网络带宽的测量研究与实现

网络带宽的测量研究与实现

-基于包速率模型的网络带宽测量研究及应用

第一章引言

1.1 可用带宽测量的研究背景和意义

近年来网络规模不断扩大，网络流量急剧增长，尤其是实时业务和多媒体应用等新业务的不断增加，例如远程教学，视频会议、视频点播、视频监控等质量服务（QoS）敏感的网络应用，这些应用对网络传输提出了一组性能度量的要求，主要包括带宽、延迟、丢包率等。为了向用户提供可靠的端到端(End to end)服务质量保证，网络应用必须得到实时的网络性能来评估当前网络对应用的支持程度。网络测量是开展服务质量敏感应用、提供服务质量保证的前提条件。然而，目前对网络测量技术的研究明显滞后于网络及其应用的快速发展。研究网络性能测量技术是了解网络行为、进行网络控制、实施服务质量保证、提高网络性能的基础和重要环节，因此具有十分重要的意义。

网络带宽测量的研究对于提高仿真系统性能，有着非常重要的作用。通过带宽测量，了解广域网带宽资源情况，从而指导广域网实时仿真系统的数据传送和带宽分配，提高广域网实时仿真系统性能。在广域网环境下的分布交互仿真系统中，网络带宽测量技术的研究有助于大幅度提高带宽利用率并降低仿真数据的延迟。在测量可用带宽时，必须要保证测量的准确性、非干扰性(测量的探测速率不能影响到正常的业务流)和快速性。很多因素给可用带宽的实际测量造成了困难，例如链路的可用带宽随时在变化，并且由于网络技术存在着差异性，端与端之间需要协同工作，业务流量使用不同的传输协议，背景流量存在多样性，各种路由器具有各自的特点等。如何对可用带宽进行快速有效地测量，获得高精度的测量结果，已成为下一代网络关键技术研究的热点。

1.2 国内外研究现状

对网络行为观测与研究的系统讨论源于一次有关Interact统计与测量分析的研讨会(ISMA)，是在1996年初美国应用联网研究国家实验室(NLANR)与Beloote 在美国NSF支持下召开的。在此之后，依托于美国加州大学圣迭戈分校超级计算中心(SDSC)的C．AIDA(Internet数据分析联合会)对网络测量的相关理论和方法展开了系统性的研究。IM也成立了专门的工作小组IPPM(IP Performance Metrics)来制定IP网络的运行参数。

与国外相比，国内对可用带宽测量技术的研究起步晚一些，但现在已经有很多大学和公司对带宽测量都进行了不同程度的研究。其中北京邮电大学网络与交换国家重点实验室比较早就开始了关于IP网络带宽测量的研究；其后不久，国防科技大学计算机学院也开始针对网络带宽测量进行了较深入的研究；而北京交通大学电子信息工程学院则针对网络带宽的主动测量技术也做了研究；除此之外中山大学、解放军理工大学、中国科学院、清华大学、同济大学、华中科技大学、北京航天航空大学等国内许多重点院校都对可用带宽测量进行了研究。

1.3可用带宽测量的应用前景和面临的挑战

评价网络性能有很多指标，包括网络容量、丢包率、可用带宽、延时、背景流量等。随着网络的飞速发展，网络应用更加关心的是自己可以使用的带宽，即可用带宽。在过去的十几年中，研究者们一直不懈地努力提高端到端的可用带宽测量算法的精度和速度，然而，可用带宽本身具有动态变化的特性，受到很多因素的影响，可用带宽测量面临诸多挑战：

1）背景流量的突发特性：造成了可用带宽的动态性，给测量带来了很大困难，需要采用一定的技术缓和背景流量的突发性给测量结果造成的偏差。

2）可用带宽测量技术的实际应用性：即要求可用带宽测量准确性和可操作性，而且测量时间短，开销低，从而能在实际网络应用程序中集成，达到测量可用带宽的真正目的。

3）多瓶颈链路模型的可用带宽测量：现有的可用带宽测量技术都是基于单

瓶颈链路模型，用于多瓶颈链路环境时，测量结果就会出现一定的偏差。

4）时间精度问题：现有的可用带宽测量技术都是基于时间信息统计分析，因此，最小时间粒度(时间精确度)是限制可用带宽测量精度的一个非常重要的因素。如果最小时间粒度比测量的间隔还大，那么可获得的时间间隔就是最小时间粒度；如果最小时间粒度比两个包的时间间隔大，就认为这两个包同时到达。

第二章网络带宽测量相关理论研究

本章介绍了计算机网络带宽测量的相关理论和典型的带宽测量的工具。首先，介绍了带宽测量的技术分类包括主动测量和被动测量。然后介绍了带宽测量算法的性能评价标准，并分析了带宽测量的趋势。最后，介绍了几种经典的可用带宽测量工具和算法。最后介绍了带宽测量相关领域的一系列定义，包括链路带宽，端到端瓶颈带宽，带宽利用率，以及端到端可用带宽。

2.1 带宽测量技术分类

依据不同的划分标准，可对带宽测量技术进行如下分类：按照是否向网络内部注入探测包，可分为主动测量(Active Measurement)和被动测量(Passive Measurement)，如图2.1所示。按测量过程是否需要节点路由器的协作，带宽测量技术分为链路带宽测量和端到端的路径带宽测量方式；按照不同的测度，带宽测量可分为链路带宽(Link Capacity)、路径带宽(Path Capacity)和链路可用带宽(Available Bandwidth)测量技术。

图2.1 带宽测量分类

1．主动测量和被动测量

主动测量：通过发送测量包来获取网络性能数据。主动测量可以获得用户感

兴趣的端到端的网络状况和网络行为，具有灵活方便、可操作性强等优点。主动量通过分析探测数据包和响应数据包来获取相应的性能参数。主动测量基本结构如图2.2所示，探测流的源端称为发送端，目的端称之为接收端。主动测量结构包括两部分：发送端的监测设备和接收端的监测设备。

图2.2 主动测量组件结构

被动测量：使用接入网络的探针来记录和统计链路上数据包的网络特性。被动测量不必发送主动测量包，也不会占用网络带宽，对网络影响较小，可以获得更为准确的测量结果。被动测量如图2.3所示：

图2.3 被动测量方式示意图

由于被动测量利用网络的探针来测量网络的链路，这样必然要有大量的现实测量工具以及网络测量的权限。相对于被动测量主动测量更加受到青睐，因为主动测量操作起来更加方便，更加经济，更加方便操作。