 带宽是“频带宽度”的简称，它原是电子和通讯技术中的号业术语，是在给 定的时间内信息从一端传输到另一端的量。网络带宽的概念主要是针对数字交换 而言，特别是包交换网络。它是指在单位时间内一条链路或者一条网络路径能够 传递的数据总量。对于像文件传输或者多媒体流这样的数据密集型应用而言，网 络可用带宽直接影响到服务的性能。虽说那些对于延迟更加敏感的交互型应用更 能够从端到端的低延迟中获益，可是端到端的低延迟也是与高的链路带宽紧密相 关的。 从电子邮件、网上聊天、文件传送、w e b 浏览、视频点播( v o d ) 至i j 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。各行各业，包括工业、农业、 建筑、制造、航天等，都从信息产业获得了巨大推动力。近年来，随着微电子技 术、无线网络技术、软件技术的发展，通信网络、计算机网络与有线电视网络逐 渐融合，使得i p 技术获得并将得到更为普遍的应用。i n t e m e t 的飞速发展迫切需 要提高它的性能，人们需要良好的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 、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 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 机制的性能，这就使得系统研究i p 网络测量这一基础课题成为必然而迫切的需 求。 在计算机网络诞生之初，由于其规模较小，环境相对简单，网络用户也比较 可信，网络中出现的多数问题基本可以通过不断积累的经验得到解决。但是随着 网络尤其是i n t e m e t 的飞速发展，网络的规模不断扩大，网络的复杂性急剧上升； 第l 章绪论 网络的异构性愈来愈剧烈，网络测量和分析诊断己经成为人们认识网络、了解 网络、更好的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 量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：网络 用户需要一定的标准和手段以测量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鼍的应用系统的依据。 愈束愈多的应用需求急需完善的网络测量分析评价系统和各种测量工具的出现， 但是目前计算机网络领域的现状是网络测量分析领域的发展远远落后于计算机网 络自身的发展，具体表现在以下几个方面：目前虽然已经制定了一些网络性能评 价指标，但是这些指标还远不能构成一个完善的系统，并且对于不断出现的各种 新的应用而言，还没有标准化的指标出现；现有的评价网络性能的手段主要还是 用于评价早期小规模网络的纯数学方法如概率方法等，两传统的以经验为主解决 网络问题的方法既不可靠又过分依赖于人；而现有的测量工具也难以满足对于各 种不同应用进行精确测量的需求。i n t e m e t 迅猛发展与刚络测量分析领域相对滞后 的现状共矧形成了互联网这个庞大丽重要的有机体交得越束越不可预期的局面。 世界各地的研究人员已经意识到了这一点，许多大型研究项目组和研究人员在网 络测量领域已经做出了很多测量系统。 服务质量是计算机网络领域的一个热点问题，而网络性能直接决定了与各种 应用的服务质量有着非常密切韵关系，因而网络性能测量是网络测量领域一个菲 常重要的分支。网络性能指标包括往返延时、丢包率、带宽、吞吐量、路由、链 路利用率等指标以及各种应用性能指标。带宽是计算机网络中的一种重要而宝贵 的资源，它也是网络运营商和网络用户之问重要的联系纽带。准确地测量评估各 种网络带宽参数对于分析了解网络运营状况、有效利用带宽资源、提高用户业务 的服务质量都有着非常重要的作用。与带宽有一些相似之处但又不同于带宽的吞 吐量是与用户感受和业务性能直接相关的一个性能评价指标，对于用户而言也有 着非常重要的意义。除此之外，各种应用性能的测量也是网络测量的重要组成部 分，提供测量诸如f t p 、h t t p 、s m t p 这些常用应用的性能测量指标和测量工具 可以帮助用户了解各种应用的性能状况，对于运营商和用户都有着非常实际的价 值。作为网络测量领域研究重点和热点之一的带宽测量属于网络性能测量的了范 畴，带宽是计算机网络中的一种宝贵资源，也是联系网络运营商和用户的垂要纽 带。带宽测量领域的研究包括多个方面，制定完善的指标并将其标准化：提出合理 的带宽测量方法并将其实现为带宽测蚤工具。这些研究成果可用于t c p 协议实现 的改进，提高拥塞控制效率；为流应用提供平滑的速率控制：提供基于负载的路由、 流量工程和区分服务：为网络管理和网络升级提供依据；为网络服务s l a 的实现提 供验证工具等。 2 山东轻t 业学院硕l ：学位论义 由于计算机网络具有层次化的特点，带宽测量又可以进一步划分为网络层带 宽测量，传输层吞吐量测量和应用级的吞吐最测量。从严格意义上来说，后两者 的测量对象是吞吐量而非带宽，但是由于带宽和吞吐量两者具有一定的相似性和 相关性，人们经常将其混为一谈，在这晕我们不进行界定。网络层带宽又包括原 始带宽和可利用带宽两种类型，目自仃这两种指标都具有基于不同测最方法和原理 的测量工具，可以用于不同目的的测量需求。但是必须指出的是，现有的带宽测 量研究成果无论是带宽指标体系本身，还是原始带宽、可利用带宽以及应用级带 宽的测量方法和测量工具，都存在着一定的问题，需要在深入研究的基础上加以 解决。这些问题包括：带宽指标休系存在定义不严格，分类不细致的问题；原始带 宽和可利用带宽测量方面存在着测量方法较为单一，测量工具实时性差，精度不 足的问题，尤其是可利用带宽的测量，由于可利用带宽具有随时问变化的特点， 并且其变化规律尚未被掌握，对其进行准确高效的测量的难度比较大。并且现有 的测量方法和工具普遍忽视了可利用带宽是时频变量的特点，难以得到令人满意 的测量结果，因此带宽测量工具一直没有得到广泛的应用。 1 2 本论文主要工作概述 论文共分六章。 第一章为引言，简要介绍课题的研究背景和意义，以及论文的主要内容和 贡献。 第二章为网络性能测量相关理论，通过对网络性能测量因子、网络性能数 据的收集方法以及测量方法的分类进行了介绍，使大家对网络测量有了初步的 认识。 第三章为网络带宽测量技术研究。针对现有的带宽测量指标体系比较混 乱，本文汇总所有的指标体系，总结了一套较为完整的带宽指标体系；根据网 络的分层，对带宽进行不同层的分类测量；总结了现有带宽测量的三种测量技 术，分别分析了它们的优缺点、使用的范围以及对应的测试工具。 第四章为基于校园网的带宽测量分析。分析现有校园网的拓扑结构，利用 基于自感应理论的测量技术及其测量工具对校园网上的可用带宽进行测量，针 对测量工具的缺陷对其进行改进，使其测量的值更加准确。 第五章为基于a m d 测试系统的校园网性能分析。分析校同网现存的相关问 题，a m d 测试系统对测量量的结果进行分析，通过分析校园网可用带宽的测量， 对校园网建设起到有效的帮助。 第六章为结束语。 山东轻t 业学院颂l j 学位论义 第2 章in t e r n e t 网络测量技术概述 2 1 网络测量的发展历程 随着i n t e m e t 规模的迅速扩大，网络新业务不断涌现，网络拓扑结构的同 益复杂化，网络已经从单纯的数据传输发展到同时支持多种类型信息的传输， 流量模型从基于泊松分布转变为具有自相似1 2 。】的特性。对网络协议的分柿、网 络流量特征、用户与网络行为缺乏准确的理解与精确的描述，严重影响了对网 络资源的有效利用与网络自身的发展。因此，如何对大规模网络结构进行动态 描述，如何根据网络流量的变化分析网络的性能、加强网络管理、提高网络利 用率，已经成为学术界、企业界和国家政府部门普遍关心的重要问题之一。 网络测量就是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。 依据网络测量的规模与内容，其发展可以大致划分为两个阶段，第一个阶 段从2 0 世纪7 0 年代到9 0 年代中期，这一时期主要是针对网络单一性能指标 的测量，测量的规模比较小。1 9 7 4 年l e o n a r dk l e i n r o c k 等人在a r p r 网上对 流量分布的测量1 4 j 是最早的网络测量记录，之后的近2 0 年罩，网络的应用仅局 限于科学研究，没有得到广泛的应用。 第二个阶段为2 0 世纪9 0 年代中期以后，从这以后互联网的相关应用逐步 走出实验室，特别是基于t c p i p 协议的i n t e r n e t 的出现，快速推动了互联网的 建设和应用的发展，网络测量的需求显得更加同益迫切。这一时期的网络性能 测量主要侧重建立，进行全方位网络性能测量与分析的测鼍系统，或者是测量 基础设施( i n f r a s t r u c t u r e ) 。测量的指标及对应的测量方法也同趋多样化，同时也 提供了对网络整体性能综合评价功能。美国在1 9 9 2 年开始着手进行对i n t e m e t 特征的研究。其中比较著名的项目包括u cb e r k e l e y 的科学家们对丌展的两次共 长达三个月的大规模测量，其改进平台n i m i t5 】己经广泛设置于多个国家，产生了 非常深远的影响；i e p m 6 j ( i n t e m e te n d t o e n dp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ，i n t e m e t 端到端性能测量) 主要用来监视i n t e m e t 上的端到端性能：i p m a ( i n t e r n e t p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s ，i n t e m e t 性能测量和分析) 主要研究局域网 和广域网环境中的网络性能和网络协议；s u r v e y o r 7 】是个能够在i n t e m e t 路径上 测量单向延迟、包丢失和路由信息的测量体系结构；其它项目还包括n l a n r 和 s k i t t e r i s ! ( c a i d a ) 。欧洲于1 9 9 5 年丌始进行对i n t e r n e t 的测量，这方面做的较为 成功的一个组织是粒子物理网络协作组p p n c g 。加拿大的t i u u m f 网络监视， 主要目的是对国家i n t e m e t 路径上的包丢失情况和路由特征进行测量。1 9 9 6 年 5 第2 章i n t e r n e tm 络测避技术概述 初，美国n s f 支持应用网络研究国家实验室n l a n r ，召开了互联网统计和指 标分析i s m a 研讨会1 9 j 。这次会议充分肯定了网络测量的重要意义，并且对进 行网络测量的难点以及迫切需要解决的问题进行了商议，说明网络性能测量的 重要性已经得到政府、大学、各研究机构以及工业界所重视，为进行大规模、 系统化网络性能测量奠定了基础。1 9 9 7 年，美国加州大学圣地亚哥分校超级计 算中心s d s c 的互联网数据分析合作组织c a i d a ，对网络测量的相关理论与 方法展丌系统研究。i e t f 专门成立了i p 性能指标工作组，对i p 网络性能指标 定义、测量框架与指标测量方法展开研究。1 9 9 7 年，美国p a x s o n 的博士发表 的“m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fe n d t o e n di n t e r n e td y n a m i c s ”论文，就利用 测量手段系统研究了端到端测量中，路由行为特征和端到端数据包的动态性 i 】，墩称网络测量领域的经典。 国内对网络测量的研究起步比较晚，不过也取得了一些成绩。国防科学技 术大学、西南交通大学等单位在i p 拓扑探测方面的技术比较成熟；中困科学 院计算技术研究所信息网络室，丌发出大规模i n t e r n e t 网络测量和分析系统 ni p m a s ，这个系统可以对跨地域的大型网络进行在线监测，并可以根据客户 需求随机添加业务测量工具，实现对网络性能状态的监测，还实现了g i s 显示、 动态播放和w e b 发布等功能。它可以分别针对亚健康状况、网络业务运行正常 和用户业务完全不能进入状态，进行具体性能监测或故障定位。在ni p m a s 的基础上，中科院计算所还丌发出可以支持i p v 6 的大型网络测量系统f o x ， 在国内外处于领先地位；哈尔滨工业大学丌发了一个大规模网络拓扑测量的原 型系统，可以针对大规模网络进行路由i p 拓扑结构的自动发现，同时还能进 行可视化显示。 2 2 网络性能概述 计算机网络组建完成，各计算机的连通性也都确认正常，还需要确定的就 是网络性能。在处理网络环境中的性能时，通常还会遇到更多的问题，本章就 对网络性能的相关知识进行介绍。 网络性能是个复杂的问题，大量不确定因素都会影响计算机通过网络访问 另一台计算机。但是，网络性能中涉及的大多数要素都可归结为一些简单的网 络规则，通常，网络管理员利用一些工具软件就可以测量，监控他们，而这些 工具软件主要通过网络可用性、相应时l 日j 、网络利用率、网络吞吐量、网络带 宽容量来衡量网络性能。 2 2 1 网络性能测量的指标 测量网络性能的五项指标是：可用性( a v a i l a b i l i t y ) 、网络带宽容量 6 山东轻丁业学院硕l ：学位论文 ( n e t w o r kb a n d w i d t hc a p a c i t y ) 、网络信息响应时间( r e s p o n s et i m e ) 、 网络利用率( n e t w o r ku t i l i z a t i o n ) 网络吞吐量( n e t w o r kt h r o u g h p u t ) 。 网络可用性 衡量网络性能的第一步就是确定网络是否在- f 常工作，如果网络不通，则 说明不止是网络性能的问题。测试网络可用性最常用的方法也就是使用p i n g 命令，通过在客户上p i n g 远程服务器，就可及时简单地确定网络的可用性。 网络带宽容鼍 网络带宽容量是确定网络性能的另一个因素，两个网络端点可用带宽的总 数量将极大地响应网络性能。在理想的状况下，网络中两台主机问传送数据包 时应该维持一个不变的数据速率，恒定数据速率代表了两个断电连接在一起的 网络速度，观察数据包在网络上穿行所耗费的时问，就可以确定网络连接的最 大速度。但实际工作中，理想的网络情形是不存在的，为了确定网络的最大带 宽容量，网络性能工具就必须采用一些特殊的计算方法。 网络测试工具一般采用数据包对( p a c k e tp a i r ) 和数据包列( p a c k e t t r a i n ) 技术束确定现有网络的最大网络带宽容量，并且不会影响长长的流量。 首先将一对数据包分隔问距发送给远程设备，数据包对在网络中传输时，取决 于现有的流量，它们的f 日j 隔会随实际情况而改变。 在数掘包到达目的地后，它们之间的分隔间距是确定的，原始问隔与计算 问隔之间的差距表示网络上有负载，计算出负载值后，就丁以以一台主机向另 一台主机发送大量的数据包，数据包到达目的主机的速度代表网络传输数据可 以到达的速度，给定负载因子与数据速率，网络性能工具就可以计算网络连接 处理数据应该能够到达的理论最大速度。 网络信息响应时间 若利用p i n g 命令测试出网络是可连通的，但连接速度也是一个反映网络 性能的因素，网络中的用户对网络的感受并不局限于是否能连通目标主机，还 包括与目标主机之f 日j 传输数据所花费的时间长短。 为了更精确地描绘网络性能，需要观察数据包在网络中传输所耗费的时 间，数据包在网络上两个端点之间传输时，所耗费的时间也就是响应时间，在 利用p i n g 命令测试与目的主机的连通性时，其返回信息中最后一列 ( t i m e = * * * m s ) 值越少，则说明网络响应时间越快，网络性能也就越好。 响应时i 日j 会影响网络应用程序的工作效率，缓慢的响应时问通常会被需要 跨网发送与接收大量信息的网络应用程序放大，或者被从客户输入产生即时结 果的应用程序放大，如t e l e n t 程序在接收用户的命令输入后，就必须等待远 程服务器的回显，所以非常容易增加网络的响应时间。确定数据包离开某一网 络设备，并到达远程主机所耗费的时间就不太容易了，这就必须采取某种方法 7 第2 章i n t e r n e tm 络测量技术概述 对数据包到达目的主机进行计时。 网络利用率 决定网络性能的一个重要的因素就是网络利用率，网络利用率表示在某一 时1 日j 段网络处于使用状态的时问百分比。根据规定，单独的以太网络一次只能 传送一个数据包，对于给定的时间，以及网段的利用率不是1 0 0 ( 传输一个数 据包) ，就是0 ( 网络处于闲置状态) ，网络利用率显示了网络在给定期i 日j 处 于使用状态的时间百分比。 网络吞吐量 网络吞吐量和网络利用率相似，网络吞吐量表示在任意给定的时刻，网络 应用程序通过网络连接可用的网络带宽数量，由于网络应用程序要使用网络带 宽，留给其他应用程序的带宽数量相应就会减少，剩余的带宽数量就是所谓的 吞吐量。通常情况下，网络的最大吞吐量取决于两通信主机之间最小带宽的网 络设备。 2 2 2 网络性能测量的要素 网络性能测量需要确定如下三个测量要素： ( 1 ) 测量对象：测量节点、链路或朗络的什么特征，被测量的节点或链路， 例如路由器的丢包率、时延、路由效率，链路的带宽、时延、丢包率， w b e 服务器的系统容量、吞吐率、应答延迟等； ( 2 ) 测量方法：针对某一具体的网络测旨指标，选择合适的测量方法，测 量方法应满足稳健性、可重复性和准确性； ( 3 ) 测量环境：包括测量点的选取、通信链路的类型、测量设备、测量时 问的确定等。 2 3 网络性能数据的收集方法 确定影响网络性能的因素之后，网络性能工具必须能够访问这些因素的相 关数据，可以使用3 种方法从网络上获得这些数据。 ( 1 ) 查询网络设备获得保存的相关信息。 ( 2 ) 观察网络上现有的流量，寻找网络性能问题。 ( 3 ) 生成测试流量发送到网络上，以测试网络性能。 集线器、交换机、路由器等网络设备一般分为两种类型，一类是托管网络 设备，另一类是非托管网络设备。 无论是简单的集线器，还是复杂的交换机或路由器，托管网络设备都包含 可以收集网络流量穿越设备时，统计相关信息的管理软件。非托管设备不会收 集这些统计信息，也就无法用于查询信息。目前有很多网络管理软件都可以从 山东轻丁业学院硕i ：学位论文 网络设备中获取网络信息，这些信息将对排除网络障碍非常有效。 2 3 1 查询设备的方法 所有托管网络设备都实现了简单网络管理协议( 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 ，简称s n m p ) ，s n m p 协议不仅提供了网络设备中将网 络数据存储在分层数据库中的功能，又提供了从远程设备查询该数据库的协 议。 所有s n m p 设备都包含了一个通用的管理信息库( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n b a s e ，简称m i b ) ，这个库在设备中保存了有关流量方面的基本网络信息，这 些信息包括每个接口发送与接收的字节数、接口出错的数目和类型，以及每个 接口的网络利用状况。 除通用的m i b 数据库对象外，大多数s n m p 设备还包含了专有的m i b 对 象，以跟踪与网络设备有关的特殊信息。s n m p 在分层数据库中丌辟了一个专 门的区域，以方便公司创建自己的记录，跟踪与自己网络设备有关的特殊信息， 数据库中的这些区域被称为企业m i b ，企业m i b 的访问权限通常受到s n m p 团体名称的限制，团体名称用于将访问权限授给m i b 数据库特定部分的口令。 2 3 2 需要查询的值 使用s n m b 查询网络设备时，必须知道与网络性能信息相关的数据。在网 络设备的s n m bm i b 表上，有大量的数据对象，若转存所有的表，那将会耗 费大量的时间和网络带宽。 通用m i b 数掘库提供了许多用于跟踪网络设备性能的基本网络性能数据， m i b 2 ( 第二版的m i b 数据库) 已经做了更新，该版本包含了许多网络设备方 面的错误统计信息。m i b 2 数据库对象提供了许多字段，可用于确定网络流量 的数据量，以及网络设备上的错误，查询这些值可得到大量与设备上网络流量 相关的信息。 一般的m i b 2 值都属于连接计数器，例如，i f i n o c t e t s 字段将对接口首次 开启电源后接收到的字节数进行统计，此值可达到一个最大值，然后开始重新 统计。 2 3 3 观察所有流量 另外，通过观察网络上出现的流量也可以测定网络性能数据，从网络中收 集到大量的信息。为了捕获在网络中通过的所有流量，必须将设备的网络接口 设置为混合模式，默认情况下网络接口只接受发送到本设备的数据包，或者以 多播或广播地址发送的数据包，混合模式允许网络接口读取网络上所有的数据 包。如果网络中有交换机、路由器，或网桥设备，将不能完整地获取所有的数 9 第2 章i n t e r n e t 网络测量技术概述 据包，因为这些设备会将流量分段。 捕获网络数据包后，还必须对他们进行解码与分析，并查看网络上存在的 问题，这些问题包括数据包重传、已冻结的t c p 窗口大小、广播风暴、网络广 告、c h a t t y 应用程序、服务应用程序质量等。 2 3 4