端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、以TCP／IP協(xié)議為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，已經(jīng)并正在改變著人們的工作、學(xué)習(xí)和生活方式。而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、可管理性、網(wǎng)絡(luò)模型等對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。由于互聯(lián)網(wǎng)固有的異構(gòu)性、復(fù)雜性、開(kāi)放性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，以及網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用的飛速發(fā)展，人們迫切需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為有透徹的理解，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理和建模，保障服務(wù)質(zhì)量，特別是端到端服務(wù)質(zhì)量。 端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究將為互聯(lián)網(wǎng)的科學(xué)管理和有效控制、科學(xué)規(guī)劃和

2、合理利用、高效的協(xié)議、設(shè)備、應(yīng)用的開(kāi)發(fā)及部署提供科學(xué)依據(jù)和有力輔助。本文對(duì)端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入調(diào)研，回顧了技術(shù)發(fā)展歷程，分析了性能監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系的定義，測(cè)量方法的分類和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了已有大規(guī)模端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究進(jìn)展、特點(diǎn)等，針對(duì)高效、準(zhǔn)確的指標(biāo)測(cè)量方法，測(cè)量實(shí)現(xiàn)協(xié)議差異，測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究并取得如下創(chuàng)新性成果： 1)提出了高精度的端到端時(shí)延測(cè)量方法 對(duì)在通用PC實(shí)現(xiàn)的時(shí)延測(cè)量方法分

3、析發(fā)現(xiàn)，由于存在時(shí)鐘誤差、位置誤差其精度較差。提出一種改進(jìn)的時(shí)延測(cè)量方法，以TSC寄存器計(jì)數(shù)取代系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，減少了測(cè)量的時(shí)鐘誤差；修改系統(tǒng)內(nèi)核，將時(shí)間戳記錄位置由應(yīng)用程序轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，減少了測(cè)量的位置誤差。該方法測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)吞吐量基本無(wú)影響。與傳統(tǒng)方法相比，可顯著降低測(cè)量誤差。該方法基于通用PC架構(gòu)，測(cè)量成本低，適于普遍采用。由于端到端最小包時(shí)延的可測(cè)性對(duì)該方法精度有較大影響，亦以仿真為手段定量分析了在不同路徑長(zhǎng)度下最小包時(shí)

4、延的可測(cè)性，并提出一種基于仿真分析的最小時(shí)延測(cè)量方法。在互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際測(cè)量表明該方法能以較小的測(cè)量開(kāi)銷獲得較準(zhǔn)確的最小時(shí)延測(cè)量結(jié)果。 2)提出了基于泊松采樣的端到端時(shí)延變化測(cè)量方法 基于路徑排隊(duì)模型，發(fā)現(xiàn)時(shí)延變化對(duì)負(fù)載的反映受探測(cè)包發(fā)送時(shí)間間隔影響；因參考時(shí)延選取不當(dāng)及采樣方式限制，現(xiàn)有方法所測(cè)時(shí)延變化只粗略反映路徑負(fù)載。提出了泊松包對(duì)采樣方法，選取探測(cè)包對(duì)前后包互為參考時(shí)延，增強(qiáng)了時(shí)延變化反映路徑負(fù)載的能力；調(diào)整探測(cè)包對(duì)

5、的采樣方式為泊松包對(duì)采樣，避免了通常周期采樣、泊松采樣等采樣方式的限制。同時(shí)基于路徑排隊(duì)模型，確定了探測(cè)包對(duì)發(fā)送時(shí)間間隔的下界。 3)提出了低開(kāi)銷的端到端路徑容量測(cè)量方法 定義了評(píng)價(jià)工具性能的指標(biāo)集后，在自行搭建的可控網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和可重復(fù)的多種背景流量條件下，對(duì)已有幾種典型的路徑容量測(cè)量工具性能進(jìn)行了評(píng)估分析。發(fā)現(xiàn)已有工具因過(guò)濾算法不適當(dāng)而測(cè)量開(kāi)銷大且不準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上，分析了背景流量對(duì)探測(cè)包對(duì)散布時(shí)間和包對(duì)時(shí)延的影響后，提

6、出一種基于最小時(shí)延的樣本過(guò)濾算法，并分析了探測(cè)包長(zhǎng)度、包對(duì)間時(shí)間間隔、時(shí)間戳記錄精度等影響路徑容量測(cè)量的因素。與pathrate算法相比，小背景流量負(fù)載時(shí)，二者測(cè)量準(zhǔn)確性接近；大背景流量負(fù)載時(shí)該方法比pathrate準(zhǔn)確。任何背景流量負(fù)載條件下，該方法的探測(cè)量開(kāi)銷和測(cè)量時(shí)間均遠(yuǎn)低于pathrate。 4)開(kāi)展了測(cè)量實(shí)現(xiàn)協(xié)議差異的實(shí)驗(yàn)和分析 設(shè)計(jì)了兩組對(duì)比測(cè)試，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估選擇了合適的測(cè)試參數(shù)以保證測(cè)試準(zhǔn)確性，最后在互聯(lián)

7、網(wǎng)執(zhí)行大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)以比較TCP、ICMP在測(cè)量連通性、RTT和丟包率等性能指標(biāo)的差異。結(jié)果表明，TCP、ICMP的連通性測(cè)量結(jié)果差異很大。RTT和丟包率測(cè)量的協(xié)議差異較復(fù)雜，與路徑負(fù)載和主機(jī)負(fù)載有很大關(guān)系；但通常TCP和ICMP所測(cè)RTT和丟包率很接近。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)和測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。 5)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向SLA的端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 綜合以上研究成果，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向SLA的端到端互聯(lián)網(wǎng)

8、性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分布式測(cè)量、集中式控制的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了基本網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的監(jiān)測(cè)功能。由于已有大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)基于文件存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果的方式存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差等不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)的管理信息庫(kù)?；谠摴芾硇畔?kù)存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果，使用標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議通信，降低了測(cè)量數(shù)據(jù)讀寫設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并保證測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，解決了網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)文件存儲(chǔ)方式存在的不足。目前該系統(tǒng)已集成于項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Ne