1.引言

隨著Internet技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)資源空前增長，對網(wǎng)絡(luò)的需求和應(yīng)用方式變得越來越復(fù)雜。不斷增加的網(wǎng)絡(luò)用戶和應(yīng)用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)沉重，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而網(wǎng)絡(luò)性能下降。這就需要對網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)進(jìn)行提取與分析，對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行改善和提高。因此，作為網(wǎng)絡(luò)行為分析基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)性能測量的作用就極為重要了。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的潛在危險，更加有效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能管理，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QOS)的驗證和控制，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行量化、比較和驗證等，是網(wǎng)絡(luò)性能測量的主要目的。

2.網(wǎng)絡(luò)性能測量的概念

2.1 網(wǎng)絡(luò)性能

網(wǎng)絡(luò)性能是一組對于運(yùn)營商有意義的，并可用于系統(tǒng)設(shè)計、配置、操作和維護(hù)的參數(shù)進(jìn)行測量所得到的結(jié)果?？梢姡W(wǎng)絡(luò)性能是與終端性能以及用戶的操作無關(guān)的，是網(wǎng)絡(luò)自身特性的體現(xiàn)，可以由一系列的性能參數(shù)來測量和描述。

2.2 網(wǎng)絡(luò)性能結(jié)構(gòu)模型

從空間的角度來看，網(wǎng)絡(luò)整體性能可以分為兩種結(jié)構(gòu)：立體結(jié)構(gòu)模型和水平結(jié)構(gòu)模型。

1)立體結(jié)構(gòu)模型

IP網(wǎng)絡(luò)就其協(xié)議棧來看是一個層次化的網(wǎng)絡(luò)，因此，對IP網(wǎng)絡(luò)性能的研究也可以按照一種自上而下的方法進(jìn)行?？梢砸訧P層的性能為基礎(chǔ)，來研究IP各層間不同性能與上、下層不同應(yīng)用性能之間的映射關(guān)系。

2)水平結(jié)構(gòu)模型

對于網(wǎng)絡(luò)的性能，用戶主要關(guān)心的是端到端的性能，因此從用戶的角度來看，可以利用水平結(jié)構(gòu)模型來對IP網(wǎng)絡(luò)的端到端性能進(jìn)行分析。

3.網(wǎng)絡(luò)性能測量的方法

網(wǎng)絡(luò)性能測量涉及到許多內(nèi)容，如采用主動方式還是被動方式進(jìn)行測量；發(fā)送測量包的類型；發(fā)送與截取測量包的采樣方式；所采用的測量體系結(jié)構(gòu)是集中式還是分布式等。

3.1 測量包

網(wǎng)絡(luò)性能測量中，影響測量結(jié)果的一個重要因素就是測量數(shù)據(jù)包的類型。

1)P類型包

類型P是對IP包類型的一種通用的聲明。只要一個性能參數(shù)的值取決于對測量中采用的包的類型，那么參數(shù)的名稱一定要包含一個具體的類型聲明。

2)標(biāo)準(zhǔn)形式的測量包

在定義一個網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)時，應(yīng)默認(rèn)測量中使用的是標(biāo)準(zhǔn)類型的包。比如可以定義一個IP連通性度量為“IP某字段為0的標(biāo)準(zhǔn)形式的P類型IP連通性”。在實(shí)際測量中，很多情況下包長會影響絕大多數(shù)性能參數(shù)的測量結(jié)果，包長的變化對于不同目的的測量來說影響也會不一樣。

3.2 主動測量與被動測量方式

1)主動測量

主動測量就是通過向網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器或應(yīng)用發(fā)送測試流量，以獲取與這些對象相關(guān)的性能指標(biāo)。例如，可以向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包并不斷提高發(fā)送速率直至網(wǎng)絡(luò)飽和，以此來測量網(wǎng)絡(luò)的最大負(fù)載能力。主動測量的主要優(yōu)點(diǎn)是不依賴于被測對象的測量能力。但另一方面，這種測量會給網(wǎng)絡(luò)增加額外的通信流量，這在一定程度上也可能影響測量的結(jié)果。所以應(yīng)該考慮試圖進(jìn)行的測量對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，并盡量使這種影響降到最低。

2)被動測量

被動測量通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信狀況進(jìn)行，因此不會影響網(wǎng)絡(luò)。被動測量通常用于測量通信流量，即經(jīng)過指定源和目的地之間路由器或鏈路的數(shù)據(jù)包或字節(jié)數(shù)，也可用于獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源使用狀況的信息。被動測量可以通過三種方式獲得：

服務(wù)器端測量：通常是在服務(wù)器端安裝測試代理，實(shí)時監(jiān)測服務(wù)器的性能，資源使用等狀況；

用戶端測量：將監(jiān)測功能封裝到客戶應(yīng)用中，從特定用戶的角度實(shí)時監(jiān)測相關(guān)的業(yè)務(wù)性能；

利用網(wǎng)絡(luò)探針：網(wǎng)絡(luò)探針可用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)，分析捕獲的數(shù)據(jù)包，以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)業(yè)務(wù)的測量。

被動測量的一個潛在問題在于它依賴于測量鏈路上的通信流量或被測節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況。例如，要測量網(wǎng)絡(luò)上某主機(jī)和某Web服務(wù)器之間的通信流量，我們可以從客戶端通過監(jiān)測上傳或從該Web服務(wù)器下載的數(shù)據(jù)包來得到測量結(jié)果。

種方法適合于用戶確實(shí)經(jīng)常下載該Web服務(wù)器頁面的情況。如果只是偶爾瀏覽一下頁面，那就沒有足夠的通信流量，這種情況下進(jìn)行的被動測量也就不可靠了。這時，可以建立一個腳本，每隔一段時間從該Web服務(wù)器下載頁面以得到測量結(jié)果，即采用主、被動混合的測量方式。事實(shí)上，在很多情況下，主動測量和被動測量都是結(jié)合著進(jìn)行的。因為一臺進(jìn)行主動測試的主機(jī)只需處理與該測量相關(guān)的通信，因此其硬件要求不高。而對于進(jìn)行被動測試的主機(jī)而言就不同了，因為它必須處理通過該測量點(diǎn)的所有通信流量，尤其當(dāng)通信速率增長的時候，對執(zhí)行測量的主機(jī)性能要求就更高。

3.3 測量中的抽樣

3.3.1 抽樣概念

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(shù)所決定的。研究抽樣，主要就是研究其分布函數(shù)。對于主動測量，其抽樣是指發(fā)送測量數(shù)據(jù)包的過程；對于被動測量來說，抽樣則是指從業(yè)務(wù)流量中采集測量數(shù)據(jù)的過程。

3.3.2 抽樣方法

依據(jù)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(jī)附加抽樣和泊松抽樣。周期抽樣是一種最簡單的抽樣方式，每隔固定時間產(chǎn)生一次抽樣。因為簡單，所以應(yīng)用的很多。但它存在以下一些缺點(diǎn)：測量容易具有周期性、具有很強(qiáng)的可預(yù)測性、會使被測網(wǎng)絡(luò)陷入一種同步狀態(tài)。隨機(jī)附加抽樣的抽樣間隔的產(chǎn)生是相互獨(dú)立的，并服從某種分布函數(shù)，這種抽樣方法的優(yōu)劣取決于分布函數(shù)：當(dāng)時間間隔以概率1取某個常數(shù)，那么該抽樣就退化為周期抽樣。隨機(jī)附加抽樣的主要優(yōu)點(diǎn)在于其抽樣間隔是隨機(jī)產(chǎn)生的，因此可以避免對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生同步效應(yīng)，它的主要缺點(diǎn)是由于抽樣不是以固定間隔進(jìn)行，從而導(dǎo)致頻域分析復(fù)雜化。在RFC2330中，推薦泊松抽樣，它的時間間隔符合泊松分布，它的優(yōu)點(diǎn)是：能夠?qū)崿F(xiàn)對測量結(jié)果的無偏估計、測量結(jié)果不可預(yù)測、不會產(chǎn)生同步現(xiàn)象。但是，由于指數(shù)函數(shù)是無界的，因此泊松抽樣有可能產(chǎn)生很長的抽樣間隔，因此，實(shí)際應(yīng)用中可以限定一個最大間隔值，以加速抽樣過程的收斂。

4.性能指標(biāo)的測量與分析

4.1 連接性

連接性也稱可用性、連通性或者可達(dá)性，嚴(yán)格說應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)的基本能力或?qū)傩裕荒芊Q為性能，但I(xiàn)TU-T建議可以用一些方法進(jìn)行定量的測量。目前還提出了連通率的概念，根據(jù)連通率的分布狀況建立擬合模型。

4.2 延遲

延遲的定義是：IP包穿越一個或多個網(wǎng)段所經(jīng)歷的時間。延遲由固定延遲和可變延遲兩部分組成。固定延遲基本不變，由傳播延遲和傳輸延遲構(gòu)成；可變延遲由中間路由器處理延遲和排隊等待延遲兩部分構(gòu)成。對于單向延遲測量要求時鐘嚴(yán)格同步，這在實(shí)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(fā)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(shù)據(jù)包原路返回。入口路由器接收到返回的數(shù)據(jù)包之后就可以評估路徑的端到端時延。

4.3 丟包率

丟包率的定義是：丟失的IP包與所有的IP包的比值。許多因素會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時被丟棄，例如數(shù)據(jù)包的大小以及數(shù)據(jù)發(fā)送時鏈路的擁塞狀況等。為了評估網(wǎng)絡(luò)的丟包率，一般采用直接發(fā)送測量包來進(jìn)行測量。對丟包率進(jìn)行準(zhǔn)確的評估與預(yù)測則需要一定的數(shù)學(xué)模型。目前評估網(wǎng)絡(luò)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。

4.4 帶寬

帶寬一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬。瓶頸帶寬是指當(dāng)一條路徑(通路)中沒有其它背景流量時，網(wǎng)絡(luò)能夠提供的最大的吞吐量。對瓶頸帶寬的測量一般采用包對(packet pair)技術(shù)，但是由于交叉流量的存在會出現(xiàn)“時間壓縮”或“時間延伸”現(xiàn)象，從而會引起瓶頸帶寬的高估或低估。另外，還有包列等其它測量技術(shù)?？捎脦捠侵冈诰W(wǎng)絡(luò)路徑(通路)存在背景流量的情況下，能夠提供給某個業(yè)務(wù)的最大吞吐量。因為背景流量的出現(xiàn)與否及其占用的帶寬都是隨機(jī)的，所以可用帶寬的測量比較困難。一般采用根據(jù)單向延遲變化情況可用帶寬進(jìn)行逼近。其基本思想是：當(dāng)以大于可用帶寬的速率發(fā)送測量包時，單向延遲會呈現(xiàn)增大趨勢，而以小于可用帶寬的速率發(fā)送測量包時，單向延遲不會變化。所以，發(fā)送端可以根據(jù)上一次發(fā)送測量包時單向延遲的變化情況動態(tài)調(diào)整此次發(fā)送測量包的速率，直到單向延遲不再發(fā)生增大趨勢為止，然后用最近兩次發(fā)送測量包速率的平均值來估計可用帶寬瓶頸帶寬反映了路徑的靜態(tài)特征，而可用帶寬真正反映了在某一段時間內(nèi)鏈路的實(shí)際通信能力，所以可用帶寬的測量具有更重要的意義。

4.5 流量參數(shù)

ITU-T提出兩種流量參數(shù)作為參考：一種是以一段時間間隔內(nèi)在測量點(diǎn)上觀測到的所有傳輸成功的IP包數(shù)量除以時間間隔，即包吞吐量；另一種是基于字節(jié)吞吐量：用傳輸成功的IP包中總字節(jié)數(shù)除以時間間隔。Internet業(yè)務(wù)量的高突發(fā)性以及網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，使得網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性，建立流量模型越發(fā)變得重要。

5.總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)性能的評估是一項復(fù)雜的工作。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的日益更新，基于特定應(yīng)用的性能測量與分析，更成為今后網(wǎng)絡(luò)性能研究的重要內(nèi)容。對于不同的應(yīng)用，有必要建立不同的性能評價模型，以實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證；而對于多種不同應(yīng)用所基于的網(wǎng)絡(luò)平臺，更需要確立一種綜合的性能體系架構(gòu)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于性能策略的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)。如NGN中語音業(yè)務(wù)的性能問題，由于語音業(yè)務(wù)的特殊性，對語音質(zhì)量的測量和評估需要結(jié)合多方面因素來考慮，如何客觀而又真實(shí)地評價語音的質(zhì)量，又如何在數(shù)據(jù)，語音，視頻業(yè)務(wù)融合的IP網(wǎng)絡(luò)上保證各種業(yè)務(wù)的質(zhì)量，對于正處于激烈競爭狀態(tài)下的運(yùn)營商而言，這些都是十分迫切且重要的問題，因而，也成為下一步網(wǎng)絡(luò)性能研究的重點(diǎn)。

[1]張宏莉,方濱興.Internet測量與分析綜述[J].軟件學(xué)報,2003(14).

[2]裴昌幸.現(xiàn)代通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)測量[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[3]供端到端QoS的帶寬代理體系結(jié)構(gòu)[J].現(xiàn)代電信科技,2003(6).

[4]多業(yè)務(wù)IP網(wǎng)絡(luò)呼叫接納控制模型和算法[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,41(12).