计算机网络性能测量技术初探-计算机论文

[摘要]网络性能测量是网络行为分析的基础。对网络性能测量的相关内容以及网络性能指标的测量与分析进行系统的介绍，并对网络性能测量的下一步发展进行了展望。
随着Internet技术和网络业务的飞速发展，用户对网络资源的需求空前增长，网络也变得越来越复杂。不断增加的网络用户和应用，导致网络负担沉重，网络设备超负荷运转，从而引起网络性能下降。这就需要对网络的性能指标进行提取与分析，对网络性能进行改善和提高。因此网络性能测量便应运而生。发现网络瓶颈，优化网络配置，并进一步发现网络中可能存在的潜在危险，更加有效地进行网络性能管理，提供网络服务质量的验证和控
制，对服务提供商的服务质量指标进行量化、比较和验证，是网络性能测量的主要目的。
一、网络性能测量的概念
（一）网络性能的概念
网络性能可以采用以下方式定义[1]：网络性能是对一系列对于运营商有意义的，并可用于系统设计、配置、操作和维护的参数进行测量所得到的结果。可见，网络性能是与终端性能以及用户的操作无关的，是网络本身特性的体现，可以由一系列的性能参数来测量和描述。
（二）网络性能参数的概念
对网络性能进行度量和描述的工具就是网络性能参数。IETF和ITU-T都各自定义了一套性能参数，并且还在不断的补充和修订之中。
1.性能参数的制定原则。网络性能参数的制定必须遵循如下几个原则：
（1）性能参数必须是具体的和有明确定义的；
（2）性能参数的测量方法对于同一参数必须具有可重复性，即在相同条件下多次使用该方法所获得的测量结果应该相同；
（3）性能参数必须具有公平性，即对同种网络的测量结果不应有差异而对不同网络的测量结果则应出现差异；
（4）性能参数必须有助于用户和运营商了解他们所使用或提供的IP网络性能；
（5）性能参数必须排除人为因素；
2.ITU-T定义的IP网络性能参数。ITU-T对IP网络性能参数的定义[2]包括：
（1）IP包传输延迟（PacketTransferDelay，IPTD）;(2)IP包时延变化（IPPacketDelayVariation，IPDV）;(3)IP包误差率（IPPacketErrorRateIPER）;(4)IP包丢失率（IPPacketLassRate，IPLR）;(5)虚假IP包率（SpuriousIPPacketRate）;(6)流量参数（Flowrelatedparameters）;(7)业务可用性（IPServiceAvailability）。
3.IETF定义的IP网络性能参数。IETF将性能参数[3]称为“度量（Metric）。由IPPM（IPPerformanceMetrics）工作组来负责网络性能方面的研究及性能参数的制定。IETF对IP网络性能参数的定义包括：
（1）IP连接性；（2）IP包传送时延；（3）IP包丢失率；（4）IP包时延变化；（5）流量参数。
（三）网络性能结构模型
从空间的角度来看，网络整体性能可以分为两种结构：立体结构模型和水平结构模型。
1.立体结构模型。IP网络就其协议来说是一个层次化的网络，因此，对IP网络性能的研究也可以按照一种自上而下的方法进行。可以以IP层的性能为基础，来研究IP层不同性能与上层不同应用性能之间的映射关系。
2.水平结构模型。对于网络的性能，用户主要关心的是端到端的性能，因此从用户的角度来看，可以利用水平结构模型来对IP网络的端到端性能进行分析。
三、网络性能测量的方法
网络性能测量涉及到许多内容，如采用主动方式还是被动方式进行测量；发送测量包的类型；发送与截取测量包的采样方式；所采用的测量体系结构是集中式还是分布式等等。
（一）测量包
网络性能测量中，影响测量结果的一个重要因素就是测量数据包的类型。
1.P类型包。类型P是对IP包类型的一种通用的声明。只要一个性能参数的值取决于对测量中采用的包的类型，那么参数的名称一定要包含一个具体的类型声明。
2.标准形式的测量包。在定义一个网络性能参数时，应默认测量中使用的是标准类型的包。比如可以定义一个IP连通性度量为：“IP某字段为0的标准形式的P类型IP连通性”。在实际测量中，很多情况下包长会影响绝大多数性能参数的测量结果，包长的变化对于不同目的的测量来说影响也会不一样。
3.主动测量与被动测量方式。最常见的IP网络性能测量方法有两类：主动测量和被动测量。这两种方法的作用和特点不同，可以相互作为补充。
4.主动测量。主动测量是在选定的测量点上利用测量工具有目的地主动产生测量流量，注入网络，并根据测量数据流的传送情况来分析网络的性能。主动测量的优点是对测量过程的可控性比较高，灵活、机动，易于进行端到端的性能测量；缺点是注入的测量流量会改变网络本身的运行情况，使得测量的结果与实际情况存在一定的偏差，而且测量流量还会增加网络负担。主动测量在性能参数的测量中应用十分广泛，目前大多数测量系统都涉及到主动测量。
要对一个网络进行主动测量，需要一个测量系统，这种主动测量系统一般包括以下四个部分：测量节点（探针）、中心服务器、中心数据库和分析服务器。有中心服务器对测量节点进行控制，由测量节点执行测量任务，测量数据由中心数据库保存，数据分析则由分析服务器完成。
5.被动测量。被动测量是指在链路或设备（如路由器，交换机等）上利用测量设备对网络进行监测，而不需要产生多余流量的测量方法。被动测量的优点在于理论上它不产生多余流量，不会增加网络负担；其缺点在于被动测量基本上是基于对单个设备的监测，很难对网络端到端的性能进行分析，并且可能实时采集的数据量过大，另外还存在用户数据泄漏等安全性和隐私问题。
被动测量非常适合用来进行流量测量。
6.主动测量与被动测量的结合。主动测量与被动测量各有其优、缺点，而且对于不同的性能参数来说，主动测量和被动测量也都有其各自的用途。因此，将主动测量与被动测量相结合将会给网络性能测量带来新的发展。
（二）测量中的抽样
1.抽样概念。抽样，也叫采样，抽样的特性是由抽样过程所服从的分布函数所决定的。研究抽样，主要就是研究其分布函数。对于主动测量，其抽样是指发送测量数据包的过程；对于被动测量来说，抽样则是指从业务流量中采集测量数据的过程。
2.抽样方法。依据抽样时间间隔所服从的分布，抽样方法可分为很多种，目前比较常用的抽样方法是周期抽样、随机附加抽样和泊松抽样[4]。周期抽样是一种最简单的抽样方式，每隔固定时间产生一次抽样。因为简单，所以应用的很多。但它存在以下一些缺点：测量容易具有周期性、具有很强的可预测性、会使被测网络陷入一种同步状态。随机附加抽样的抽样间隔的产生是相互独立的，并服从某种分布函数，这种抽样方法的优劣取决于分布函数：当时间间隔以概率1取某个常数，那么该抽样就退化为周期抽样。随机附加抽样的主要优点在于其抽样间隔是随机产生的，因此可以避免对网络产生同步效应，它的主要缺点是由于抽样不是以固定间隔进行，从而导致频域分析复杂化。
在RFC2330中，推荐泊松抽样，它的时间间隔符合泊松分布，它的优点是：能够实现对测量结果的无偏估计、测量结果不可预测、不会产生同步现象。但是，由于指数函数是无界的，因此泊松抽样有可能产生很长的抽样间隔，因此，实际应用中可以限定一个最大间隔值，以加速抽样过程的收敛。