計算機網絡測量技術現狀及發展趨勢

時間：2024-09-20 21:55:05 計算機網絡畢業論文我要投稿

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計算機網絡測量技術現狀及發展趨勢

　　網絡測量是指遵照一定的方法和技術，利用軟件和硬件工具來測量或驗證表征網絡性能指標的一系列活動的總和，下面是小編搜集整理的一篇探究計算機網絡測量技術現狀的論文范文，供大家閱讀借鑒。

　　摘要： 為了了解網絡運行規律、檢測網絡性能、探索網絡新技術和提高網絡管理能力，讓網絡更好的服務于人類生活，從網絡測量體系結構、性能指標、關鍵技術和測試方法等方面進行了全面探索，并針對當前網絡測量情況，提出今后研究重點。對于全面把握當前網絡測試的研究狀況，發現網絡瓶頸，探索網絡測量的新技術、新方法具有重要意義。

　　關鍵詞：網絡測量; 性能指標; 測試方法; 體系結構

　　引言

　　近年來，計算機網絡的規模不斷擴大，網絡帶寬和業務量持續增加，異構性和復雜程度不斷提高，這對網絡的可靠性提出了很高的要求，因此有必要對網絡進行測試。一方面在于及時、準確、全面地了解網絡的性能和運行狀況，發現網絡瓶頸，優化網絡配置，盡可能為用戶提供安全、可靠的服務;另一方面是在網絡出現故障時，能夠迅速定位并解決故障。

　　網絡測量是指遵照一定的方法和技術，利用軟件和硬件工具來測量或驗證表征網絡性能指標的一系列活動的總和[1]。網絡測量主要分為3個研究領域：網絡性能指標測量、網絡模型建立和網絡管理。按照測量層次可以分為設備層、系統層和應用層;按照測量要素可分為：測量對象，測量環境和測量方法。網絡測量應當選取適當的測量方法，測量方法至少應滿足穩健性――即被測網絡的一點變化，不會使測量方法失效;可重復性――即同樣的網絡條件，多次測量結果應該一致;準確性――測量結果應能反映網絡的真實情況[2]。

　　國外最早的網絡測量始于20世紀70年代初(Vint Cerf在ARPANET上展開的性能測量項目)，逐漸成熟于80年代，90年代已漸成體系。我國網絡的發展起步較晚，90年代初才引入Internet，大規模的快速發展于90年代末。國外的相關研究項目有NIMI、Surveyor、NLANR下的PMA和AMP等，為了解網絡特性和進行后續網絡測量提供了指導意義。國內的研究主要集中于CERNET、CSTNET和國內各大高校、實驗室(如清華大學、中科院、北航、國防科技大學)等，進行了網絡測量的技術攻關，推動了我國網絡測量的發展。

　　1 網絡測量體系結構

　　在借鑒OSI體系結構模型的基礎上，清華大學提出了大規模計算機網絡互連性能檢測模型(Large Scale Internet Performance Monitor Model，LIPM)[3]，該模型由數據采集層、數據管理層、數據分析層和數據表示層幾部分構成，如圖1所示。

　　數據采集層完成對網絡性能參數的數據采集;數據管理層將采集到的數據進行分類、存儲和格式化，便于數據的查詢和大量數據的存儲;同時根據預先的定義將當前采集到的數據生成性能事件，提高對一些嚴重性能問題反應的實時性;數據分析層包括對基礎數據進行分析和對事件進行分析。基礎數據分析又包括對數據按照需要進行分類統計、數據關聯和趨勢預測等初步加工。時間分析是對數據管理層交付上來的事件按照事先制定的規則進行事件過濾，按照不通過的優先級做不同的處理。數據表示層完成對數據和事件結果的處理。對數據的處理包括生成統計報表，對數據的潛在意義進行分析。事件結果處理包括報警、分發和日志，分別對應不同的優先級。

　　2 網絡測量性能指標及關鍵技術

　　網絡的性能指標共有兩套標準，分別由標準化組織 IETF(Internet Engineering Task Force，互聯網工程任務組)和ITU?T(International Telecommunication Union，國際電信聯盟)制定。兩者在參數的表述方法上雖然有所不同，但是含義基本一致。這里主要從以下幾個指標來討論網絡的性能。

　　2.1 性能指標

　　2.1.1 性能指標時延

　　網絡時延分為單向時延和往返時延。網絡時延的產生主要來源于三個部分：發送時延[Dp]、傳播時延[Dtr]和處理時延[Dvar]。發送時延與數據長度和信道帶寬有關，其值等于數據塊長度與信道帶寬的比值。傳播時延等于信道長度與電磁波在信道上傳輸速度的比值。處理時延是指數據在交換節點為存儲轉發而進行一系列處理所花費的時間，與網絡通信量有關。其中發送時延和傳播時延是固定時延[Dfix]，處理時延是可變時延[Dvar]。可用式(1)描述：

　　2.1.2 帶寬

　　帶寬測量分為端到端的帶寬測量和逐跳帶寬測量。端到端的帶寬測量又分為瓶頸帶寬和可用帶寬。瓶頸帶寬是路徑的固有屬性，反映了路徑的靜態特征，測量沒有實時性要求。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，實時性要求比較高。

　　目前流行的帶寬測量技術主要有三種：變包長測量技術(Variable Packet Size，VPS)，SLoPS(Self?loading Periodic Streams)測量技術和包對/包列分散測量技術(Packet Pair/Train Dispersion，PPTD)[6]。其中VPS技術是用于測量單跳的帶寬，其缺點是每一跳都會積累測量誤差，在跳數較多時，測量的精度較低。SLoPS測量技術和PPTD技術都是基于端到端的測量。SLoPS測量技術是測量可用帶寬，它用包延遲特性與有效帶寬之間的關系，來推斷當前網絡的可用帶寬，實時性比較好。

　　2.1.3 流量

　　目前的測量方法可以分為兩類：基于網絡管理協議的統計數據獲得流量信息和網絡偵聽[7]。傳統的做法是利用SNMP對網絡重點鏈路和接入點進行流量監視、統計或者利用RMON(遠程監控)探測對部分端口進行流量采集和監視。但是該方法分析的粒度較粗，存在很大的局限性，只適合于總流量測量和接口業務量檢測，不適合于流量分析。為了對網絡流量進行深入分析，可以在分組級和流級上進行測量。分組級的被動測量和流級測量都是細粒度的測量，便于對網絡流量進行更細致的分析。　　隨著計算機網絡帶寬的增加和規模的擴大，對網絡流量進行全面測量已不太現實，所以在實際測量中采用流量抽樣測量技術。RFC2330中規定抽樣時間分布可以是固定時間間隔、隨機時間周期、泊松分布時間和幾何分布時間等[8]。使用固定時間間隔的抽樣，即周期抽樣是常用的抽樣方法，其問題在于：不適用于周期性的測量對象;周期性的測量行為可能會干擾測量對象。隨機間隔抽樣是比較合理的抽樣方式。傳統的流量測量模型使用泊松模型。Leland等人在1994年發現了以太網流量的自相似特性，此后Pax?son，Crovella等人驗證了網絡具有廣泛的自相似特性，從而解決了泊松模型和馬爾科夫模型不能解釋的網絡現象。

　　2.1.4 丟包率

　　在網絡設備和鏈路均無故障的情況下，丟包率主要與網絡擁塞程度有關。當網絡出現故障時，丟包率往往比較大，可能的原因也是多方面的，如設備配置、設備故障、鏈路故障等。

　　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，但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。丟包率測量的具體過程為：發送源和接收者都設置各自的同步時鐘;發送源選取發送源和接收者的IP地址，生成一個含有時間戳的探測包;接收者安排接收探測包;發送源將把設置有時間戳的探測包發送給接收者;如果該包在允許時間內達到接收者，則認為丟包率為0。

　　另外，網絡測量的性能指標還包括分組轉發率、信道利用率、帶寬利用率、時延抖動等參量，針對不同的業務類型和測試目的，網絡測量的側重點也有所不同，對其他性能指標不再做詳細介紹。

　　2.2 關鍵技術

　　2.2.1 連通性測試技術

　　連通性嚴格說應該是網絡的基本能力或屬性。最簡單最常用的測試方法是用ping進行連通性測試。

　　2.2.2 拓撲測量技術

　　拓撲測量是指發現網絡節點并確定網絡節點之間的連接關系，包括互聯設備(如路由器、交換機、網橋等)、主機等。網絡拓撲圖是網絡拓撲的可視化表現。獲得網絡的拓撲圖對于網絡管理人員總體把握網絡情況，對網絡部件的安裝、配置和故障定位都具有重要意義。網絡拓撲發現算法主要發生在網絡層和數據鏈路層，分別稱為邏輯網絡拓撲發現算法和物理網絡拓撲發現算法。目前的網絡拓撲發現算法主要有基于各種協議的網絡拓撲發現算法(如ICMP，OSPF，DNS，SNMP等)、基于地址轉發表的拓撲發現算法、基于端口流量的拓撲發現算法等。但是每一種算法，都存在自己的弊端，導致探測到網絡拓撲結構不夠全面。

　　2.2.3 “噪聲”分組過濾技術

　　在主動測量中，測量結果難免受到“噪聲”分組(也成背景流量Cross Traffic)的影響。“噪聲”分組是指夾雜在探測分組中，或處于探測分組前、后對測量結果造成影響的業務分組[9]。文獻[9]中指出，在測量鏈路瓶頸帶寬時，采用分組對(Pacekt pair)或多分組(Multi?packet)技術，當探測分組在瓶頸鏈路處相鄰排隊時，可能會在中間有其他分組，導致時間擴展，或在鏈路之后存在其他分組，導致時間壓縮，這些都會導致測量誤差。常用的過濾方法主要有三種：求均值法，但是由于網絡隨機性大，該方法的測量誤差較大;在測量的統計結果中選密度最大的點;在統計學中使用非參數估計法和密度估計算法。

　　2.2.4 網絡推理技術

　　網絡推理技術是用于網絡性能參數難以直接得到，利用便于測量得到的部分網絡信息，估計網絡性能參數的方法。近來，人們將各領域成功應用的成熟理論和方法應用于網絡推測，衍生出了網絡斷層掃描或網絡層析(Network Tomography，NT)技術，根據網絡外部(網絡端點或邊界)的測量來分析和推斷網絡的內部性能和拓撲結構[8]。網絡推理技術屬于系統識別和參數估計范疇，常用的估計方法有最小二乘估計、最大似然估計和期望最大化算法等，可以根據需要選擇相應的方法。但是該技術計算復雜度高，計算精度不夠高。

　　除以上測量技術外，還有涉及其他技術問題，如網絡測量中的抽樣問題，測量探測點的選取問題，時鐘同步的問題，誤差校正技術等。

　　3 網絡測量方法

　　網絡測量的方法分類較多，從不同角度看，分類也各不相同。

　　(1)主動測試和被動測試

　　主動測試是通過向網絡中發送測試流，根據這些測試流的傳輸情況來了解網絡行為。例如，通過在一端發送UDP分組，而在另一端接收該分組，該方法可以測量端到端的時延、丟包率、路由信息等。該方法具有靈活性好，目的性強，易于控制等優點，但是也存在測試流會占用網絡資源，影響網絡性能等缺點。被動測試是利用數據采集器，捕獲網絡業務流并對其進行分析的方法。該方法無需向網絡主動發送流量，不會占用網絡資源。但是它依賴于網絡監測設備的性能，局限性比較大;它只能了解網絡的局部性能;該方法還可能存在隱私和安全問題。在實際的測量中，也常常采用主動測試和被動測試相結合的方法。

　　(2)單點測量和多點測量

　　在傳統的網絡測量中，由于網絡規模小，測量技術受限，常常采用單點測量，但是單點測量測量能力有限，獲得的信息往往不夠全面。對于大規模的網絡，必須設置多個測量點，得到比較詳盡的、綜合的大規模網絡數據以及單點測量所得不到的信息[10]。大部分的網絡測量都是分布式的多點測量。

　　(3)協作式測量和非協作式測量

　　協作式測量是指需要被測網絡的配合而進行的網絡測量。對于網絡運營者來說，可以掌握網絡的運行狀況，業務分布情況，找出瓶頸等，以便于有效的管理網絡。這種測量既可得到端到端的性能測量結果也可以對網絡性能進行分段分析。非協作測量不需要被測網絡的參與，測量的目的往往是為了了解對方網絡的情況，這在軍事上有非常重要的意義[1]。

　　4 存在問題和發展趨勢

　　網絡測量具有廣泛的應用范圍，包括：網絡故障診斷、協議排錯、網絡流量特征分析、業務性能評估、計費管理、網絡入侵監測和網絡行為分析等等。目前網絡維護和測量方面還存在比較多的問題：

　　(1)數據傳輸過程的干擾因素多，網絡的不確定性很多。在網絡性能參量中，可變成分的測量始終是測量的難題。如鏈路帶寬的不對稱性，網絡擁塞程度的不確定性等都為網絡測量帶來了困難。而且某些參量的實時性要求比較高，單純通過增加測量次數的方法來衡量網絡性能，不夠合理。所以對于不同的干擾因素的過濾方法值得深入考慮。

　　(2)網絡測量的準確度問題。如在網絡拓撲探測時獲得較大的網絡探測覆蓋率的問題;對于不支持某些協議的網絡設備的檢測問題等等。目前網絡測量的準確度不高，測量周期長，難以迅速的發現網絡瓶頸，定位網絡故障。

　　(3)不同測量方法和測量成果的融合。在國內，幾乎所有大學都會有研究人員選取網絡測量與分析的某個方面進行相關研究，但是這些研究成果較為分散，如何有效地整合這些科研成果進而轉化為工程應用，提升網絡測量的性能，這些都是今后努力的方向[7]。

　　5 結語

　　本文主要從網絡測量體系結構、性能指標、關鍵技術、測量方法及發展趨勢等方面對網絡測量進行了全面介紹。對于從整體把握網絡測量核心技術，了解網絡發展動態具有重要意義。隨著互聯網規模的擴大、通信量的增加和新增功能的實現，關于網絡技術研究的廣度和深度不斷增加，其應用領域更加廣泛。研究網絡測試的新技術、新方法對于提高網絡可靠性，更好地服務于人們生活具有深遠意義。

　　參考文獻

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　　[2] 朱暢華，裴昌幸，李建東，等.網絡測量及其關鍵技術[J].西安電子科技大學學報：自然科學版，2012，29(6)：813?818.

　　[3] 王繼龍，吳建平.大規模計算機互聯網絡性能監控模型的設計與實現[J].計算機研究與發展，2000，37(4)：443?452.

　　[4] 謝應科，王建東，祝超，等.網絡測量中高精度時間戳研究與實現[J].計算機研究與發展，2010，47(12)：2049?2058.

　　[5] 崔丙鋒，楊震，丁煒.網絡測量中的關鍵技術[J].現代電信科技，2007(7)：34?36.

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　　[7] 陳曉霞，任勇毛，李俊，等.網絡測量與分析研究綜述[J].計算機系統應用，2010，19(7)：244?249.

　　[8] 王海濤.IP網絡測量技術簡析[J].電信快報，2010(5)：7?10.

　　[9] 潘飛，高嶺.網絡測量及其關鍵技術[J].計算機技術與發展，2006，16(7)：99?104.

　　[10] 王海濤，付鷹.網絡測量方法和關鍵技術[J].電信工程技術與標準化，2010(7)：61?66.

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