（通信与信息系统专业论文）网络关键性能指标主动测量技术的研究.pdf

摘要 i n t e m e t 是一个庞大的分布式网络，随着网络技术的快速发展，越来越多新 型的互联网应用正不断涌现出来，渗透到人们生活的方方面面。与此同时， i n t e m e t 的规模和复杂性也在不断增加，使网络设计规划和管理操作越来越困难。 深入全面地认识和了解i n t e m e t 网络系统的性能，高效准确地描述i n t e m e t 的运 行状态和网络特性，是评估服务质量、开发新型应用、保障网络安全的关键。所 以，研究网络关键性能指标的测量技术具有十分重要的意义。 网络测量技术包括主动方式和被动方式两种。主动测量方法按照一定的策 略，有目的地主动产生探测流量，根据探测流受网络影响而发生某些特性变化的 情况做出分析，进而推测网络性能参数和网络行为参数。被动测量方法通过捕获 网络正在传输的报文分组，或者通过读取网络设备记录的流量信息，进行网络指 标的测量和估计。被动测量方法只适用于网络上已经存在所感兴趣的流量分组的 条件，捕获的业务数据报文信息可能侵犯用户隐私和影响网络安全，所以当前对 网络测量技术的研究以主动发送探测分组的方式为主。 网络关键性能指标包括分组丢失率、网络可用带宽、网络时延、时延抖动等。 分组丢失率描述了网络拥塞的程度，在测量两端可以相对简单地通过被动或主动 方式测量得到。网络可用带宽描述了网络通道( 包括链路和路径) 在减去背景流 量所占用带宽后剩余的传输报文分组的能力，是衡量网络性能优劣的重要参数。 也是一项比较难以测量的指标。现有的网络可用带宽主动测量技术包括单分组技 术、自导拥塞技术、分组对间隔模型技术等。这些技术对于不同的测量目标和适 用范围，有各自的优缺点。 网络时延与时延抖动同样是重要的性能指标参数，它们在互联网实时业务的 应用中具有严格的要求。由于测量端之间存在着时钟偏差和时钟频差的不同步问 题，网络端到端单向时延的测量远比双向往返时延的测量困难得多。全球卫星定 位系统g p s 和网络时间协议n t p 是实现测量端时钟同步的一般技术。这两种技 术固有的一些局限性使得它们无法在i n t e m e t 环境下广泛应用。而现有在i n t e m e t 环境下使用的测量时钟相对偏差的方法，由于要求满足一定的前提条件，所以适 用范围也有所限制。研究表明，时钟频差对单向时延测量结果的影响呈线性关系， 所以对于时钟频差的测量技术大多基于线性规划的思路，包括：垂直距离、法线 距离和包围面积最小化的目标优化方法和凸包方法等。 为此，本文提出了两种新的网络关键性能指标测量技术，包括： 一、提出了基于优先权探测分组对的网络可用带宽测量技术。本文首先分析 了探测分组在链路节点队列处的排队行为，对比了传统基于一般探测分组对的报 文间隔模型的基本测量方法，发现了现有方法在网络可用带宽测量方面的局限 性：测量路径只有单一瓶颈链路的假设前提、只捕捉背景流竞争报文而没有考虑 排队报文、只适用于唯一瓶颈链路的测量。针对这些不足，本文提出了创新的基 于“优先报文一普通报文”探测分组对的测量技术，利用高优先权探测分组不需 要排队等候而普通探测分组需要排队等候的特点，获取服务队列中背景流报文排 队的信息。运片j 经典排队理论的有关推论，得到排队时问均值与链路利用率之问 的关系，再以利用率估计链路的可用带宽。由于优先权探测分组与普通分组具有 不同的排队行为，所以新方法选择的分组队列输出条件与传统方法完全不同，因 此能够避免传统方法的前提假设和适用局限性，能够全面反映背景流量的大小， 并且不因链路利用率的增加而降低可用带宽估计的准确性和有效性。本文通过实 验网络验证了新方法对比传统方法的优点，测量结果表明在各种复杂的拓扑结构 和多变的背景流量下，基于优先一普通探测分组对的方法都能够有效地跟踪链路 利用率的变化，准确地测量和估计可用带宽的大小。 二、提出了非时钟同步的网络端到端单向排队时延测量估计方法。单向排队 时延是端到端单向时延中随机变化的部分，其均值加上路径所固有的传输时间， 就是我们要测量的网络时延性能指标；其分布，就是我们要测量的时延抖动性能 指标。本文研究表明，探测分组对经过多跳路径的传输后，输出时间间隔与发送 时间间隔之差正是它们的端到端单向排队时延之差。由于输出时间间隔和发送时 间间隔只在两个测量端分别记录，因此本文提出的测量方法不需要考虑传统单向 时延测量方法所遇到的两端时钟不同步问题。新方法应用自相关定理由两个独立 探测分组排队时延差的样本分布的傅立叶变换得到单个分组单向排队时延的傅 立叶变换幅度值，再利用偏差缩减的迭代重构算法来估计单向排队时延在时间域 的概率密度函数，由此得到排队时延的分布特性。估计算法以伽马分布的概率密 度函数作为重构过程的初始估计函数，提出规范性的时间域约束条件和“过采样” 的时间域修正方法。重构估计算法主要采用快速傅立叶变换与反变换计算，收敛 速度快，总的计算量小，所以适合于实时应用。对n s 2 网络仿真结果和实际网 络测试结果的讨论表明，本文提出的非时钟同步的端到端单向排队时延测量技术 在快速收敛的同时能够准确地反映报文分组排队时延的分布特性，而且对迭代初 始参数的设定具有很好的鲁棒性。 关键词：网络测量技术，探测分组对，可用带宽，端到端单向排队时延 a b s t r a c t i n t e r n e ti saw i d e l y d i s t r i b u t e dn e t w o r k w i t he x p l o s i v ed e v e l o p m e n ti nn e t w o r k t e c h n i q u e s m o r ea n dm o r ei n n o v a t i v ei n t e r n e ta p p l i c a t i o n sa r ec o m i n gf o r t h , w i t l l r e s p e c tt oa l ls i d e so fp e o p l e sl i v e s m e a n w h i l e t h ee x t e n d i n gs c a l ea n di n c r e a s i n g c o m p l e x i t yo f i n t e r a c tm a k en e t w o r kd e s i g na n dm a n a g e m e n tm o r ed i f l i c u l t t bf i l l l v u n d e r s t a n di n t e r a c tp e r f o r m a n c e ，a n dt oe f f e e l i v e l yd e p i e ln e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c s ，a r e t h eb a s i cw a l r a n t yf o rq o se v a l u a t i o n ，a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n ds e c u r i t y m a i n t e n a n c e 1 1 1 e r e f o r e i ti s 、，c r yi m p o r t a n tt os t u d yt h et e c h n i q u e st om e a s u r e n e t w o r kk e yp e r f o r m a n c em e t r i c s n e t w o r km e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sc o u l db ec l a s s i f i e di n t oa c t i v em e t h o da n d p a s s i v em e t h o d a c t i v em e a s u r e m e n tg e n e r a t e sp r o b et r a f f i cb a s e do ns o m es t r a t e g i e s ， a n di n f e r sn e t w o r km e t r i c sf r o mt h ev a r i a t i o n si np r o b ep a c k e t s p a s s i v em e a s u r e m e n t c a r r i e so u te s t i m a t i o n s0 nt h e c a p t u r e dp a c k e t s o rt h et r a c e dl o g s p a s s i v e m e a s u r e m e n tc o u l db ea p p l i e do n l yt oan e t w o r ko nw h i c ht 1 1 ei n t e r e s t e dt r a f f i ci s l r a n s m i t t e da n dt h ec a p t u r e dp a c k e t sm i 曲te x p o s eu s e r s p r i v a c ya n dv i o l a t en e t w o r k s e c u r i t y h e n c er e s e a r c ho nn e t w o r km e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sp r i m a r i l yf o c u s e so n a c t i v em e t h e d s p a c k e ti o s sr a t i o ，n e t w o r ka v a i l a b l eb a n d w i d t h ，n e t w o r kd e l a y , a n dd e l a y v a r i a t i o na r et h ek e yp e r f o r m a n c em e t r i c so fan e t w o r k p a c k e tl o s sr a t i or e f l e c t st h e l e v e lo fn e t w o r ke o n g e s t i o n , a n di ti sr e l a t i v e l ye a s i e rt ob em e a s u r e da tb o t he n d s ， u s i n ga c t i v eo rp a s s i v em e t h o de i t h e r n e t w o r ka v a i l a b l eb a n d w i d t hd e p i c t st h ea b i l i t y f o ran e t w o r kc h a n n e l ( i n c l u d i n gl i n ka n dp a t h ) t ot r a n s m i tp a c k e t s w h e nt h e b a c k g r o u n d - t r a f f i c - o c c u p i e dc a p a c i t yh a sb e e ns u b t r a c t e d i ti sas i g n i f i c a n tm e t r i ct o e v a l u a t en e t w o r kp e r f o r m a n c e a n di ti sh a r dt ob ee f f e e t i v e l ym e a s u r e da sw e l l c u h e n ta v a i l a b l eb a n d w i d t hm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e si n e l u d es i n g l ep a c k e tm e t h o d ， s e l f - i n d u c e dc o n g e s t i o nm e t h o d ，p a c k e tg a pm o d e lm e t h o da n ds oo n a n a l y s e so n t h e s em e t h o d ss h o wt h a tt h e yd e m o n s t r a t eg o o do rb a dp e r f o r m a n c ew h e na p p l i e dt o d i 虢r e n tt a r g e t sa n dd i f i e r e n tt e n d i t i o n s n e t w o r kd e l a ya n dd e l a yv a r i a t i o na l s oa r ek e ym e t r i c s s t r i n g e n td e l a y r e q u i r e m e n t sa r ei m p o s e do nt h ei n t e m e tr e a l t i m ea p p l i c a t i o i l s f o rt h er e a s o nt h a t t h e r ee x i s tc l o c ko f f s e ta n ds k e wb e t w e e nt h em e a s u r e m e n te n d s ，o n e w a yd e l a yi s m u c hm o r ed i m c u l tt ob em e a s u r e d c o m p a r e dw i t ht h ed i r e e lm e a s u r e m e n to n r o u n d - t r i pd e l a y g i o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma n dn e t w o r kt i m ep r o t o c o la r et w o t e c h n i q u e st oa c h i e v ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n , y e tt h e ya f en o tw i d e l ye x p l o i t e d t h r o u g h o u ti n t e r a c tf o rs o m el n h e r e n tl i m i t a t i o n s e x i s t i n gt e c h n i q u e sf o rc l o c ko 自f s e t m e a s u r e m e n ts h o u l db eb a s e do ns o m ea s s u n l p t i o n s ，s ot h e ya r en o te f f e c t i v ei na l l c o n d i t i o n s c l o c ks k e wm a k e so n e - w a yd e l a ym e a s u r e m e n t sl i ea b o v eal i n e t h e r e f o r em o s ts k e wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sa r eb a s e do nt h el i n e a rp r o g r a m m i n g a l g o r i t h m s of a rs o m eo b j e c t - o p t l m t z a t i o nm e t h o d sh a v eb e e ni n t r o d u t e d ，s u c ha st h e m l n i m t z a t i o no f v e r t i c a ld i s t a n c e ，n o r m a ld i s t a n c e ，a n di n - d o s e da r e aa n dt h eu s a g eo f m c o n v e xh u l l s t h e r e f o r e ，t w oi n n o v a t i v et e c h n i q u e st om e a s u r en e t w o r kk e yp e r f o r m a n c e m e t r i c sa r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s 1 1 1 wi n c l u d e ： 1 a na v a i l a b l eb a n d w i d t hm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，w h i c hi sb a s e do np r i o r i t i z e d p a c k e t - p a i rp r o b e sm e t h o d ，i sp r o p o s e d o nt h ea n a l y s i so fq u e u i n gb e h a v i o ro ft h e p r o b ep a c k e t so nt h el i n k ，t h et h e s i ss t u d i e st h eb a s i cp r i n c i p l eu s e di nt r a d i t i o n a l n o r m a lp a c k e t - p a i rp r o b e sm e t h o d s a n dd i s c o v e r ss e v e r a ll i m i t a t i o n sf o rt h e s e m e t h o d st om e a s u r ea v a i l 曲l eb a n d w i d t h s u c hm e t h o d sa s s u m eo n l yo n eb o r l e n e c k a l o n gt h ep a t h , m e r e l yc a p t u r ec o m p e t i n gp a c k e t sw h i l en e g l e c tq u e u i n gp a c k e t s ，a n d o n l yt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t ho nt h eb o t t l e n e c kc o u l db em e a s u r e d t h en o v e i a p p r o a c hi nt h i st h e s i se x p l o i t st h et i m eg a pm e a s u r e m e n t sb e t w e e np r i o r i t i z e da n d n o n - p r i o r i t i z e dp a c k e t s i te s t i m a t e s l i n ku t i l i z a t i o nf r o mt h em e a s u r e dq u e u i n g b a c k g r o u n dt r a f f i ca n df u r t h e rd e d u c e sa v a i l a b l eb a n d w i d t hb a s e do nq u e u i n gt h e o r i e s s i n c et h ep r i o r i t i z e dp a c k e t sd on o tw a i ti nt h eq u e u ew h i l et h el i o n p r i o r i t i z e d p a c k e t sd o t h en o v e la p p r o a c hd o e sn o tr e l yo nt h ec o n d i t i o n si n t r o d u c e di ne x i s t i n g m e t h o d s ，a n dw e a k e n st h ef e a s i b l i t ya s s u m p t i o n , a n dp o r f o r m sv e r ya c c u r a t e l ya n d e f f i c i e n t l y i n m e a s u r i n ga v a i l a b l eb a n d w i d t h e x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t e t h e s u p e r i o r i t yo ft h eh o v e la p p r o a c ha g a i n s te x i s t i n gm e t h o d s i ti ss h o w nt h a tt h en e w t e c h n i q u ei sa b l et oc l o s e l yt r a c kt h eu t i l i z a t i o nv a r i a t i o n sa n de f f e e t i v e l ye s t i m a t et h e a v a i l a b l eb a n d w i d t h , e v e na p p l i e dt oc o m p l e xn e t w o r k sw i t hd y n a m i cb a c k g r o u n d t r a f f i c 2 ，at c c h n i q u et om e a s u r ea n de s t i m a t eo n e - w a yq u e u i n gd e l a yw i t h o u tc l o c k s y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e d o n e - w a yq u e u i n gd e l a yi sav a r i a b l ec o m p o n e n to f o n e - w a yd e l a y i t sm e a nv a l u ep l u st h ef i x e dd e l a ya l o n gt h ep a t hi st h ed e l a y p e r f o r m a n c em e t r i ct h a ti sn e e d e d a n da l s oi t sd i s t r i b u t i o ni st h ei i t t e rm e t r i c i ti s s t u d i e dt h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eo u t p u ta n di n p u ti n t r a - g a p so fp a c k e t - p a i r p r o b e si sr i g h tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eq u e u i n gd e l a y sf o rt h et w op a c k e t s t h c o u t p u ti n t r a - g a p sa n di n p u ti n t r a - g a p sa r es e p a r a t e l ym e a s u r e da te a c he n d ，s ot h e p r o p o s e dt e c h n i q u ed o e sn o tr e q u i r ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n f o u r i e rm a g n i t u d eo ft h e q u e u i n gd e l a yi sd e d u c e df r o mt h ea u t o - c o r r e l a t i o nt h e o r e m ，a n dt h em a g n i t u d ei s u s e dt or e c o n s t r u c tt h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o na n dt oc o m p u t et h ed i s t r i b u t i o n p r o p e r t i e st h er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h ms e t sg a m m ap d f t 0b et h ei n i t i a le s t i m a t e a n di n t r o d u c e st h en o r m a l i z a t i o nc o n s t r a i n ta n do v e r - s a m # i n gm o d i f i c a t i o nm e t h o d s n l ee s t i m a t i o ne m p l o y sf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m sa n di n v e r s et r a n s f o r m s a n dt h e r e f o r e e o n v e r g e sv e r yq u i c k l y t h er e s u l t se v a l u a t e di nn s 2s i m u l a t i o na n dr e a ln e t w o r k s h o wt h a tt h en o v e ia p p r o a c he 街c i e n t l yr e f l e c t st h eq u e u i n gd e l a yd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd i s p l a y ss t r o n gr o b u s t n e s sa g a i n s ti n i t i a lp a r a m e t e rs e t t i n g s k e yw o r d s ：n e t w o r km e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，p a c k e tp a i rp r o b e s ，a v a i l a b l e b a n d w i d t h ，e n d - t o - e n do n e w a yq u e u i n gd e l a y i v 第1 章引言 1 1 研究意义和背景 i n t e r a c t 的原型是1 9 6 9 年美国国防远景研究规划局( a d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y ) 为军事实验而建立的网络，名为a r p a n e t 。a r p a n e t 初期只 有四台主机，其设计目标是：网络必须经受得住故障的考验而维持正常的工作， 当网络中的一部分因战争原因遭到破坏时，其余部分仍能正常运行。二十世纪八 十年代初期a r p a 和美国国防部通信局研制成功用于异构网络的t c p ，口协议并 投入使用，作为i n t e r n e t 的早期骨干网，a r p a n e t 奠定了i n t e r n e t 存在和发展的 基础。1 9 8 6 年在美国国会科学基金会的支持下，用高速链路把分布在各地的一 些超级计算机连接起来，经过十几年的发展形成了互联网i n t e m e t ，其应用范围 也由最早的军事、国防，扩展到美国国内的学术机构，进而迅速覆盖了全球的各 个领域，运营性质也由科研、教育为主逐渐转向商业化【1 】。 中国i n t e m c t 的发展和世界上大多数国家i n t e m e t 的发展相似，最初都是由 学术网络发展而来。1 9 8 7 年中科院高能物理所首先租用线路实现国际远程联网， 并于1 9 8 8 年实现了与欧洲和北美地区的电子邮件通信。1 9 9 4 年5 月，以“中国 科学院北京大学清华大学”为核心的中国国家计算机网络设施( 1 1 l e n a t i o n a lc o m p u t i n ga n dn e t w o r k i n gf a c i l i t yo fc h i n a ) 与国际互联网联通，表明 i n t e m e t 在中国实现开放。随着经济发展的全球化以及通信信息技术的迅猛发展， 中国的互联网发展也呈现突飞猛进的势头。2 0 0 7 年1 月2 3 日中国互联网信息中 心( c 卜咖c ) 发布的第1 9 次中国互联网发展状况统计报告显示，截至2 0 0 6 年底，中国上网人数达到了1 3 7 亿，占中国人口总数的1 0 5 ，使用x d s l 、c a b l e m o d e m 、专线等宽带上网的人数达到1 0 4 0 0 万，同时c n 域名总数也超过1 8 0 万【2 】。 1 1 1研究意义 当前，越来越多新型的i n t e m e t 应用正广泛地渗透到人们社会生活的各个方 面。除了传统的电子邮件、网页浏览、文件传输等业务外，驴语音电话( v o m ) 、 视频点播( v o d ) 、网络游戏、在线交易等基于t c p i p 技术的多媒体多业务应 用也不断涌现出来。但是研究者们也意识到，i n t e r a c t 日益多样的功能和高速增 长的速度，却是以其复杂的结构和持续扩充的规模为代价的。由于i n t e r n e t 的初 衷并不像传统电信网那样以提供商业服务为目标的，所以它一开始就不像电信网 那样有规划地组织起来。而是形成相对独立的各个互联网服务供应商( i n t e z n e t s e i c cp r o v i d e r ) ，存在一定的盲目性。i n t e r a c t 如同一个复杂的生物群落，各个 层面的技术互相交织、互相影响，形成了一个层际明显，但是又互相交错的结构 【3 】。目前的i n t e m e t 还存在着诸多闯题：没有一个正常盈利韵商业模型；网络闻 缺乏有效的管理和运营手段；面临可扩展性、应用安全、实时业务服务质量 ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 等方面的挑战等【4 】。由此可见，研究网络测量特别是针对 关键性能指标进行测量估计的有关方法技术具有非常重要深远的意义。结合国家 自然科学基金等项目( 项目号：9 0 3 0 4 0 1 1 ) 的相关要求，本文研究内容的意义主 要体现在： ( 1 ) 保障用户服务质量q o s “好的”用户服务质量依赖于“好的”网络性能表现。如何调配各类网络资 源，满足不同应用对网络资源的需求，从而达到不同网络应用各自的服务质量要 求，是以m 技术为核心的网络向前发展过程中遇到的难题。传统的i n t e m e t 网络 为疋数据报文提供的是“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 的服务【5 】，这就导致各类网 络业务流互相竞争资源，只考虑尽最大努力将报文传送到目的地，而无法保证数 据报文传输的可靠性和实效性。i n t e r n g t 如果要实现各种实时敏感的网络应用， 就必须满足这些应用业务对网络有效带宽、时延、时延抖动等关键q o s 性能指 标参数的要求，保障网络用户的服务质量。例如。流媒体实时性要求高，那么就 应该把最短的端到端时延作为优先选择传输路径的标准；而网络游戏和视频会议 等多播应用【6 】，除了要求低时延外，还要求各个节点的时延变化最小，这样才 能够保证所有参与者的公平性，真正做到用户间的“面对面”效果；还有一些要 求大量带宽进行传输的网络业务流，则应该避免使其进入原本可用带宽就很贫乏 的路径中，否则不仅未能够满足新的应用需求，而且还会影响路径上原来正在服 务的应用。目前i n t e r a c t 正承载着越来越多对服务质量具有严格要求的应用，同 2 时，i s p 也越来越需要为用户提供q o s 保证机制来开展增值业务，因此，网络实 时性能的测量是实施q o s 策略的关键先决条件。 ( 2 ) 维护大型活动网站安全 用户对大型活动网站的请求具有很强的时间特性和空间特性 7 】。也就是说， 网站的业务流量会按照时间表呈现一段时间内的突然高峰，同时由于不同用户对 于活动中不同事件( 如体育比赛中用户更关心有本国运动员参加的项目) 的感兴 趣程度不同，大型活动网站服务器在一定程度上也会有明显的地理空间分布特 点。这些非稳态特性对大型活动网站的安全防御措施提出了更高的要求：除了要 求能够在f l a s h - c r o w d 期间正确区分正常流和异常的具有潜在攻击可能性的流以 外，还要求能够实时检测提供网站服务的服务器在一段范围内的网络性能，发现 异常的或者容易造成网络超载的业务流量，及时发出警告；要求有效地识别资源 紧缺和资源富余的网络路径，将繁忙网络的业务量转移到相对空闲的网络上，充 分利用各区域网络资源，避免大型网站服务器局部崩溃；要求准确定位造成网络 拥塞和业务性能下降的链路，进行流量回推等措施，保障网络安全等。 作为网络层面上的安全策略，测量网络的关键性能指标可以有效地支持和增 强在用户识别层面上的安全策略。首先，识别用户流异常行为的方法不可能完全 过滤所有攻击流，那么到达网站服务器的流量仍然会带有一定的侵略性，有可能 吞噬网络可用带宽以及增加路径时延；其次，即使对于正常的用户流，因为大型 活动的时间安排或其它影响用户兴趣程度的各种因素，仍然会在一段时间内或某 个区域内给服务器带来突然增加的异常庞大的业务负载；另外，尽管网络技术不 断发展，但是仍然不能保证所有路径完全正常工作，从而有可能出现链路断开或 错误路由的情况，降低网站的可靠性。所以，如果能够实时准确地获得网络有关 指标和性能分析，发现有可能影响网络提供高质量服务的异常流量表现，及时启 动安全防御系统，采取相应的均衡对策，那么就可以有效地化解恶意攻击，提高 网络安全性能，保护网站的稳定。 由此可见，深入全面地认识和了解i n t e r a c t 这一庞大复杂系统的性能表现， 高效准确地描述i n t e r n e t 的运行状态和网络特性，是互联网络设计规划与管理操 作的基础和关键，也是提高网络服务水平和开发新兴网络应用的科学保障。“当 我们可以测量并且用数字表达我们谈论的东西的时候，我们才算得上对此有所了 解：如果我们不能测量或者是不能用数字表达多谈论的东西，那么我们对此的了 解就是贫乏不足的”【8 】。 1 1 2 网络测量发展历史情况、机构组织 从二十世纪九十年代开始，国外研究机构已经开始创建有关网络测量方面的 项目，主要包括： ( 1 ) n i m i 美国国家科学基金n s f 和美国国防部高级计划局d a r p a 资助的国家 i n t e m e t 测量基础框架( n a t i o n a li n t e m e tm e a s u r e m e n ti n f i a s t r u c t u r e ) 项目【9 】。n i m i 项目的目标是要建立一个全球化的、分布式的、大规模的i n t e m e t 测量结构，包 括以下五个主要部分： n i m id a e m o n 运行在网络中的一系列测量平台上，作为测量工具的端点， 负责与外部环境通信，并执行访问控制检查。 s c h e d u l ed a e m o n 运行实际的测量安排、执行和结果打包操作。执行测量的 工具是相对独立的，作为第三方软件插入到n i m i 中。 m e a s u r e m e n tc l i e n t 是终端用户实际操作的唯一n i m i 组件。它可以安装在 用户觉得方便的任何机器上，只要这个机器能够获得用户的信任，它直接与 n i m i d 联系。 c o n f i g u r a t i o n p o i n t o f c o n t a c t 配置和管理一组n i m i d 。c p o c 为每个不同的 n i m i d 提供了最初的授权策略，并随时提供对这些策略的更新。在将来的某个 时刻，c p o c 将会作为n i m i 公钥和测量模块的仓库。安全是n i m i 结构的一个 基本部分，n i m i 的组件之间所有通信的鉴别和授权都是利用公钥实现的。每个 n i m i d 都通过它相应的c p o c 进行配置。 d a t aa c c e s sc l i e n t 是存储测量结果的仓库和后处理器。m c 发送请求给 n i m i d ，同时请求指定d a c 的u r l ，指示测量结果的发送位置。为了立即收集 结果，d a c 可作为m c 的一部分运行，或作为后台程序，收集正在进行的测量 结果。 与其它项目相比，n i m i 的主要特点是可以灵活地在底层架构之上添加自己 所需的测量工具。 4 ( 2 ) c a i d a i n t e r n e t 数据分析合作组织( c o o p e r a t i v ea s s o c i a t i o nf o ri n t e r n e td a t a a n a l y s i s ) 【t o 是众多研究机构、厂商和政府部门支持的一个研究联盟，主要开 展网络测量、分析、可视化工具的研发，维护全球i n t e m e t 平台的健壮性和可扩 放性，并提供支持协同工作的一个中立框架。c a i d a 受到n s f 、d a r p a 、i s p 和硬件供应商的赞助，研究对象包括i n t e m e t 拓扑结构、网络负载、网络性能、 网络路由，监测正常或异常活动，关注带宽估计、负载刻画、长期趋势识别，从 而进行流量工程设计、容量规划、安全迹象监测等。 ( 3 ) p i n g e r 由斯坦福线性加速器中心发起的端到端性能监控项目( p i n ge n d - t o e n d r e p o r t i n g ) 【1 1 】，采用主动测量方式发送i c m p 数据报，用p i n g 来测量往返路径 时延r t t 和丢包率等，进而推算系统的性能。该项目在全世界布有监视点，可 以监测7 4 个国家的3 3 0 0 条链路的网络性能。 ( 4 ) s n 岫 由伯克利大学和m m 开发的s h a r e d p a s s i v e n e t w o r k d i s c o v e r y 项眦1 2 】，是 一个共享被动测量信息的方法，通过发送u d p 、t c p 分组让客户机向服务器汇 报网络性能，同时在网关处增加了一个性能捕获主机辅助测量。 ( 5 ) n a i 美国国家应用网络研究实验室n l a n r 项目组开发的网络分析架构 ( n e t w o r ka n a l y s i si n f z a s t r u c t u r e ) 【1 3 ，目的是通过原始数据的收集和公布，使 网络测量可视化，从而支持研究和分析。主要包括两个项目，一个是基于主动测 量的a m p ，另一个是基于被动测量p m a 。a m p 主要测量r t t 、丢包率、拓扑 和流量。a m p 的测量数据能够帮助网络工程设计人员和研究者监测和分析日益 增长的网络流量及其对网络的影响，并根据网络流量的长期形态特征优化和升级 网络体系结构。p m a 测量主要进行基于包头追踪的分析，用于在告诉网络环境 下研究网络流量、链路负载等网络性能参数。另外还有基于控制信息监视的数据 分析，主要是来自于参与项目的服务器的s n m p 信息和基于b g p 数据的分析。 ( 6 ) s u r v e y o r 由非盈利性国际学术研究组织a d v a n c e dn e t w o r k s e r v i c e si n c 开展的一 个研究项卧1 5 ，用于建立一个长期测量广域范围内网络端到端单向时延、单向 丢包率和路由信息的架构，它采用i p p m 定义的标准测量方法，利用主动测量的 方式得到拓扑和性能数据。与其它项目相比，s u r v e y o r 的特色主要表现在：采用 标准的测量方法，使结果更具有可比性；利用g p s 进行时钟同步，对单向测量 的准确度比较高。 此外，还有全球研究互联网最具权威的大型技术研究组织互联网工程任务组 i e t f ( t h el n t a n o te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 成立的m 性能度量工作组i p p m ( i p p e r f o r m a n c em e t r i c sw o r k i n gg r o u p ) 1 5 ，负责研究网络性能及制定性能参数的 测量标准。i p p m 定义了如下的口网络性能参数及其测量标准：1 ) 连接性；2 ) 单向时延和丢包率；3 ) 双向时延和丢失率；4 ) 时延抖动：5 ) 报文分组重新排 序；6 ) 传输容量；7 ) 带宽容量。 除了上面提到的国外研究网络测量技术的项目外，在国家自然科学基金和 8 6 3 计划的支持下，国内也开展了网络测量的相关研究：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