“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為學(xué)”課程教學(xué)探討

程 光

（東南大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)由上億臺(tái)計(jì)算機(jī)互聯(lián)而成的全球性計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，2010年7月統(tǒng)計(jì)，約有7.7億臺(tái)聯(lián)網(wǎng)主機(jī)［1］。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和分析作為監(jiān)控、理解和認(rèn)識(shí)網(wǎng)絡(luò)行為的重要手段，越來(lái)越受到重視，網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)之一。

我院2009年開始為研究生開設(shè)“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為學(xué)”課程，該課程可增強(qiáng)學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)方向的研究能力，了解網(wǎng)絡(luò)測(cè)量工具和流量仿真建模工具等。

1 課程設(shè)置現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外有10多所高校開設(shè)了與網(wǎng)絡(luò)測(cè)量相關(guān)的課程?，F(xiàn)討論四所國(guó)內(nèi)外大學(xué)對(duì)該課程設(shè)置情況。

清華大學(xué)于2008年開設(shè)“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與分析技術(shù)”課程［1］，東南大學(xué)于2009年開設(shè)了“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為學(xué)”課程［2］，兩校分別出版了教材《互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量理論與應(yīng)用》［3］和《互聯(lián)網(wǎng)流測(cè)量》［4］。

清華大學(xué)開設(shè)的課程講授的內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量技術(shù)、流量測(cè)量與建模方法、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c路由測(cè)量原理與技術(shù)、面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的測(cè)量，以及網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)的具體應(yīng)用等網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與分析技術(shù)。

東南大學(xué)開設(shè)的課程主要介紹網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法、行為分析方法和行為學(xué)相關(guān)工具等3個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法介紹抽樣測(cè)量方法、流數(shù)和超點(diǎn)測(cè)量方法、重尾流測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)流量應(yīng)用識(shí)別、匿名化算法、帶寬測(cè)量方法、拓?fù)浜蜁r(shí)延測(cè)量等，行為分析方法講授行為測(cè)度、自相似理論、網(wǎng)絡(luò)流量建模，相關(guān)工具介紹NS－2網(wǎng)絡(luò)仿真器和Planetlab等。

國(guó)外各個(gè)學(xué)校開設(shè)課程所授課內(nèi)容有較大的差別，如美國(guó)紐約大學(xué)以網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量為主，西北大學(xué)以應(yīng)用流量測(cè)量為主，采用教材如文獻(xiàn)［5］。

美國(guó)紐約大學(xué)工學(xué)院的“Network Measurement and Traffic Engineering”課程［6］的主要內(nèi)容有：流量測(cè)量與分析、報(bào)文丟包和時(shí)延特性、網(wǎng)絡(luò)有效帶寬的報(bào)文探測(cè)方法、網(wǎng)絡(luò)層析成像、流量異常檢測(cè)、流量矩陣估計(jì)、分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)路由、覆蓋路由和擁塞控制等。

美國(guó)西北大學(xué)的“Internet Measurement and its Reverse Engineering”課程［7］的主要內(nèi)容包括：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)測(cè)量工程、主動(dòng)被動(dòng)測(cè)量及其工具、Web、P2P、DNS、游戲等各類應(yīng)用流量的測(cè)量與分析、Darknet、Botnet、Spyware、DOS、Web脆弱性測(cè)量與分析等。

2 課程教學(xué)內(nèi)容

2.1 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量可分為主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量?jī)煞N方式，主動(dòng)測(cè)量是通過(guò)主動(dòng)產(chǎn)生流量直接測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的屬性，是一種直接分析的方法。被動(dòng)測(cè)量完全取決于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)中目前已有的流量，它的最大優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)量期間不影響被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的流量。

按照網(wǎng)絡(luò)測(cè)量?jī)?nèi)容來(lái)分可以分為流量測(cè)量、性能測(cè)量和拓?fù)錅y(cè)量等三大類。網(wǎng)絡(luò)流量是由大小不一的分組構(gòu)成的，收集到的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行各種流量分析。網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的內(nèi)容包括時(shí)延、丟包率、帶寬等；拓?fù)錅y(cè)量主要是可視化和推斷網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.2 行為分析

因特網(wǎng)主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：NSFNET時(shí)代（1988－1995）、Web時(shí)代（1995－2000）和現(xiàn)在的高速網(wǎng)絡(luò)時(shí)代（2000年以來(lái)）。在1988年至1995年由NSFNET時(shí)代的TCP占90%的流量，TCP流量中SMTP占了約50%的流量。在NSFNET結(jié)束后，Web時(shí)代的應(yīng)用占總流量的近80%成為主要流量。進(jìn)入了2000年，由于高速網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展OC－48甚至OC－192，局域網(wǎng)也普遍使用高速千兆以太網(wǎng)技術(shù)。由于帶寬的增加和出現(xiàn)P2P、游戲和多媒體等應(yīng)用出現(xiàn)，Web應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)流量中的比重逐漸下降，網(wǎng)絡(luò)流量行為也有了變化。

3 授課方法改革

“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為學(xué)”課程授課是將課堂教學(xué)、討論和課后閱讀、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。目的是讓學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和行為學(xué)的基本原理概念，并具有獨(dú)立的科研能力。教師對(duì)學(xué)生課程項(xiàng)目的選題、文獻(xiàn)的選擇和實(shí)驗(yàn)的方法給予指導(dǎo)，學(xué)生通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上圍繞課程項(xiàng)目進(jìn)行展開。

學(xué)生按照教師所提供的資料或研究題目，根據(jù)自己的興趣2～3人組成課程項(xiàng)目小組，每個(gè)小組從論文閱讀、課堂討論以設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)或方法。課程項(xiàng)目的成果以論文的形式提交，項(xiàng)目小組在課程初始階段提交項(xiàng)目方案初步報(bào)告。其內(nèi)容需要包括項(xiàng)目的研究目的、研究?jī)?nèi)容、研究方法、目前的研究情況、可能所實(shí)現(xiàn)的結(jié)果和創(chuàng)新點(diǎn)及研究難點(diǎn)等。同時(shí)項(xiàng)目方案初步報(bào)告中需要提交至少10篇參考文獻(xiàn)。論文和對(duì)論文的報(bào)告效果作為該課程最終成績(jī)的來(lái)源。

4 課程資源獲取

4.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)的測(cè)量方法不同，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可以分為主動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)和被動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)。主動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)主要分為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量數(shù)據(jù)。被動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡(luò)流量日志數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)和BGP數(shù)據(jù)等。根據(jù)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的類型可以分為有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

主動(dòng)測(cè)量是指測(cè)量點(diǎn)主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)中注入流量以測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的性能、路由等狀況。目前互聯(lián)網(wǎng)中的公共主動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)源主要有三個(gè)：勞倫斯貝爾實(shí)驗(yàn)室（LBL）的網(wǎng)絡(luò)探測(cè)幽靈（NPD）；互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析協(xié)作組織（CAIDA）使用Skitter工具測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托阅軘?shù)據(jù)；意大利的網(wǎng)絡(luò)工具和流量日志工程。由于主動(dòng)測(cè)試產(chǎn)生的流量會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，因此和被動(dòng)流量日志相比，主動(dòng)流量日志量一般都比較小。

網(wǎng)絡(luò)流量日志數(shù)據(jù)的三個(gè)主要來(lái)源是CAIDA、美國(guó)國(guó)家自然基金會(huì)（NSF）資助的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（NLANR）和江蘇省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，從2006年6月30日開始NSF停止對(duì)NLANR資助，NLANR所有的機(jī)器和數(shù)據(jù)從2006年7月1日開始由CAIDA接管。江蘇省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的CERNET華東北地區(qū)網(wǎng)絡(luò)中心所測(cè)量的CERNET主干鏈路的數(shù)據(jù)日志［8］。

相對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)而言，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)比較容易獲得，流量日志也較小。目前互聯(lián)網(wǎng)中公共的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)日志源主要有美國(guó)加州大學(xué)Santa Barbara分校計(jì)算系的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁塞分析（CONAN）項(xiàng)目，美國(guó)Dartmount學(xué)院計(jì)算機(jī)系的無(wú)線數(shù)據(jù)資源存檔項(xiàng)目（CRAWDAD），美國(guó)南加州大學(xué)（USC）電子工程系的移動(dòng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)量共同體數(shù)據(jù)庫(kù)（MobiLib）項(xiàng)目，韓國(guó)Chungnam國(guó)立大學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和分析CDMA 1xEV－DO網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目等。

美國(guó)Oregon大學(xué)的路由可視化（Route Views）項(xiàng)目從位于互聯(lián)網(wǎng)幾個(gè)不同地方的主干網(wǎng)絡(luò)中采集實(shí)時(shí)的全球路由信息，Route Views從route－views.routeviews.org的路由器中收集 MRT格式的Cisco BGP RIB和BGP Updates數(shù)據(jù)日志。路由日志數(shù)據(jù)有使用Cisco路由軟件和Zebra路由軟件收集兩種不同的數(shù)據(jù)格式。Cisco的格式是每?jī)尚r(shí)收集一次BGP路由信息；Zebra格式文件有兩種：RIBS和Updates，RIBS是兩小時(shí)收集一次的路由表快照，Updates是每15分鐘收集一次的在線文件。MRT格式的文件可以使用route＿btoa工具進(jìn)行提取，route＿btoa將MRT格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成ASCII格式。

4.2 測(cè)量工具

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為分析所涉及的工具有三類：測(cè)量工具、實(shí)驗(yàn)床和仿真工具。

CAIDA組織將網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的相關(guān)工具進(jìn)行了組織分類，該組織將所有工具分類成6類：匿名化工具，該類工具主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行匿名化處理，以保護(hù)用戶的隱私；拓?fù)漕惞ぞ?，?duì)互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化分析；流量測(cè)量和分析工具；網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量和分析工具；互聯(lián)網(wǎng)路由測(cè)量和可視化分析工具；組播路由器數(shù)據(jù)測(cè)量工具等。教師或?qū)W生可以從相關(guān)網(wǎng)站上下載這些工具。

國(guó)內(nèi)部分高校是PlanetLab實(shí)驗(yàn)床的節(jié)點(diǎn)成員，可以使用Planetlab進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)工作，Planetlab是由全球1000多個(gè)連接到互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。PlanetLab的用戶有三種角色，即：普通用戶（User），Node 的 主 要 負(fù) 責(zé) 人 （PI）和 技 術(shù) 支 持（Technical Contact）。普通用戶先在http：／／www.planet－lab.org／上申請(qǐng)賬戶，等待PI對(duì)賬戶進(jìn)行處理；PI給分配一個(gè)Slice，但是該Slice是空的，它里面沒(méi)有加入任何Node；然后在自己的Iinux上生成一對(duì)RSA公私鑰；最后將生成的公鑰文件上傳到服務(wù)器上，用戶就可以在自己的Slice增加／刪除Node的操作。

網(wǎng)絡(luò)仿真工具最流行的是NS－2軟件。NS－2提供在無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)上的TCP、路由和組播等多種協(xié)議的模擬。NS－2經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展之后，于1995年得到施樂(lè)公司（Xerox）的支持，加入VINT項(xiàng)目。

4.3 文獻(xiàn)資源

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為學(xué)文獻(xiàn)的相關(guān)文獻(xiàn)很多，但是主要來(lái)源為以下的三個(gè)會(huì)議：互聯(lián)網(wǎng)測(cè)量會(huì)議IMC（Internet Measurement Conference）、被動(dòng)和主動(dòng)測(cè)量會(huì)議PAM（Passive ＆ Active Measurement Conference）和ACM SIGMETRICS。每個(gè)會(huì)議每年大概發(fā)表約30篇涉及網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和行為研究相關(guān)的論文。另外，IEEE INFOCOM、ACM SIGCOMM 的年會(huì)也有網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和行為分析相關(guān)的論文。

5 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)探討“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為學(xué)”課程設(shè)置的必要性，該課程設(shè)置的現(xiàn)狀、相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和授課方法、以及該課程所涉及的相關(guān)資料等。我院于2009年開設(shè)該課程以來(lái)已連續(xù)兩屆培養(yǎng)了38名研究生。該課程的設(shè)置在一定程度上提高了學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上的認(rèn)識(shí)和理解能力，達(dá)到了課程設(shè)置的效果。本文介紹我院開設(shè)該課程中的授課方法和課程體系，以期吸引國(guó)內(nèi)更多高校教師對(duì)該課程的興趣，進(jìn)而培養(yǎng)更多網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為學(xué)相關(guān)的研究人才。

［1］清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與分析技術(shù)課程，http：／／nmgroup.tsinghua.edu.cn／classes／index.htm

［2］東南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與行為學(xué)課程，http：／／cse.seu.edu.cn／people／gcheng／index.htm

［3］楊家海，吳建平，安常青.互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量理論與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2009

［4］程光.互聯(lián)網(wǎng)流測(cè)量［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2008

［5］M.crovella，B.krishna murthy.Internet Measurement Infrastructure，Traffic and Applications

［6］EL 933Network Measurement and Traffic Engineering，http：／／eeweb.poly.edu／el933／

［7］EECS 395／495Internet Measurement and its Reverse Engineering，http：／／www.cs.northwestern.edu／～ychen／classes／IMRE－s06／

［8］NJNET TRACE，http：／／iptas.edu.cn／