（通信与信息系统专业论文）ip网络测量仪无线局域网测试功能的研究与实现.pdf

摘要 摘要 煳6 7 9 1 9 y 2 0 无线局域网以其方便、快捷、廉价等诸多优势，近年来取得了长足的发展和 巨大的成功，人们也开始越来越关注网络的服务质量、网络安全和网络可靠性， 而网络测试和网络管理工具是保证网络高效、可靠运行的重要手段。本论文基i p 网络测量仪，研究并实现了无线局域网的测试功能。 论文首先介绍口网络测量的概念、研究现状和意义，分析了i e e e8 0 2 1 1 无 线局域网的特点和性能测试发展情况；其次，介绍了p 网络测量仪软硬件开发平 台，着重提出了基于l i b p c a p 的w l a n 测试方案，将采集到的数据存储在s q l i t c 中，并用m i n i g u i 实现测试界面；第三，在分析i e e e s 0 2 1 1w l a n 帧格式及含义 的基础上研究并实现了m 网络测量仪的无线局域网测试功能；第四，对全文研究 了无线局域网数据帧流量统计方法和d c f 接入延迟，设计了单个a p 节点的数据 流量统计方法，进行了d c f 接入延迟的仿真并分析其结果；最后，对全文进行总 结并展望一下工作。 关键词：网络测量无线局域网流量接入延迟 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sl a ni sf a m o u sf o ri t sc o n v e n i e n ta n de f f i c i e m ，l o wa n dm a n yo t h e r a d v a n t a g e s i nr e c e n ty e a r s ，w l a nm a d ec o n s i d e r a b l ed e v e l o p m e n ta n dg r e a t s u c c e s s n o w a d a y sm o r ea n dm o r ep e o p l es t a r tg e t t i n gc o n c e r n e da b o u tn e t w o r kq u a l i t yo f s e r v i c e ， n e t w o r ks e c u r i t ya n dn e t w o r kr e l i a b i l i t y t h en e t w o r km e a s u r e m e n ta n d m a n a g e m e n tt o o l sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i ne n s u r i n gt h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b l e o p e r a t i o no fn e t w o r k t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so ni pn e t w o r kt e s t o ra n di ta p p l i e st o 。f 纪a n f i r s t l y , w ei n t r o d u c e t h ec o n c e p ts t a t u sa n ds i g n i f i c a n to fi pn e t w o r kt e s t o r b e s i d e s ，a n a l y s i s o ft h ei e e e8 0 2 11w l a nf e a t u r e sa n dp e r f o r m a n c et e s t d e v e l o p m e n t s e c o n d l y , t h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n de n v i r o n m e n to f t h ei p n e t w o r kt e s t o r 孤eg i v e ni nd e t a i l ，a n dt h ew l a nt e s ts o l u t i o n sb a s e do nt h el i b p c a pi s p r o p o s e d ，t h ec o l l e c t e dd a t as t o r e di ns q l i t e , a n ds h o wi nm i n j g i j it e s ti n t e r f a c e t h i r d l y , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gi e e e 8 0 2 1 1w l a nf l a m ef o r m a ta n dm e a n i n g , r e s e a r c h e da n di m p l e m e n to fw l a nm e a s u r e m e n ti ni pn e t w o r kt e s t o r f o u r t h l y , r e s e a r c h e dt h em e t h o d so fw l a nd a t af l a m et r a f f i cs t a t i s t i c a la n dd c fa c c e s sd e l a y , o n ea pd a t at r a f f i cs t a t i s t i c a lm e t h o d sa r eg i v e n ，g i v e nd c fa c c e s sd e l a ys i m u l a t i o n a n da n a l y s i si t f i n a l l y , s u m m a r i z ea n dl o o ka h e a da tw o r k k e y w o r d s ：n e t w o r km e a s u r e m e n t w l a nt r a f f i ca c c e s sd e l a y 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖化 随着i n t e m e t 应用的迅猛发展，以及笔记本电脑、智能手机等移动智能终端的 日益增长，人们对无线局域网( w l a n ) 【l j 的需求也急剧增加。w l a n 在很多应 用领域具有独特的优势，可提供随时随地、自由高速接入i n t e m e t ，让广大用户享 受到更多便利、安全的网络服务。近年来，全球范围内无线局域网的数量急剧增 加，成为网络发展的必然趋势。无线局域网的安全问题也成为制约其发展的一个 主要因素，所以系统的研究无线局域网测量成为必然而迫切的需求。本论文在前 人的基础上研究嵌入式网络测量仪的关键技术及在无线局域网测量上的应用， 进一步扩展了p 网络测量仪的功能。 1 1 1 研究背景 1 1 研究背景和意义 2 0 世纪9 0 年代以来，移动通信和i n t e m e t 是信息产业发展最快的两个领域， 它们影响到了亿万人的生活，大大地改变了人类的生活方式。移动通信使人们可 以在任何时间、任何地点和任何人进行通信，i n t e m e t 使人们可以获得丰富多彩的 信息。i n t e m e t 正在改变世界的运转方式，i n t e m e t 的爆炸性发展使得信息产业的高 速发展、新兴信息业务的开展和使用成为可能。 虽然i n t e m e t 在我国起步较晚，滞后于发达国家，但近年来一直处于高速发展 之中。2 0 1 1 年7 月，中国互联网络信息中心( c n n i c ) 【2 】在京发布了第2 8 次中 国互联网络发展状况统计报告。报告显示，截止2 0 1 1 年6 月，中国网民规模达 到4 8 5 亿人，较2 0 1 0 年底增加2 7 7 0 万人；互联网普及率攀升至3 6 2 ，较2 0 1 0 年提高1 9 个百分点。我国手机网民规模为3 1 8 亿，较2 0 1 0 年底增加了1 4 9 4 万 人。截至2 0 1 1 年6 月底，家庭电脑宽带上网网民2 规模达到3 9 0 亿人，占家庭电 脑上网网民的9 8 8 ，较2 0 1 0 年底增加8 4 0 万人。2 0 11 年上半年，我国手机网民 规模继续稳步扩大。截至2 0 1 1 年6 月底，我国手机网民达3 1 8 亿，较2 0 1 0 年底 增加1 4 9 5 万人。中国的手机网民数尽管继续保持增长态势，但增长速度明显放缓。 随着3 g 时代的到来，无线互联网将呈现出爆发式的增长趋势，网络求职、网络购 物等实用型互联网应用率也大幅增长。这些均表明我国互联网发展日趋成熟，网 络媒体、网络商务等互联网深层次应用比例大幅的提升，我国互联网正经历着由 2 i p 网络测量仪无线局域网测试功能的研究与实现 娱乐化应用向价值应用时代的转变。 骗r 4 5 7 3 04 唧r4 0 5 0 0 0 0跚r 4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 l 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0i 2 9 。6 一3 3 8 0 0 2 5 3 0 02 竺! i 2 1 0 0 0 孟 3 8 4 0 0 甜3 5 3 0 2 5 i 2 0 1 5 i 1 0 6 1 5 z u o i 1 2：r j , 3 8 b 2 3 i j j 二z2 0 0 j：0 0 j 1 22 5 1 0 bz u i u 1 二2r ) ：i b 一“受数 + 曼联眠骛夏室归量年增幺宝 图1 1 中国网民规模、增长率及普及率 而互联网的发展也催生了，无线通信技术的发展。随着无线通信技术的广泛 应用，传统局域网络已经越来越不能满足人们的需求，于是w l a n 应运而生，且 发展迅速。尽管目前无线局域网还不能完全独立于有线网络，但近年来无线局域 网的产品逐渐走向成熟，正以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重 要的作用。 无线局域网是无线通信技术与网络技术相结合的产物。从专业角度讲，无线 局域网就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信，并实现通信的移动化、个 性化和宽带化。通俗地讲，无线局域网就是在不采用网线的情况下，提供以太网 互联功能。 在中国，西安电子科技大学综合业务网( i s n ) 国家重点实验室从1 9 9 2 年开 始对w l a n 进行研究与开发，于1 9 9 4 年推出了我国第一套w l a n 样机，并通过 国家电子工业部组织的技术鉴定。1 9 9 4 1 9 9 5 年完成了“无线局域网中的基带处 理芯片研制 的中外合作项目。1 9 9 5 - - 1 9 9 6 年完成了“游牧计算网络体系结构与 关键技术 的国家自然科学基金项目。1 9 9 7 年完成了“无线局域网技术与设备 的国家高科技发展计划( 8 6 3 计划) 项目，并出版了国内首部“无线局域网”的著 作。1 9 9 7 - - 1 9 9 8 年完成了“移动计算网络中的移动管理 的国家自然科学基金项 目。1 9 9 9 - - - 2 0 0 0 年完成了“宽带无线口技术 的国家8 6 3 重大项目，并开发出了 基于“i e e e8 0 2 1 l b 的w l a n 产品和移动口软件。 现在的互联网络面临着用户数量的急剧增加和新业务的不断出现，技术的发 展总的来说具有以下几大特点：通信速率越来越高；综合性越来越强；网络技术 和网络环境越来越复杂。排除网络的故障、解决网络的瓶颈、提高网络的性能不 仅是保护了网络部门的利益，更是保护了用户自己的利益。所以，怎样面对网络 中出现的诸多疑难问题，使网络在一个合理的状况下运行，为数据用户提供高质 第一章绪论 3 量的服务是摆在网络运营维护人员面前的关键问题。而诊断工具的先进性是运营 好网络的必要条件，如何方便地查找网络的故障、实时跟踪网络资源的利用情况、 预见网络的故障所在等都取决于测量仪器。故此，网络测量仪器成为了一个关键 的课题。 1 1 2 研究意义 i n t e m e t 已经渗透到社会生活的各个角落。随着i n t e m e t 的飞速发展，p 业务 量的快速增长和新应用的涌现，人们越来越关注网络的性能，因此对其的测量和 研究也就成为一项具有重要意义的工作，以下指出几种研究的需要【3 】： 1 、i p 网络性能监控的需要 网络测量为网络开通后提供性能检验、考核指标的手段，为网络工程提供验 收依据，为网络运营提供实时或阶段性性能监控工具；通过测量可进行网络诊断， 如发现网络瓶颈节点或链路，确定镜像服务器的位置，有效配置资源，为网络规 划、改造、及时解决性能问题提供参考和依据( 如，若检测到w e bs e r v e r 处于拥 塞状态，可采用负载均衡策略进行处理；发现网络瓶颈，通过扩容予以解决等) ； 通过网络流( f l o w ) 的测量可提供计费依据。实测的数据更具有真实性、代表性， 更能反映网络的真实状况。 2 、i p 网络安全评估、入侵检测与防护的需要 网络安全是用户和i s p 、a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) 考虑的首要问题 之一，借助于端口扫描等手段对p 网络进行脆弱性分析( v u l n e r a b i l i t y a n a l y s i s ) ， 能使网管人员及时查漏补缺，合理配置防火墙及网络参数，制定相应的安全策略， 在入侵还没有发生前尽量杜绝它。 网络入侵( i n t r u s i o n ) 一般是由于系统固有的安全漏洞合法工具的滥用( 如 p a c k e ts n i f f e r ，p o r t s c a n 等) 不正确的系统维护措施低效的系统设计和检测能力。 3 、网络管理的有力补充 网络管理技术促进了网络测量技术的研究，研究网络测量的体系结构、机理、 方法时，可以借鉴网管的体系结构及相关技术。反过来( 事实上) 网络测量又是 网络管理的基础，属于网管基础性的研究范畴，也是现有网络管理技术的强有力 的补充。 我们通过研究设计测量仪表，一方面，能解决网络实际运营过程中存在的问 题，快速排除故障。另一方面，通过长期监控建立网络运行的性能基准，对网络 的优化提供重要的借鉴。同时，也将使我国拥有具有自主知识产权的网络测量仪 表，对我国互联网络的运营、管理和维护具有重要的实际意义。 4 i p 网络测量仪无线局域网测试功能的研究与实现 1 2 无线局域网的概念、结构和协议 1 2 1 无线局域网的基本概念 无线局域网利用空中电磁波代替传统的缆线进行信息传输，在不采用传统电 缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，可以作为传统有线网络的延伸、 补充或替代。与传统的有线网络相比较，无线局域网有以下优点【4 】： ( 1 ) 灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限 制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线 局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能 同时与网络保持连接。 ( 2 ) 安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量， 一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。 ( 3 ) 易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的 改变通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无 线局域网可以避免或减少以上情况的发生。 ( 4 ) 故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良 而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网 络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。 ( 5 ) 易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小 型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间”漫游”等有线网络无法 实现的特性。 1 2 2 无线局域网基本组成原理 l 、无线局域网的网络结构 无线局域网的物理组成或物理结构如图1 2 所示，有站( s t a t i o n ，s t a ) 、无线 介质( w i r e l e s sm e d i u m ，w m ) 、基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 或接入点( a c c e s sp o i n t ， a p ) 和分布式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 等几部分组成。 第一章绪论 分布式系统( d s ) 站站 图1 2 无线局域网的物理结构 2 、无线局域网的拓扑结构 w l a n 体系结构有由几个部件组成，它们之间相互作用而构成了w l a n ，并 使s t a 对上层而言具有移动透明性。 w l a n 的拓扑结构可从几个方面来分类。从物理拓扑分类看，有单区网( s i n g l e c e l ln e t w o r k ，s c n ) 和多区网( m u l t i p l ec e l ln e t w o r k s ，m c n ) 之分；从逻辑上 看，w l a n 的拓扑主要有对等式、基础结构式和线型、星型、环型等； 从控制方式方面来看，可分为无中心分布式和有中心集中控制式两种；从与 外网的连接性来看，主要有独立w l a n 和非独立w l a n 。 b s s 是w l a n 的基本构造模块。它有两种基本拓扑结构或组网方式，分别是 分布对等式拓扑和基础结构集中式拓扑。单个b s s 称为单区网，多个b s s 通过 d s 互联构成多区网。 3 、i e e e8 0 2 1 1 网络提供的服务 在无线局域网中，所有无线设备的一切行为都应遵守i e e e8 0 2 1 1 协议的规范， 无线设备可以进行的活动其实就是协议提供的服务。i e e e8 0 2 1 1 定义了9 项服务， 其中5 项为分发服务，用于管理b s s 内的成员以及不同b s s 成员之间的交互工作， 另外4 项为站点安全可靠服务，用于单个b s s 内的工作。 其一，分发服务( d i s t r i b u t i o ns e r v i c e ) ，包括a s s o c i a t i o n ( 关联) 、d i s s o c i a t i o n ( 解除关联) 、r e a s s o c i a t i o n ( 重发关联) 、d i s t r i b u t i o n ( 分发) 、i n t e g r a t i o n ( 整合) 。 其二，站点服务( s t a t i o ns e r v i c e ) a u t h e n t i c a t i o n ( 认证) 、d e a u t h e n t i c a t i o n ( 撤 销认证) 、p r i v a c y ( 保密) 、d a t ad e l i v e r y ( 数据的递交) 。 1 2 3i e e e8 0 2 1 l 协议简介 完整的网络结构包括自上而下的各个层次，但无线网络仅仅工作在o s i r m 的 下三层，即通信子网层，如图1 3 所示。其中w l a n 可以包括物理层和数据链路 6 p 网络测量仪无线局域网测试功能的研究与实现 层的功能，只有w w a n 才具有网络层的功能。 终端用户a终端用户b 高层协议层高层协议层 jl 网络层网络层 i 蜊 数据链路层 数据链路层 - l a n 物理层 物理层 w i r e l ri l o d , 图1 3 无线网络逻辑结构 i e e e8 0 2 1 1 标准是i e e e 制定的无线局域网标准，主要是对网络的物理层 ( p h y ) 和媒质访问控制层( m a c ) 进行了规定，而其中对m a c 层的规定是重 点。各种局域网有不同的m a c 层，而逻辑链路层( l l c ) 是一致的，即逻辑链路 层以下对网络应用是透明的。这样就使得无线网的两种主要用途“多点接入 和“多网段互连，易于质优价廉地实现。 i e e e8 0 2 1 1 系列标准的协议体系结构如图1 4 所示。l l c 层与其他i e e e 8 0 2 1 1 局域网一样并共用，而m a c 子层为多种物理层标准所共用。 l l c d l l 站 m a c 管 姒c 理 管理 p i l l f i e e e 8 0 2 1 1i e 嘲0 2 1 1i e e e s 0 2 1 1 i e e e 8 0 2 1 1i e 嘲0 2 1 li e e 鹋0 2 1 l p i j c p 管理n l s s d s s s i ra b g 舳 图1 4 匝e e8 0 2 1 l 协议体系 m a c 层也分为m a c 子层和m a c 管理子层。m a c 子层负责访问机制的实现 和分组的拆分与重组。m a c 管理子层负责e s s 散步管理、电源( 节能) 管理，以 及连接过程中连接、解除连接和重新连接等过程的管理。 物理层 物理层定义了数据传输的信号特征和调制方式。无线局域网可以使用两种介 质进行传输：射频( i 强) 和红外线( i n f r a r e d ) ；而且又两种调制方式：直接序列 扩频( d s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) 。 2 、m a c 层 第一章绪论7 介质访问控制( m a c ) 属于数据链路层的一部分，该部分与逻辑链路控制子 层( l l c ) 共同组成了数据链路层。m a c 作为局域网的关键一层，对局域网的网 络性能有非常重要的影响，无线局域网由于使用开放的媒体作为传输介质以及移 动性等特点，与有线局域网中的m a c 协议存在很大差异。 1 3 国内外研究现状 网络测量是研究网络行为学( 互联网运行规律的科学) 的重要方法，对于网 络运营、设备研制和网络技术与协议的研发都具有重要意义，对网络管理也具有 重要的辅助作用。网络测量近年来获得了广泛的关注，在测量方法和测量体系结 构方面上取得了一定的成果，具有特定功能的测量工具【5 】也应运而生。 l 、国外研究状况 目前，国际上许多科研组织和大学都成立了与网络测量相关的组织，建立了 多个网络测量体系结构，借助其广泛分布的测量站点，在全球范围内对网络测量 进行了大量的研究。典型的体系结构或项目有：美国n l a n r ( n a t i o n a ll a b o r a t o r y o f a p p l i e dn e t w o r kr e s e a r c h ) 的m o a t ( m e a s u r e m e n ta n do p e r a t i o na n a l y s i st e a m ) 开发的网络分析基础结构n a i ( n e t w o r ka n a l y s i si n f r a s t r u c t u r e ) 6 1 ；美国国家科学 基金n s f 和d a r p a 资助的国家i n t e m e t 测量基础框架( n i m i ，n a t i o n a li n t e m e t m e a s u r e m e n ti n f r a s t r u c t u r e ) 【刀；i n t e m e t 数据分析合作组织c a i d a ( c o o p e r a t i v e a s s o c i a t i o nf o ri n t e m e td a t aa n a l y s i s ) 提出并实现的s l 【i t t e r 和c o r a l r e e f ；i n t e m e t2 的s u r v e y o r ；由s l a c ( s t a n f o r dl i n e a ra c c e l e r a t o rc e n t e r ) 发起的端到端性能监控 项目p i n g e r ( p i n g e n d t o - e n dr e p o r t i n g ) 由b e r k e r l e yu n i v e r s i t y 和i b m 开发 的s p a n d ( s h a r e dp a s s i v en e t w o r kd i s c o v e r y ) 9 1 项目；由w i s c o n s i n - m a d i s o n 大 学的p a u lb a r f o r d 提出的g m i ( g l o b a li n t e m e tm e a s u r e m e n ti 抵t r u c t u r e ) b o ；此 外还有日本的m a w i ( m e a s u r e m e ma n da n a l y s i so fw i d e a r e ai n t e r a c t ) 1 1 】、欧洲 p p n c g ( p a r t i c l ep h y s i c sn e t w o r kc o o r d i n a t i n gg r o u p ) b 2 】的测量项目、加拿大 t r i u m p 实验室和新西兰w a n d ( w a i k a t oa p p l i e dn e t w o r kd y n a m i c s ) 【1 3 】项目所 采用的测量监控方案。 2 、国内研究状况 目前，我国网络测试还处于起步阶段，各个方面与国外的差距都比较大，从 网络设备测试到网络系统测试都比较薄弱。而在国内比较早提出一些网络测量体 系的是清华大学，清华大学提出了大规模互联网络性能监控模型l i p m ( l a r g es c a l e i n t e r n e tp e r f o r m a n c em o n i t o rm o d e l ) 1 1 4 ，借鉴了i s 0 ( t h ei n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 的层次结构思想，将整个模型分为数据采集、数据管理、数据 分析、数据表示四个层次，融汇了t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 8 i p 网络测量仪无线局域网测试功能的研究与实现 在对象管理方面的方法，易于实现和维护。西安交通大学提出了互联网应用性能 测量系统n a p m ( n e t w o r k a p p l i c a t i o np e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ) 【l 引，提出应用测 量仪和区域测量仪的分布式体系结构。北京航空航天大学提出了可定制的网络测 量基础架构c n m i ( c u s t o m i z a b l en e t w o r km e a s u r e m e n ti n f r a s t r u c t u r e ) i i 引，利用j a v a 平台实现系统的可移植性和可扩展性。中国科学院的毕经平等开发了分布式大型 网络性能监测系统和在线分析系统n i p m a s ，对运营商级的大型骨干网络进行在 线监测，实现对网络主要性能状态的监测；湖南大学的可信系统与网络实验室， 设计并实现了流量测量系统s n m p e r 和l a n m o n ，其中l a n m o n 通过数据包捕 获方式测量链路流量，适合大规模网络长期性能测量，为长期流量特征分析提供 实验数据，已被用于实际网络测量；西安电子科技大学网络测量实验室提出一种 分布式网络测量与分析基础架构( d i s t r i b u t e dn e t w o r km e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s i n f r a s t r u c t u r e ，d 1 删) ，模型采用层次化模型，强调了根据用户需求定制测量与 分析方案的能力，注重模块化、可扩展性设计，并完善了分析方法和应用场景， 可灵活组织单点或分布式测量。同时对以太网物理层线缆测试进行了新的探索， 增加了测量仪的功能，扩大了测量仪对网络的测量范围。 3 、网络测量仪发展现状 我国的一些大的i s p 和网络规划及运营者也在进行网络流量测量、性能分析、 网络行为这方面的研究工作，正逐步缩小和国外的差距。目前，网络测量仪器主 要由国外公司垄断，如安捷伦( a g i l e n t ) 的网络分析仪、应用分析仪，福禄克( f l u k e ) 的网络测量仪o n e t o u c h ，o p t i v i e w 等，这些公司在功能上有一定的优势，占较大 的市场份额。国内从事网络测量仪器研制与生产的企业( 如山东信通) 很少，且 市场占有份额远不如f l u k e 等外企。国内一些研究组织对网络性能测试系统的研究 有一些不足之处：不够灵活，缺乏面向应用需求的测量与分析方案定制机制，没 有考虑如网络安全、脆弱性分析等；测量的项目限于吞吐量、带宽、包丢率、时 延等性能指标等。目前市场上现有的便携式网络测量仪只关心物理层连通和往返 性能测试，而在具体应用层面测试有很大局限性。 4 、无线局域网测量的研究 随着无线局域网技术及应用的迅速发展，其安全问题也越来越受到人们的关 注。对于有线网络，数据通过电缆传输到特定的目的地，通常在物理链路遭到破 坏的情况下，数据才有可能泄露；而无线局域网中，数据是在空中传播，只要在 无线接入点( a p ) 覆盖的范围内，终端都可以接收到无线信号，无线接入点( a p ) 不能将信号定向到一个特定的接收设备，因此无线局域网的安全问题显得尤为突 出。为了阻止未经授权用户对无线网络的非法访问，并阻止对无线局域网数据的 非法侦听，对无线局域网进行安全测量显得格外的重要。 第一章绪论9 1 4 本论文的组织结构和主要工作 针对目前国内市场的巨大需求和m 网络性能测量的一些关键技术和方法，在 国家自然基金和西安市科技攻关项目的支持下，实验室设计并实现了端到端便携 式i p 网络性能测量仪，其采用嵌入式l i n u x 操作系统和基于a r m 微处理器的硬 件平台，实现了对i p 网络性能的测量。本论文在m 网络测量仪的背景下，设计并 实现了基于m 网络测量仪上的无线局域网测试功能，对r f 覆盖和性能的问题进 行故障诊断，无线透视功能既能实现了对某一区域内的无线接入点的检测，同时 有效的帮助网络管理人员更加准确的部署和扩展无线接入点。发现未授权设备， 对无线环境进行定期的检查，自动发现恶意接入点，未经授权的无线网桥、移动 客户端和a d - h o c 网络，并可以快速响应和解决问题。 论文主要章节组织如下： 第一章：主要介绍了论文的研究背景，研究意义，无线局域网的概念、结构 和协议，国内外研究现状，以及论文的研究组织结构和主要工作； 第二章：介绍了嵌入式口网络测量的基本概念，测量指标，关键技术及主要 方法，嵌入式技术； 第三章：介绍了口网络测量仪方案设计，包括软、硬件平台的设计； 第四章：作为本论文的重点内容之一，主要介绍无线局域网功能测试的研究 与现实，包括i e e e8 0 2 1 1 帧格式，无线局域网捕获数据包方法及模块分析，逐位 分析数据包，实现无线局域网的透视功能及信道扫描功能。 第五章：首先无线局域网数据帧流量研究中存在的问题和研究方向，接着介 绍单个a p 节点的帧流量统计方法，最后介绍d c f 接入延迟问题，给出了仿真结 果 第六章：结束语，总结全文，展望未来。 l o m 网络测量仪无线局域网测试功能的研究与实现 第二章m 网络性能测量及嵌入式技术概述 i 1 第二章i p 网络性能测量及嵌入式技术概述 随着i n t e r n e t 应用的普及和深入，各行各业对从信息产业获得了巨大的推动力， 如电子邮件和电子商务等等，同时，i n t e r n e t 的飞速发展也迫切需要提高其性能， 人们越来越需要良好的服务质量、充分的安全保证，i s p ( i n t e m e ts e r v i c e sp m v i d e r ) 也需要加强对i n t e m e t 网络的管理。新一代i p 网络技术的研究与发展，需要了解 网络的运行规律以及验证新的协议、算法、策略机制的效能，。使得系统研究口网 络测量成为必然而迫切的需求，m 网络性能测试也越来越受到国际上的普遍关注。 2 1i p 网络测量技术及方法 2 1 1i p 网络测量的基本概念 网络测量就是遵照一定的方法和技术，用软件或硬件工具对一个己存的网络 或者网络设备进行性能测试，以发现问题、考核指标、评估性能，如验证网络配 置、拓扑结构是否合理，系统是否存在瓶颈，系统运行是否稳定等。网络测量还 可以借鉴物理学中测量物理量的方法。实际网络测量包含以下三个要素：0 7 1 其一，测量对象：被测量的节点、链路或应用等。测量节点、链路或者网络 的具体特征，如链路的时延、吞吐率、丢包率，路由器的路由效率、时延、丢包 率，w e b 服务器的应答延迟、吞吐率、系统容量和最大稳定链接数等； 其二，测量环境：包括测量点的选取、测量时间的确定、测量设备以及通信 链路的类型等； 其三，测量方法：针对某一具体的网络行为指标，应选取合适的测量方法， 测量方法至少应该满足稳健性即被测网络的一点变化，不会使测量方法失效； 其次，可重复性即同样的网络条件，多次测量结果应一致；再次，准确性 也就是说测量结果应能反映网络的真实情况。 2 1 2i p 网络测量的测量指标 参与制订网络测量的组织或机构有：i n t e m e t 工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ，i e t f ) 的i p p m ( i pp e r f o r m a n c em e t r i c s ) ，b m w g ( b e n c h m a r k i n g m e t h o d o l o g yw o r k i n gg r o u p ) ，r m o n m i b ( r e m o t em o n i t o r i n gm i b ) ，t 1 a 1 3 ， i t u - ts g l 2 ，s g l 3 等，此外i e t f 的p s a m p ( p a c k e ts a m p l i n g ) 和i p f i x ( i pf l o w 1 2 口网络测量仪无线局域网测试功能的研究与实现 i n f o r m a t i o ne x p o r t ) 也定义了有关的度量。正t fi p p m 制定了p 性能度量的框架。 i p 网络是由节点、链路，运行于其上的协议以及各种应用组成，这里按照测 量对象可以将测量指标【1 8 】分为以下几类： l 、端到端测量指标 端到端路径指标包括一条端到端网络路径上所对应的协议层次上的性能指 标。包括： 瓶颈带宽：端到端路径上的最大带宽( 容量) 。 。 可用带宽：端到端可用带宽是指一条端到端路径在不降低竞争业务吞吐率的 前提下能给一个新的流提供的最大吞吐率，即最大剩余带宽。 时延：数据分组在网络中传输的延时时间( 包括单向时延和往返时延) 。 时延抖动：连续的数据分组传输延时的变化。 大批量传输容量：网络传输具有拥塞意识的单个连接能传输的最大数据速率。 分组丢弃率：端到端路径上分组丢弃的比率。 2 、节点性能测量指标 网络节点是指网络互连设备，包括各协议层的网络连接设备，例如网络层的 路由器、传输层应用层的主机设备等。节点性能测量指标包括： 吞吐量：单位时间内传送通过网络中给定点的数据量，也指被测设备在不丢 弃测试帧的前提下所能支持的最大速率。 转发率：单位时间内转发的数据分组帧的数量。 丢弃数：在一段时间内网络传输及处理中丢失或出错的信息分组帧数。 丢弃率：分组帧丢弃数与总分组帧数的比率。 节点处理时延：数据分组或帧进入节点到离开节点的时延。 背靠背性能：从空闲状态开始，针对某种传输媒质，以最大帧速率发送突发 传输流，在无帧丢失时的最大突发长度。 3 、链路性能测量指标 网络链路是指连接两个相邻的同层网络节点的物理或逻辑链路。同层网络节 点可以是物理层、数据链路层、网络层或传输层端到端应用层的网络连接设备。 其中，网络链路指标包括： 带宽：单位时间内所能传送的比特数，包括链路的可用带宽和容量。 信道利用率：一段时间内信道处在占用状态的时间与总观察时间的比值。 带宽利用率：实际使用的带宽与链路容量的比率。 链路的帧传输延时：包括在链路上的传播时延和末端节点的排队时延之和。 4 、网络应用测量指标 针对于网络应用的性能测试主要针对于特定的应用，如w e b 应用，评价指标 包括： 第二章口网络性能测量及嵌入式技术概述1 3 应答延迟( r e s p o n s ed e l a y ) ：从请求建立网络连接到应答结束拆除连接之间 的时间。在不同的时刻对不同的请求一般不相同。 平均应答延迟( m e a nr e s p o n s ed e l a y ) ：大量请求( 通常指一个测试集中的 所有请求) 的应答延迟的平均值。侧重于评价w e bs e r v e r 的平均性能。 吞吐率( r e s p o n s ep e rs e c o n d ) ：非空闲状态下，系统在单位时间内响应的请 求个数。所谓非空闲状态，就是指在计算吞吐率时只考虑系统负载不为零的时间 段。 系统容量( s y s t e mc a p a c i t y ) ：非空闲状态下，系统单位时间内能够响应的最 大请求数，即为上述吞吐率的最大值。这是评价w e b 性能的一个重要指标。对一 台特定的w e bs e r v e r 系统而言，其系统容量一般是一个固定值，由机器的软、硬 件配置和运转情况所决定。 系统带宽( s y s t e mb a n d w i d t h ) ：系统在单位时间内传输的字节数，通常也称 为吞吐量。它侧重于描述系统中与传输有关的组成部分的性能。 最大稳定连接数( m a x i m u ms t a b l ec o n n e c t i o n s ) ：在性能比较稳定、没有明 显下降的前提下，系统能够支持的最大同时连接数。 2 1 3m 网络测量的关键技术 网络测量的关键技术【1 9 】包括：探测分组的选择、“噪声 分组的过滤、测试点 的选择、业务模型分析以及时钟的同步。下面分别介绍。 ， 1 、探测分组的选择 对大多数指标测试，可以通过捕获网络上实际运行的业务量数据，进行分析 获得，但有相当一部分指标，需要采取主动探测技术。探测分组序列设计包括： 确定分组类型、分组大小、发送间隔、探测分组数目和相邻两次探测之间时间间 隔的大小。针对不同目的常有：单分组、分组对、四分组、分组链等技术，测试 序列中分组大小及分组间隔的安排要根据实际的网络类型和测试指标确定。通常 带有一定的技巧性。另外探测分组中携带的信息对单向测量也很重要，如加上分 组序列号、时间标记等。 2 、“噪声 分组的过滤 一 采用主动测量时，难免受到“噪声 分组( c r o s sm m c ) 的影响。所谓“噪 声 分组指夹杂在探测分组当中，或处于探测分组之前、之后对测量结果造成影 响的业务分组( 即背景流量) 。例如采用分组对( p a c k e tp a i r ) 或多分组( m u l t i p a c k e t ) 技术测量链路的瓶颈带宽时，难以保证探测分组在瓶颈链路处彼此相邻排队，可 能会在中间插有其它分组，导致时间扩展( 瓶颈带宽低估) ，或瓶颈链路之后在第 一个分组前插入其他分组，导致时间压缩( 瓶颈带宽高估) 。造成时间压缩和时间 1 4 网络测量仪无线局域网测试功能的研究与实现 扩展的分组就是测量过程中的“噪声 。 3 、测试点的选择 被动测量通常要访问路由器的数据，如果逐一访问每个路由器，会对网络造 成很大的开销。实验证明：在局域网的一台c i s e o4 0 0 0 系列路由器上，进行g e t n e x t 查询，在轮询期间使得路由器的吞吐率下降1 5 2 0 。 4 、业务模型分析 以前的业务模型一般基于泊松过程或贝努利过程，难以适应现在的网络业务 情形。研究表明：l a n 、w a n 、v b r 视频、w e b 、公共信道信令( c c s s s 7 ) 等 的业务具有自相似性( s e l f - s i m i l a r i t y ) 或长范围相关性( l o n gr a n g ed e p e n d e n c e ) 。 网络业务自相似性通常用h u r s t 参数来描述，估计h u r s t 参数普通的方法( 如w h i t t l e 估值器) 有些问题，因为人们对网络的使用受生活规律的影响具有某种周期性， 而基于小波分析估计h u r s t 参数可以克服周期性趋势的影响，我们对此做了验证， 给原始数据加上周期性的正弦干扰、方波干扰，小波估计法仍能正确的估计出h u r s t 参数。还可通过测量研究业务流( f l o w ) 的特征、网络的存活性( s u r v i v a b i l i t y ) 、 比较w e b 服务器系统的性能等。 除了以上网络测量的关键技术外，还有其他许多问题，如网络测量和分析中 的抽样问题( 建议采用增量随机抽样，如p o i s s o n 抽样等) 、统计方法的应用、时 钟的同步等。 2 1 4m 网络测量的主要方法 必须采用一定的测量方法和测量系统研究网络性能指标。所以根据i p p m 在 r f c 2 3 3 0 中所指的，i p 网络测量的方法必须满足结果重现性和连续性。所谓结果 重现性是指在相同的网络环境下( 相同的网络设施和负载) 不同的时刻采用该测 量方法进行测量，具有一致的测量结果。所谓连续性是指当网络环境具有