計算機網(wǎng)絡(luò)性能測量技術(shù)初探-計算機論文

[摘要]網(wǎng)絡(luò)性能測量是網(wǎng)絡(luò)行為分析的基礎(chǔ)。對網(wǎng)絡(luò)性能測量的相關(guān)內(nèi)容以及網(wǎng)絡(luò)性能指標的測量與分析進行系統(tǒng)的介紹，并對網(wǎng)絡(luò)性能測量的下一步發(fā)展進行了展望。
隨著Internet技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的需求空前增長，網(wǎng)絡(luò)也變得越來越復雜。不斷增加的網(wǎng)絡(luò)用戶和應用，導致網(wǎng)絡(luò)負擔沉重，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備超負荷運轉(zhuǎn)，從而引起網(wǎng)絡(luò)性能下降。這就需要對網(wǎng)絡(luò)的性能指標進行提取與分析，對網(wǎng)絡(luò)性能進行改善和提高。因此網(wǎng)絡(luò)性能測量便應運而生。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，并進一步發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的潛在危險，更加有效地進行網(wǎng)絡(luò)性能管理，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的驗證和控
制，對服務(wù)提供商的服務(wù)質(zhì)量指標進行量化、比較和驗證，是網(wǎng)絡(luò)性能測量的主要目的。
一、網(wǎng)絡(luò)性能測量的概念
（一）網(wǎng)絡(luò)性能的概念
網(wǎng)絡(luò)性能可以采用以下方式定義[1]：網(wǎng)絡(luò)性能是對一系列對于運營商有意義的，并可用于系統(tǒng)設(shè)計、配置、操作和維護的參數(shù)進行測量所得到的結(jié)果。可見，網(wǎng)絡(luò)性能是與終端性能以及用戶的操作無關(guān)的，是網(wǎng)絡(luò)本身特性的體現(xiàn)，可以由一系列的性能參數(shù)來測量和描述。
（二）網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的概念
對網(wǎng)絡(luò)性能進行度量和描述的工具就是網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。IETF和ITU-T都各自定義了一套性能參數(shù)，并且還在不斷的補充和修訂之中。
1.性能參數(shù)的制定原則。網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的制定必須遵循如下幾個原則：
（1）性能參數(shù)必須是具體的和有明確定義的；
（2）性能參數(shù)的測量方法對于同一參數(shù)必須具有可重復性，即在相同條件下多次使用該方法所獲得的測量結(jié)果應該相同；
（3）性能參數(shù)必須具有公平性，即對同種網(wǎng)絡(luò)的測量結(jié)果不應有差異而對不同網(wǎng)絡(luò)的測量結(jié)果則應出現(xiàn)差異；
（4）性能參數(shù)必須有助于用戶和運營商了解他們所使用或提供的IP網(wǎng)絡(luò)性能；
（5）性能參數(shù)必須排除人為因素；
2.ITU-T定義的IP網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。ITU-T對IP網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的定義[2]包括：
（1）IP包傳輸延遲（PacketTransferDelay，IPTD）;(2)IP包時延變化（IPPacketDelayVariation，IPDV）;(3)IP包誤差率（IPPacketErrorRateIPER）;(4)IP包丟失率（IPPacketLassRate，IPLR）;(5)虛假IP包率（SpuriousIPPacketRate）;(6)流量參數(shù)（Flowrelatedparameters）;(7)業(yè)務(wù)可用性（IPServiceAvailability）。
3.IETF定義的IP網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。IETF將性能參數(shù)[3]稱為“度量（Metric）。由IPPM（IPPerformanceMetrics）工作組來負責網(wǎng)絡(luò)性能方面的研究及性能參數(shù)的制定。IETF對IP網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的定義包括：
（1）IP連接性；（2）IP包傳送時延；（3）IP包丟失率；（4）IP包時延變化；（5）流量參數(shù)。
（三）網(wǎng)絡(luò)性能結(jié)構(gòu)模型
從空間的角度來看，網(wǎng)絡(luò)整體性能可以分為兩種結(jié)構(gòu)：立體結(jié)構(gòu)模型和水平結(jié)構(gòu)模型。
1.立體結(jié)構(gòu)模型。IP網(wǎng)絡(luò)就其協(xié)議來說是一個層次化的網(wǎng)絡(luò)，因此，對IP網(wǎng)絡(luò)性能的研究也可以按照一種自上而下的方法進行?？梢砸訧P層的性能為基礎(chǔ)，來研究IP層不同性能與上層不同應用性能之間的映射關(guān)系。
2.水平結(jié)構(gòu)模型。對于網(wǎng)絡(luò)的性能，用戶主要關(guān)心的是端到端的性能，因此從用戶的角度來看，可以利用水平結(jié)構(gòu)模型來對IP網(wǎng)絡(luò)的端到端性能進行分析。
三、網(wǎng)絡(luò)性能測量的方法
網(wǎng)絡(luò)性能測量涉及到許多內(nèi)容，如采用主動方式還是被動方式進行測量；發(fā)送測量包的類型；發(fā)送與截取測量包的采樣方式；所采用的測量體系結(jié)構(gòu)是集中式還是分布式等等。
（一）測量包
網(wǎng)絡(luò)性能測量中，影響測量結(jié)果的一個重要因素就是測量數(shù)據(jù)包的類型。
1.P類型包。類型P是對IP包類型的一種通用的聲明。只要一個性能參數(shù)的值取決于對測量中采用的包的類型，那么參數(shù)的名稱一定要包含一個具體的類型聲明。
2.標準形式的測量包。在定義一個網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)時，應默認測量中使用的是標準類型的包。比如可以定義一個IP連通性度量為：“IP某字段為0的標準形式的P類型IP連通性”。在實際測量中，很多情況下包長會影響絕大多數(shù)性能參數(shù)的測量結(jié)果，包長的變化對于不同目的的測量來說影響也會不一樣。
3.主動測量與被動測量方式。最常見的IP網(wǎng)絡(luò)性能測量方法有兩類：主動測量和被動測量。這兩種方法的作用和特點不同，可以相互作為補充。
4.主動測量。主動測量是在選定的測量點上利用測量工具有目的地主動產(chǎn)生測量流量，注入網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)流的傳送情況來分析網(wǎng)絡(luò)的性能。主動測量的優(yōu)點是對測量過程的可控性比較高，靈活、機動，易于進行端到端的性能測量；缺點是注入的測量流量會改變網(wǎng)絡(luò)本身的運行情況，使得測量的結(jié)果與實際情況存在一定的偏差，而且測量流量還會增加網(wǎng)絡(luò)負擔。主動測量在性能參數(shù)的測量中應用十分廣泛，目前大多數(shù)測量系統(tǒng)都涉及到主動測量。
要對一個網(wǎng)絡(luò)進行主動測量，需要一個測量系統(tǒng)，這種主動測量系統(tǒng)一般包括以下四個部分：測量節(jié)點（探針）、中心服務(wù)器、中心數(shù)據(jù)庫和分析服務(wù)器。有中心服務(wù)器對測量節(jié)點進行控制，由測量節(jié)點執(zhí)行測量任務(wù)，測量數(shù)據(jù)由中心數(shù)據(jù)庫保存，數(shù)據(jù)分析則由分析服務(wù)器完成。
5.被動測量。被動測量是指在鏈路或設(shè)備（如路由器，交換機等）上利用測量設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測，而不需要產(chǎn)生多余流量的測量方法。被動測量的優(yōu)點在于理論上它不產(chǎn)生多余流量，不會增加網(wǎng)絡(luò)負擔；其缺點在于被動測量基本上是基于對單個設(shè)備的監(jiān)測，很難對網(wǎng)絡(luò)端到端的性能進行分析，并且可能實時采集的數(shù)據(jù)量過大，另外還存在用戶數(shù)據(jù)泄漏等安全性和隱私問題。
被動測量非常適合用來進行流量測量。
6.主動測量與被動測量的結(jié)合。主動測量與被動測量各有其優(yōu)、缺點，而且對于不同的性能參數(shù)來說，主動測量和被動測量也都有其各自的用途。因此，將主動測量與被動測量相結(jié)合將會給網(wǎng)絡(luò)性能測量帶來新的發(fā)展。
（二）測量中的抽樣
1.抽樣概念。抽樣，也叫采樣，抽樣的特性是由抽樣過程所服從的分布函數(shù)所決定的。研究抽樣，主要就是研究其分布函數(shù)。對于主動測量，其抽樣是指發(fā)送測量數(shù)據(jù)包的過程；對于被動測量來說，抽樣則是指從業(yè)務(wù)流量中采集測量數(shù)據(jù)的過程。
2.抽樣方法。依據(jù)抽樣時間間隔所服從的分布，抽樣方法可分為很多種，目前比較常用的抽樣方法是周期抽樣、隨機附加抽樣和泊松抽樣[4]。周期抽樣是一種最簡單的抽樣方式，每隔固定時間產(chǎn)生一次抽樣。因為簡單，所以應用的很多。但它存在以下一些缺點：測量容易具有周期性、具有很強的可預測性、會使被測網(wǎng)絡(luò)陷入一種同步狀態(tài)。隨機附加抽樣的抽樣間隔的產(chǎn)生是相互獨立的，并服從某種分布函數(shù)，這種抽樣方法的優(yōu)劣取決于分布函數(shù)：當時間間隔以概率1取某個常數(shù)，那么該抽樣就退化為周期抽樣。隨機附加抽樣的主要優(yōu)點在于其抽樣間隔是隨機產(chǎn)生的，因此可以避免對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生同步效應，它的主要缺點是由于抽樣不是以固定間隔進行，從而導致頻域分析復雜化。
在RFC2330中，推薦泊松抽樣，它的時間間隔符合泊松分布，它的優(yōu)點是：能夠?qū)崿F(xiàn)對測量結(jié)果的無偏估計、測量結(jié)果不可預測、不會產(chǎn)生同步現(xiàn)象。但是，由于指數(shù)函數(shù)是無界的，因此泊松抽樣有可能產(chǎn)生很長的抽樣間隔，因此，實際應用中可以限定一個最大間隔值，以加速抽樣過程的收斂。