IP 網絡性能優化關鍵技術研究

余 輝

(武漢鐵路職業技術學院電子信息工程系，湖北武漢430205)

0 引言

互聯網應用的多樣化以及應用的普及，使得提供互聯網支撐服務的網絡運營商必須考慮如何能為用戶提供最好的服務，以在市場競爭中取得先導地位。其中，如何打造出智能化管道，基于網絡流量特征來優化網絡的通信性能已成為當前IP承載網絡的重要研究內容。

1 IP 網絡的性能問題

IP 網絡的性能問題可以轉化為互聯網業務應用對IP 網絡提出服務質量(QoS)要求問題。這要求IP 網絡的管理人員可以對網絡當前的性能指標進行提取，并根據業務應用需求和業務流量特征，優化網絡性能，為業務提供滿足服務質量要求的網絡支撐服務。

2 IP 網絡性能的測定

2.1 網絡性能定義

IP 網絡性能是指一系列對于運營商有意義的、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［1］。網絡性能可以用一系列的網絡參數來度量和描述，體現了網絡本身的特性。

2.2 網絡性能測定過程中注意事項

確保樣本空間足夠大;一定要確保樣本具有代表性;對于粗粒度時鐘使用的時候一定要小心;對于不可預知的事情，盡量確保在進行測試的時候避免發生;深知干擾測量結果的還有緩存機制;注意對結果的外推等等。

2.3 網絡性能測定的若干參數

在IP 承載網絡中，需要測定的網絡性能參數有如下這些:

1)IP 網絡的連接性:也稱可用性、連通性或可達性，是網絡的基本能力或屬性;

2)IP 網絡延遲:是IP 包穿越1 個或多個網段所經歷的時間;

3)IP 網絡丟包率:是指傳輸的數據包在網絡上傳輸時被丟棄的概率。目前主要用貝努利、馬爾可夫和隱馬爾可夫等模型來評估網絡丟包率［1］;

4)IP 網絡帶寬:包括瓶頸帶寬和可用帶寬，其中瓶頸帶寬是指網絡能提供最大的吞吐量。

3 影響網絡性能的若干因素

3.1 CPU 的速度比網絡的速度更重要

我們現今使用的大部分網絡中，用實際經驗長期的結論，操作系統在傳輸線路上所花的時間往往多于協議所使用的開銷，換句話說，瓶頸問題多半是由主機引起的，只要加大CPU的速度，數據的吞吐量幾乎成倍的增加，而這點想通過網絡容量加倍的方法幾乎是徒勞的，可見，CPU 的速度比網絡的速度更重要，

3.2 減少分組數以便減少軟件開銷

眾所周知，中斷是需要軟件開銷的，而每個分組的到達都要引起一個中斷，建議在數據傳輸之前盡量收集必要的數據用來減少傳輸過程中的中斷次數，減少分組數有助于減少中斷，從而減少軟件開銷。

3.3 使環境切換次數最高

如從內核模式到用戶模式稱之為環境切換(context switch)，此類切換方式非常不利于網絡性能，通常情況下，他們像中斷一樣帶來不良后果，當然最壞的情況還是使大量的緩存沒有命中率。這種做法環境切換在每個分組都浪費了大量的可貴的CPU 時間，甚至對網絡性能的影響是致命的，不可恢復的。

3.4 分組在網絡中復制的次數

網絡中傳遞的數據文件在傳遞過程中需要使用兩次系統調用:Read/Write，包括如圖1 所示的將接收到的數據文件讀到內存和把內存存儲的數據文件讀出并通過Socket 發送出去的過程。

圖1 數據文件復制過程

上述過程中，由于數據文件解析和套接字轉發分別處于網絡設備操作系統的用戶空間和內核空間。在不同空間進行數據傳遞時必須進行數據拷貝操作。一個完整的Read/Write 過程中至少需要進行4 次拷貝復雜操作。而數據拷貝是一個非常消耗CPU 和內存資源的過程。

3.5 網絡帶寬與延遲

業務占用的網絡帶寬可以通過增加付費來加倍提升，但這并不能降低業務數據的傳輸延遲。解決網絡業務延遲問題，需要改變網絡協議，網絡接口和使用合適的操作系統。

3.6 網絡擁塞

有句話:“防病勝過治病”這句多年被人們認可的格言用在網絡擁堵方面是非常適用的。一旦出現網絡擁塞，很多問題接踵而至，比如分組數據丟失、浪費帶寬、沒必要的延遲以及其他問題都會馬上出現。因此，一個有效的手段是盡量避免出現擁塞。由于互聯網視頻業務的普及，IP 組播承載的需要也得到廣泛應用。在組播應用中，需要在IP 網絡中建立組播轉發樹，負責將端數據轉發到各種接收端。這當中，轉發樹的分支節點的協調控制對IP 組播網絡的擁塞控制具有重要影響。因此，如何基于分支路由器協調機制來控制流量擁塞已成為網絡運營商當前迫切需要解決的問題。

3.7 避免使用過多的超時機制。

網絡中定時器是必不可少的，但是否一定要使用呢?結論是盡量少用。除此之外定時器還會出現超時，一旦出現超時現象，通常情況下是要重復某一個動作，如果這個重復動作是必須的，似乎可以理解，但如果是沒必要的，那這種類似狀況的重復動作顯然是一種浪費了。

4 一種簡單網絡性能優化方法

目前已有的網絡性能分析和優化解決方案中，很少將網絡性能與網絡成本進行統一考慮。面對紛繁復雜的互聯網應用業務，如果以最優的服務質量滿足所有業務服務質量要求，需要付出昂貴的網絡成本。從經濟角度看，是一個不可持續發展的網絡模式。而且，不同的網絡應用對服務質量的要求是不一樣的，對網絡成本的支持能力也是不同的。因此，本文提出了一種充分考慮網絡效益的網絡性能分析與優化解決方案。將網絡成本需求放到網絡性能優化目標的參數中。方案目標是依據業務給定的網絡成本支付能力，提供服務質量最優的網絡支撐服務。

通過公式(1)中的參數改變，可以實現網絡性能分析優化。

假設網絡D=(V，E)，其中V 表示節點的集合，E 表示鏈路的集合，網絡D 的成本包括鏈路成本和節點成本，即:

其中，cos t(link)為鏈路 link 的成本，cos t(node)為node的成本。

5 結語

針對網絡性能優化的研究近年來已經取得了一些進展，但由于未考慮網絡成本支撐的需求，因而在實際應用中未得到普及。在市場化條件下，滿足網絡成本效益需求的網絡性能優化，是一種合理的網絡管道智能化管理方案。

［1］Maya Yajnik，Sue Moon，Jim Kurose. Measurement and-Modeling of the Temporal Dependence in Packet Loss［A］.IEEE INFOCOM［C］. 1999:345 -352.

［2］Lee G，Kwon Y，Cho K，et al. Performance Evaluation of GigabitEthernet Interfaces［C］//Proc. of ICACT’08. Gangwon-Do，Korea:［s. n.］，2008.

［3］熊貴喜，王小虎. 計算機網絡［M］. 北京:清華大學出版社，2008.