基于TWAMP協(xié)議的IP網絡測量平臺架構設計與實現(xiàn)

魏明軍 楊晶

摘 要：隨著社會的發(fā)展，網絡已經成為人們生活中不可缺少的元素，但隨著網絡規(guī)模的增大，網絡的復雜性、異構性也大大增加，在此背景下如何提高網絡質量就成網絡運營商所關心的核心問題，同時用戶也迫切希望了解所使用網絡的狀態(tài)和質量，以便選擇更適合的服務商。時延、抖動、帶寬等參數(shù)作為表征網絡質量的參數(shù)，能夠最為直觀地反映網絡狀態(tài)，對這幾個參數(shù)的測量和分析成為掌握網絡質量的關鍵。文章采用當下最為成熟的B/S架構，設計基于TWAMP協(xié)議的測量平臺，具有很強的可操作性。并且針對測量數(shù)據(jù)的離散化處理能夠有效的降低CPU工作強度，提高測量結果的精度。

關鍵詞：網絡測量；B/S架構；離散型隨機變量；TWAMP協(xié)議

1 研究背景

隨著社會的發(fā)展，網絡已經成為人們生活中不可缺少的元素，但是隨著網絡規(guī)模的增大，導致網絡的異構性、復雜性提高。與此同時，用戶對網絡服務質量要求也越來越高。IP網絡作為各種應用的承載，它的性能對上層業(yè)務影響重大。

2 網絡測量分類

按照是否向網絡注入額外測量數(shù)據(jù)包來劃分，網絡測量可以分主動測量和被動測量。主動測量是在網絡流量中插入特別設計的探測數(shù)據(jù)包，并在數(shù)據(jù)包通過網絡后分析探測數(shù)據(jù)包的特征差異可以得到網絡狀態(tài)和性能參數(shù)，主動測量的特點是是利用測量工具在選定網絡點上插入特定目的數(shù)據(jù)包。主動測量不依賴于測定對象本身的測量能力，具備靈活和可操作性強等特點。而且主動測量并不需要多點協(xié)作，可根據(jù)用戶要求測量端到端的網絡性能。被動測量是在關鍵位置和節(jié)點部署測量設備來捕獲網絡數(shù)據(jù)包，并進行統(tǒng)計分析，通過統(tǒng)計分析結果獲取網絡狀態(tài)和性能參數(shù)，所以被動測量在鏈路或者設備上對經過的流量進行監(jiān)測，并不需要注入額外的流量包，這種特點也使得被動測量適合作為設備或者網絡流量的測量方式。綜上所述，本研究采用主動測量方式

3 網絡測量性能指標

網絡性能又分為整體性能和節(jié)點性能之分，兩者之間的關系是統(tǒng)一的。通過對端到端測量指標的統(tǒng)合分析就可以得到網絡的整體性能。性能指標主要包括以下參數(shù)：（1）連通性（Connectivity）。網絡連通性是指網絡連通的程度。這一指標主要與丟包率相關，一般網絡可用性會會有一個閾值，當丟包率高于這一數(shù)值時網絡判定為不可用，相反則為網絡可用。（2）數(shù)據(jù)包傳輸時延（Data Packet Transmission Delay）。時延是指又分為單向時延和往返時延。單向時延是指某一節(jié)點接收到數(shù)據(jù)源所發(fā)出的數(shù)據(jù)包時所經歷的時間。往返時延是指由數(shù)據(jù)源發(fā)送數(shù)據(jù)包到達指定節(jié)點后，指定節(jié)點立即發(fā)送反饋數(shù)據(jù)包，此數(shù)據(jù)包到達源點是所經歷的時長。因為時延是隨時間變化的，若進行網絡測量，應按照某段時間內的平均值計算時延。（3）丟包率。丟包率是指數(shù)據(jù)源發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)量與反饋數(shù)據(jù)包之間的差值占源數(shù)據(jù)包總量的百分比。

4 測量平臺架構設計

無論基于哪種協(xié)議的測量，都需要經歷以5個環(huán)節(jié)：部署物理節(jié)點——設定測量目標——測量執(zhí)行開始和結束——測量數(shù)據(jù)分析——報告輸出。

測量平臺采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）架構實現(xiàn)。B/S架構的優(yōu)點是將測量功能集成到了服務器上，用戶在有測量要求時不需安裝任何客戶端，也不用對軟件進行維護，只需要用戶端擁有瀏覽器即可使用測量服務。測量平臺在B/S架構下采用3層結構：測量層、服務器控制層、服務器數(shù)據(jù)庫層。測量平臺架構如圖1所示。

測量層：測量探測數(shù)據(jù)報按照TWAMP協(xié)議執(zhí)行。

服務器控制層：這一層又可以劃分為3個模塊——會話管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、WEB服務器模塊。服務器數(shù)據(jù)庫層：響應服務器控制層的請求。

5 測量數(shù)據(jù)處理

當用戶訪問服務器，使用測量功能時，系統(tǒng)開始運行。但是測量這對的是瞬時值，并且當測量頻率較高，需要改變數(shù)據(jù)的處理方式。時延是獨立的，只受單次測量影響，所以可以作為離散型隨機變量處理，采用統(tǒng)計學的方式進行整體運算。上述情況可以抽象為數(shù)學模型：數(shù)據(jù)總和為一個集合M，包含A、B兩個子集，A為已計算的數(shù)據(jù)，B為為計算數(shù)據(jù)集，其中數(shù)據(jù)均為獨立不相關。A集合容量為RA ，時延記為EA，抖動為DA ，同理B集合樣本容量為RB，時延記為EB，抖動為DB，根據(jù)時延的定義有：

6 TWAMP協(xié)議測量實現(xiàn)的可行性

IETF IPPM工作組在08年發(fā)布了雙向主動測量協(xié)議，即RFC 5357 （A two-way Active Measurement Protocol ，TWAMP）。雙向主動測量協(xié)議定義了兩組協(xié)議，其中一組是TWAMP控制（TWAMP-control）協(xié)議，另外一組是TWAMP測試（TWAMP-test）協(xié)議。TWAMP控制協(xié)議的作用是建立并發(fā)起測量會話，而且還能夠通過對對發(fā)起的測量會話或者控制報文進行加密或者身份認證，這樣一來就能保證測試的安全性操作，當會話介紹測量結果的取回也是由TWAMP控制協(xié)議完成的。TWAMP測試（TWAMP-test）協(xié)議顧名思義就是用發(fā)送與接收網絡測量探測包的方式檢測網絡狀態(tài)。為了保證探測報文傳遞的簡單高效，TWAMP測試協(xié)議報文采用UDP協(xié)議交互。為了保證靈活性，TWAMP體系結構由定義的Control-Client 、Session-Sender 、Server 與Session-Reflector等幾不同的實體組成，而且不同的實體可以位于相同的主機，這就為網絡測量的實現(xiàn)提供了基礎。這些實體的任務是負責啟動網絡測量中的監(jiān)測會話和交換數(shù)據(jù)包，其體系結構如圖2所示。

7 結語

由于TEAMP協(xié)議的開放性，所以實現(xiàn)網絡測量的可操行非常強，對測量數(shù)據(jù)采用離散是隨機分布模型能夠有效的降低數(shù)據(jù)的運算量，減小CPU處理強度，并且采用統(tǒng)計學數(shù)據(jù)表達也能夠準確的表現(xiàn)真實的網絡狀態(tài)。網絡測量在網絡結構日益復雜的今天變得越來越受到重視，無論是運營商還是用戶，都迫切的需要掌握網絡的性能和狀態(tài)，因此，網絡測量平臺的研究與開發(fā)具有非常廣泛的意義。

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Design and Implementation of IP Network Measurement Platform Architecture Based on TWAMP Agreement

Wei MingJun， YangJing（College of Information Science and Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063000， China）

Abstract： With the development of the society， the Internet has become an indispensable element of peoples lives，at the same time， network complexity， heterogeneity also increased ，so， How to improve the quality of the network as a core issue of concern for ISP. Users also eager to know the network status and quality， in order to choose more suitable ISP. Parameters such as delay， jitter， bandwidth as a characterization of the parameters of the network quality， can be the most intuitive reflect the network status， how to Measure and analysis the several parameters becomes the key to grasp the network quality. Adopts B/S structure of the most mature， measurement platform design based on TWAMP agreement， have very strong maneuverability. And in view of the measurement data discretization process can effectively reduce the CPU working strength， improve the accuracy of the measurement result.

Key words： the network measurement； B/S architecture； discrete random variables； TWAMP agreement