计算机网络测量技术现状及发展趋势
网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件和硬件工具来测量或验证表征网络性能指标的一系列活动的总和，下面是小编搜集整理的一篇探究计算机网络测量技术现状的论文范文，供大家阅读借鉴。
摘 要： 为了了解网络运行规律、检测网络性能、探索网络新技术和提高网络管理能力，让网络更好的服务于人类生活，从网络测量体系结构、性能指标、关键技术和测试方法等方面进行了全面探索，并针对当前网络测量情况，提出今后研究重点。对于全面把握当前网络测试的研究状况，发现网络瓶颈，探索网络测量的新技术、新方法具有重要意义。
关键词： 网络测量; 性能指标; 测试方法; 体系结构
引 言
近年来，计算机网络的规模不断扩大，网络带宽和业务量持续增加，异构性和复杂程度不断提高，这对网络的可靠性提出了很高的要求，因此有必要对网络进行测试。一方面在于及时、准确、全面地了解网络的性能和运行状况，发现网络瓶颈，优化网络配置，尽可能为用户提供安全、可靠的服务;另一方面是在网络出现故障时，能够迅速定位并解决故障。
网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件和硬件工具来测量或验证表征网络性能指标的一系列活动的总和[1]。网络测量主要分为3个研究领域：网络性能指标测量、网络模型建立和网络管理。按照测量层次可以分为设备层、系统层和应用层;按照测量要素可分为：测量对象，测量环境和测量方法。网络测量应当选取适当的测量方法，测量方法至少应满足稳健性――即被测网络的一点变化，不会使测量方法失效;可重复性――即同样的网络条件，多次测量结果应该一致;准确性――测量结果应能反映网络的真实情况[2]。
国外最早的网络测量始于20世纪70年代初(Vint Cerf在ARPANET上展开的性能测量项目)，逐渐成熟于80年代，90年代已渐成体系。我国网络的发展起步较晚，90年代初才引入Internet，大规模的快速发展于90年代末。国外的相关研究项目有NIMI、Surveyor、NLANR下的PMA和AMP等，为了解网络特性和进行后续网络测量提供了指导意义。国内的研究主要集中于CERNET、CSTNET和国内各大高校、实验室(如清华大学、中科院、北航、国防科技大学)等，进行了网络测量的技术攻关，推动了我国网络测量的发展。
1 网络测量体系结构
在借鉴OSI体系结构模型的基础上，清华大学提出了大规模计算机网络互连性能检测模型(Large Scale Internet Performance Monitor Model，LIPM)[3]，该模型由数据采集层、数据管理层、数据分析层和数据表示层几部分构成，如图1所示。
数据采集层完成对网络性能参数的数据采集;数据管理层将采集到的数据进行分类、存储和格式化，便于数据的查询和大量数据的存储;同时根据预先的定义将当前采集到的数据生成性能事件，提高对一些严重性能问题反应的实时性;数据分析层包括对基础数据进行分析和对事件进行分析。基础数据分析又包括对数据按照需要进行分类统计、数据关联和趋势预测等初步加工。时间分析是对数据管理层交付上来的'事件按照事先制定的规则进行事件过滤，按照不通过的优先级做不同的处理。数据表示层完成对数据和事件结果的处理。对数据的处理包括生成统计报表，对数据的潜在意义进行分析。事件结果处理包括报警、分发和日志，分别对应不同的优先级。
2 网络测量性能指标及关键技术
网络的性能指标共有两套标准，分别由标准化组织 IETF(Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组)和ITU?T(International Telecommunication Union，国际电信联盟)制定。两者在参数的表述方法上虽然有所不同，但是含义基本一致。这里主要从以下几个指标来讨论网络的性能。
2.1 性能指标
2.1.1 性能指标时延
网络时延分为单向时延和往返时延。网络时延的产生主要来源于三个部分：发送时延[Dp]、传播时延[Dtr]和处理时延[Dvar]。发送时延与数据长度和信道带宽有关，其值等于数据块长度与信道带宽的比值。传播时延等于信道长度与电磁波在信道上传输速度的比值。处理时延是指数据在交换节点为存储转发而进行一系列处理所花费的时间，与网络通信量有关。其中发送时延和传播时延是固定时延[Dfix]，处理时延是可变时延[Dvar]。可用式(1)描述：
2.1.2 带宽
带宽测量分为端到端的带宽测量和逐跳带宽测量。端到端的带宽测量又分为瓶颈带宽和可用带宽。瓶颈带宽是路径的固有属性，反映了路径的静态特征，测量没有实时性要求。可用带宽真正反映了在某一段时间内链路的实际通信能力，实时性要求比较高。
目前流行的带宽测量技术主要有三种：变包长测量技术(Variable Packet Size，VPS)，SLoPS(Self?loading Periodic Streams)测量技术和包对/包列分散测量技术(Packet Pair/Train Dispersion，PPTD)[6]。其中VPS技术是用于测量单跳的带宽，其缺点是每一跳都会积累测量误差，在跳数较多时，测量的精度较低。SLoPS测量技术和PPTD技术都是基于端到端的测量。SLoPS测量技术是测量可用带宽，它用包延迟特性与有效带宽之间的关系，来推断当前网络的可用带宽，实时性比较好。
2.1.3 流量
目前的测量方法可以分为两类：基于网络管理协议的统计数据获得流量信息和网络侦听[7]。传统的做法是利用SNMP对网络重点链路和接入点进行流量监视、统计或者利用RMON(远程监控)探测对部分端口进行流量采集和监视。但是该方法分析的粒度较粗，存在很大的局限性，只适合于总流量测量和接口业务量检测，不适合于流量分析。为了对网络流量进行深入分析，可以在分组级和流级上进行测量。分组级的被动测量和流级测量都是细粒度的测量，便于对网络流量进行更细致的分析。 随着计算机网络带宽的增加和规模的扩大，对网络流量进行全面测量已不太现实，所以在实际测量中采用流量抽样测量技术。RFC2330中规定抽样时间分布可以是固定时间间隔、随机时间周期、泊松分布时间和几何分布时间等[8]。使用固定时间间隔的抽样，即周期抽样是常用的抽样方法，其问题在于：不适用于周期性的测量对象;周期性的测量行为可能会干扰测量对象。随机间隔抽样是比较合理的抽样方式。传统的流量测量模型使用泊松模型。Leland等人在1994年发现了以太网流量的自相似特性，此后Pax?son，Crovella等人验证了网络具有广泛的自相似特性，从而解决了泊松模型和马尔科夫模型不能解释的网络现象。
2.1.4 丢包率
在网络设备和链路均无故障的情况下，丢包率主要与网络拥塞程度有关。当网络出现故障时，丢包率往往比较大，可能的原因也是多方面的，如设备配置、设备故障、链路故障等。
为了评估网络的丢包率，一般采用直接发送测量包来进行测量，但对丢包率进行准确的评估与预测则需要一定的数学模型。目前评估网络丢包率的模型主要有贝努利模型、马尔可夫模型和隐马尔可夫模型等等。丢包率测量的具体过程为：发送源和接收者都设置各自的同步时钟;发送源选取发送源和接收者的IP地址，生成一个含有时间戳的探测包;接收者安排接收探测包;发送源将把设置有时间戳的探测包发送给接收者;如果该包在允许时间内达到接收者，则认为丢包率为0。
另外，网络测量的性能指标还包括分组转发率、信道利用率、带宽利用率、时延抖动等参量，针对不同的业务类型和测试目的，网络测量的侧重点也有所不同，对其他性能指标不再做详细介绍。
2.2 关键技术
2.2.1 连通性测试技术
连通性严格说应该是网络的基本能力或属性。最简单最常用的测试方法是用ping进行连通性测试。
2.2.2 拓扑测量技术
拓扑测量是指发现网络节点并确定网络节点之间的连接关系，包括互联设备(如路由器、交换机、网桥等)、主机等。网络拓扑图是网络拓扑的可视化表现。获得网络的拓扑图对于网络管理人员总体把握网络情况，对网络部件的安装、配置和故障定位都具有重要意义。网络拓扑发现算法主要发生在网络层和数据链路层，分别称为逻辑网络拓扑发现算法和物理网络拓扑发现算法。目前的网络拓扑发现算法主要有基于各种协议的网络拓扑发现算法(如ICMP，OSPF，DNS，SNMP等)、基于地址转发表的拓扑发现算法、基于端口流量的拓扑发现算法等。但是每一种算法，都存在自己的弊端，导致探测到网络拓扑结构不够全面。
2.2.3 “噪声”分组过滤技术
在主动测量中，测量结果难免受到“噪声”分组(也成背景流量Cross Traffic)的影响。“噪声”分组是指夹杂在探测分组中，或处于探测分组前、后对测量结果造成影响的业务分组[9]。文献[9]中指出，在测量链路瓶颈带宽时，采用分组对(Pacekt pair)或多分组(Multi?packet)技术，当探测分组在瓶颈链路处相邻排队时，可能会在中间有其他分组，导致时间扩展，或在链路之后存在其他分组，导致时间压缩，这些都会导致测量误差。常用的过滤方法主要有三种：求均值法，但是由于网络随机性大，该方法的测量误差较大;在测量的统计结果中选密度最大的点;在统计学中使用非参数估计法和密度估计算法。
2.2.4 网络推理技术
网络推理技术是用于网络性能参数难以直接得到，利用便于测量得到的部分网络信息，估计网络性能参数的方法。近来，人们将各领域成功应用的成熟理论和方法应用于网络推测，衍生出了网络断层扫描或网络层析(Network Tomography，NT)技术，根据网络外部(网络端点或边界)的测量来分析和推断网络的内部性能和拓扑结构[8]。网络推理技术属于系统识别和参数估计范畴，常用的估计方法有最小二乘估计、最大似然估计和期望最大化算法等，可以根据需要选择相应的方法。但是该技术计算复杂度高，计算精度不够高。
除以上测量技术外，还有涉及其他技术问题，如网络测量中的抽样问题，测量探测点的选取问题，时钟同步的问题，误差校正技术等。
3 网络测量方法
网络测量的方法分类较多，从不同角度看，分类也各不相同。
(1)主动测试和被动测试
主动测试是通过向网络中发送测试流，根据这些测试流的传输情况来了解网络行为。例如，通过在一端发送UDP分组，而在另一端接收该分组，该方法可以测量端到端的时延、丢包率、路由信息等。该方法具有灵活性好，目的性强，易于控制等优点，但是也存在测试流会占用网络资源，影响网络性能等缺点。被动测试是利用数据采集器，捕获网络业务流并对其进行分析的方法。该方法无需向网络主动发送流量，不会占用网络资源。但是它依赖于网络监测设备的性能，局限性比较大;它只能了解网络的局部性能;该方法还可能存在隐私和安全问题。在实际的测量中，也常常采用主动测试和被动测试相结合的方法。
(2)单点测量和多点测量
在传统的网络测量中，由于网络规模小，测量技术受限，常常采用单点测量，但是单点测量测量能力有限，获得的信息往往不够全面。对于大规模的网络，必须设置多个测量点，得到比较详尽的、综合的大规模网络数据以及单点测量所得不到的信息[10]。大部分的网络测量都是分布式的多点测量。
(3)协作式测量和非协作式测量
协作式测量是指需要被测网络的配合而进行的网络测量。对于网络运营者来说，可以掌握网络的运行状况，业务分布情况，找出瓶颈等，以便于有效的管理网络。这种测量既可得到端到端的性能测量结果也可以对网络性能进行分段分析。非协作测量不需要被测网络的参与，测量的目的往往是为了了解对方网络的情况，这在军事上有非常重要的意义[1]。
4 存在问题和发展趋势
网络测量具有广泛的应用范围，包括：网络故障诊断、协议排错、网络流量特征分析、业务性能评估、计费管理、网络入侵监测和网络行为分析等等。目前网络维护和测量方面还存在比较多的问题：
(1)数据传输过程的干扰因素多，网络的不确定性很多。在网络性能参量中，可变成分的测量始终是测量的难题。如链路带宽的不对称性，网络拥塞程度的不确定性等都为网络测量带来了困难。而且某些参量的实时性要求比较高，单纯通过增加测量次数的方法来衡量网络性能，不够合理。所以对于不同的干扰因素的过滤方法值得深入考虑。
(2)网络测量的准确度问题。如在网络拓扑探测时获得较大的网络探测覆盖率的问题;对于不支持某些协议的网络设备的检测问题等等。目前网络测量的准确度不高，测量周期长，难以迅速的发现网络瓶颈，定位网络故障。
(3)不同测量方法和测量成果的融合。在国内，几乎所有大学都会有研究人员选取网络测量与分析的某个方面进行相关研究，但是这些研究成果较为分散，如何有效地整合这些科研成果进而转化为工程应用，提升网络测量的性能，这些都是今后努力的方向[7]。
5 结 语
本文主要从网络测量体系结构、性能指标、关键技术、测量方法及发展趋势等方面对网络测量进行了全面介绍。对于从整体把握网络测量核心技术，了解网络发展动态具有重要意义。随着互联网规模的扩大、通信量的增加和新增功能的实现，关于网络技术研究的广度和深度不断增加，其应用领域更加广泛。研究网络测试的新技术、新方法对于提高网络可靠性，更好地服务于人们生活具有深远意义。
参考文献
[1] 裴昌幸，朱畅华，韩宝彬，等.现代通信系统与网络测量[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[2] 朱畅华，裴昌幸，李建东，等.网络测量及其关键技术[J].西安电子科技大学学报：自然科学版，2012，29(6)：813?818.
[3] 王继龙，吴建平.大规模计算机互联网络性能监控模型的设计与实现[J].计算机研究与发展，2000，37(4)：443?452.
[4] 谢应科，王建东，祝超，等.网络测量中高精度时间戳研究与实现[J].计算机研究与发展，2010，47(12)：2049?2058.
[5] 崔丙锋，杨震，丁炜.网络测量中的关键技术[J].现代电信科技，2007(7)：34?36.
[6] 谈杰，李星.网络测量综述[J].计算机应用研究，2006(2)：5?9.
[7] 陈晓霞，任勇毛，李俊，等.网络测量与分析研究综述[J].计算机系统应用，2010，19(7)：244?249.
[8] 王海涛.IP网络测量技术简析[J].电信快报，2010(5)：7?10.
[9] 潘飞，高岭.网络测量及其关键技术[J].计算机技术与发展，2006，16(7)：99?104.
[10] 王海涛，付鹰.网络测量方法和关键技术[J].电信工程技术与标准化，2010(7)：61?66.
【计算机网络测量技术现状及发展趋势】相关文章：