基于多線程的網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

【摘要】目前針對園區(qū)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能測量和分析仍然屬于一個新型的研究領(lǐng)域，本文從園區(qū)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營角度及園區(qū)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能的基本指標(biāo)帶寬，時延等角度出發(fā)，結(jié)合長春工業(yè)大學(xué)校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際，提出了一種網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)。之后提煉測量方案，利用現(xiàn)有的幾種性能測量的方法對長春工業(yè)大學(xué)校園網(wǎng)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)性能的測量，通過對測量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)學(xué)建模，總結(jié)出各項(xiàng)性能參數(shù)和規(guī)律，通過分析比較找到誤差率最低的測量方法，為后續(xù)提出的改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)性能測量方法提供強(qiáng)大的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】園區(qū)網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)性能;帶寬;時延;性能測量系統(tǒng)

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)：

該系統(tǒng)主要包括用戶界面管理模塊，業(yè)務(wù)處理模塊，數(shù)據(jù)包的發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)包的捕獲模塊，協(xié)議解析模塊，存儲模塊等六大模塊。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

下面對各組成模塊做如下簡要說明：

（1）用戶界面管理模塊

該模塊的主要功能是能讓用戶手動輸入內(nèi)容并將查詢的內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶。

（2）業(yè)務(wù)處理模塊

該模塊的主要功能是以業(yè)務(wù)邊界為限制，進(jìn)行業(yè)務(wù)類的封裝。

（3）數(shù)據(jù)包的發(fā)送模塊

該模塊的主要功能是利用用戶界面管理模塊對各種協(xié)議的數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，還可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能探測數(shù)據(jù)包的封裝，構(gòu)造完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

（4）數(shù)據(jù)包的捕獲模塊

該模塊的主要功能是捕獲到所有經(jīng)過網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包，還可以根據(jù)過濾條件捕獲特定的網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包。

（5）協(xié)議解析模塊。該模塊的主要功能是對捕獲的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，對特定的探測數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)并且計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的帶寬和延遲。

（6）存儲模塊

該模塊的主要功能是存儲接收端接收到的網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包并且對接收端計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲也進(jìn)行存儲，以便用戶對數(shù)據(jù)庫中的網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化情況進(jìn)行實(shí)時的跟蹤和了解。

2.系統(tǒng)功能介紹

對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)生器而言，該系統(tǒng)主要的操作對象是用戶，它們的操作主要包括協(xié)議構(gòu)造管理，數(shù)據(jù)包發(fā)送管理，數(shù)據(jù)包捕獲管理，數(shù)據(jù)包分析管理和存儲模塊這五大功能模塊。

2.1 協(xié)議構(gòu)造管理模塊

本軟件系統(tǒng)要求用戶可以構(gòu)造不同協(xié)議的數(shù)據(jù)包，還可以構(gòu)造能夠探測網(wǎng)絡(luò)性能的網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包，用戶可以設(shè)置要發(fā)送的數(shù)據(jù)包各層協(xié)議首部的內(nèi)容。

2.2 數(shù)據(jù)包發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)包發(fā)送模塊包括兩個部分，一部分是用戶可以任意構(gòu)造不同協(xié)議的數(shù)據(jù)包。另一部分是用戶必須嚴(yán)格按照網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包的格式構(gòu)造數(shù)據(jù)包。

2.3 數(shù)據(jù)包捕獲模塊

數(shù)據(jù)包捕獲模塊也包括兩個部分，一部分是用戶可以捕獲所有經(jīng)過本網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包。另一部分是用戶可以篩選出滿足過濾條件的網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包。

2.4 數(shù)據(jù)包分析模塊

數(shù)據(jù)包分析模塊也包括兩部分功能：一部分是可以對經(jīng)過網(wǎng)卡的所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，按照TCP/IP協(xié)議棧的原理，對捕獲的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，從數(shù)據(jù)鏈路層開始。首先分析數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，如以太網(wǎng)協(xié)議等。其次在根據(jù)以太網(wǎng)的分析結(jié)果在分析網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，如IP協(xié)議。分析了網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議以后，就可以對應(yīng)用層上的協(xié)議如TCP，UDP進(jìn)行分析了。最后分析應(yīng)用層的協(xié)議。

2.5 存儲模塊

存儲模塊的功能也包括如下兩個部分：一部分是用來存儲主機(jī)在某個時刻的流量信息（包括總的流量，上傳流量，下載流量）。另一部分用來存儲捕獲的網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息（包括：源IP地址，目的IP地址，數(shù)據(jù)包的類型，大小，發(fā)送的時間戳和接收的時間戳，計(jì)算的某段時間的網(wǎng)絡(luò)的帶寬和延遲等信息），形成圖表的形式以方便用戶查看某一時刻網(wǎng)絡(luò)的性能和主機(jī)的流量信息。

3.系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)包發(fā)送和捕獲技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)，如果在一個繁忙的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送和截獲，而不設(shè)置過濾器，那得到的數(shù)據(jù)包會非常多，導(dǎo)致我們的應(yīng)用程序響應(yīng)失敗，因此對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)生器進(jìn)行必要的性能優(yōu)化，考慮到用多線程來進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送和數(shù)據(jù)包的捕獲操作，于是在程序中使用了兩個線程：一個線程是構(gòu)造數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包的發(fā)送線程。

另一個線程是過濾數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包的捕獲線程。考慮到能高速的發(fā)送數(shù)據(jù)包，我們應(yīng)該將數(shù)據(jù)包發(fā)送線程的優(yōu)先級設(shè)置為高優(yōu)先級。下面通過流程圖來介紹我們的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)生器：

圖2 多線程系統(tǒng)流程圖

4.網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)的應(yīng)用

我們利用這個網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)對現(xiàn)有的性能測量方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容由以下幾小節(jié)進(jìn)行簡要的說明

4.1 VPS逐跳帶寬測量方法的實(shí)現(xiàn)

4.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

搭建如圖所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)2號是背景流的發(fā)送端，計(jì)算機(jī)4號是背景流量的接收端，計(jì)算機(jī)1號是網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包的發(fā)送端，計(jì)算機(jī)3號是網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包的接收端。每段鏈路的帶寬如圖所示都為10Mb。

4.1.2 背景流下的精度分析

本實(shí)驗(yàn)采用的是局域網(wǎng)流量產(chǎn)生器，通過設(shè)置產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的大小和傳輸?shù)乃俾蕘砜刂坡窂降谋尘傲髁康拇笮?，我們讓它的背景流量分別為0Mb，1Mb，3Mb，5Mb，7Mb，9Mb。即背景流占鏈路帶寬容量的0%，10%，30%，50%，70%，90%。

VPS算法：

針對每次測量實(shí)驗(yàn)中獲得的可用帶寬值的大小，分別計(jì)算出在各速率的背景流下的可用帶寬的大小（見表1）。

4.2 基于探測報(bào)文間隔模型的可用帶寬測量方法的實(shí)現(xiàn)

4.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

搭建如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)2號是背景流的發(fā)送端，計(jì)算機(jī)4號是背景流量的接收端，計(jì)算機(jī)1號是網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包的發(fā)送端，計(jì)算機(jī)3號是網(wǎng)絡(luò)探測數(shù)據(jù)包的接收端。計(jì)算機(jī)4號和計(jì)算機(jī)3號與路由器之間的帶寬為10Mb，既是緊鏈路又是瓶頸鏈路即窄鏈路，因?yàn)榇怂惴ㄔ跍y量之前必須保證緊鏈路和窄鏈路是同一條路徑。背景流量的控制與VPS算法的是一致的。

4.2.2 Spruce算法

針對每次測量實(shí)驗(yàn)中獲得的可用帶寬值的大小，分別計(jì)算出在各速率的背景流下的可用帶寬的大?。ㄒ姳?）。

4.3 基于自擁塞模型的可用帶寬測量方法的實(shí)現(xiàn)

4.3.1 實(shí)驗(yàn)平臺

圖5

圖6

背景流量的控制與VPS算法的是一致的。

4.3.2 PathLoad算法

針對每次測量實(shí)驗(yàn)中獲得的可用帶寬值的大小，分別計(jì)算出在各速率的背景流下的可用帶寬的大小見表3。其中可用帶寬范圍的中間值即為測量的帶寬。通過上述的測量結(jié)果，我們經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析出這3種帶寬測量算法的誤差比如圖6所示。

5.結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的協(xié)議層出不窮，為了讓學(xué)生更好的了解各種協(xié)議的組成部分并且深入理解TCP/IP協(xié)議棧，本文除了深入研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包構(gòu)造技術(shù)，數(shù)據(jù)包捕獲技術(shù)以及各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析方法以外，根據(jù)需求還設(shè)計(jì)出了一個網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：

（1）研究了以太網(wǎng)幀的幀格式以及基于 TCP/IP 協(xié)議族的數(shù)據(jù)報(bào)文格式，為深入理解協(xié)議分析的原理以及過程奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（2）該軟件界面簡潔，方便用戶操作，并且可以根據(jù)需要手動添加網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，達(dá)到了很好的擴(kuò)展性。

（3）可以通過發(fā)送探測數(shù)據(jù)包，實(shí)時了解網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)，對于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量提供了很好的幫助。

（4）基于多線程的網(wǎng)絡(luò)性能測量系統(tǒng)，可以模擬多個會話，從而可以提高系統(tǒng)的性能，提高程序的運(yùn)行效率，更好的為用戶服務(wù)。

（5）利用這個網(wǎng)絡(luò)性能測量軟件，我們對現(xiàn)有的算法進(jìn)行實(shí)際測量，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，找出測量誤差最小的算法，為下一步改進(jìn)該算法奠定基礎(chǔ)。

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