网络测量及其关键技术

被动收集分组头； 主动测量； 收集路由和网管数据 > 目 团体的工程和研究服务 > 它收集网络数据的方法包括： 前的研究包括： （ "2%/:$ ?$+.1($9$*% 5(’@$2%） ； （ 5+../:$ ?$+.1($9$*% "*+,-./.， 开发出了 A6B 的监视器， "?5 5?" （软件 6/28,/C） A6B9’*） > 另外对测量结果还进行了可视化 > 美国 国 家 科 学 基 金 !<D 和 E"F5" 资 助 了 国 家 #*%$(*$% 测 量 基 础 结 构 （ !+%/’*+, #*%$(*$% ?$+.1($9$*% ［G］ 简称 !#?#） 项目， 其目标是要建立一个全球化的、 分布式的、 大规模的 #*%$(*$% 测量结构， 已经 #*0(+.%(12%1($， 设计出了轻负载、 可升级、 可动态配置、 具有安全验证的测量探针 （ !$%&’() 5(’=$ E+$9’*， 简称 !5E） ， 测量各 种性能参数 > !#?# 项目分 G 个阶段： 逐渐迈向智能化 > ?+()!， ?+()"， ?+()#， 由斯坦福线性加速器中心 （ <%+*C0’(C H/*$+( "22$,$(+%’( 6$*%$(， 简称 <H"6） 发起的为 4I!5 （ 4/78 I*$(7［L］ 团体开发的端到端性能监控— 5/*7IF （ 5/*7 I*CJ%’J$*C F$K’(%/*7） ， 在全世界布有 !12,$+( +*C 5+(%/2,$ 58-./2.） 监视点， 采用 K/*7 （ #6?5 $28’ M ($N1$.%） 来测量 FOO， 进而推算系统的性能 > 改进的版本包括采用 K+2)$% ,’.. 等， 以及加入 %(+2$(’1%$(， 考虑了采样速率、 开销大小的影响 > <H"6 M EAI M I.*$% 运用 5/*7IF 5’/../’* 分布的采样，
第R期
朱畅华等： 网络测量及其关键技术
WXP
［3］ 开发了网络分析基础结构 !"# （!$%&’() "*+,-./. #*0(+.%(12%1($） ， 目的是建立一个测量体系结构， 通过原始数 据的收集和发布， 分析测量结果， 并进行可视化， 为 456 （4/78 5$(0’(9+*2$ 6’**$2%/’*， 如 :;!< 和 "=/,$*$ 网络）
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网络测量
网络测量是指遵照一定的方法和技术， 利用软件和硬件工具来测试或验证表征网络性能的指标的一系
列活动的总和， 可以借鉴物理学中测量物理量的方法 ) 网络测量包含以下 % 个要素 ) !测量对象： 被测量的节 点或链路， 测量节点、 链路或网络的什么特征， 如链路的时延、 带宽、 丢包率， 路由器的路由效率、 时延、 丢包 吞吐率、 系统容量、 最大稳定链接数等； 包括测量点的选取、 测量时 率， P8; 服务器的应答延迟、 " 测量环境： 间的确定、 测量设备、 通信链路的类型等； 针对某一具体的网络行为指标， 选取合适的测量方法， #测量方法： 测量方法应满足稳健性— — —被测网络的轻微变化不会使测量方法失效； 可重复性— — —同样的网络条件， 多次 测量结果应一致； 准确性— — —测量结果应能反映网络的真实情况 ) ! "! 网络测量的种类和常用指标 网络测量的方法有两种： 主动测量、 被动测量 ) 主动测量是将探测分组注入网络进行测量， 如通过在一端
!"#$%&’ (")*+&"(",# ),- .#* ’"/ #"01,%2%3."*
!"# $%&’()%*& ， +,- $%&’()./’( ， 0- 1/&’)23’( ， 1-4 5/
（+1234516 789 :1;) 4< =528>?128@ A8?B3C8D +824E?FD，G3@315 H53B) ，G3I15 (#""(#，JK351） 45*#&)0#： +82E4?F L81DM?8L852 N619D 15 3LN4?2152 ?468 35 ?8D81?CK 45 15@ @8B864NL852 4< 582E4?F) =5 2K3D N1N8?， 2K8 @82136D 4< 582E4?F L81DM?8L852 1?8 @3DCMDD8@， EK3CK 35C6M@8 L82K4@D， =5<?1D2?MC2M?8 15@ D8B8?16 F89 ，CK43C8 4< L8DM?35> N4352D， 28CK5464>38D，DMCK 1D L4@8635> 4< 85@$24$85@ @8619，<3628?35> 4M2 4<“ N1CF82 543D8 ” L4@8635> 4< 2?1<<3C 15@ ?8L4B16 4< C64CF DF8E) *K8 1NN63C12345D 4< 582E4?F L81DM?8L852 45 582E4?F ;8K1B34?， L151>8L852，D8CM?329，4N8?12345 15@ ?8D81?CK 1?8 N?8D8528@) 6"/ 7%&-*： 582E4?F L81DM?8L852； 1C23B8 L81DM?8L852； N1DD3B8 L81DM?8L852； 582E4?F ;8K1B34?
旗
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摘要：网络测量对网络研究与发展十分重要 ) 分析了网络测量的常用方法， 论述了网络测量的体系结构 和研究现状 ) 同时还指出了端到端时延模型、 “噪声” 分组过滤、 测试点最优选择、 业务模型分析和时钟偏 网络管理、 网络安全和研 移影响的消除等网络测量的关键技术 ) 最后说明网络测量在研究网络行为学、 究网络的新方法、 新技术等方面的应用 ) 关键词：网络测量； 主动测量； 被动测量； 网络行为学 中图分类号： *+’#,-# 文献标识码： . 文章编号： （!""!） #""#$!/"" "&$"0#%$"&
； 可连接性 （ 62;;0@54/451） ， 吞吐率 （ 5J.2-=J<-5） ； 瞬时分组延时差； 大批传输容量 （ :-83 ?.7;D90. 67<7@451） ； 带 )2DD） 宽利用率 （ C7;AE4A5J 7/7487C48451） ； 瓶颈带宽估计 （ C25580;0@3 C7;AE4A5J 0D54B7542;） ； 周期流 （ <0.42A4@ D5.07BD） 网络 性能 $ 其中， 最基本的 K 大指标为时延、 丢包率和带宽 $ ! "# 网络测量的体系结构 网络测量的体系结构从层次上说， 是一个数Βιβλιοθήκη Baidu工程 $ 从高层到低层依次为数据表示、 数据分析、 数据管 理、 数据采集 $ 包括主动测量采集、 被动测量采集 $ 利用主动测量易于控制的优点， 合 ! 数据采集 数据采集是关键， 理地设置测量分组； 同时也利用被动测量不影响系统性能的优点， 适当选择测量探针的位置 （包括考虑通过 测试点的业务） 一是数据采集时， 尽量照顾到各种性能指标； 二是提供一 $ 数据采集着重考虑以下几个问题： 个向第二层统一的访问接口； 三是数据采集的粒度要满足所测指标的需求， 尽量减轻网络的开销； 四是采样 间隔的选择， 这应视具体情况而定 $ 需要合适的数据存贮方法、 维护、 检索策略 $ 为便于 " 数据管理 由于测量得到的数据是非常庞大的， 分析， 还需要将数据格式化 $ 考虑到数据共享， 一般运用数据库技术， 同时考虑到灵活性， 也采用文件存贮方 式 $ 在数据存贮以前， 作必要的预处理， 以压缩存贮量 $ 分析其包含的因素， 如算法、 误差来源、 测量 # 数据分析 数据分析需要研究如何定义每个行为指标， 单位等， 还要考虑测量环境、 测量方法、 测量工具的影响 $ 将所有这些影响因素量化描述， 即对应一个指标 $ 由 基本的性能指标能组合出新的指标， 还可定义反映网络整体性能的综合指标 $ 在测量得到原始数据后， 首先对某一指标的大量样本采用统计学的方法进行分析， 得出均值、 方差等基 本统计量； 其次由一些数学模型 （如时间序列预测、 回归分析、 判断预测、 小波分析等） 作出性能趋势预测； 进 而采用数据挖掘 （"757 ’4;4;=） 技术进行关联分析， 得出网络本质的行为规律 $ 经过这些步骤， 通过归纳、 综 合、 分析、 演绎对每一个指标给出合理的定义和分析算法 $ 发挥艺术想像力， 可借鉴网管软件采用的方法， $ 数据表示 数据表示即直观形象地表示出测量结果， 也可征求网管人员和用户的意见 $ 采用图形用户界面 L!%， 以直方图、 二维、 三维坐标曲线， 扇形图， 报表等形 式$ 对网络测量体系结构的研究可以借鉴权威的国际组织， 如 %,>， %?!H?， %&?F， %&&&， (’F， +*6& 等及著名 网络测量团体的研究成果 $ 主动测量中收发端点、 被动测量中数据收集探针的配置， 应根据实际需要来决定， 合理的配置对测量的效率、 测量的广度和深度影响较大 $ ! "$ 研究现状 国外对网 络 测 量 已 经 和 正 在 进 行 着 大 量 的 研 究 $ 美 国 应 用 网 络 研 究 国 家 实 验 室 ()*(+ （ (7542;78 万方数据 ） 的测量和运营分析小组 （ )7C2.752.1 29 *<<840A (05E2.3 +0D07.@J ’>*? ’07D-.0B0;5 7;A ><0.7542; *;781D4D ?07B）
!""! 年 #! 月 第 !’ 卷 第 & 期
西安电子科技大学学报 （自然科学版） !"#$%&’ "( )*+*&% #%*,-$.*/0
Q8C) !""! R46 ) !’ +4) &
网络测量及其关键技术
朱 畅 华， 裴 昌 幸， 李 建 东， 金
（西安电子科技大学 综合业务网国家重点实验室， 陕西 西安
在取得辉煌成功的同时也暴露出一些问题： 用户需要短的传输 =528?582 已渗透到社会生活的各个角落， 等待时间， 电子商务应用需要良好的信息安全保障能力， 设备制造商需要提 =AO 需要加强对 =528?582 的管理， 高网络设备的性能， 科研人员需要验证新算法、 新协议的有效性等等， 这使得系统地研究网络测量这一研究 互联网及其应用的基础性课题成为必然而迫切的需求 )
收稿日期： !""#$#!$%" 基金项目： 国家自然科学基金重点资助项目 （&"#%!"%"） 作者简介： 朱畅华 （#’(%$） ， 男， 西安电子科技大学博士研究生 )
万方数据
NGM
西安电子科技大学学报 （自然科学版）
第 OP 卷
发送 !"# 分组， 而在另一端接收该分组， 可以测量端到端的延时、 丢包率 $ 如后面将要讲述的 %&#’， (%’%， ， ， 等采用了主动测量 被动测量是在网络的某处布置数据采集器， 收集流过该处 ()*(+ *’# ,-./012. ,34550. $ 的网络业务流， 进行分析、 提取业务特征， 获得性能数据 $ 如 ()*(+ #’*， 62.78+009 等 $ 按测量点的分布可分为： 单点测量、 多点测量 $ 大部分的网络测量都采用分布式多点测量 $ 如： (%’%， +%#&， ()*(+ *’#， #’*， ,34550.， %&#’ 等都是分布式多点测量 $ 单点测量在非合作的情形下能发挥巨大的作 用， 如美国朗讯科技公司 :088 实验室的单点测量项目— — — %;50.;05 ’7<<4;= $ 按与被测网络的关系可分为： 合作测量、 非合作测量 $ 合作测量对网络运营者来说， 能够掌握网络的运行 状况、 找出瓶颈、 业务分布情况等， 以便有效地管理网络、 充分利用网络资源 $ 非合作测量是指被测网络不乐 意被别人测量， 测量目的是窥探对方网络的情况， 这在军事上有非常重要的意义 $ 网络测量可用的协议有： 可利用公开发布的工具软件， 如 #4;=， ,(’#， +>’(， 6’%#， %6’# 等， ?@<A-B<， （如路由表信息， ?08;05， 9<4;=， ?.7@0.2-50.， )4C<@7< 等 $ 路由器 64D@2 路由器中的 (05982E 模块可以采集网络业务 流） 、 网管软件的统计数据也会给网络测量提供有价值的信息 $ 根据实际需要往往要编制各种测量工具 $ 架
［G］
目前， （ %# #0.92.B7;@0 ’05.4@） 工作组已定义了一些 %;50.;05 度量的指标， 并指出了度量的框 %&?F 的 %##’ 单向时延 （ >;0HI71H"0871） 和往返时间 （ .2-;AH5.4< 54B0， 简称 +??） ； 丢包率 （ #7@305 $ 常用的分析指标有：