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計算機網(wǎng)絡(luò )測量技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢
網(wǎng)絡(luò )測量是指遵照一定的方法和技術(shù)，利用軟件和硬件工具來(lái)測量或驗證表征網(wǎng)絡(luò )性能指標的一系列活動(dòng)的總和，下面是小編搜集整理的一篇探究計算機網(wǎng)絡(luò )測量技術(shù)現狀的論文范文，供大家閱讀借鑒。
摘 要： 為了了解網(wǎng)絡(luò )運行規律、檢測網(wǎng)絡(luò )性能、探索網(wǎng)絡(luò )新技術(shù)和提高網(wǎng)絡(luò )管理能力，讓網(wǎng)絡(luò )更好的服務(wù)于人類(lèi)生活，從網(wǎng)絡(luò )測量體系結構、性能指標、關(guān)鍵技術(shù)和測試方法等方面進(jìn)行了全面探索，并針對當前網(wǎng)絡(luò )測量情況，提出今后研究重點(diǎn)。對于全面把握當前網(wǎng)絡(luò )測試的研究狀況，發(fā)現網(wǎng)絡(luò )瓶頸，探索網(wǎng)絡(luò )測量的新技術(shù)、新方法具有重要意義。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò )測量; 性能指標; 測試方法; 體系結構
引 言
近年來(lái)，計算機網(wǎng)絡(luò )的規模不斷擴大，網(wǎng)絡(luò )帶寬和業(yè)務(wù)量持續增加，異構性和復雜程度不斷提高，這對網(wǎng)絡(luò )的可靠性提出了很高的要求，因此有必要對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試。一方面在于及時(shí)、準確、全面地了解網(wǎng)絡(luò )的性能和運行狀況，發(fā)現網(wǎng)絡(luò )瓶頸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )配置，盡可能為用戶(hù)提供安全、可靠的服務(wù);另一方面是在網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，能夠迅速定位并解決故障。
網(wǎng)絡(luò )測量是指遵照一定的方法和技術(shù)，利用軟件和硬件工具來(lái)測量或驗證表征網(wǎng)絡(luò )性能指標的一系列活動(dòng)的總和[1]。網(wǎng)絡(luò )測量主要分為3個(gè)研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò )性能指標測量、網(wǎng)絡(luò )模型建立和網(wǎng)絡(luò )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(huán)境和測量方法。網(wǎng)絡(luò )測量應當選取適當的測量方法，測量方法至少應滿(mǎn)足穩健性――即被測網(wǎng)絡(luò )的一點(diǎn)變化，不會(huì )使測量方法失效;可重復性――即同樣的網(wǎng)絡(luò )條件，多次測量結果應該一致;準確性――測量結果應能反映網(wǎng)絡(luò )的真實(shí)情況[2]。
國外最早的網(wǎng)絡(luò )測量始于20世紀70年代初(Vint Cerf在A(yíng)RPANET上展開(kāi)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(wǎng)絡(luò )的發(fā)展起步較晚，90年代初才引入Internet，大規模的快速發(fā)展于90年代末。國外的相關(guān)研究項目有NIMI、Surveyor、NLANR下的PMA和AMP等，為了解網(wǎng)絡(luò )特性和進(jìn)行后續網(wǎng)絡(luò )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(shí)驗室(如清華大學(xué)、中科院、北航、國防科技大學(xué))等，進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò )測量的技術(shù)攻關(guān)，推動(dòng)了我國網(wǎng)絡(luò )測量的發(fā)展。
1 網(wǎng)絡(luò )測量體系結構
在借鑒OSI體系結構模型的基礎上，清華大學(xué)提出了大規模計算機網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )性能參數的數據采集;數據管理層將采集到的數據進(jìn)行分類(lèi)、存儲和格式化，便于數據的查詢(xún)和大量數據的存儲;同時(shí)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(wèn)題反應的實(shí)時(shí)性;數據分析層包括對基礎數據進(jìn)行分析和對事件進(jìn)行分析�；A數據分析又包括對數據按照需要進(jìn)行分類(lèi)統計、數據關(guān)聯(lián)和趨勢預測等初步加工。時(shí)間分析是對數據管理層交付上來(lái)的事件按照事先制定的規則進(jìn)行事件過(guò)濾，按照不通過(guò)的優(yōu)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(jìn)行分析。事件結果處理包括報警、分發(fā)和日志，分別對應不同的優(yōu)先級。
2 網(wǎng)絡(luò )測量性能指標及關(guān)鍵技術(shù)
網(wǎng)絡(luò )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(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)和ITU?T(International Telecommunication Union，國際電信聯(lián)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(gè)指標來(lái)討論網(wǎng)絡(luò )的性能。
2.1 性能指標
2.1.1 性能指標時(shí)延
網(wǎng)絡(luò )時(shí)延分為單向時(shí)延和往返時(shí)延。網(wǎng)絡(luò )時(shí)延的產(chǎn)生主要來(lái)源于三個(gè)部分：發(fā)送時(shí)延[Dp]、傳播時(shí)延[Dtr]和處理時(shí)延[Dvar]。發(fā)送時(shí)延與數據長(cháng)度和信道帶寬有關(guān)，其值等于數據塊長(cháng)度與信道帶寬的比值。傳播時(shí)延等于信道長(cháng)度與電磁波在信道上傳輸速度的比值。處理時(shí)延是指數據在交換節點(diǎn)為存儲轉發(fā)而進(jìn)行一系列處理所花費的時(shí)間，與網(wǎng)絡(luò )通信量有關(guān)。其中發(fā)送時(shí)延和傳播時(shí)延是固定時(shí)延[Dfix]，處理時(shí)延是可變時(shí)延[Dvar]�？捎檬�(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(tài)特征，測量沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求�？捎脦捳嬲从沉嗽谀骋欢螘r(shí)間內鏈路的實(shí)際通信能力，實(shí)時(shí)性要求比較高。
目前流行的帶寬測量技術(shù)主要有三種：變包長(cháng)測量技術(shù)(Variable Packet Size，VPS)，SLoPS(Self?loading Periodic Streams)測量技術(shù)和包對/包列分散測量技術(shù)(Packet Pair/Train Dispersion，PPTD)[6]。其中VPS技術(shù)是用于測量單跳的帶寬，其缺點(diǎn)是每一跳都會(huì )積累測量誤差，在跳數較多時(shí)，測量的精度較低。SLoPS測量技術(shù)和PPTD技術(shù)都是基于端到端的測量。SLoPS測量技術(shù)是測量可用帶寬，它用包延遲特性與有效帶寬之間的關(guān)系，來(lái)推斷當前網(wǎng)絡(luò )的可用帶寬，實(shí)時(shí)性比較好。
2.1.3 流量
目前的測量方法可以分為兩類(lèi)：基于網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議的統計數據獲得流量信息和網(wǎng)絡(luò )偵聽(tīng)[7]。傳統的做法是利用SNMP對網(wǎng)絡(luò )重點(diǎn)鏈路和接入點(diǎn)進(jìn)行流量監視、統計或者利用RMON(遠程監控)探測對部分端口進(jìn)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(yè)務(wù)量檢測，不適合于流量分析。為了對網(wǎng)絡(luò )流量進(jìn)行深入分析，可以在分組級和流級上進(jìn)行測量。分組級的被動(dòng)測量和流級測量都是細粒度的測量，便于對網(wǎng)絡(luò )流量進(jìn)行更細致的分析。 隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )帶寬的增加和規模的擴大，對網(wǎng)絡(luò )流量進(jìn)行全面測量已不太現實(shí)，所以在實(shí)際測量中采用流量抽樣測量技術(shù)。RFC2330中規定抽樣時(shí)間分布可以是固定時(shí)間間隔、隨機時(shí)間周期、泊松分布時(shí)間和幾何分布時(shí)間等[8]。使用固定時(shí)間間隔的抽樣，即周期抽樣是常用的抽樣方法，其問(wèn)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(huì )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(fā)現了以太網(wǎng)流量的自相似特性，此后Pax?son，Crovella等人驗證了網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )現象。
2.1.4 丟包率
在網(wǎng)絡(luò )設備和鏈路均無(wú)故障的情況下，丟包率主要與網(wǎng)絡(luò )擁塞程度有關(guān)。當網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，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(wǎng)絡(luò )的丟包率，一般采用直接發(fā)送測量包來(lái)進(jìn)行測量，但對丟包率進(jìn)行準確的評估與預測則需要一定的數學(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。丟包率測量的具體過(guò)程為：發(fā)送源和接收者都設置各自的同步時(shí)鐘;發(fā)送源選取發(fā)送源和接收者的IP地址，生成一個(gè)含有時(shí)間戳的探測包;接收者安排接收探測包;發(fā)送源將把設置有時(shí)間戳的探測包發(fā)送給接收者;如果該包在允許時(shí)間內達到接收者，則認為丟包率為0。
另外，網(wǎng)絡(luò )測量的性能指標還包括分組轉發(fā)率、信道利用率、帶寬利用率、時(shí)延抖動(dòng)等參量，針對不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型和測試目的，網(wǎng)絡(luò )測量的側重點(diǎn)也有所不同，對其他性能指標不再做詳細介紹。
2.2 關(guān)鍵技術(shù)
2.2.1 連通性測試技術(shù)
連通性嚴格說(shuō)應該是網(wǎng)絡(luò )的基本能力或屬性。最簡(jiǎn)單最常用的測試方法是用ping進(jìn)行連通性測試。
2.2.2 拓撲測量技術(shù)
拓撲測量是指發(fā)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)并確定網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的連接關(guān)系，包括互聯(lián)設備(如路由器、交換機、網(wǎng)橋等)、主機等。網(wǎng)絡(luò )拓撲圖是網(wǎng)絡(luò )拓撲的可視化表現。獲得網(wǎng)絡(luò )的拓撲圖對于網(wǎng)絡(luò )管理人員總體把握網(wǎng)絡(luò )情況，對網(wǎng)絡(luò )部件的安裝、配置和故障定位都具有重要意義。網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)現算法主要發(fā)生在網(wǎng)絡(luò )層和數據鏈路層，分別稱(chēng)為邏輯網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)現算法和物理網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)現算法。目前的網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)現算法主要有基于各種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)現算法(如ICMP，OSPF，DNS，SNMP等)、基于地址轉發(fā)表的拓撲發(fā)現算法、基于端口流量的拓撲發(fā)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(wǎng)絡(luò )拓撲結構不夠全面。
2.2.3 “噪聲”分組過(guò)濾技術(shù)
在主動(dòng)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(yè)務(wù)分組[9]。文獻[9]中指出，在測量鏈路瓶頸帶寬時(shí)，采用分組對(Pacekt pair)或多分組(Multi?packet)技術(shù)，當探測分組在瓶頸鏈路處相鄰排隊時(shí)，可能會(huì )在中間有其他分組，導致時(shí)間擴展，或在鏈路之后存在其他分組，導致時(shí)間壓縮，這些都會(huì )導致測量誤差。常用的過(guò)濾方法主要有三種：求均值法，但是由于網(wǎng)絡(luò )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(diǎn);在統計學(xué)中使用非參數估計法和密度估計算法。
2.2.4 網(wǎng)絡(luò )推理技術(shù)
網(wǎng)絡(luò )推理技術(shù)是用于網(wǎng)絡(luò )性能參數難以直接得到，利用便于測量得到的部分網(wǎng)絡(luò )信息，估計網(wǎng)絡(luò )性能參數的方法。近來(lái)，人們將各領(lǐng)域成功應用的成熟理論和方法應用于網(wǎng)絡(luò )推測，衍生出了網(wǎng)絡(luò )斷層掃描或網(wǎng)絡(luò )層析(Network Tomography，NT)技術(shù)，根據網(wǎng)絡(luò )外部(網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn)或邊界)的測量來(lái)分析和推斷網(wǎng)絡(luò )的內部性能和拓撲結構[8]。網(wǎng)絡(luò )推理技術(shù)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(shù)計算復雜度高，計算精度不夠高。
除以上測量技術(shù)外，還有涉及其他技術(shù)問(wèn)題，如網(wǎng)絡(luò )測量中的抽樣問(wèn)題，測量探測點(diǎn)的選取問(wèn)題，時(shí)鐘同步的問(wèn)題，誤差校正技術(shù)等。
3 網(wǎng)絡(luò )測量方法
網(wǎng)絡(luò )測量的方法分類(lèi)較多，從不同角度看，分類(lèi)也各不相同。
(1)主動(dòng)測試和被動(dòng)測試
主動(dòng)測試是通過(guò)向網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送測試流，根據這些測試流的傳輸情況來(lái)了解網(wǎng)絡(luò )行為。例如，通過(guò)在一端發(fā)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(shí)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(yōu)點(diǎn)，但是也存在測試流會(huì )占用網(wǎng)絡(luò )資源，影響網(wǎng)絡(luò )性能等缺點(diǎn)。被動(dòng)測試是利用數據采集器，捕獲網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)流并對其進(jìn)行分析的方法。該方法無(wú)需向網(wǎng)絡(luò )主動(dòng)發(fā)送流量，不會(huì )占用網(wǎng)絡(luò )資源。但是它依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )監測設備的性能，局限性比較大;它只能了解網(wǎng)絡(luò )的局部性能;該方法還可能存在隱私和安全問(wèn)題。在實(shí)際的測量中，也常常采用主動(dòng)測試和被動(dòng)測試相結合的方法。
(2)單點(diǎn)測量和多點(diǎn)測量
在傳統的網(wǎng)絡(luò )測量中，由于網(wǎng)絡(luò )規模小，測量技術(shù)受限，常常采用單點(diǎn)測量，但是單點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )，必須設置多個(gè)測量點(diǎn)，得到比較詳盡的、綜合的大規模網(wǎng)絡(luò )數據以及單點(diǎn)測量所得不到的信息[10]。大部分的網(wǎng)絡(luò )測量都是分布式的多點(diǎn)測量。
(3)協(xié)作式測量和非協(xié)作式測量
協(xié)作式測量是指需要被測網(wǎng)絡(luò )的配合而進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò )測量。對于網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)者來(lái)說(shuō)，可以掌握網(wǎng)絡(luò )的運行狀況，業(yè)務(wù)分布情況，找出瓶頸等，以便于有效的管理網(wǎng)絡(luò )。這種測量既可得到端到端的性能測量結果也可以對網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行分段分析。非協(xié)作測量不需要被測網(wǎng)絡(luò )的參與，測量的目的往往是為了了解對方網(wǎng)絡(luò )的情況，這在軍事上有非常重要的意義[1]。
4 存在問(wèn)題和發(fā)展趨勢
網(wǎng)絡(luò )測量具有廣泛的應用范圍，包括：網(wǎng)絡(luò )故障診斷、協(xié)議排錯、網(wǎng)絡(luò )流量特征分析、業(yè)務(wù)性能評估、計費管理、網(wǎng)絡(luò )入侵監測和網(wǎng)絡(luò )行為分析等等。目前網(wǎng)絡(luò )維護和測量方面還存在比較多的問(wèn)題：
(1)數據傳輸過(guò)程的干擾因素多，網(wǎng)絡(luò )的不確定性很多。在網(wǎng)絡(luò )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(chēng)性，網(wǎng)絡(luò )擁塞程度的不確定性等都為網(wǎng)絡(luò )測量帶來(lái)了困難。而且某些參量的實(shí)時(shí)性要求比較高，單純通過(guò)增加測量次數的方法來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò )性能，不夠合理。所以對于不同的干擾因素的過(guò)濾方法值得深入考慮。
(2)網(wǎng)絡(luò )測量的準確度問(wèn)題。如在網(wǎng)絡(luò )拓撲探測時(shí)獲得較大的網(wǎng)絡(luò )探測覆蓋率的問(wèn)題;對于不支持某些協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )設備的檢測問(wèn)題等等。目前網(wǎng)絡(luò )測量的準確度不高，測量周期長(cháng)，難以迅速的發(fā)現網(wǎng)絡(luò )瓶頸，定位網(wǎng)絡(luò )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(xué)都會(huì )有研究人員選取網(wǎng)絡(luò )測量與分析的某個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)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(jìn)而轉化為工程應用，提升網(wǎng)絡(luò )測量的性能，這些都是今后努力的方向[7]。
5 結 語(yǔ)
本文主要從網(wǎng)絡(luò )測量體系結構、性能指標、關(guān)鍵技術(shù)、測量方法及發(fā)展趨勢等方面對網(wǎng)絡(luò )測量進(jìn)行了全面介紹。對于從整體把握網(wǎng)絡(luò )測量核心技術(shù)，了解網(wǎng)絡(luò )發(fā)展動(dòng)態(tài)具有重要意義。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)規模的擴大、通信量的增加和新增功能的實(shí)現，關(guān)于網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究的廣度和深度不斷增加，其應用領(lǐng)域更加廣泛。研究網(wǎng)絡(luò )測試的新技術(shù)、新方法對于提高網(wǎng)絡(luò )可靠性，更好地服務(wù)于人們生活具有深遠意義。
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