計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量技術(shù)初探-計(jì)算機(jī)論文

[摘要]網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量是網(wǎng)絡(luò)行為分析的基礎(chǔ)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的相關(guān)內(nèi)容以及網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的測(cè)量與分析進(jìn)行系統(tǒng)的介紹，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的下一步發(fā)展進(jìn)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(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求空前增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)也變得越來(lái)越復(fù)雜。不斷增加的網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)和應(yīng)用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)沉重，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而引起網(wǎng)絡(luò)性能下降。這就需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)進(jìn)行提取與分析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行改善和提高。因此網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量便應(yīng)運(yùn)而生。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的潛在危險(xiǎn)，更加有效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能管理，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的驗(yàn)證和控
制，對(duì)服務(wù)提供商的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行量化、比較和驗(yàn)證，是網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的主要目的。
一、網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)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(duì)一系列對(duì)于運(yùn)營(yíng)商有意義的，并可用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配置、操作和維護(hù)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量所得到的結(jié)果?？梢?jiàn)，網(wǎng)絡(luò)性能是與終端性能以及用戶(hù)的操作無(wú)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(lái)測(cè)量和描述。
（二）網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的概念
對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)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(bǔ)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(gè)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(cè)量方法對(duì)于同一參數(shù)必須具有可重復(fù)性，即在相同條件下多次使用該方法所獲得的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該相同；
（3）性能參數(shù)必須具有公平性，即對(duì)同種網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量結(jié)果不應(yīng)有差異而對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量結(jié)果則應(yīng)出現(xiàn)差異；
（4）性能參數(shù)必須有助于用戶(hù)和運(yùn)營(yíng)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(duì)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(shí)延變化（IPPacketDelayVariation，IPDV）;(3)IP包誤差率（IPPacketErrorRateIPER）;(4)IP包丟失率（IPPacketLassRate，IPLR）;(5)虛假I(mǎi)P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(chēng)為“度量（Metric）。由IPPM（IPPerformanceMetrics）工作組來(lái)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)性能方面的研究及性能參數(shù)的制定。IETF對(duì)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(shí)延；（3）IP包丟失率；（4）IP包時(shí)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(lái)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(lái)說(shuō)是一個(gè)層次化的網(wǎng)絡(luò)，因此，對(duì)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(jìn)行。可以以IP層的性能為基礎(chǔ)，來(lái)研究IP層不同性能與上層不同應(yīng)用性能之間的映射關(guān)系。
2.水平結(jié)構(gòu)模型。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的性能，用戶(hù)主要關(guān)心的是端到端的性能，因此從用戶(hù)的角度來(lái)看，可以利用水平結(jié)構(gòu)模型來(lái)對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的端到端性能進(jìn)行分析。
三、網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的方法
網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量涉及到許多內(nèi)容，如采用主動(dòng)方式還是被動(dòng)方式進(jìn)行測(cè)量；發(fā)送測(cè)量包的類(lèi)型；發(fā)送與截取測(cè)量包的采樣方式；所采用的測(cè)量體系結(jié)構(gòu)是集中式還是分布式等等。
（一）測(cè)量包
網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量中，影響測(cè)量結(jié)果的一個(gè)重要因素就是測(cè)量數(shù)據(jù)包的類(lèi)型。
1.P類(lèi)型包。類(lèi)型P是對(duì)IP包類(lèi)型的一種通用的聲明。只要一個(gè)性能參數(shù)的值取決于對(duì)測(cè)量中采用的包的類(lèi)型，那么參數(shù)的名稱(chēng)一定要包含一個(gè)具體的類(lèi)型聲明。
2.標(biāo)準(zhǔn)形式的測(cè)量包。在定義一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)時(shí)，應(yīng)默認(rèn)測(cè)量中使用的是標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型的包。比如可以定義一個(gè)IP連通性度量為：“IP某字段為0的標(biāo)準(zhǔn)形式的P類(lèi)型IP連通性”。在實(shí)際測(cè)量中，很多情況下包長(zhǎng)會(huì)影響絕大多數(shù)性能參數(shù)的測(cè)量結(jié)果，包長(zhǎng)的變化對(duì)于不同目的的測(cè)量來(lái)說(shuō)影響也會(huì)不一樣。
3.主動(dòng)測(cè)量與被動(dòng)測(cè)量方式。最常見(jiàn)的IP網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量方法有兩類(lèi)：主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量。這兩種方法的作用和特點(diǎn)不同，可以相互作為補(bǔ)充。
4.主動(dòng)測(cè)量。主動(dòng)測(cè)量是在選定的測(cè)量點(diǎn)上利用測(cè)量工具有目的地主動(dòng)產(chǎn)生測(cè)量流量，注入網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)流的傳送情況來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)的性能。主動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)測(cè)量過(guò)程的可控性比較高，靈活、機(jī)動(dòng)，易于進(jìn)行端到端的性能測(cè)量；缺點(diǎn)是注入的測(cè)量流量會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)本身的運(yùn)行情況，使得測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差，而且測(cè)量流量還會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。主動(dòng)測(cè)量在性能參數(shù)的測(cè)量中應(yīng)用十分廣泛，目前大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)都涉及到主動(dòng)測(cè)量。
要對(duì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行主動(dòng)測(cè)量，需要一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，這種主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)一般包括以下四個(gè)部分：測(cè)量節(jié)點(diǎn)（探針）、中心服務(wù)器、中心數(shù)據(jù)庫(kù)和分析服務(wù)器。有中心服務(wù)器對(duì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，由測(cè)量節(jié)點(diǎn)執(zhí)行測(cè)量任務(wù)，測(cè)量數(shù)據(jù)由中心數(shù)據(jù)庫(kù)保存，數(shù)據(jù)分析則由分析服務(wù)器完成。
5.被動(dòng)測(cè)量。被動(dòng)測(cè)量是指在鏈路或設(shè)備（如路由器，交換機(jī)等）上利用測(cè)量設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而不需要產(chǎn)生多余流量的測(cè)量方法。被動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于理論上它不產(chǎn)生多余流量，不會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；其缺點(diǎn)在于被動(dòng)測(cè)量基本上是基于對(duì)單個(gè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)，很難對(duì)網(wǎng)絡(luò)端到端的性能進(jìn)行分析，并且可能實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)量過(guò)大，另外還存在用戶(hù)數(shù)據(jù)泄漏等安全性和隱私問(wèn)題。
被動(dòng)測(cè)量非常適合用來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量。
6.主動(dòng)測(cè)量與被動(dòng)測(cè)量的結(jié)合。主動(dòng)測(cè)量與被動(dòng)測(cè)量各有其優(yōu)、缺點(diǎn)，而且對(duì)于不同的性能參數(shù)來(lái)說(shuō)，主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量也都有其各自的用途。因此，將主動(dòng)測(cè)量與被動(dòng)測(cè)量相結(jié)合將會(huì)給網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量帶來(lái)新的發(fā)展。
（二）測(cè)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(guò)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(duì)于主動(dòng)測(cè)量，其抽樣是指發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)包的過(guò)程；對(duì)于被動(dòng)測(cè)量來(lái)說(shuō)，抽樣則是指從業(yè)務(wù)流量中采集測(cè)量數(shù)據(jù)的過(guò)程。
2.抽樣方法。依據(jù)抽樣時(shí)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(jī)附加抽樣和泊松抽樣[4]。周期抽樣是一種最簡(jiǎn)單的抽樣方式，每隔固定時(shí)間產(chǎn)生一次抽樣。因?yàn)楹?jiǎn)單，所以應(yīng)用的很多。但它存在以下一些缺點(diǎn)：測(cè)量容易具有周期性、具有很強(qiáng)的可預(yù)測(cè)性、會(huì)使被測(cè)網(wǎng)絡(luò)陷入一種同步狀態(tài)。隨機(jī)附加抽樣的抽樣間隔的產(chǎn)生是相互獨(dú)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(dāng)時(shí)間間隔以概率1取某個(gè)常數(shù)，那么該抽樣就退化為周期抽樣。隨機(jī)附加抽樣的主要優(yōu)點(diǎn)在于其抽樣間隔是隨機(jī)產(chǎn)生的，因此可以避免對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生同步效應(yīng)，它的主要缺點(diǎn)是由于抽樣不是以固定間隔進(jìn)行，從而導(dǎo)致頻域分析復(fù)雜化。
在RFC2330中，推薦泊松抽樣，它的時(shí)間間隔符合泊松分布，它的優(yōu)點(diǎn)是：能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的無(wú)偏估計(jì)、測(cè)量結(jié)果不可預(yù)測(cè)、不會(huì)產(chǎn)生同步現(xiàn)象。但是，由于指數(shù)函數(shù)是無(wú)界的，因此泊松抽樣有可能產(chǎn)生很長(zhǎng)的抽樣間隔，因此，實(shí)際應(yīng)用中可以限定一個(gè)最大間隔值，以加速抽樣過(guò)程的收斂。