網絡性能測量技術的研究

[摘要] 網絡性能測量是網絡行為分析的基礎。本文對網絡性能測量的相關內容，以及網絡性能指標的測量與分析進行了系統的介紹，并對網絡性能測量的下一步發展進行了展望。

[關鍵詞] 網絡性能測量技術性能指標分析與研究

一、引言

隨著網絡技術和業務的飛速發展，用戶對網絡資源的需求空前增長，導致網絡負擔沉重，網絡設備超負荷運轉，引起網絡性能下降。這就需要對網絡的性能指標進行提取與分析，網絡性能測量便應運而生。發現網絡瓶頸及網絡中可能存在的潛在危險，優化網絡配置，提供網絡服務質量的驗證和控制，是網絡性能測量的主要目的。

二、網絡性能測量的概念

網絡性能是一系列對于運營商有意義的，并可用于系統設計、配置、操作和維護的參數進行測量所得到的結果，是與終端性能以及用戶的操作無關的，是網絡本身特性的體現。對網絡性能進行度量和描述的工具就是網絡性能參數。

ITU-T定義的IP網絡性能參數包括：IP包傳輸延遲、IP包時延變化、IP包誤差率、IP包丟失率、虛假IP包率、流量參數、業務可用性。

IETF 將性能參數稱為“度量”。由IPPM 工作組來負責網絡性能方面的研究及性能參數的制定，包括：IP連接性、IP包傳送時延、IP包丟失率、IP包時延變化、流量參數。

三、網絡性能測量的方法

網絡性能測量涉及到許多內容，如采用主動方式還是被動方式進行測量；發送測量包的類型；發送與截取測量包的采樣方式；所采用的測量體系結構是集中式還是分布式，等等。

1.測量包。網絡性能測量中，影響測量結果的一個重要因素就是測量數據包的類型。在實際測量中，很多情況下包長會影響絕大多數性能參數的測量結果，包長的變化對于不同目的的測量來說影響也會不一樣。

2.主動測量與被動測量方式。最常見的IP網絡性能測量方法有兩類:主動測量和被動測量。這兩種方法的作用和特點不同，可以相互作為補充。主動測量是在選定的測量點上利用測量工具有目的地主動產生測量流量，注入網絡，并根據測量數據流的傳送情況來分析網絡的性能。被動測量是指在鏈路或設備(如路由器，交換機等)上利用測量設備對網絡進行監測，而不需要產生多余流量的測量方法。主動測量與被動測量各有其優、缺點，而且對于不同的性能參數來說，主動測量和被動測量也都有其各自的用途。因此，將主動測量與被動測量相結合將會給網絡性能測量帶來新的發展。

3.測量中的抽樣。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所決定的。研究抽樣，主要就是研究其分布函數。對于主動測量，其抽樣是指發送測量數據包的過程；對于被動測量來說，抽樣則是指從業務流量中采集測量數據的過程。依據抽樣時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、隨機附加抽樣和泊松抽樣。

四、性能指標的測量與分析

1.連接性。連接性嚴格說應該是網絡的基本能力或屬性，不能稱為性能，但ITU-T建議可以用一些方法進行定量的測量。目前還提出了連通率的概念，根據連通率的分布狀況建立擬合模型。

2.延遲。IP包穿越一個或多個網段所經歷的時間為延遲。對于單向延遲測量要求時鐘嚴格同步，這在實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戳后，發送到出口路由器。出口路由器一接收到測量包便打上時戳，隨后立即使該數據包原路返回。入口路由器接收到返回的數據包之后就可以評估路徑的端到端時延。

3.丟包率。丟包率是丟失的IP 包與所有的IP 包的比值。許多因素會導致數據包在網絡上傳輸時被丟棄。為了評估網絡的丟包率，一般采用直接發送測量包來進行測量。對丟包率進行準確的評估與預測則需要一定的數學模型。目前評估網絡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。172 小時的測量試驗結果表明，在不同的數據采樣間隔下（20ms，40ms，80ms，160ms）采用三種不同的丟包率分析模型進行分析得到的結果完全不同，在不同的估計精確度的要求下實驗結果也各有不同。因此，目前需要能夠精確描述丟包率的數學模型。

4.帶寬。帶寬一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬。瓶頸帶寬是指當一條路徑中沒有其他背景流量時，網絡能夠提供的最大的吞吐量。可用帶寬是指在網絡路徑（通路）存在背景流量的情況下，能夠提供給某個業務的最大吞吐量。瓶頸帶寬反映了路徑的靜態特征，而可用帶寬真正反映了在某一段時間內鏈路的實際通信能力，所以可用帶寬的測量具有更重要的意義。

5.流量參數。ITU-T提出兩種流量參數作為參考：一種是以一段時間間隔內在測量點上觀測到的所有傳輸成功的IP 包數量除以時間間隔，即包吞吐量；另一種是基于字節吞吐量：用傳輸成功的IP 包中總字節數除以時間間隔。

Internet 業務量的高突發性以及網絡的異構性，使得網絡呈現復雜的非線性，建立流量模型越發變得重要。

五、網絡性能測量的展望

網絡性能測量中還有許多關鍵技術值得研究。例如：單向測量中的時鐘同步問題；主動測量與被動測量的抽樣算法研究；多種測量工具之間的協同工作；網絡測量體系結構的搭建；性能指標的量化問題；隨著網絡性能相關理論、測量方法、分析模型研究的逐漸深入、各種測量工具的不斷出現以及大型測量項目的不斷開展，人們對網絡的認識會越來越深刻，從而不斷地推動網絡技術向前發展。

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