（计算机应用技术专业论文）ip网络带宽测量研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 的快速发展，因特网已经成为我们生活中不可缺 少的一部分了，全世界的网络用户多不胜数。而随着因特网的日益 复杂和不可预期，各种各样的问题随之而来，人们对因特网的性能 提出了更高的要求。计算机网络的可靠性、稳定性以及高效性等诸 多性能方面的表现也被越来越多的网络管理员、开发者和网络使用 者所关注。那么对网络进行研究，掌握网络的运行状态和资源消耗 情况，对网络各方面做出评价并改善网络性能，提供更优的网络应 用服务，便具有重要意义。 i n t e r n e t 是各种不同类型网络互联的有机体，一个组织比如一 个学校只对网络中属于自己的那部分节点具有管理权限，而且通常 因为商业等其他因素不能共享其内部性能数据，所以基于对网络内 部节点监听的方法难以在实际的网络中实施。端到端测量网络性能 和行为的方法就可以突破对不同网络内部资源访问权限的限制，不 受内部节点的安全性策略所限制。 端到端网络性能测量是针对互连网与应用系统网络性能测量的 需要。随着网络规模的不断扩大，网络应用的多种多样，人们对服 务质量提出了不同的要求，并对互联网路径可用带宽的测量越来越 重视。理解网络行为特征和实际应用状况的有效手段之一就是对网 络端到端路径可用带宽的进行测量。网络服务提供商和用户所感兴 趣的是，如何以最快的访问速度获取网络提供的资源和服务。带宽 是描述网络状态的重要参数，它在负载平衡、拥塞控制、访问控制、 服务器选择及网络安全等方面均有着广泛的应用。因此，带宽的准确 测量对于了解网络状态、提高网络资源的利用率具有重要意义。 在网络中，带宽或流通量常指的是在单位时间里数据的最大传 输速率。网络用户对带宽测量是很感兴趣的，因为通过网络测量可 以优化端到端传输性能、网络超载时对路由进行优化以及提高点对 点文件的传输。带宽测量技术的准确性对于流量工程和容量计划支 持都是很重要的。现有的带宽测量工具可用测量3 个参数中的一个或 山东大学硕士学位论文 多个：容量、可用带宽和批量传输能力( b t c ) 。当前的可用带宽测 量工具使用不同的策略来测量三个参数。 本文首先对网络测量进行概述，对网络测量的意义、指标体系、 网络测量方法和技术进行阐述，我们对当前带宽测量进行概述，然 后重点对公开的带宽测量工具和技术进行了阐述术。最后，本文采 用k p e r f 2 0 进行试验，用数据说明了t c p 窗口大小和缓冲区大小对 端到端网络带宽有重要的影响；并且对t o p p 进行了两种方案的改进， 使得t o p p 技术不但能估计瓶颈带宽的容量，而且还能定位瓶颈带宽 的位置。 关键词：网络测量，带宽测量，端到端网络带宽，k p e r f i l 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p ide x p a n s i o no ft h ei n t e r n e t ，i n t e r n e th a sb e c o m e sa p a r to fo u rl i v e st h a t d o e s n tm i s s i n g ，t h en u m b e ro fi n t e r n e tu s e r s b e c o m em o r ea n dm o r e a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ec o m p l e x i t ya n d u n c e r t a i no ft h ei n t e r n e t ，s om a n yq u e s t i o n sh a sa p p e a r s ，s op e o p l ec a l l f o rh i g h e rp e r f o r m a n c eo fi n t e r n e t t h en e t w o r k s r e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t ye t c h a sb e e nc o n c e r n e db yn e t w o r k sa d m i n i s t r a t o ro ru s e r s s oi n v e s t i g a t i n gn e t w o r k s ，g r a p p l i n gt h er u n n i n gs t a t e sa n du s a g eo f r e s o u r c eo fn e t w o r k si s s i g n i f i c a n tm e a n i n g s f o r i m p r o v i n g p e r f o r m a n c eo fn e t w o r k sa n dp r o v i d i n gb e t t e ra p p l y i n gs e r v i c e s i n t e r n e tc o n s i s t so fm a n yt y p e so fn e t w o r k ，as t r u c t u r el i k eas c h o o l o n l yh a sm a n a g e m e n tr i g h t s o fi t s e l f b e c a u s es o m ef a c t o r sl i k e c o m m e r c e ，i ti su n s h a r e df o ri n t e r n a lp e r f o r m a n c ed a t a s ot h e t e c h n i q u eb a s e do nm o n i t o r i n gi n t e r n a ln o d e si sd i f f i c u l tt oi m p l e m e n t i nt h e “r e a lw o r l d ”t h et e c h n i q u ee s t i m a t i n ge n d - t o - e n dp e r f o r m a n c e a n db e h a v i o ri s n tr e s t r i c t e df o ra c c e s s i n gi n t e r n a ls o u r c ea n ds e c u r i t y s t r a t e g yo fi n t e r n a ln o d e s e n d t o - e n dn e t w o r k s p e r f o r m a n c ee s t i m a t i n g i st h en e e df o r p e r f o r m a n c ee s t i m a t i n gt h ei n t e r n e ta n da p p l i c a t i o ns y s t e m w i t ht h e s c a l ee x t e n d i n go fn e t w o r ka n da p p l i c a t i o n su s i n gm o r ea n dm o r e ， p e o p l eh a v ead i f f e r e n c er e q u e s tf o rq u a l i t yo fs e r v i c e ，a n dh a v eam o r e a n dm o r er e c o g n i t i o nf o ra v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i n g a ne f f e c t i v e m e a n sf o ru n d e r s t a n d i n gt h ec h a r a c t e ro fn e t w o r k sb e h a v i o ra n da c t u a l a p p l i c a t i o ni se s t i m a t ee n d - t o e n da v a i l a b l eb a n d w i d t ho fap a t h w h a t t h ei n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e ra n du s e r si n t e r e s ti ni sh o wc a nt h e yg e t t h es o u r c ea n ds e r v i c et h a tn e t w o r k sp r o v i d er a p i d l y b a n d w i d t hi sa n i m p o r t a n tm e t r i co ft h es t a t eo fn e t w o r k ，i th a saw i d e l ya p p l i c a t i o ni n l o a db a l a n c e ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，a c c e s sc o n t r o l ，s e r v e r ss e l e c t i n ga n d s e c u r i t ye t c s o ，t h ev e r a c i t yo fb a n d w i d t hm e a s u r i n gi sv e r yi m p o r t a n t t ok n o wt h es t a t eo fn e t w o r ka n di n c r e a s et h eu s a g eo fn e t w o r k i i i 山东大学硕士学位论文 r e s o u r c e i nap a c k e tn e t w o r k ，t h et e r m s “b a n d w i d t h o r “t h r o u g h p u t o f t e n c h a r a c t e r i z et h ea m o u n to fd a t at h a tt h en e t w o r kc a nt r a n s f e rp e ru n i to f t i m e b a n d w i d t he s t i m a t i o ni so fi n t e r e s tt ou s e r sw i s h i n gt oo p t i m i z e e n d t o - e n dt r a n s p o r tp e r f o r m a n c e ，o v e r l a yn e t w o r kr o u t i n g ，a n d p e e r - t o - p e e rf i l ed i s t r i b u t i o n t e c h n i q u e sf o ra c c u r a t eb a n d w i d t h e s t i m a t i o na r ea l s oi m p o r t a n tf o rt r a f f i ce n g i n e e r i n ga n dc a p a c i t y p l a n n i n gs u p p o r t e x i s t i n gb a n d w i d t he s t i m a t i o nt o o l sm e a s u r eo n eo r m o r eo ft h r e er e l a t e dm e t r i c s ：c a p a c i t y ，a v a i l a b l eb a n d w i d t h ，a n db u l k t r a n s f e rc a p a c i t y ( b t c ) c u r r e n t l ya v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o n t o o l se m p l o yav a r i e t yo fs t r a t e g i e st om e a s u r et h e s em e t r i c s i nt h i st h e s i s ，w ef i r s ts u m m a r i z et h em e a s u r i n go fn e t w o r ka n d e x p a t i a t e dt h em e a n i n go fn e t w o r k ，m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sa n dt o o l s t h e nw er e v i e wt h er e c e n tb a n d w i d t he s t i m a t i o nl i t e r a t u r ef o c u s i n go n u n d e r l y i n gt e c h n i q u e sa n dm e t h o d o l o g i e sa sw e l la so p e ns o u r c e b a n d w i d t hm e a s u r e m e n tt o o l s f i n a l l y ，i nt h i st h e s i sw em a k ee x p e r i m e n tu s ek p e r f 2 0t op r o v et c pw i n d o ws i z ea n db u f f e rs i z ei sv e r y i m p o r t a n tf o re n d - t o e n db a n d w i d t he s t i m a t i n g a l t h o u g hf o rt o p p ，w e i m p r o v e dt h et e c h n i q u ew i t ht w om e t h o d s ，t om a k et o p pc a ng e t o r i e n t a t i o no fb o t t l e n e c kl i n k ，a sw e l la st h ec a p a c i t y k e yw o r d s ：n e t w o r km e a s u r e ，b a n d w i t he s t i m a t e ，e n d t o e n d b a n d w i d t he s t i m a t i n g ，k p e r f i v 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：篁兰壅 e l期： 枷8 r | ) 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：重垦垒 导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 i n t e r n e t 最初对网络用户提供的是尽力而为( b e s te f f o r t ) 的传 送服务，但随着网上银行、电子商务等应用的日益普及，需要提供 服务质量q o s 保证，于是i e t f 提出了集成服务( i n t s e r v ) 和区分服务 ( d i f f e r s e r v ) 的概念，针对不同用户、不同业务提供不同的服务质 量( 带宽、时延等) ，在i s p 和用产之问达成服务协议。对于普通厢户 而畜，尤其是众多的终端用户来说，获得该有的网络带宽就显得非 常重要了。眈如在青岛a d s l 用户，51 2 k 的带宽一年要纣费6 0 0 元，丽 2 m 用户一年则要付费1 2 0 0 元。那么用户该如何知道自己的服务是否 兑现? 网络测量是解决该阀题的最直接的方法。 在实际的网络运行中，互连网服务提供商is p 需要通过配置网络 性能测量系统来监测网络当前运褥状态，丽弼络用户也需要通过鼹 络性能测量系统来评价网络提供的端到端的服务质量。 网络带宽是餐量网络性麓行为的重要指标之一，通过测量得到 的网络端到端带宽的测量结果，可以作为评估网络性能的指标，便 予网络警壤者、运营商掌握网络的运行状况数及季筝为验收鼹络工程 的考查指标。 透过测量得到的嬲络端到端带宽可以用来评估网络性能、进行 资源合理调配、对路由进行优化、对新的业务请求进行接入控制、 攘塞控制和网络故障的判断处理。 可用带宽作为网络路由、流量工程、q o s 控制等方面的一个关键 参数，弓| 起了学术界和工业赛的广泛关注。然焉到匿前为止，还没有 个很好的可用带宽测量方法能够满足实际应用环境中的测量要 求。 可以预见，音频、视频、数据等带宽密集型业务将在2 0 0 8 年蓬 勃发展。所以，研究i p 鼷络端到端可用带宽的测量仍然是一个非常 好的课题。 山东大学硕士学位论文 1 2 文献综述 文献 1 描述了网络测量的定义；文献 2 - 4 对网络测量的一些 指标进行了说明；文献 5 对i e t f 网络协议性能指标工作组( i p p mw g ) 进行了介绍：网络性能测量的问题在其流量工程部分在文献 6 中提 出；文献 7 使用c o r a l r e e f 根据一定的规则集进行数据采集并可使 用p e r l 等语言对数据进行分析；文献 8 描述了网络流量监测工具 0 c x m o n ；文献 9 描述了数据分析工具c o r a l 广泛部署于n l a n r 的 h p c v b n s 狈4 量基础设施上；文献 1 0 是美国的n i m i 项目；文献 11 描述了主动式测量；路由器协作测量在边缘主机上执行测量，但需 要路由器的配合，这方面近来提出了一些新协议 1 8 2 0 ：文献 【2 3 2 4 】提过了p a t h r a t e 使用了一种可变大小的“分组对 的技术来测 量网络的瓶颈带宽和容量：文献 2 8 - 2 9 描述了t c p 的实现机制；在 文献 31 对b t c 定义为在不可靠网络路径上，单个t c p 连接在时间间 隔t 内可达到的最大平均数据传输速率；i p 网广泛采用的t c p 协议的 拥塞控制算法绝大多数源于文献 3 3 ，3 4 ：文献 3 5 - 4 0 对 p a t h c h a r 3 5 ，c li n k 3 6 ，p c h a r 3 7 等测量的是逐跳的容量， b p r o be 3 8 ，n e t t i m e r 3 9 ，p a t h r a t e 4 0 等测量的是端到端的容量 进行了描述：文献 4 1 - 4 3 研究了被动测量方式；文献 4 4 - 4 7 关注 路由和背景流量动态变化给测量带来的噪声以提高算法的鲁棒性和 精度；文献 5 0 提出单包模型是最早的链路带宽测量技术；文献 51 指出如果在测量路径中包含存储转发的第二层( 1 a y e r 2 ) 设备交换机 的话，那么测得的链路容量将会产生不可预测的错误；文献【5 7 6 1 】 中用其他的方法来改进包对测量；文献 6 4 - 6 5 在研究包对模型的 过程中使用了多个包对的包对串模式；文献 6 7 描述了i g i p t r 算 法；文献 7 3 - 7 5 描述了基于探测速率模型( p r m ) 去估计可用带宽的 一些算法算法；文献 7 8 中的研究表明，c p r o b e 测量的并不是可用 带宽，而是另外一种完全不同的参数，目前称为a d r ；p a t h l o a d 工具是 基于s l o p 方法的典型代表，是端到端主动带宽估测工具，在文献 7 9 中进行了描述；在文献【8l 】中证实c a p 工具要比t r e n o i 9 1 9 量b t c 要准确 2 山东大学硕士学位论文 一些；文献 8 5 - 8 9 描述了p g m 方法：文献 9 0 - 9 3 描述了p r m 方法， 它的基本思想是当报文的发送速率低于可用带宽时将受到较少干 扰：若报文发送速率高于可用带宽则将受到较大干扰，通过判断不同 发送速率的报文所受干扰的程度就可得到发送速率与可用带宽的关 系，不断调整发送速率就可得到可用带宽。 1 3 网络测量的定义、目的、三要素及测量指标 一、什么是网络测量呢? 网络测量是按照一定的方法和技术，利 用软件或硬件工具来测试网络的运行状态、表征网络特性的一系列 活动的总和 1 。 二、网络测量的目的从总体上来说可以分为三个方面：流量描 述、流量控制和网络监控。 1 流量描述：流量描述故名思议就是流量的描述。流量描述功 能之一就是能识别流量的模式，尤其是峰值流量的模式，以及这些 模式的变化同时，对流童模式的分析也应该具有每天、每周、每个 季度等等多个时间尺度。其二，在网络上分析流量的分布也很重要。 流量分布可以是基于一些对象的流或网络接口、节点、节点对、链 接、路径或者目标节点。其三，流量描述还应该根据路由器和网络 上服务类型数据来预测未来的流量负载。其四，放长远看，对流量 模式的研究还可以预测流量的变化趋势，进而为未来的协议设计等 工作提供计划性指导。 2 流量控制：就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的对网络性能进 行优化。例如，当网络出现故障或者拥塞时，可以利用流量控制对 数据进行重新路由。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，也就是说，可以根据已经存在的流对带宽的需求来为将 来的流分配资源。流量监控的工具有硬件的( 如d a t g e n e r a ln e t w o r k s n i f f e r ) 和软件的( t c p d u m p ，s n m p 等) ，有实时的和非实时的，有 侵扰式的和非侵扰式的。实时的流量监控是指边收集流量数据边分 3 山东大学硕士学位论文 析并显示流量信息，非实时的是指收集信息之后先存储起来过后再 分析。 3 网络监控是网络测量领域很重要的一部分。对某些对可靠性 要求很高的网络而言，网络监控本身就是网络维护不可分割的一个 部分。首先，网络监控可以监视网络目前运行的状态，找出错误的 或者可能导致错误的设备或者操作。般用户在使用网络时，都知 道用p i n g 或者t r a c e r o u t e 等命令来检测当前网络的运行状况。其实 这本身就是一种网络测量行为。其次，由于网络服务的多样化，服 务质量的控制越来越重要了。网络监控可以监视网络服务的质量和 连续性，可以保证服务质量或者服务等级得到了有效的执行，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 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激活相 应的策略第四，i s p 为用户提供i n t e r n e t 服务都不是独立的，不同 的is p 之间需要按照某种协议互相协作，以便为用户提供最好的服 务。因此，网络监控还担负起了在边界路由器监视不同服务提供商 之间的流量的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。 三、网络测量三个要素包括：测量对象、测量环境和测量方法。 1 测量对象：被测量的节点或链路，测量节点、链路或网络的 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、最大稳 定链接数等等。 2 测量环境：包括测量点的选取，测量时间的确定，测量设备、 通信链路的类型等。 3 测量方法：也就是针对某一具体的网络行为指标，选取合适的 测量方法。测量方法应该满足以下三个方面的要求：一：稳健性，即 被测网络的轻微变化不会使测量方法失效：二：可重复性，即同样的 网络条件下，多次测量结果应该一致；三：准确性，即测量结果应该 能够反映网络的真实情况。从不同的角度出发。可以对网络测量进行 4 山东大学硕士学位论文 分类。 针对菜一具体的网络行必指标，应选取合适的测量方法，测量 方法至少应满足：首先，稳健性一被测网络的动态变化，不会使测 量方法失效；其次，可重复性一阕样的髓络条件，多次测量结果应 一致；再次，准确性一测量结果成能反映网络的真实情况，应有一 定的可信度。 四、按照测量对象可以将测量指标分为以下几类： 王节点性能测量指标 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。 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：数据分组帧进入节点到离开节点的时延。 2 链路性能测量指标 两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 到端应用层的露络连接设备。 网络链路指标包括： 带宽：单位时间内所能传送的比特数，包括链路静可用带宽和容 量。 信道利用率：一段时问内信道处在占用状态的时闻与总观察时 间的比值。 带宽利用率：实际使用的带宽与链路容量的泷率。 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 队孵延之和。 3 端到端测量指标 5 山东大学硕士学位论文 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 2 。 分组丢弃率：端到端路径上分组丢弃的比率 3 。 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、网络分组丢弃率、网络互 连通性 4 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 et e s ti 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 bil i t yt e s ti 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 ti 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 6 山东大学硕士学位论文 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 es p o n s ed el 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。在苓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 试集孛的所有请求 的应答延迟的平均僮。侧重予评价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 考虑系统受载不为零的时间段。 系统容量( s y s t e mc 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 xi m u ms t a b l ec o n n e c ti 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。 1 。4 相关项量介绍 下面对网络性能测量的相关项目做个简单介绍，包括工业标准 ( i e t f ) ，政府机构( n g i ) 、企业( a t & tw o r l di p ) 和学术研究 ( n l a n r ，n m ，c a i d a 、和s u r v e y o r ) 等几个方面。 一、i e t f i e t f 网络协议性能指标工作组( i p p mw g ) 5 正努力制定一些性 能指标定义的标准，以虚糟于互联瘸数据传输服务的质量、性能和 可靠性的测量。这些指标向网络操作者、终端用户和独立的测试组 提供无偏差的性能测量。两且，i p p mw g 推动有效指标测量工具和过 程的共享，提供一个论坛，共享实施和应用这些指标信息，但蜜际 7 山东大学硕士学位论文 的实施和应用并不在工作组范围之内。 i p p mw g 已经完成的工作包括近期指定的r f c 和一些协议草案。 其框架主要是关于信息分类。 二、n g i 下一代互联网是一个多机构联合研究与开发项目，以开发、实 验和示范先进的网络技术和应用。n g i 的目的是建立政府与大学科研 网的实验床，网络速度达到现有速度的10 0 至1 0 0 0 倍。 网络性能测量的问题在其流量工程部分提出 6 。为了有效地支 持流量工程，必须准确一致地测量网络性能和流量的各种指标，其 测量不仅包括诸如吞吐量、丢失率、时延、偏差等单一流和路径等 属性，也包括诸如可用性、可靠性、错误适应性和入侵或攻击抵抗 性等广泛属性。测量信息的分发象获取一样多样，需要一个稳定的 基础设施来分布这些信息到相应的位置，同时测量基础设施应该能 取得这些信息的分发，这种大规模和复杂的测量基础设施应该如何 建立和操作还有待进一步研究。 三、n l a n r 美国应用网络研究国家实验室n l a n r 的测量项目p m a ( p a s s i v e m e a s u r e - m e n ta n da n a l y s is ) ，旨在为高级网络提供协作性的服务 支持。它采用o c 3 c o m 数据搜集系统，包括专门的群机系统、装有f o r e a t mc a r d s 和o p t i c a ls p l i t t e r s ，采集a t m 的数据流，使用 c o r a l r e e f 根据一定的规则集进行数据采集并可使用p e r l 等语言对 数据进行分析 7 。与其它项目相比，n i a n r 主要有以下两个特色： ( 1 ) 数据收集方式全面，包括主动、被动和控制监视；( 2 ) 数据 可视化采用了三维形象显示的方式。 为了加强对互联网的研究，美国在n s f 支持下成立了网络应用研 究国家实验室( n l a n r ) ，性能测量是其主要研究的三个方向之一。 n l a n r 建立了网络分析基础设施n a i ，它致力于通过对互联网的性能 测量和流测量，理解互联网系统级的服务模型，其研究环境与背景 主要是n s f 的超高带宽网络服务( v b n s ) ，并扩展到其它高性能连接 ( h p c ) 网络，如a bi1 e n c e 等。n a i 是现有测量基础设施中最全面的， 8 山东大学硕士学位论文 它不仅包括大量测量数据和多样的分析，还有许多测量工具与方法， 广泛的信息共享与研究合作。n a i 中测量数据分为四类：被动方式收 集的包头数据、主动性能数据、用s n m p 协议采集的数据以及反映网 络路由稳定性和状态的数据。n l a n r 网络测量研究项目主要有被动测 量p m a 和主动测量a m p 两部分。 p m a 在骨干网的高速链路部署网络流量监测工具o c x m o n 8 ， o c x m o n 监控器由一台运行f r e e b s d 或l i n u x 系统的p c 组成，p c 上装有 一个分光器和两个监测卡。分光器连接监控器和0 c 3 或o c l2 光纤链 路，两个监测卡可以以全双工方式捕获双向流量。c o r a i o c x m o n 是 一种复杂的被动流量数据分析软件，流量数据有实时监测数据和流 量文件两种形式，分析类型主要有双向事务分析和流分析两种。目 前h p c 网上总共部署了3 2 个o c x m o n 监控器。每个监控器每三小时收 集一次数据包头，数据的收集时间长度是9 0 秒。收集过程启动时间 采用伪随机数，以避免有序事件影响监测结果。 a m p 在h p c 网中部署大量测量点，这些测量点组成一个全连通的 测量网。一个测量点向其它所有测量点发送测量数据包，通过测量 这些点之间的双程时延、包丢失率、拓扑和吞吐量来监测h p c 网的性 能状况。目前部署的测量点有118 个，并设置两个数据仓库。测量点 之间相互发送测量数据包，获取原始性能数据，性能数据最后发送 到数据仓库。两个数据仓库独立工作，一个为主数据仓库，另一个 为镜像数据仓库。两者保持完全一致的数据，这种结构可以在系统 出现故障时能有效地恢复数据。 n l a n r 研制了专用的数据可视化系统c ic h lid ，它是用于显示柱 状图和结点一边图形的分布式动态显示工具，分为服务器和客户端 两部分，服务器按格式提供原始数据，客户端与服务器建立t c p 连接， 并可视化原始数据。 四、c a i d a c a i d a 由n s f 和d a r p a 支持，是网络测量领域的一个合作机构，为 其成员提供网络测量、数据分析和数据可视化工具。c a i d a 与n l a n r 的合作非常紧密，其数据分析工具c o r a l 广泛部署于n l a n r 的 9 山东大学硕士学位论文 h p c v b n s 测量基础设施上 9 。c o r a l r e e f 是一个复杂的软件簇，为 负载特征的被动网络测量提供一组驱动程序、库、工具和分析软件。 它的报告刻画了u c s d 和其它互联网之间高速链路的负载。 五、n i m i 美国的n i m i 项目里 10 ，利用p i n g 、t r a c e r o u t e 、m t r a c e 等 工具进行主动测量 11 。它是一个可进行大规模网络测量的测量基 础设施，创建了一个通用的架构，具有良好的可扩展性。n i m i 的主 要特点在于它不是为某种特殊的分析目标执行特定的测试集，而是 可以灵活地在底层架构之上添加自己所需的测量工具。 n i m i 项目开始由n s f 支持，现在由d a r p a 支持。其测量系统建立 在现有网络之上，它的体系结构类似于其他大型网络服务系统1 91 ， 如d n s ，n t p 和u s e n e t 新闻系统，采用层次结构和分布式方式，使之 可以扩展到整个互联网。n i m i 主要采用主动测量技术，其评价指标 主要有性能类指标。它在互联网中部署大量探针机器，探针机器之 间相互合作交换测试流量从而监测互联网路径性能状况。目前探针 机器采用的是p a x s o n 研制的网络探针进程n p d ，现有部署的n p d 数量 3 7 个，测量路径达到10 0 条。 与其它几个测量基础设施不同的是，n i m i 致力于建立可扩展互 联网网络性能测量设施的通用体系结构，而不是为特定的分析目标 做一组特定的测量操作 12 。建立在n p d 基础上，n i m i 探针的可扩展 性在于： 首先，轻量级代码可移动，n i m i 可运行在不同平台上，并最终 直接移植到硬件； 第二，具有动态性，测量簇的增加和已存在簇的调整之间无缝 连接； 第三，自动配置能力，只需很少量的人工干预； 第四，安全性，对敏感数据的测量保证其私有性。n i m i 探针功 能上分为三部分：后台通信进程，任务调度和测量簇程序。结构上， 通信和调度部分组成n i m i 后台进程n i m id ，测量簇作为外部模块，它 的增加不引起对1 1 i m id 的修改。 1 0 山东大学硕士学位论文 童曼寰黑燃兰曼曼曼曼皇蔓嘲鼍皇皇曼曼量笪篡燃鼍璺鼍量鼍曼墨燃黑皇量曼曼曼曼篡黑葛曼曼曼曼吕邕篡黑皇鲁量罾曼璺i ， 一。 i m 皇曼曼曼舅冀薯鼍皇曼曼 六、w o r l d i p 1 9 9 7 年，a t & t 开展7 对w o r l d n e t 嬲络行为的测量和分橱 堇3 】。 其i p 主干由遍布全美的大量主节点组成，这些节点之间高速网状连 接。己经部署的测量结构原型分为被动和主动两部分。被动部分包 括内嵌的包捕获器、收集边界路由器信息的流级流量统计和可从中 获取路由信息的高端路由器。主动部分包括配置在各主要路由交换 中心的一组测量计算机，这些计算机相互交换测量的流量信息，收 集丢失率、时延和可连接性的全天统计信息。测量数据最后存在数 据中心，w o rl d n e t 数据中心是一个高性能的存储系统，用来存储和 分析以上描述的i p 网测量和功能数据。数据主要包括8 类：包头、流 统计、路由表信息、路由统计、路由配置、注搿记录、服务器日志、 主动测量。 此外，它还提供数据挖掘、信息关联、信息分析和存储等扩展 功能。它的数据中心有通用服务器和专用服务器两种，前者用于存 储计算前的数据集和详细的不敏感信息。后者存储详细的测量数据， 如a t & t 的d a y t o n a 数据库系统。d a y t o n a 数据存储系统速度快；采用 第四代语言，功熊和表达能力非常强：以u n i x 作为服务器，节省了代 码并减少了复杂性：采用分区及其它复杂技术，减少了磁盘的占用 量；采用对每个记录单独压缩的方法，难缩后的表仍可以索弓l ，只 需对目标数据解压缩，提高了解压缩的速度。 a t & t 实验室开发的p a c k e t s c o p e 是一种高性熊的i p 包头收集系 统，它的基本组成是一台用于捕获数据包的5 0 0 m h zu n i x 工作站、一 个i o g b 的磁盘阵列和一个1 4 0 g 的磁带。每台工作站通过t l 线路访 问数据中心。 p a c k e t s c o p e 的设计准则如下： 被动性：监控设备不影响被监控网络。 安全性：p a c k e t s c o p e 对两络的控制需通过验证和加密，不能通 过对被监控网络的接口直接控制。 多功能：u n i x z i z 笮站采用t c p d u m p 工具的修改舨本捕获包头。 平台有快速开发能力，包括安全性配置和高层协议头跟踪。 山东大学硕士学位论文 w i p m 系统应用一系列主动测量技术，为测量i p 主干的端到端性 能提供了一个基础结构，系统实现了双程时延、丢失率、吞吐量和 h t t p 传输时延( 包括域名解析时间) 等性能指标的测量和结果报告。 七、s u r v e y o r s u r v e y o r 1 4 是一个建立在全球参与站点上的测量平台，部分 由n s f 支持。它测量i n t e r n e t 的路径性能，包括单向延时、损耗、路 由测量等，并研究相应的分析方法与工具。s u r v e y o r 的特色主要表 现在：采用标准的测试方法，使得结果具有可比性；二：利用 g p s 卡进行时钟同步，对于单向的测量准确率较高。 s u r v e y o r 建立在i e t fi p p mw g 的标准化工作基础上，由大量测 量计算机和一个中心数据库组成。系统在9 个国家的各参与网络中共 部署了51 台测量计算机，测量计算机采用g p s 系统获得精确的时间同 步，在测量数据包中设置源和目标的时间戳 15 3 。测量计算机采用 连续的端到端测量技术，连续测量网络性能。主要测量单项网络属 性，定义并实施了单程时延协议( o w d p ) 和单程丢失率协( 0 w l p ) 。 所有的测量数据发送到中心数据库，进行存储和分析。测量计 算机收集性能数据，先缓存在本地，几分种后再对数据进行整理并 上载到中心数据库。中心数据库以文件系统和数据库系统方式存储 数据，提供实时的数据访问。 性能数据的分析工作主要是由原始数据生成每条被监测路径的 2 4 小时统计图，主要有时延统计图、丢失率、时延一包百分比柱状图。 性能结果的访问采用w e b 方式，表现形式有日历、每站点、每路径和 动画四种。根据测量结果，系