網(wǎng)絡(luò)性能測量技術(shù)的研究

[摘要] 網(wǎng)絡(luò)性能測量是網(wǎng)絡(luò)行為分析的基礎(chǔ)。本文對網(wǎng)絡(luò)性能測量的相關(guān)內(nèi)容，以及網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的測量與分析進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，并對網(wǎng)絡(luò)性能測量的下一步發(fā)展進(jìn)行了展望。

[關(guān)鍵詞] 網(wǎng)絡(luò)性能測量技術(shù)性能指標(biāo)分析與研究

一、引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和業(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，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)，引起網(wǎng)絡(luò)性能下降。這就需要對網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)進(jìn)行提取與分析，網(wǎng)絡(luò)性能測量便應(yīng)運(yùn)而生。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸及網(wǎng)絡(luò)中可能存在的潛在危險(xiǎn)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的驗(yàn)證和控制，是網(wǎng)絡(luò)性能測量的主要目的。

二、網(wǎng)絡(luò)性能測量的概念

網(wǎng)絡(luò)性能是一系列對于運(yùn)營商有意義的，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)行測量所得到的結(jié)果，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)。對網(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)。

ITU-T定義的IP網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)包括：IP包傳輸延遲、IP包時(shí)延變化、IP包誤差率、IP包丟失率、虛假IP包率、流量參數(shù)、業(yè)務(wù)可用性。

IETF 將性能參數(shù)稱為“度量”。由IPPM 工作組來負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)性能方面的研究及性能參數(shù)的制定，包括：IP連接性、IP包傳送時(shí)延、IP包丟失率、IP包時(shí)延變化、流量參數(shù)。

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(jìn)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。

1.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。在實(shí)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。

2.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(diǎn)不同，可以相互作為補(bǔ)充。主動測量是在選定的測量點(diǎn)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。被動測量是指在鏈路或設(shè)備(如路由器，交換機(jī)等)上利用測量設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測，而不需要產(chǎn)生多余流量的測量方法。主動測量與被動測量各有其優(yōu)、缺點(diǎn)，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。

3.測量中的抽樣。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。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。

四、性能指標(biāo)的測量與分析

1.連接性。連接性嚴(yán)格說應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)的基本能力或?qū)傩裕荒芊Q為性能，但I(xiàn)TU-T建議可以用一些方法進(jìn)行定量的測量。目前還提出了連通率的概念，根據(jù)連通率的分布狀況建立擬合模型。

2.延遲。IP包穿越一個或多個網(wǎng)段所經(jīng)歷的時(shí)間為延遲。對于單向延遲測量要求時(shí)鐘嚴(yán)格同步，這在實(shí)際的測量中很難做到，許多測量方案都采用往返延遲，以避開時(shí)鐘同步問題。往返延遲的測量方法是：入口路由器將測量包打上時(shí)戳后，發(fā)送到出口路由器。出口路由器一接收到測量包便打上時(shí)戳，隨后立即使該數(shù)據(jù)包原路返回。入口路由器接收到返回的數(shù)據(jù)包之后就可以評估路徑的端到端時(shí)延。

3.丟包率。丟包率是丟失的IP 包與所有的IP 包的比值。許多因素會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)被丟棄。為了評估網(wǎng)絡(luò)的丟包率，一般采用直接發(fā)送測量包來進(jìn)行測量。對丟包率進(jìn)行準(zhǔn)確的評估與預(yù)測則需要一定的數(shù)學(xué)模型。目前評估網(wǎng)絡(luò)丟包率的模型主要有貝努利模型、馬爾可夫模型和隱馬爾可夫模型，等等。172 小時(shí)的測量試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的數(shù)據(jù)采樣間隔下（20ms，40ms，80ms，160ms）采用三種不同的丟包率分析模型進(jìn)行分析得到的結(jié)果完全不同，在不同的估計(jì)精確度的要求下實(shí)驗(yàn)結(jié)果也各有不同。因此，目前需要能夠精確描述丟包率的數(shù)學(xué)模型。

4.帶寬。帶寬一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬。瓶頸帶寬是指當(dāng)一條路徑中沒有其他背景流量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠提供的最大的吞吐量。可用帶寬是指在網(wǎng)絡(luò)路徑（通路）存在背景流量的情況下，能夠提供給某個業(yè)務(wù)的最大吞吐量。瓶頸帶寬反映了路徑的靜態(tài)特征，而可用帶寬真正反映了在某一段時(shí)間內(nèi)鏈路的實(shí)際通信能力，所以可用帶寬的測量具有更重要的意義。

5.流量參數(shù)。ITU-T提出兩種流量參數(shù)作為參考：一種是以一段時(shí)間間隔內(nèi)在測量點(diǎn)上觀測到的所有傳輸成功的IP 包數(shù)量除以時(shí)間間隔，即包吞吐量；另一種是基于字節(jié)吞吐量：用傳輸成功的IP 包中總字節(jié)數(shù)除以時(shí)間間隔。

Internet 業(yè)務(wù)量的高突發(fā)性以及網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，使得網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性，建立流量模型越發(fā)變得重要。

五、網(wǎng)絡(luò)性能測量的展望

網(wǎng)絡(luò)性能測量中還有許多關(guān)鍵技術(shù)值得研究。例如：單向測量中的時(shí)鐘同步問題；主動測量與被動測量的抽樣算法研究；多種測量工具之間的協(xié)同工作；網(wǎng)絡(luò)測量體系結(jié)構(gòu)的搭建；性能指標(biāo)的量化問題；隨著網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)理論、測量方法、分析模型研究的逐漸深入、各種測量工具的不斷出現(xiàn)以及大型測量項(xiàng)目的不斷開展，人們對網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識會越來越深刻，從而不斷地推動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向前發(fā)展。

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