對網(wǎng)絡(luò)性能測量進(jìn)行簡述

1.引言

隨著Internet技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)資源空前增長，對網(wǎng)絡(luò)的需求和應(yīng)用方式變得越來越復(fù)雜。不斷增加的網(wǎng)絡(luò)用戶和應(yīng)用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)沉重，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而網(wǎng)絡(luò)性能下降。這就需要對網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)進(jìn)行提取與分析，對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行改善和提高。因此，作為網(wǎng)絡(luò)行為分析基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)性能測量的作用就極為重要了。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的潛在危險(xiǎn)，更加有效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能管理，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QOS)的驗(yàn)證和控制，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行量化、比較和驗(yàn)證等，是網(wǎng)絡(luò)性能測量的主要目的。

2.網(wǎng)絡(luò)性能測量的概念

2.1 網(wǎng)絡(luò)性能

網(wǎng)絡(luò)性能是一組對于運(yùn)營商有意義的，并可用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配置、操作和維護(hù)的參數(shù)進(jìn)行測量所得到的結(jié)果?？梢?，網(wǎng)絡(luò)性能是與終端性能以及用戶的操作無關(guān)的，是網(wǎng)絡(luò)自身特性的體現(xiàn)，可以由一系列的性能參數(shù)來測量和描述。

2.2 網(wǎng)絡(luò)性能結(jié)構(gòu)模型

從空間的角度來看，網(wǎng)絡(luò)整體性能可以分為兩種結(jié)構(gòu)：立體結(jié)構(gòu)模型和水平結(jié)構(gòu)模型。

1)立體結(jié)構(gòu)模型

IP網(wǎng)絡(luò)就其協(xié)議棧來看是一個(gè)層次化的網(wǎng)絡(luò)，因此，對IP網(wǎng)絡(luò)性能的研究也可以按照一種自上而下的方法進(jìn)行?？梢砸訧P層的性能為基礎(chǔ)，來研究IP各層間不同性能與上、下層不同應(yīng)用性能之間的映射關(guān)系。

2)水平結(jié)構(gòu)模型

對于網(wǎng)絡(luò)的性能，用戶主要關(guān)心的是端到端的性能，因此從用戶的角度來看，可以利用水平結(jié)構(gòu)模型來對IP網(wǎng)絡(luò)的端到端性能進(jìn)行分析。

3.網(wǎng)絡(luò)性能測量的方法

網(wǎng)絡(luò)性能測量涉及到許多內(nèi)容，如采用主動方式還是被動方式進(jìn)行測量；發(fā)送測量包的類型；發(fā)送與截取測量包的采樣方式；所采用的測量體系結(jié)構(gòu)是集中式還是分布式等。

3.1 測量包

網(wǎng)絡(luò)性能測量中，影響測量結(jié)果的一個(gè)重要因素就是測量數(shù)據(jù)包的類型。

1)P類型包

類型P是對IP包類型的一種通用的聲明。只要一個(gè)性能參數(shù)的值取決于對測量中采用的包的類型，那么參數(shù)的名稱一定要包含一個(gè)具體的類型聲明。

2)標(biāo)準(zhǔn)形式的測量包

在定義一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)時(shí)，應(yīng)默認(rèn)測量中使用的是標(biāo)準(zhǔn)類型的包。比如可以定義一個(gè)IP連通性度量為“IP某字段為0的標(biāo)準(zhǔn)形式的P類型IP連通性”。在實(shí)際測量中，很多情況下包長會影響絕大多數(shù)性能參數(shù)的測量結(jié)果，包長的變化對于不同目的的測量來說影響也會不一樣。

3.2 主動測量與被動測量方式

1)主動測量

主動測量就是通過向網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器或應(yīng)用發(fā)送測試流量，以獲取與這些對象相關(guān)的性能指標(biāo)。例如，可以向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包并不斷提高發(fā)送速率直至網(wǎng)絡(luò)飽和，以此來測量網(wǎng)絡(luò)的最大負(fù)載能力。主動測量的主要優(yōu)點(diǎn)是不依賴于被測對象的測量能力。但另一方面，這種測量會給網(wǎng)絡(luò)增加額外的通信流量，這在一定程度上也可能影響測量的結(jié)果。所以應(yīng)該考慮試圖進(jìn)行的測量對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，并盡量使這種影響降到最低。

2)被動測量

被動測量通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信狀況進(jìn)行，因此不會影響網(wǎng)絡(luò)。被動測量通常用于測量通信流量，即經(jīng)過指定源和目的地之間路由器或鏈路的數(shù)據(jù)包或字節(jié)數(shù)，也可用于獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源使用狀況的信息。被動測量可以通過三種方式獲得：

服務(wù)器端測量：通常是在服務(wù)器端安裝測試代理，實(shí)時(shí)監(jiān)測服務(wù)器的性能，資源使用等狀況；

用戶端測量：將監(jiān)測功能封裝到客戶應(yīng)用中，從特定用戶的角度實(shí)時(shí)監(jiān)測相關(guān)的業(yè)務(wù)性能；

利用網(wǎng)絡(luò)探針：網(wǎng)絡(luò)探針可用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)，分析捕獲的數(shù)據(jù)包，以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)業(yè)務(wù)的測量。

被動測量的一個(gè)潛在問題在于它依賴于測量鏈路上的通信流量或被測節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況。例如，要測量網(wǎng)絡(luò)上某主機(jī)和某Web服務(wù)器之間的通信流量，我們可以從客戶端通過監(jiān)測上傳或從該Web服務(wù)器下載的數(shù)據(jù)包來得到測量結(jié)果。

種方法適合于用戶確實(shí)經(jīng)常下載該Web服務(wù)器頁面的情況。如果只是偶爾瀏覽一下頁面，那就沒有足夠的通信流量，這種情況下進(jìn)行的被動測量也就不可靠了。這時(shí)，可以建立一個(gè)腳本，每隔一段時(shí)間從該Web服務(wù)器下載頁面以得到測量結(jié)果，即采用主、被動混合的測量方式。事實(shí)上，在很多情況下，主動測量和被動測量都是結(jié)合著進(jìn)行的。因?yàn)橐慌_進(jìn)行主動測試的主機(jī)只需處理與該測量相關(guān)的通信，因此其硬件要求不高。而對于進(jìn)行被動測試的主機(jī)而言就不同了，因?yàn)樗仨毺幚硗ㄟ^該測量點(diǎn)的所有通信流量，尤其當(dāng)通信速率增長的時(shí)候，對執(zhí)行測量的主機(jī)性能要求就更高。

3.3 測量中的抽樣

3.3.1 抽樣概念

抽樣，也叫采樣，抽樣的特性是由抽樣過程所服從的分布函數(shù)所決定的。研究抽樣，主要就是研究其分布函數(shù)。對于主動測量，其抽樣是指發(fā)送測量數(shù)據(jù)包的過程；對于被動測量來說，抽樣則是指從業(yè)務(wù)流量中采集測量數(shù)據(jù)的過程。

3.3.2 抽樣方法

依據(jù)抽樣時(shí)間間隔所服從的分布，抽樣方法可分為很多種，目前比較常用的抽樣方法是周期抽樣、隨機(jī)附加抽樣和泊松抽樣。周期抽樣是一種最簡單的抽樣方式，每隔固定時(shí)間產(chǎn)生一次抽樣。因?yàn)楹唵?，所以?yīng)用的很多。但它存在以下一些缺點(diǎn)：測量容易具有周期性、具有很強(qiáng)的可預(yù)測性、會使被測網(wǎng)絡(luò)陷入一種同步狀態(tài)。隨機(jī)附加抽樣的抽樣間隔的產(chǎn)生是相互獨(dú)立的，并服從某種分布函數(shù)，這種抽樣方法的優(yōu)劣取決于分布函數(shù)：當(dāng)時(shí)間間隔以概率1取某個(gè)常數(shù)，那么該抽樣就退化為周期抽樣。隨機(jī)附加抽樣的主要優(yōu)點(diǎn)在于其抽樣間隔是隨機(jī)產(chǎn)生的，因此可以避免對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生同步效應(yīng)，它的主要缺點(diǎn)是由于抽樣不是以固定間隔進(jìn)行，從而導(dǎo)致頻域分析復(fù)雜化。在RFC2330中，推薦泊松抽樣，它的時(shí)間間隔符合泊松分布，它的優(yōu)點(diǎn)是：能夠?qū)崿F(xiàn)對測量結(jié)果的無偏估計(jì)、測量結(jié)果不可預(yù)測、不會產(chǎn)生同步現(xiàn)象。但是，由于指數(shù)函數(shù)是無界的，因此泊松抽樣有可能產(chǎn)生很長的抽樣間隔，因此，實(shí)際應(yīng)用中可以限定一個(gè)最大間隔值，以加速抽樣過程的收斂。

4.性能指標(biāo)的測量與分析

4.1 連接性

連接性也稱可用性、連通性或者可達(dá)性，嚴(yán)格說應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)的基本能力或?qū)傩?，不能稱為性能，但I(xiàn)TU-T建議可以用一些方法進(jìn)行定量的測量。目前還提出了連通率的概念，根據(jù)連通率的分布狀況建立擬合模型。

4.2 延遲

延遲的定義是：IP包穿越一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)段所經(jīng)歷的時(shí)間。延遲由固定延遲和可變延遲兩部分組成。固定延遲基本不變，由傳播延遲和傳輸延遲構(gòu)成；可變延遲由中間路由器處理延遲和排隊(duì)等待延遲兩部分構(gòu)成。對于單向延遲測量要求時(shí)鐘嚴(yán)格同步，這在實(shí)際的測量中很難做到，許多測量方案都采用往返延遲，以避開時(shí)鐘同步問題。往返延遲的測量方法是：入口路由器將測量包打上時(shí)戳后，發(fā)送到出口路由器。出口路由器一接收到測量包便打上時(shí)戳，隨后立即使該數(shù)據(jù)包原路返回。入口路由器接收到返回的數(shù)據(jù)包之后就可以評估路徑的端到端時(shí)延。

4.3 丟包率

丟包率的定義是：丟失的IP包與所有的IP包的比值。許多因素會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)被丟棄，例如數(shù)據(jù)包的大小以及數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鏈路的擁塞狀況等。為了評估網(wǎng)絡(luò)的丟包率，一般采用直接發(fā)送測量包來進(jìn)行測量。對丟包率進(jìn)行準(zhǔn)確的評估與預(yù)測則需要一定的數(shù)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。

4.4 帶寬

帶寬一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬。瓶頸帶寬是指當(dāng)一條路徑(通路)中沒有其它背景流量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠提供的最大的吞吐量。對瓶頸帶寬的測量一般采用包對(packet pair)技術(shù)，但是由于交叉流量的存在會出現(xiàn)“時(shí)間壓縮”或“時(shí)間延伸”現(xiàn)象，從而會引起瓶頸帶寬的高估或低估。另外，還有包列等其它測量技術(shù)?？捎脦捠侵冈诰W(wǎng)絡(luò)路徑(通路)存在背景流量的情況下，能夠提供給某個(gè)業(yè)務(wù)的最大吞吐量。因?yàn)楸尘傲髁康某霈F(xiàn)與否及其占用的帶寬都是隨機(jī)的，所以可用帶寬的測量比較困難。一般采用根據(jù)單向延遲變化情況可用帶寬進(jìn)行逼近。其基本思想是：當(dāng)以大于可用帶寬的速率發(fā)送測量包時(shí)，單向延遲會呈現(xiàn)增大趨勢，而以小于可用帶寬的速率發(fā)送測量包時(shí)，單向延遲不會變化。所以，發(fā)送端可以根據(jù)上一次發(fā)送測量包時(shí)單向延遲的變化情況動態(tài)調(diào)整此次發(fā)送測量包的速率，直到單向延遲不再發(fā)生增大趨勢為止，然后用最近兩次發(fā)送測量包速率的平均值來估計(jì)可用帶寬瓶頸帶寬反映了路徑的靜態(tài)特征，而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，所以可用帶寬的測量具有更重要的意義。

4.5 流量參數(shù)

ITU-T提出兩種流量參數(shù)作為參考：一種是以一段時(shí)間間隔內(nèi)在測量點(diǎn)上觀測到的所有傳輸成功的IP包數(shù)量除以時(shí)間間隔，即包吞吐量；另一種是基于字節(jié)吞吐量：用傳輸成功的IP包中總字節(jié)數(shù)除以時(shí)間間隔。Internet業(yè)務(wù)量的高突發(fā)性以及網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，使得網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性，建立流量模型越發(fā)變得重要。

5.總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)性能的評估是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的日益更新，基于特定應(yīng)用的性能測量與分析，更成為今后網(wǎng)絡(luò)性能研究的重要內(nèi)容。對于不同的應(yīng)用，有必要建立不同的性能評價(jià)模型，以實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證；而對于多種不同應(yīng)用所基于的網(wǎng)絡(luò)平臺，更需要確立一種綜合的性能體系架構(gòu)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于性能策略的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)。如NGN中語音業(yè)務(wù)的性能問題，由于語音業(yè)務(wù)的特殊性，對語音質(zhì)量的測量和評估需要結(jié)合多方面因素來考慮，如何客觀而又真實(shí)地評價(jià)語音的質(zhì)量，又如何在數(shù)據(jù)，語音，視頻業(yè)務(wù)融合的IP網(wǎng)絡(luò)上保證各種業(yè)務(wù)的質(zhì)量，對于正處于激烈競爭狀態(tài)下的運(yùn)營商而言，這些都是十分迫切且重要的問題，因而，也成為下一步網(wǎng)絡(luò)性能研究的重點(diǎn)。

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