對網絡性能測量進行簡述

1.引言

隨著Internet技術和網絡業務的飛速發展，網絡資源空前增長，對網絡的需求和應用方式變得越來越復雜。不斷增加的網絡用戶和應用，導致網絡負擔沉重，網絡設備超負荷運轉，從而網絡性能下降。這就需要對網絡的性能指標進行提取與分析，對網絡性能進行改善和提高。因此，作為網絡行為分析基礎的網絡性能測量的作用就極為重要了。發現網絡瓶頸，優化網絡配置，并進一步發現網絡中可能存在的潛在危險，更加有效地進行網絡性能管理，提供網絡服務質量(QOS)的驗證和控制，對網絡服務提供商的服務質量指標進行量化、比較和驗證等，是網絡性能測量的主要目的。

2.網絡性能測量的概念

2.1 網絡性能

網絡性能是一組對于運營商有意義的，并可用于系統設計、配置、操作和維護的參數進行測量所得到的結果。可見，網絡性能是與終端性能以及用戶的操作無關的，是網絡自身特性的體現，可以由一系列的性能參數來測量和描述。

2.2 網絡性能結構模型

從空間的角度來看，網絡整體性能可以分為兩種結構：立體結構模型和水平結構模型。

1)立體結構模型

IP網絡就其協議棧來看是一個層次化的網絡，因此，對IP網絡性能的研究也可以按照一種自上而下的方法進行。可以以IP層的性能為基礎，來研究IP各層間不同性能與上、下層不同應用性能之間的映射關系。

2)水平結構模型

對于網絡的性能，用戶主要關心的是端到端的性能，因此從用戶的角度來看，可以利用水平結構模型來對IP網絡的端到端性能進行分析。

3.網絡性能測量的方法

網絡性能測量涉及到許多內容，如采用主動方式還是被動方式進行測量；發送測量包的類型；發送與截取測量包的采樣方式；所采用的測量體系結構是集中式還是分布式等。

3.1 測量包

網絡性能測量中，影響測量結果的一個重要因素就是測量數據包的類型。

1)P類型包

類型P是對IP包類型的一種通用的聲明。只要一個性能參數的值取決于對測量中采用的包的類型，那么參數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

在定義一個網絡性能參數時，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性能參數的測量結果，包長的變化對于不同目的的測量來說影響也會不一樣。

3.2 主動測量與被動測量方式

1)主動測量

主動測量就是通過向網絡，服務器或應用發送測試流量，以獲取與這些對象相關的性能指標。例如，可以向網絡發送數據包并不斷提高發送速率直至網絡飽和，以此來測量網絡的最大負載能力。主動測量的主要優點是不依賴于被測對象的測量能力。但另一方面，這種測量會給網絡增加額外的通信流量，這在一定程度上也可能影響測量的結果。所以應該考慮試圖進行的測量對測量結果產生的影響，并盡量使這種影響降到最低。

2)被動測量

被動測量通過監測網絡通信狀況進行，因此不會影響網絡。被動測量通常用于測量通信流量，即經過指定源和目的地之間路由器或鏈路的數據包或字節數，也可用于獲取網絡節點的資源使用狀況的信息。被動測量可以通過三種方式獲得：

服務器端測量：通常是在服務器端安裝測試代理，實時監測服務器的性能，資源使用等狀況；

用戶端測量：將監測功能封裝到客戶應用中，從特定用戶的角度實時監測相關的業務性能；

利用網絡探針：網絡探針可用于監測網絡傳輸狀態，分析捕獲的數據包，以實現對網絡及相關業務的測量。

被動測量的一個潛在問題在于它依賴于測量鏈路上的通信流量或被測節點的負載情況。例如，要測量網絡上某主機和某Web服務器之間的通信流量，我們可以從客戶端通過監測上傳或從該Web服務器下載的數據包來得到測量結果。

種方法適合于用戶確實經常下載該Web服務器頁面的情況。如果只是偶爾瀏覽一下頁面，那就沒有足夠的通信流量，這種情況下進行的被動測量也就不可靠了。這時，可以建立一個腳本，每隔一段時間從該Web服務器下載頁面以得到測量結果，即采用主、被動混合的測量方式。事實上，在很多情況下，主動測量和被動測量都是結合著進行的。因為一臺進行主動測試的主機只需處理與該測量相關的通信，因此其硬件要求不高。而對于進行被動測試的主機而言就不同了，因為它必須處理通過該測量點的所有通信流量，尤其當通信速率增長的時候，對執行測量的主機性能要求就更高。

3.3 測量中的抽樣

3.3.1 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所決定的。研究抽樣，主要就是研究其分布函數。對于主動測量，其抽樣是指發送測量數據包的過程；對于被動測量來說，抽樣則是指從業務流量中采集測量數據的過程。

3.3.2 抽樣方法

依據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。周期抽樣是一種最簡單的抽樣方式，每隔固定時間產生一次抽樣。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、會使被測網絡陷入一種同步狀態。隨機附加抽樣的抽樣間隔的產生是相互獨立的，并服從某種分布函數，這種抽樣方法的優劣取決于分布函數：當時間間隔以概率1取某個常數，那么該抽樣就退化為周期抽樣。隨機附加抽樣的主要優點在于其抽樣間隔是隨機產生的，因此可以避免對網絡產生同步效應，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，它的優點是：能夠實現對測量結果的無偏估計、測量結果不可預測、不會產生同步現象。但是，由于指數函數是無界的，因此泊松抽樣有可能產生很長的抽樣間隔，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。

4.性能指標的測量與分析

4.1 連接性

連接性也稱可用性、連通性或者可達性，嚴格說應該是網絡的基本能力或屬性，不能稱為性能，但ITU-T建議可以用一些方法進行定量的測量。目前還提出了連通率的概念，根據連通率的分布狀況建立擬合模型。

4.2 延遲

延遲的定義是：IP包穿越一個或多個網段所經歷的時間。延遲由固定延遲和可變延遲兩部分組成。固定延遲基本不變，由傳播延遲和傳輸延遲構成；可變延遲由中間路由器處理延遲和排隊等待延遲兩部分構成。對于單向延遲測量要求時鐘嚴格同步，這在實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戳后，發送到出口路由器。出口路由器一接收到測量包便打上時戳，隨后立即使該數據包原路返回。入口路由器接收到返回的數據包之后就可以評估路徑的端到端時延。

4.3 丟包率

丟包率的定義是：丟失的IP包與所有的IP包的比值。許多因素會導致數據包在網絡上傳輸時被丟棄，例如數據包的大小以及數據發送時鏈路的擁塞狀況等。為了評估網絡的丟包率，一般采用直接發送測量包來進行測量。對丟包率進行準確的評估與預測則需要一定的數學模型。目前評估網絡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。

4.4 帶寬

帶寬一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬。瓶頸帶寬是指當一條路徑(通路)中沒有其它背景流量時，網絡能夠提供的最大的吞吐量。對瓶頸帶寬的測量一般采用包對(packet pair)技術，但是由于交叉流量的存在會出現“時間壓縮”或“時間延伸”現象，從而會引起瓶頸帶寬的高估或低估。另外，還有包列等其它測量技術。可用帶寬是指在網絡路徑(通路)存在背景流量的情況下，能夠提供給某個業務的最大吞吐量。因為背景流量的出現與否及其占用的帶寬都是隨機的，所以可用帶寬的測量比較困難。一般采用根據單向延遲變化情況可用帶寬進行逼近。其基本思想是：當以大于可用帶寬的速率發送測量包時，單向延遲會呈現增大趨勢，而以小于可用帶寬的速率發送測量包時，單向延遲不會變化。所以，發送端可以根據上一次發送測量包時單向延遲的變化情況動態調整此次發送測量包的速率，直到單向延遲不再發生增大趨勢為止，然后用最近兩次發送測量包速率的平均值來估計可用帶寬瓶頸帶寬反映了路徑的靜態特征，而可用帶寬真正反映了在某一段時間內鏈路的實際通信能力，所以可用帶寬的測量具有更重要的意義。

4.5 流量參數

ITU-T提出兩種流量參數作為參考：一種是以一段時間間隔內在測量點上觀測到的所有傳輸成功的IP包數量除以時間間隔，即包吞吐量；另一種是基于字節吞吐量：用傳輸成功的IP包中總字節數除以時間間隔。Internet業務量的高突發性以及網絡的異構性，使得網絡呈現復雜的非線性，建立流量模型越發變得重要。

5.總結

網絡性能的評估是一項復雜的工作。隨著網絡技術的日益發展，網絡業務的日益更新，基于特定應用的性能測量與分析，更成為今后網絡性能研究的重要內容。對于不同的應用，有必要建立不同的性能評價模型，以實現不同的業務質量保證；而對于多種不同應用所基于的網絡平臺，更需要確立一種綜合的性能體系架構，為進一步實現基于性能策略的網絡結構提供基礎。如NGN中語音業務的性能問題，由于語音業務的特殊性，對語音質量的測量和評估需要結合多方面因素來考慮，如何客觀而又真實地評價語音的質量，又如何在數據，語音，視頻業務融合的IP網絡上保證各種業務的質量，對于正處于激烈競爭狀態下的運營商而言，這些都是十分迫切且重要的問題，因而，也成為下一步網絡性能研究的重點。

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