計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)現(xiàn)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測量或驗(yàn)證表征網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)現(xiàn)狀的論文范文，供大家閱讀借鑒。
摘 要： 為了了解網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行規(guī)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)于人類生活，從網(wǎng)絡(luò)測量體系結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、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(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)測量情況，提出今后研究重點(diǎn)。對(duì)于全面把握當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)測試的研究狀況，發(fā)現(xiàn)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(biāo); 測試方法; 體系結(jié)構(gòu)
引 言
近年來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)帶寬和業(yè)務(wù)量持續(xù)增加，異構(gòu)性和復(fù)雜程度不斷提高，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性提出了很高的要求，因此有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。一方面在于及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地了解網(wǎng)絡(luò)的性能和運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，盡可能為用戶提供安全、可靠的服務(wù);另一方面是在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)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測量或驗(yàn)證表征網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)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(biāo)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(shè)備層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層;按照測量要素可分為：測量對(duì)象，測量環(huán)境和測量方法。網(wǎng)絡(luò)測量應(yīng)當(dāng)選取適當(dāng)?shù)臏y量方法，測量方法至少應(yīng)滿足穩(wěn)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(fù)性――即同樣的網(wǎng)絡(luò)條件，多次測量結(jié)果應(yīng)該一致;準(zhǔn)確性――測量結(jié)果應(yīng)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(jì)70年代初(Vint Cerf在ARPANET上展開的性能測量項(xiàng)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(guī)模的快速發(fā)展于90年代末。國外的相關(guān)研究項(xiàng)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(xù)網(wǎng)絡(luò)測量提供了指導(dǎo)意義。國內(nèi)的研究主要集中于CERNET、CSTNET和國內(nèi)各大高校、實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)
在借鑒OSI體系結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)提出了大規(guī)模計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)分析層和數(shù)據(jù)表示層幾部分構(gòu)成，如圖1所示。
數(shù)據(jù)采集層完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)管理層將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、存儲(chǔ)和格式化，便于數(shù)據(jù)的查詢和大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);同時(shí)根據(jù)預(yù)先的定義將當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)生成性能事件，提高對(duì)一些嚴(yán)重性能問題反應(yīng)的實(shí)時(shí)性;數(shù)據(jù)分析層包括對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)事件進(jìn)行分析。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析又包括對(duì)數(shù)據(jù)按照需要進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和趨勢預(yù)測等初步加工。時(shí)間分析是對(duì)數(shù)據(jù)管理層交付上來的'事件按照事先制定的規(guī)則進(jìn)行事件過濾，按照不通過的優(yōu)先級(jí)做不同的處理。數(shù)據(jù)表示層完成對(duì)數(shù)據(jù)和事件結(jié)果的處理。對(duì)數(shù)據(jù)的處理包括生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，對(duì)數(shù)據(jù)的潛在意義進(jìn)行分析。事件結(jié)果處理包括報(bào)警、分發(fā)和日志，分別對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)先級(jí)。
2 網(wǎng)絡(luò)測量性能指標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)共有兩套標(biāo)準(zhǔn)，分別由標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(biāo)來討論網(wǎng)絡(luò)的性能。
2.1 性能指標(biāo)
2.1.1 性能指標(biāo)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(shù)據(jù)長度和信道帶寬有關(guān)，其值等于數(shù)據(jù)塊長度與信道帶寬的比值。傳播時(shí)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(shí)延是指數(shù)據(jù)在交換節(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一系列處理所花費(fèi)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，測量沒有實(shí)時(shí)性要求。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，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：變包長測量技術(shù)(Variable Packet Size，VPS)，SLoPS(Self?loading Periodic Streams)測量技術(shù)和包對(duì)/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(shù)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，來推斷當(dāng)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：基于網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得流量信息和網(wǎng)絡(luò)偵聽[7]。傳統(tǒng)的做法是利用SNMP對(duì)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)鏈路和接入點(diǎn)進(jìn)行流量監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)或者利用RMON(遠(yuǎn)程監(jiān)控)探測對(duì)部分端口進(jìn)行流量采集和監(jiān)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(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行深入分析，可以在分組級(jí)和流級(jí)上進(jìn)行測量。分組級(jí)的被動(dòng)測量和流級(jí)測量都是細(xì)粒度的測量，便于對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行更細(xì)致的分析。 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加和規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行全面測量已不太現(xiàn)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(guī)定抽樣時(shí)間分布可以是固定時(shí)間間隔、隨機(jī)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，其問題在于：不適用于周期性的測量對(duì)象;周期性的測量行為可能會(huì)干擾測量對(duì)象。隨機(jī)間隔抽樣是比較合理的抽樣方式。傳統(tǒng)的流量測量模型使用泊松模型。Leland等人在1994年發(fā)現(xiàn)了以太網(wǎng)流量的自相似特性，此后Pax?son，Crovella等人驗(yàn)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(xiàn)象。
2.1.4 丟包率
在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路均無故障的情況下，丟包率主要與網(wǎng)絡(luò)擁塞程度有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)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(shè)備配置、設(shè)備故障、鏈路故障等。
為了評(píng)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，但對(duì)丟包率進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估與預(yù)測則需要一定的數(shù)學(xué)模型。目前評(píng)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程為：發(fā)送源和接收者都設(shè)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(shè)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(nèi)達(dá)到接收者，則認(rèn)為丟包率為0。
另外，網(wǎng)絡(luò)測量的性能指標(biāo)還包括分組轉(zhuǎn)發(fā)率、信道利用率、帶寬利用率、時(shí)延抖動(dòng)等參量，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)類型和測試目的，網(wǎng)絡(luò)測量的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，對(duì)其他性能指標(biāo)不再做詳細(xì)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(yán)格說應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)的基本能力或?qū)傩�。最簡單最常用的測試方法是用ping進(jìn)行連通性測試。
2.2.2 拓?fù)錅y量技術(shù)
拓?fù)錅y量是指發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，包括互聯(lián)設(shè)備(如路由器、交換機(jī)、網(wǎng)橋等)、主機(jī)等。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目梢暬憩F(xiàn)。獲得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理人員總體把握網(wǎng)絡(luò)情況，對(duì)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?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法主要發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層，分別稱為邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法和物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法。目前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法主要有基于各種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法(如ICMP，OSPF，DNS，SNMP等)、基于地址轉(zhuǎn)發(fā)表的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法、基于端口流量的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法等。但是每一種算法，都存在自己的弊端，導(dǎo)致探測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不夠全面。
2.2.3 “噪聲”分組過濾技術(shù)
在主動(dòng)測量中，測量結(jié)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(duì)測量結(jié)果造成影響的業(yè)務(wù)分組[9]。文獻(xiàn)[9]中指出，在測量鏈路瓶頸帶寬時(shí)，采用分組對(duì)(Pacekt pair)或多分組(Multi?packet)技術(shù)，當(dāng)探測分組在瓶頸鏈路處相鄰排隊(duì)時(shí)，可能會(huì)在中間有其他分組，導(dǎo)致時(shí)間擴(kuò)展，或在鏈路之后存在其他分組，導(dǎo)致時(shí)間壓縮，這些都會(huì)導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性大，該方法的測量誤差較大;在測量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中選密度最大的點(diǎn);在統(tǒng)計(jì)學(xué)中使用非參數(shù)估計(jì)法和密度估計(jì)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(shù)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(jì)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的方法。近來，人們將各領(lǐng)域成功應(yīng)用的成熟理論和方法應(yīng)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(jù)網(wǎng)絡(luò)外部(網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)或邊界)的測量來分析和推斷網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。網(wǎng)絡(luò)推理技術(shù)屬于系統(tǒng)識(shí)別和參數(shù)估計(jì)范疇，常用的估計(jì)方法有最小二乘估計(jì)、最大似然估計(jì)和期望最大化算法等，可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的方法。但是該技術(shù)計(jì)算復(fù)雜度高，計(jì)算精度不夠高。
除以上測量技術(shù)外，還有涉及其他技術(shù)問題，如網(wǎng)絡(luò)測量中的抽樣問題，測量探測點(diǎn)的選取問題，時(shí)鐘同步的問題，誤差校正技術(shù)等。
3 網(wǎng)絡(luò)測量方法
網(wǎng)絡(luò)測量的方法分類較多，從不同角度看，分類也各不相同。
(1)主動(dòng)測試和被動(dòng)測試
主動(dòng)測試是通過向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送測試流，根據(jù)這些測試流的傳輸情況來了解網(wǎng)絡(luò)行為。例如，通過在一端發(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(qiáng)，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(shù)據(jù)采集器，捕獲網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流并對(duì)其進(jìn)行分析的方法。該方法無需向網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)發(fā)送流量，不會(huì)占用網(wǎng)絡(luò)資源。但是它依賴于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測設(shè)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(jié)合的方法。
(2)單點(diǎn)測量和多點(diǎn)測量
在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測量中，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(duì)于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，必須設(shè)置多個(gè)測量點(diǎn)，得到比較詳盡的、綜合的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者來說，可以掌握網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)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(jié)果也可以對(duì)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(duì)方網(wǎng)絡(luò)的情況，這在軍事上有非常重要的意義[1]。
4 存在問題和發(fā)展趨勢
網(wǎng)絡(luò)測量具有廣泛的應(yīng)用范圍，包括：網(wǎng)絡(luò)故障診斷、協(xié)議排錯(cuò)、網(wǎng)絡(luò)流量特征分析、業(yè)務(wù)性能評(píng)估、計(jì)費(fèi)管理、網(wǎng)絡(luò)入侵監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)行為分析等等。目前網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和測量方面還存在比較多的問題：
(1)數(shù)據(jù)傳輸過程的干擾因素多，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(duì)稱性，網(wǎng)絡(luò)擁塞程度的不確定性等都為網(wǎng)絡(luò)測量帶來了困難。而且某些參量的實(shí)時(shí)性要求比較高，單純通過增加測量次數(shù)的方法來衡量網(wǎng)絡(luò)性能，不夠合理。所以對(duì)于不同的干擾因素的過濾方法值得深入考慮。
(2)網(wǎng)絡(luò)測量的準(zhǔn)確度問題。如在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y時(shí)獲得較大的網(wǎng)絡(luò)探測覆蓋率的問題;對(duì)于不支持某些協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的檢測問題等等。目前網(wǎng)絡(luò)測量的準(zhǔn)確度不高，測量周期長，難以迅速的發(fā)現(xiàn)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(nèi)，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(zhuǎn)化為工程應(yīng)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(jié) 語
本文主要從網(wǎng)絡(luò)測量體系結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)、測量方法及發(fā)展趨勢等方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)測量進(jìn)行了全面介紹。對(duì)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。隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大、通信量的增加和新增功能的實(shí)現(xiàn)，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的廣度和深度不斷增加，其應(yīng)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(duì)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(yuǎn)意義。
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