網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測儀中丟包檢測算法及其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題研究.pdf

1、20世紀(jì)70年代以來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在社會各行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，起到了極其重要的作用。對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的深入觀測方法也受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的密切關(guān)注，很多專家、學(xué)者相繼提出了大量的新算法。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測儀是一種具備觀測內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)功能的儀器。該儀器使用被動檢測方法對截獲的網(wǎng)絡(luò)包記錄進(jìn)行分析，提取其包含的丟包率、延遲時間等特征信息。其中，準(zhǔn)確的對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中存在的丟包現(xiàn)象進(jìn)行推斷是實(shí)現(xiàn)該儀器的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文針對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)丟包檢測算法進(jìn)

2、行了深入探討，提出了兩種基于本地網(wǎng)絡(luò)往返時間的丟包檢測算法，并討論了在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測儀中實(shí)現(xiàn)丟包檢測算法的方案。本文的主要研究工作如下：
　　1.在基于數(shù)據(jù)包重傳機(jī)制和基于確認(rèn)包分析的丟包檢測算法的基礎(chǔ)上，針對接收數(shù)據(jù)流中發(fā)生本地網(wǎng)絡(luò)丟包的各種情況進(jìn)行分析，提出了基于本地網(wǎng)絡(luò)往返時間的丟包檢測算法，并利用本地網(wǎng)絡(luò)往返時間的極限值對數(shù)據(jù)包丟失進(jìn)行判斷。從理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，論證該算法在發(fā)生虛假快速重傳、虛假超時重傳、批量丟包和重傳

3、過程中丟包等事件時都能正確推斷丟失包。
　　2.針對該丟包檢測算法對本地網(wǎng)絡(luò)往返時間極限值過于敏感的特點(diǎn)，本文通過對TCP協(xié)議確認(rèn)包發(fā)送機(jī)制的分析，建立了本地網(wǎng)絡(luò)往返時間的解析模型，將其樣本集劃分為由四類事件觸發(fā)的子集，討論了這些樣本子集中最重要的三類樣本的分布模型及其對應(yīng)的極值計(jì)算方法，提出了基于該本地往返時間模型的丟包檢測算法，進(jìn)一步細(xì)化不同事件發(fā)生時該檢測算法的處理方案。通過討論得出如下結(jié)論：在該檢測算法中設(shè)置本地網(wǎng)絡(luò)往返時

4、間的極限值為立即確認(rèn)極值（即數(shù)據(jù)包與其到達(dá)TCP連接收端主機(jī)后立即觸發(fā)的確認(rèn)包到達(dá)監(jiān)聽設(shè)備的時間差極限值）可以保證算法的穩(wěn)定性；引入超時規(guī)則可對網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的超時重傳現(xiàn)象進(jìn)行檢測擴(kuò)大算法的檢測范圍。
　　3.針對處理網(wǎng)絡(luò)截獲記錄需要計(jì)算能力大，而中央處理芯片能力相對薄弱的問題，設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)機(jī)的包頭提取方法，將大量的網(wǎng)絡(luò)包解析工作放在硬件電路中實(shí)現(xiàn)，并提供了相應(yīng)的協(xié)議擴(kuò)展機(jī)制。該包頭提取方法具備處理網(wǎng)絡(luò)嵌套協(xié)議的能力，具有解析帶寬大

5、（高達(dá)44Gbps），占用資源少的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)檢測、網(wǎng)絡(luò)安全等對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持較多、處理能力要求較高的領(lǐng)域。使用雙層緩存結(jié)構(gòu)的媒介訪問控制器設(shè)計(jì)方法在不影響性能的前提下，對傳統(tǒng)媒介訪問控制器進(jìn)行了改進(jìn)，在軟、硬件上解決了包頭提取方法與網(wǎng)絡(luò)媒介訪問控制器之間存在的接口差異問題，滿足網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)需求。
　　4.在網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境和實(shí)際截獲記錄中對基于本地網(wǎng)絡(luò)丟包檢測算法及其改進(jìn)算法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明這些算法在多種配置的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下