計算機網絡性能測量技術初探-計算機論文

[摘要]網絡性能測量是網絡行為分析的基礎。對網絡性能測量的相關內容以及網絡性能指標的測量與分析進行系統(tǒng)的介紹，并對網絡性能測量的下一步發(fā)展進行了展望。
隨著Internet技術和網絡業(yè)務的飛速發(fā)展，用戶對網絡資源的需求空前增長，網絡也變得越來越復雜。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，從而引起網絡性能下降。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。因此網絡性能測量便應運而生。發(fā)現(xiàn)網絡瓶頸，優(yōu)化網絡配置，并進一步發(fā)現(xiàn)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，提供網絡服務質量的驗證和控
制，對服務提供商的服務質量指標進行量化、比較和驗證，是網絡性能測量的主要目的。
一、網絡性能測量的概念
（一）網絡性能的概念
網絡性能可以采用以下方式定義[1]：網絡性能是對一系列對于運營商有意義的，并可用于系統(tǒng)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，是網絡本身特性的體現(xiàn)，可以由一系列的性能參數來測量和描述。
（二）網絡性能參數的概念
對網絡性能進行度量和描述的工具就是網絡性能參數。IETF和ITU-T都各自定義了一套性能參數，并且還在不斷的補充和修訂之中。
1.性能參數的制定原則。網絡性能參數的制定必須遵循如下幾個原則：
（1）性能參數必須是具體的和有明確定義的；
（2）性能參數的測量方法對于同一參數必須具有可重復性，即在相同條件下多次使用該方法所獲得的測量結果應該相同；
（3）性能參數必須具有公平性，即對同種網絡的測量結果不應有差異而對不同網絡的測量結果則應出現(xiàn)差異；
（4）性能參數必須有助于用戶和運營商了解他們所使用或提供的IP網絡性能；
（5）性能參數必須排除人為因素；
2.ITU-T定義的IP網絡性能參數。ITU-T對IP網絡性能參數的定義[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（Flowrelatedparameters）;(7)業(yè)務可用性（IPServiceAvailability）。
3.IETF定義的IP網絡性能參數。IETF將性能參數[3]稱為“度量（Metric）。由IPPM（IPPerformanceMetrics）工作組來負責網絡性能方面的研究及性能參數的制定。IETF對IP網絡性能參數的定義包括：
（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。
（三）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(xié)議來說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層不同性能與上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。
三、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(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構是集中式還是分布式等等。
（一）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.主動測量與被動測量方式。最常見的IP網絡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生測量流量，注入網絡，并根據測量數據流的傳送情況來分析網絡的性能。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絡本身的運行情況，使得測量的結果與實際情況存在一定的偏差，而且測量流量還會增加網絡負擔。主動測量在性能參數的測量中應用十分廣泛，目前大多數測量系統(tǒng)都涉及到主動測量。
要對一個網絡進行主動測量，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）、中心服務器、中心數據庫和分析服務器。有中心服務器對測量節(jié)點進行控制，由測量節(jié)點執(zhí)行測量任務，測量數據由中心數據庫保存，數據分析則由分析服務器完成。
5.被動測量。被動測量是指在鏈路或設備（如路由器，交換機等）上利用測量設備對網絡進行監(jiān)測，而不需要產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生多余流量，不會增加網絡負擔；其缺點在于被動測量基本上是基于對單個設備的監(jiān)測，很難對網絡端到端的性能進行分析，并且可能實時采集的數據量過大，另外還存在用戶數據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合將會給網絡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(fā)送測量數據包的過程；對于被動測量來說，抽樣則是指從業(yè)務流量中采集測量數據的過程。
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[4]。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(tài)。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(yōu)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(yōu)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(yōu)點是：能夠實現(xiàn)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(xiàn)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。