網(wǎng)絡關鍵性能指標主動測量技術的研究.pdf

1、Internet是一個龐大的分布式網(wǎng)絡，隨著網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，越來越多新型的互聯(lián)網(wǎng)應用正不斷涌現(xiàn)出來，滲透到人們生活的方方面面。與此同時，Internet的規(guī)模和復雜性也在不斷增加，使網(wǎng)絡設計規(guī)劃和管理操作越來越困難。深入全面地認識和了解Internet網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能，高效準確地描述Internet的運行狀態(tài)和網(wǎng)絡特性，是評估服務質(zhì)量、開發(fā)新型應用、保障網(wǎng)絡安全的關鍵。所以，研究網(wǎng)絡關鍵性能指標的測量技術具有十分重要的意義。

2、網(wǎng)絡測量技術包括主動方式和被動方式兩種。主動測量方法按照一定的策略，有目的地主動產(chǎn)生探測流量，根據(jù)探測流受網(wǎng)絡影響而發(fā)生某些特性變化的情況做出分析，進而推測網(wǎng)絡性能參數(shù)和網(wǎng)絡行為參數(shù)。被動測量方法通過捕獲網(wǎng)絡正在傳輸?shù)膱笪姆纸M，或者通過讀取網(wǎng)絡設備記錄的流量信息，進行網(wǎng)絡指標的測量和估計。被動測量方法只適用于網(wǎng)絡上已經(jīng)存在所感興趣的流量分組的條件，捕獲的業(yè)務數(shù)據(jù)報文信息可能侵犯用戶隱私和影響網(wǎng)絡安全，所以當前對網(wǎng)絡測量技術的研究以主動發(fā)

3、送探測分組的方式為主。 網(wǎng)絡關鍵性能指標包括分組丟失率、網(wǎng)絡可用帶寬、網(wǎng)絡時延、時延抖動等。分組丟失率描述了網(wǎng)絡擁塞的程度，在測量兩端可以相對簡單地通過被動或主動方式測量得到。網(wǎng)絡可用帶寬描述了網(wǎng)絡通道(包括鏈路和路徑)在減去背景流量所占用帶寬后剩余的傳輸報文分組的能力，是衡量網(wǎng)絡性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，也是一項比較難以測量的指標。現(xiàn)有的網(wǎng)絡可用帶寬主動測量技術包括單分組技術、自導擁塞技術、分組對間隔模型技術等。這些技術對于不同的測

4、量目標和適用范圍，有各自的優(yōu)缺點。 網(wǎng)絡時延與時延抖動同樣是重要的性能指標參數(shù)，它們在互聯(lián)網(wǎng)實時業(yè)務的應用中具有嚴格的要求。由于測量端之間存在著時鐘偏差和時鐘頻差的不同步問題，網(wǎng)絡端到端單向時延的測量遠比雙向往返時延的測量困難得多。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS和網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP是實現(xiàn)測量端時鐘同步的一般技術。這兩種技術固有的一些局限性使得它們無法在Intemet環(huán)境下廣泛應用。而現(xiàn)有在Internet環(huán)境下使用的測量時鐘相對偏差的方

5、法，由于要求滿足一定的前提條件，所以適用范圍也有所限制。研究表明，時鐘頻差對單向時延測量結果的影響呈線性關系，所以對于時鐘頻差的測量技術大多基于線性規(guī)劃的思路，包括：垂直距離、法線距離和包圍面積最小化的目標優(yōu)化方法和凸包方法等。 為此，本文提出了兩種新的網(wǎng)絡關鍵性能指標測量技術，包括： 一、提出了基于優(yōu)先權探測分組對的網(wǎng)絡可用帶寬測量技術。本文首先分析了探測分組在鏈路節(jié)點隊列處的排隊行為，對比了傳統(tǒng)基于一般探測分組對的報

6、文間隔模型的基本測量方法，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有方法在網(wǎng)絡可用帶寬測量方面的局限性：測量路徑只有單一瓶頸鏈路的假設前提、只捕捉背景流競爭報文而沒有考慮排隊報文、只適用于唯一瓶頸鏈路的測量。針對這些不足，本文提出了創(chuàng)新的基于“優(yōu)先報文一普通報文”探測分組對的測量技術，利用高優(yōu)先權探測分組不需要排隊等候而普通探測分組需要排隊等候的特點，獲取服務隊列中背景流報文排隊的信息。運用經(jīng)典排隊理論的有關推論，得到排隊時間均值與鏈路利用率之間的關系，再以利用率估計

7、鏈路的可用帶寬。由于優(yōu)先權探測分組與普通分組具有不同的排隊行為，所以新方法選擇的分組隊列輸出條件與傳統(tǒng)方法完全不同，因此能夠避免傳統(tǒng)方法的前提假設和適用局限性，能夠全面反映背景流量的大小,并且不因鏈路利用率的增加而降低可用帶寬估計的準確性和有效性。本文通過實驗網(wǎng)絡驗證了新方法對比傳統(tǒng)方法的優(yōu)點，測量結果表明在各種復雜的拓撲結構和多變的背景流量下，基于優(yōu)先-普通探測分組對的方法都能夠有效地跟蹤鏈路利用率的變化，準確地測量和估計可用帶寬的大

8、小。 二、提出了非時鐘同步的網(wǎng)絡端到端單向排隊時延測量估計方法。單向排隊時延是端到端單向時延中隨機變化的部分，其均值加上路徑所固有的傳輸時間，就是我們要測量的網(wǎng)絡時延性能指標；其分布，就是我們要測量的時延抖動性能指標。 本文研究表明，探測分組對經(jīng)過多跳路徑的傳輸后，輸出時間間隔與發(fā)送時間間隔之差正是它們的端到端單向排隊時延之差。由于輸出時間間隔和發(fā)送時間間隔只在兩個測量端分別記錄，因此本文提出的測量方法不需要考慮傳統(tǒng)單向

9、時延測量方法所遇到的兩端時鐘不同步問題。新方法應用自相關定理由兩個獨立探測分組排隊時延差的樣本分布的傅立葉變換得到單個分組單向排隊時延的傅立葉變換幅度值，再利用偏差縮減的迭代重構算法來估計單向排隊時延在時間域的概率密度函數(shù)，由此得到排隊時延的分布特性。估計算法以伽馬分布的概率密度函數(shù)作為重構過程的初始估計函數(shù)，提出規(guī)范性的時間域約束條件和“過采樣”的時間域修正方法。重構估計算法主要采用快速傅立葉變換與反變換計算，收斂速度快，總的計算量小