以太網中吞吐量和延遲指標的實測方法

摘 要:根據網絡監聽的原理，編制網絡監聽程序對共享式以太網進行監聽，實測得到網絡的吞吐量，同時利用 ICMP和編程工具編制ping程序，在網絡監聽的過程中實測得到網絡延遲，并對這兩個重要性能參數在局域網可用性研究中的應用進行了初步探討。

關鍵詞:網絡偵聽吞吐量網絡延遲

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(a)-0024-02

吞吐量和延遲作為最能反映網絡性能的重要指標，如果能在網絡中實測得到，無疑會為網絡性能評價和可用性研究提供最好的依據。本文根據網絡偵聽的原理編制了偵聽程序來實測獲取網絡吞吐量，同時根據局域網自身的特性編制了ping程序來獲取網絡往返時延。在實驗室局域網中進行了實測最后對這兩個參數在網絡可用性評價中的應用進行了初步探討。

1 吞吐量測量

1.1 網絡偵聽原理

以太網數據傳輸是通過廣播實現，通常在同一個共享局域網的所有網絡接口都有訪問在物理媒體上傳輸的所有數據的能力，但在系統正常工作時，應用程序只能接收到以本主機為目標主機的數據包，其他數據包過濾后丟棄不予處理。該過濾機制可以作用在鏈路層、網絡層和傳輸層這幾個層，工作流程示意圖如圖1所示。

鏈路層主要指網卡驅動程序判斷所收到包的目標以太地址，在系統正常工作時，一個合法的網絡接口只響應這樣的兩種數據幀:“硬件地址”和“廣播地址”。

在接收到上面兩種情況的數據包時，網絡接口通過CPU產生硬件中斷，操作系統進行中斷處理后將幀中所包含的數據傳送給網絡層進一步處理，而其它情況下的數據幀將被丟棄不作處理。因此要監測到流經網卡的不屬于自己主機的數據，必須繞過系統正常工作的處理機制，直接訪問網絡底層。

首先將網卡工作模式置于混雜模式。當網絡接口處于這種混雜模式時，該網絡接口具備“廣播地址”，它對所有接收到的幀都產生硬件中斷以提醒操作系統處理流經該物理媒體上的每一個報文。操作系統直接訪問數據鏈路層，截獲相關數據，由應用程序而非上層如IP層、TCP層協議對數據過濾處理，這樣就可以監測到流經網卡的所有數據。

1.2 軟件實現

在網絡中實際測量得到網絡吞吐量中最關鍵的問題是要保證在監聽的過程中不丟包，由于Packet驅動在實現時，沒有為收到的數據提供任何緩沖，在它的接收例程里面會判斷當前是否有應用程序的讀請求正在排隊，如果沒有任何應用程序在等待讀數據，Packet就會將收到的數據扔掉。

為了防止丟包，在這里采用了兩個線程:一個ReadRequestProc不停地向驅動程序發送讀請求，使得Packet的讀隊列始終不為空;另一個線程ReadProcessProc負責檢查這些讀請求完成的情況，每檢測到一個讀請求成功地完成時，就對數據進行處理，每隔一定的時間向數據寫入所需信息。

2 延遲測量

2.1 延遲

延遲是評價一個計算機網絡的最重要的指標之一，表示從用戶發送分組開始到接收方接收完該分組所花費的時間。對于局域網而言，主要是集線器或是交換機上的內部排隊延遲。其中網絡訪問延遲取決于網絡媒體的特性;傳播延遲指信號從鏈路的一端到另一端所消耗的時間;傳輸延遲取決于鏈路的帶寬;排隊延遲是指包在傳輸過程中經過路由器所耗費的時間，它與路由器本身的特性及鏈路的繁忙程序和擁塞狀況有關。

2.2 ICMP簡介

ICMP是TCP/IP協議族中的Internet控制報文協議。從技術上講，ICMP是一個差錯報告機制。另外，ICMP最初的設計是為了允許路由器向主機報告投遞出錯的原因，但是ICMP并沒有限制僅在路由器上使用。ICMP報文格式如圖2。

盡管每個ICMP報文有自己的格式，但它們都以相同的三個字段開始:一個8比特整數的報文類型字段用來標識報文;一個8比特代碼字段提供有關報文類型的進一步信息，以及一個16比特校驗和(CHECKSUM)字段。此外，報告差錯的ICMP報文總是包括產生問題的數據報的首部及其開頭64比特數據。

2.3 Ping程序

程序實現步驟:

(1)啟動 Winsock:WSAStartup(…);

(2)setup_for_ping(…)，函數中創建Socket，初始化TTL，設置ping的目標主機IP;

(3)為send_buf和recv_buf分配內存;

(4)init_ping_packet(…)初試化IMCP數據包 (type=8，code=0);

(5)發送ICMP數據包send_ping(…);

(6)接收ICMP數據包recv_ping(…);

(7)數據處理。

由于局域網網絡時延是微秒級，因此在ping程序中初始化ICMP數據包時的時間戳字段要加上微秒級時間戳，這樣在利用ICMP數據包獲取往返時延時就可以根據這一微秒級時間戳獲得往返時延。利用計算機硬件系統中的高精度計數器，調用VC中QueryPerformanceFrequency函數取得高精度計數器的頻率，在初始化ICMP數據包時調用QueryPerformaceCounter取得高精度運行計數器的數值n1寫入時間戳字段，這樣在接收到該ICMP包時再次得到當前高精度運行計數器的數值n2。兩次差值通過f換算成時間間隔t=10(n2-n2)/f微秒。由此可得出局域中測試兩主機的往返時延。

3 結語

在網絡性能評價和可用性研究中，吞吐量和延遲作為網絡的兩個基本參數，以它們為出發點來研究網絡性能無疑是一個非常好的出發點，本文給出了實測得到這兩個性能參數的方法，并在實驗室局域網中進行了實測，如何將實測得到的結果與可用性理論研究相結合，以實際為依據給出一個綜合可用性指標，是作者今后進一步研究的方向。

參考文獻

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