IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)建設(shè)的初步研究

于天成，馮 旭

（91550部隊(duì)92分隊(duì)，大連 116023）

1 引言

IP網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展的確帶給了我們很多方便快捷，使我們擁有了更多的業(yè)務(wù)處理和選擇的能力。但是同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題。我們不得不經(jīng)常面對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁堵，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸指標(biāo)無(wú)法達(dá)到我們的要求等諸多問(wèn)題。這些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、管理和應(yīng)用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分布、網(wǎng)絡(luò)流量特征、用戶與網(wǎng)絡(luò)行為缺乏準(zhǔn)確的理解與精確的描述，并不能精確定位，無(wú)法順利解決問(wèn)題。因此，網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的基本目的是通過(guò)對(duì)提取的網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析，從中發(fā)現(xiàn)影響網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸及潛在危險(xiǎn)，為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置、評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率和解決網(wǎng)絡(luò)故障提供決策依據(jù)，為網(wǎng)絡(luò)安全性運(yùn)行提供可靠的技術(shù)平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)量與分析已成為當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)研究技術(shù)人員普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一，越來(lái)越得到重視。

2 IP網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量方法

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)總體上可分為主動(dòng)測(cè)量、被動(dòng)測(cè)量和基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量三種。主動(dòng)測(cè)量是通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一些探測(cè)包，觀察其在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際傳輸?shù)穆窂郊把舆t和排隊(duì)情況，從而推出網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的工作狀況。被動(dòng)測(cè)量技術(shù)是對(duì)通過(guò)測(cè)量點(diǎn)的流量進(jìn)行記錄和分析，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行幾乎沒(méi)有影響?？梢缘玫接嘘P(guān)網(wǎng)絡(luò)端到端性能指標(biāo)，如延遲、吞吐量、延遲抖動(dòng)和丟包率等，而且還可以得到被測(cè)鏈路上的網(wǎng)絡(luò)流量特征，如流量的數(shù)字特征、流量的分布、協(xié)議分布、鏈路利用率和用戶使用網(wǎng)絡(luò)的信息等?；赟NMP的測(cè)量是通過(guò)讀取相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理信息庫(kù)（MIB）來(lái)得到反映網(wǎng)絡(luò)狀況的性能指標(biāo)，讀取到的MIB中的信息傳遞到測(cè)量點(diǎn)時(shí)將占用網(wǎng)絡(luò)的帶寬。

網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量?jī)?nèi)容通常包括以下幾方面：一是網(wǎng)絡(luò)流量測(cè)量：獲得網(wǎng)絡(luò)的流量特性，例如協(xié)議的使用情況、用戶的行為特征等，網(wǎng)絡(luò)流量測(cè)量涉及4個(gè)基本要素：端點(diǎn)、方向、時(shí)間粒度和協(xié)議層次；二是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力測(cè)量：網(wǎng)絡(luò)實(shí)際傳輸速率受諸多因素影響，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能、鏈路質(zhì)量、終端設(shè)備數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)等。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)壓力測(cè)量，可以在一定程度上定量評(píng)估網(wǎng)絡(luò)實(shí)際傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)能力；三是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析：隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)內(nèi)容的擴(kuò)充和服務(wù)要求的提高，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體現(xiàn)出空間分布性、并發(fā)性、異步性、不穩(wěn)定性和多樣性。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)潛在安全隱患、快速準(zhǔn)確地定位故障原因，找出引起故障的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以最快的速度恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行；通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)通信情況以及網(wǎng)絡(luò)連接狀況，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和資源的合理分配，為規(guī)劃及調(diào)整網(wǎng)絡(luò)提供可靠依據(jù)；四是應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)量：通過(guò)仿真單個(gè)用戶的通信性能，分析客戶端數(shù)據(jù)流入流出的情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)總體帶寬需求做出評(píng)估，為合理配置網(wǎng)絡(luò)帶寬、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載提供部分決策依據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法應(yīng)該滿足三方面的要求：一是穩(wěn)健性，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輕微變化不會(huì)使測(cè)量方法失效；二是可重復(fù)性，在同樣的網(wǎng)絡(luò)條件下，多次測(cè)量結(jié)果應(yīng)該一致；三是準(zhǔn)確性，測(cè)量結(jié)果應(yīng)能反映網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)情況。

3 IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)的建立

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的特點(diǎn)和我們實(shí)際的需求，提出了一個(gè)典型的分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)的架構(gòu)，如圖1，為該系統(tǒng)的理想結(jié)構(gòu)體系。系統(tǒng)主要功能可以分為4個(gè)模塊：

（1）網(wǎng)絡(luò)測(cè)量需求。為支持跨平臺(tái)可安裝要求，控制中心程序系統(tǒng)可采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。通過(guò)用戶操作接口可定制網(wǎng)絡(luò)測(cè)量任務(wù)和系統(tǒng)管理。如圖1所示，通過(guò)測(cè)量探針上的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)端口，控制中心向測(cè)量探針下發(fā)測(cè)量任務(wù)，并可控制測(cè)量任務(wù)的開(kāi)始和停止。如果有多個(gè)控制中心，可以在測(cè)量探針上設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)端口?？刂浦行呐c測(cè)量探針之間的通信采用TCP協(xié)議，保證測(cè)量任務(wù)的可靠傳輸。測(cè)量任務(wù)可動(dòng)態(tài)配置。通過(guò)用戶操作接口上主動(dòng)和被動(dòng)測(cè)量任務(wù)模板，定制不同的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量任務(wù)，用戶可以選擇不同的測(cè)量指標(biāo)，動(dòng)態(tài)地構(gòu)造測(cè)量任務(wù)，控制中心在每次測(cè)量時(shí)對(duì)測(cè)量探針也可進(jìn)行動(dòng)態(tài)選配。控制中心可同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)測(cè)量。在測(cè)量設(shè)施不互相沖突的情況下，控制端可以同時(shí)啟動(dòng)探針執(zhí)行多個(gè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量任務(wù)。系統(tǒng)也可同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)。這些任務(wù)將在測(cè)量探針上的任務(wù)隊(duì)列中進(jìn)行排隊(duì)，來(lái)避免測(cè)量任務(wù)之間操作沖突。

（2）網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集。測(cè)量探針的功能是接收、管理和運(yùn)行測(cè)量任務(wù)。測(cè)量探針受控于控制中心。測(cè)量任務(wù)隊(duì)列記錄和調(diào)度控制中心下發(fā)的測(cè)量任務(wù)，在測(cè)量任務(wù)需要啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，提供給測(cè)量程序模塊相應(yīng)的測(cè)量任務(wù)參數(shù)。控制中心可以下發(fā)不同的測(cè)量任務(wù)，這些測(cè)量任務(wù)按照在隊(duì)列中的排隊(duì)順序依次被執(zhí)行。通過(guò)添加、刪除隊(duì)列中的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量任務(wù)隊(duì)列管理。測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)采集：如圖1所示，測(cè)量探針通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)接口可以同時(shí)發(fā)起多個(gè)測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口在測(cè)量探針的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)性能指標(biāo)（如單向時(shí)延、可用帶寬、丟包率等）的測(cè)量主要采用主動(dòng)測(cè)量方法。主動(dòng)測(cè)量易于控制，這里要根據(jù)測(cè)量要求定制探測(cè)分組序列（協(xié)議類(lèi)型、分組序號(hào)、發(fā)送間隔、分組大小等）。對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的測(cè)量主要靠被動(dòng)測(cè)量，通過(guò)PF_RING技術(shù)來(lái)捕獲數(shù)據(jù)包。被動(dòng)測(cè)量可以根據(jù)測(cè)試需求定制數(shù)據(jù)采集的粒度和需要監(jiān)控的信息，以減輕網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)。

（3）數(shù)據(jù)管理。對(duì)于主動(dòng)測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器之前需要進(jìn)行壓縮以減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷，為保證數(shù)據(jù)傳輸安全，在測(cè)量探針和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器之間的通信采用了SCTP協(xié)議，減少大量數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，保證傳輸?shù)男?。?duì)于被動(dòng)測(cè)量得到的業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)在傳向數(shù)據(jù)庫(kù)前已基于IPFIX模板進(jìn)行了預(yù)處理，去掉了一些冗余信息。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)的類(lèi)型采取相應(yīng)的數(shù)據(jù)存貯、維護(hù)和檢索策略。

（4）數(shù)據(jù)分析與可視化。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)功能，并用Web Service技術(shù)進(jìn)行發(fā)布。測(cè)量人員通過(guò)本地的瀏覽器即可打開(kāi)數(shù)據(jù)顯示界面，從所監(jiān)測(cè)的網(wǎng)段導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)流量信息，并查看每一次被動(dòng)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，還可以查看某個(gè)IP地址或通過(guò)某個(gè)特定網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送和接收的包、字節(jié)的數(shù)量等。

圖1 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系圖

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）多任務(wù)調(diào)度方法。解決測(cè)量過(guò)程的多任務(wù)情況更多采用的是多線程技術(shù)，各個(gè)線程之間則是采用了互斥鎖和條件變量互補(bǔ)的方法進(jìn)行通信協(xié)調(diào)。使用時(shí)，條件變量被用來(lái)阻塞一個(gè)任務(wù)執(zhí)行線程，當(dāng)條件不滿足時(shí)，任務(wù)線程往往解開(kāi)相應(yīng)的互斥鎖，并等待條件發(fā)生變化。一旦其它的某個(gè)任務(wù)執(zhí)行線程改變了條件變量，它將通知相應(yīng)的條件變量喚醒一個(gè)或多個(gè)正被此條件變量阻塞的線程，這些線程將重新鎖定互斥鎖并重新測(cè)試條件是否滿足。

（2）基于流的被動(dòng)測(cè)量技術(shù)。基于流的技術(shù)已逐漸被用于網(wǎng)絡(luò)傳輸流量的分析與計(jì)費(fèi)設(shè)施中，另外在設(shè)置QoS策略、部署網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和進(jìn)行容量規(guī)劃等方面都有更新的應(yīng)用。根據(jù)RFC3917-IPFIX標(biāo)準(zhǔn)，以思科教程為基礎(chǔ)，利用源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、3層協(xié)議類(lèi)型、服務(wù)類(lèi)型字節(jié)、輸入邏輯接口等特征來(lái)定義流，這里還包括時(shí)間戳、時(shí)間同步、流終止、數(shù)據(jù)包分段等諸多信息規(guī)則。

（3）表示層應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析與可視化部分采用了B/S結(jié)構(gòu)。但是瀏覽器作為客戶端，對(duì)終端用戶的體驗(yàn)和拓展帶來(lái)了一定的局限性。隨著RIA（Rich Internet Application）技術(shù)的不斷發(fā)展，突破了體統(tǒng)HTML應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)限制和互動(dòng)約束。對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，RIA的最大優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在，只傳輸頁(yè)面上變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)，有效減少訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)流量開(kāi)銷(xiāo)，而且由于頁(yè)面是 flash格式，流量的動(dòng)態(tài)顯示效果十分突出。

5 存在的問(wèn)題

（1）時(shí)間同步。由于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)加入測(cè)量系統(tǒng)后更要考慮網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步問(wèn)題。雖然IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間協(xié)議已經(jīng)成型，并作為一種關(guān)鍵技術(shù)列入IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恐攸c(diǎn)，但是實(shí)際使用過(guò)程中IP網(wǎng)絡(luò)及測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間同步問(wèn)題都需要進(jìn)一步的明確。

（2）安全性。IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)建立依賴的基礎(chǔ)技術(shù)之一就是被動(dòng)測(cè)量，被動(dòng)測(cè)量技術(shù)可以將測(cè)量鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行拆解和解碼，因此就會(huì)存在信息泄密的問(wèn)題，雖然從理論上講，被動(dòng)測(cè)量只是對(duì)數(shù)據(jù)包中與用戶內(nèi)容無(wú)關(guān)的部分進(jìn)行記錄和分析，但是仍然會(huì)存在IP地址和端口號(hào)內(nèi)容泄露，易被攻擊。

（3）技術(shù)融合。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和傳輸流量的增加而處理的信息內(nèi)容也會(huì)增加，這就進(jìn)一步增加了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的壓力，如何將網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)壓縮后運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)中也是一種復(fù)雜的技術(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的兼容性都將是一個(gè)各種技術(shù)融合的復(fù)雜過(guò)程。

6 結(jié)束語(yǔ)

IP網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是我們所關(guān)注的焦點(diǎn)，也是發(fā)展的趨勢(shì)，但是網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和融合性決定了在這方面還是存在或多或少的問(wèn)題，如何盡我們的能力去了解網(wǎng)絡(luò)，用數(shù)據(jù)說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)的情況，解決傳輸中出現(xiàn)的問(wèn)題，是我們建立網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)所要解決的主要問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量中有許多關(guān)鍵技術(shù)值得研究。隨著網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)理論、測(cè)量方法和分析模型研究的逐漸深入，各種測(cè)量工具的不斷出現(xiàn)及大型測(cè)量項(xiàng)目的不斷開(kāi)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)會(huì)越來(lái)越深刻，從而不斷地推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量技術(shù)向前發(fā)展。

[1] 謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2] 李永利，唐家鶴，王昊.IP承載網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試技術(shù).電信網(wǎng)技術(shù)，2007.

[3] 馬維旻，王俊峰，葉晨.一種分布式的被動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004.