基于TWAMP協(xié)議的IP網(wǎng)絡(luò)測量平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏明軍 楊晶

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的元素，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、異構(gòu)性也大大增加，在此背景下如何提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量就成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商所關(guān)心的核心問題，同時(shí)用戶也迫切希望了解所使用網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和質(zhì)量，以便選擇更適合的服務(wù)商。時(shí)延、抖動(dòng)、帶寬等參數(shù)作為表征網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的參數(shù)，能夠最為直觀地反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的測量和分析成為掌握網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵。文章采用當(dāng)下最為成熟的B/S架構(gòu)，設(shè)計(jì)基于TWAMP協(xié)議的測量平臺(tái)，具有很強(qiáng)的可操作性。并且針對(duì)測量數(shù)據(jù)的離散化處理能夠有效的降低CPU工作強(qiáng)度，提高測量結(jié)果的精度。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)測量；B/S架構(gòu)；離散型隨機(jī)變量；TWAMP協(xié)議

1 研究背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的元素，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、復(fù)雜性提高。與此同時(shí)，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求也越來越高。IP網(wǎng)絡(luò)作為各種應(yīng)用的承載，它的性能對(duì)上層業(yè)務(wù)影響重大。

2 網(wǎng)絡(luò)測量分類

按照是否向網(wǎng)絡(luò)注入額外測量數(shù)據(jù)包來劃分，網(wǎng)絡(luò)測量可以分主動(dòng)測量和被動(dòng)測量。主動(dòng)測量是在網(wǎng)絡(luò)流量中插入特別設(shè)計(jì)的探測數(shù)據(jù)包，并在數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)后分析探測數(shù)據(jù)包的特征差異可以得到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和性能參數(shù)，主動(dòng)測量的特點(diǎn)是是利用測量工具在選定網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)上插入特定目的數(shù)據(jù)包。主動(dòng)測量不依賴于測定對(duì)象本身的測量能力，具備靈活和可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。而且主動(dòng)測量并不需要多點(diǎn)協(xié)作，可根據(jù)用戶要求測量端到端的網(wǎng)絡(luò)性能。被動(dòng)測量是在關(guān)鍵位置和節(jié)點(diǎn)部署測量設(shè)備來捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和性能參數(shù)，所以被動(dòng)測量在鏈路或者設(shè)備上對(duì)經(jīng)過的流量進(jìn)行監(jiān)測，并不需要注入額外的流量包，這種特點(diǎn)也使得被動(dòng)測量適合作為設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)流量的測量方式。綜上所述，本研究采用主動(dòng)測量方式

3 網(wǎng)絡(luò)測量性能指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)性能又分為整體性能和節(jié)點(diǎn)性能之分，兩者之間的關(guān)系是統(tǒng)一的。通過對(duì)端到端測量指標(biāo)的統(tǒng)合分析就可以得到網(wǎng)絡(luò)的整體性能。性能指標(biāo)主要包括以下參數(shù)：（1）連通性（Connectivity）。網(wǎng)絡(luò)連通性是指網(wǎng)絡(luò)連通的程度。這一指標(biāo)主要與丟包率相關(guān)，一般網(wǎng)絡(luò)可用性會(huì)會(huì)有一個(gè)閾值，當(dāng)丟包率高于這一數(shù)值時(shí)網(wǎng)絡(luò)判定為不可用，相反則為網(wǎng)絡(luò)可用。（2）數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延（Data Packet Transmission Delay）。時(shí)延是指又分為單向時(shí)延和往返時(shí)延。單向時(shí)延是指某一節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)源所發(fā)出的數(shù)據(jù)包時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。往返時(shí)延是指由數(shù)據(jù)源發(fā)送數(shù)據(jù)包到達(dá)指定節(jié)點(diǎn)后，指定節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送反饋數(shù)據(jù)包，此數(shù)據(jù)包到達(dá)源點(diǎn)是所經(jīng)歷的時(shí)長。因?yàn)闀r(shí)延是隨時(shí)間變化的，若進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測量，應(yīng)按照某段時(shí)間內(nèi)的平均值計(jì)算時(shí)延。（3）丟包率。丟包率是指數(shù)據(jù)源發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)量與反饋數(shù)據(jù)包之間的差值占源數(shù)據(jù)包總量的百分比。

4 測量平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

無論基于哪種協(xié)議的測量，都需要經(jīng)歷以5個(gè)環(huán)節(jié)：部署物理節(jié)點(diǎn)——設(shè)定測量目標(biāo)——測量執(zhí)行開始和結(jié)束——測量數(shù)據(jù)分析——報(bào)告輸出。

測量平臺(tái)采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。B/S架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是將測量功能集成到了服務(wù)器上，用戶在有測量要求時(shí)不需安裝任何客戶端，也不用對(duì)軟件進(jìn)行維護(hù)，只需要用戶端擁有瀏覽器即可使用測量服務(wù)。測量平臺(tái)在B/S架構(gòu)下采用3層結(jié)構(gòu)：測量層、服務(wù)器控制層、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫層。測量平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

測量層：測量探測數(shù)據(jù)報(bào)按照TWAMP協(xié)議執(zhí)行。

服務(wù)器控制層：這一層又可以劃分為3個(gè)模塊——會(huì)話管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、WEB服務(wù)器模塊。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫層：響應(yīng)服務(wù)器控制層的請(qǐng)求。

5 測量數(shù)據(jù)處理

當(dāng)用戶訪問服務(wù)器，使用測量功能時(shí)，系統(tǒng)開始運(yùn)行。但是測量這對(duì)的是瞬時(shí)值，并且當(dāng)測量頻率較高，需要改變數(shù)據(jù)的處理方式。時(shí)延是獨(dú)立的，只受單次測量影響，所以可以作為離散型隨機(jī)變量處理，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式進(jìn)行整體運(yùn)算。上述情況可以抽象為數(shù)學(xué)模型：數(shù)據(jù)總和為一個(gè)集合M，包含A、B兩個(gè)子集，A為已計(jì)算的數(shù)據(jù)，B為為計(jì)算數(shù)據(jù)集，其中數(shù)據(jù)均為獨(dú)立不相關(guān)。A集合容量為RA ，時(shí)延記為EA，抖動(dòng)為DA ，同理B集合樣本容量為RB，時(shí)延記為EB，抖動(dòng)為DB，根據(jù)時(shí)延的定義有：

6 TWAMP協(xié)議測量實(shí)現(xiàn)的可行性

IETF IPPM工作組在08年發(fā)布了雙向主動(dòng)測量協(xié)議，即RFC 5357 （A two-way Active Measurement Protocol ，TWAMP）。雙向主動(dòng)測量協(xié)議定義了兩組協(xié)議，其中一組是TWAMP控制（TWAMP-control）協(xié)議，另外一組是TWAMP測試（TWAMP-test）協(xié)議。TWAMP控制協(xié)議的作用是建立并發(fā)起測量會(huì)話，而且還能夠通過對(duì)對(duì)發(fā)起的測量會(huì)話或者控制報(bào)文進(jìn)行加密或者身份認(rèn)證，這樣一來就能保證測試的安全性操作，當(dāng)會(huì)話介紹測量結(jié)果的取回也是由TWAMP控制協(xié)議完成的。TWAMP測試（TWAMP-test）協(xié)議顧名思義就是用發(fā)送與接收網(wǎng)絡(luò)測量探測包的方式檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。為了保證探測報(bào)文傳遞的簡單高效，TWAMP測試協(xié)議報(bào)文采用UDP協(xié)議交互。為了保證靈活性，TWAMP體系結(jié)構(gòu)由定義的Control-Client 、Session-Sender 、Server 與Session-Reflector等幾不同的實(shí)體組成，而且不同的實(shí)體可以位于相同的主機(jī)，這就為網(wǎng)絡(luò)測量的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。這些實(shí)體的任務(wù)是負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)測量中的監(jiān)測會(huì)話和交換數(shù)據(jù)包，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

7 結(jié)語

由于TEAMP協(xié)議的開放性，所以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測量的可操行非常強(qiáng)，對(duì)測量數(shù)據(jù)采用離散是隨機(jī)分布模型能夠有效的降低數(shù)據(jù)的運(yùn)算量，減小CPU處理強(qiáng)度，并且采用統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)表達(dá)也能夠準(zhǔn)確的表現(xiàn)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)測量在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的今天變得越來越受到重視，無論是運(yùn)營商還是用戶，都迫切的需要掌握網(wǎng)絡(luò)的性能和狀態(tài)，因此，網(wǎng)絡(luò)測量平臺(tái)的研究與開發(fā)具有非常廣泛的意義。

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Design and Implementation of IP Network Measurement Platform Architecture Based on TWAMP Agreement

Wei MingJun， YangJing（College of Information Science and Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063000， China）

Abstract： With the development of the society， the Internet has become an indispensable element of peoples lives，at the same time， network complexity， heterogeneity also increased ，so， How to improve the quality of the network as a core issue of concern for ISP. Users also eager to know the network status and quality， in order to choose more suitable ISP. Parameters such as delay， jitter， bandwidth as a characterization of the parameters of the network quality， can be the most intuitive reflect the network status， how to Measure and analysis the several parameters becomes the key to grasp the network quality. Adopts B/S structure of the most mature， measurement platform design based on TWAMP agreement， have very strong maneuverability. And in view of the measurement data discretization process can effectively reduce the CPU working strength， improve the accuracy of the measurement result.

Key words： the network measurement； B/S architecture； discrete random variables； TWAMP agreement