網路測量是指遵照一定的方法和技術，利用軟體和硬體工具來測量或驗證表徵網路效能指標的一系列活動的總和，下面是小編蒐集整理的一篇探究計算機網路測量技術現狀的論文範文，供大家閱讀借鑑。
摘 要： 為了瞭解網路執行規律、檢測網路效能、探索網路新技術和提高網路管理能力，讓網路更好的服務於人類生活，從網路測量體系結構、效能指標、關鍵技術和測試方法等方面進行了全面探索，並針對當前網路測量情況，提出今後研究重點。對於全面把握當前網路測試的研究狀況，發現網路瓶頸，探索網路測量的新技術、新方法具有重要意義。
關鍵詞： 網路測量; 效能指標; 測試方法; 體系結構
引 言
近年來，計算機網路的規模不斷擴大，網路頻寬和業務量持續增加，異構性和複雜程度不斷提高，這對網路的可靠性提出了很高的要求，因此有必要對網路進行測試。一方面在於及時、準確、全面地瞭解網路的效能和執行狀況，發現網路瓶頸，優化網路配置，儘可能為使用者提供安全、可靠的服務;另一方面是在網路出現故障時，能夠迅速定位並解決故障。
網路測量是指遵照一定的方法和技術，利用軟體和硬體工具來測量或驗證表徵網路效能指標的一系列活動的總和[1]。網路測量主要分為3個研究領域：網路效能指標測量、網路模型建立和網路管理。按照測量層次可以分為裝置層、系統層和應用層;按照測量要素可分為：測量物件，測量環境和測量方法。網路測量應當選取適當的測量方法，測量方法至少應滿足穩健性――即被測網路的一點變化，不會使測量方法失效;可重複性――即同樣的網路條件，多次測量結果應該一致;準確性――測量結果應能反映網路的真實情況[2]。
國外最早的網路測量始於20世紀70年代初(Vint Cerf在ARPANET上展開的效能測量專案)，逐漸成熟於80年代，90年代已漸成體系。我國網路的發展起步較晚，90年代初才引入Internet，大規模的快速發展於90年代末。國外的相關研究專案有NIMI、Surveyor、NLANR下的PMA和AMP等，為了解網路特性和進行後續網路測量提供了指導意義。國內的研究主要集中於CERNET、CSTNET和國內各大高校、實驗室(如清華大學、中科院、北航、國防科技大學)等，進行了網路測量的技術攻關，推動了我國網路測量的發展。
1 網路測量體系結構
在借鑑OSI體系結構模型的基礎上，清華大學提出了大規模計算機網路互連效能檢測模型(Large Scale Internet Performance Monitor Model，LIPM)[3]，該模型由資料採集層、資料管理層、資料分析層和資料表示層幾部分構成，如圖1所示。
資料採集層完成對網路效能引數的資料採集;資料管理層將採集到的資料進行分類、儲存和格式化，便於資料的查詢和大量資料的儲存;同時根據預先的定義將當前採集到的資料生成效能事件，提高對一些嚴重效能問題反應的實時性;資料分析層包括對基礎資料進行分析和對事件進行分析。基礎資料分析又包括對資料按照需要進行分類統計、資料關聯和趨勢預測等初步加工。時間分析是對資料管理層交付上來的'事件按照事先制定的規則進行事件過濾，按照不通過的優先順序做不同的處理。資料表示層完成對資料和事件結果的處理。對資料的處理包括生成統計報表，對資料的潛在意義進行分析。事件結果處理包括報警、分發和日誌，分別對應不同的優先順序。
2 網路測量效能指標及關鍵技術
網路的效能指標共有兩套標準，分別由標準化組織 IETF(Internet Engineering Task Force，網際網路工程任務組)和ITU?T(International Telecommunication Union，國際電信聯盟)制定。兩者在引數的表述方法上雖然有所不同，但是含義基本一致。這裡主要從以下幾個指標來討論網路的效能。
2.1 效能指標
2.1.1 效能指標時延
網路時延分為單向時延和往返時延。網路時延的產生主要來源於三個部分：傳送時延[Dp]、傳播時延[Dtr]和處理時延[Dvar]。傳送時延與資料長度和通道頻寬有關，其值等於資料塊長度與通道頻寬的比值。傳播時延等於通道長度與電磁波在通道上傳輸速度的比值。處理時延是指資料在交換節點為儲存轉發而進行一系列處理所花費的時間，與網路通訊量有關。其中傳送時延和傳播時延是固定時延[Dfix]，處理時延是可變時延[Dvar]。可用式(1)描述：
2.1.2 頻寬
頻寬測量分為端到端的頻寬測量和逐跳頻寬測量。端到端的頻寬測量又分為瓶頸頻寬和可用頻寬。瓶頸頻寬是路徑的固有屬性，反映了路徑的靜態特徵，測量沒有實時性要求。可用頻寬真正反映了在某一段時間內鏈路的實際通訊能力，實時性要求比較高。
目前流行的頻寬測量技術主要有三種：變包長測量技術(Variable Packet Size，VPS)，SLoPS(Self?loading Periodic Streams)測量技術和包對/包列分散測量技術(Packet Pair/Train Dispersion，PPTD)[6]。其中VPS技術是用於測量單跳的頻寬，其缺點是每一跳都會積累測量誤差，在跳數較多時，測量的精度較低。SLoPS測量技術和PPTD技術都是基於端到端的測量。SLoPS測量技術是測量可用頻寬，它用包延遲特性與有效頻寬之間的關係，來推斷當前網路的可用頻寬，實時性比較好。
2.1.3 流量
目前的測量方法可以分為兩類：基於網路管理協議的統計資料獲得流量資訊和網路偵聽[7]。傳統的做法是利用SNMP對網路重點鏈路和接入點進行流量監視、統計或者利用RMON(遠端監控)探測對部分埠進行流量採集和監視。但是該方法分析的粒度較粗，存在很大的侷限性，只適合於總流量測量和介面業務量檢測，不適合於流量分析。為了對網路流量進行深入分析，可以在分組級和流級上進行測量。分組級的被動測量和流級測量都是細粒度的測量，便於對網路流量進行更細緻的分析。 隨著計算機網路頻寬的增加和規模的擴大，對網路流量進行全面測量已不太現實，所以在實際測量中採用流量抽樣測量技術。RFC2330中規定抽樣時間分佈可以是固定時間間隔、隨機時間週期、泊松分佈時間和幾何分佈時間等[8]。使用固定時間間隔的抽樣，即週期抽樣是常用的抽樣方法，其問題在於：不適用於週期性的測量物件;週期性的測量行為可能會干擾測量物件。隨機間隔抽樣是比較合理的抽樣方式。傳統的流量測量模型使用泊松模型。Leland等人在1994年發現了乙太網流量的自相似特性，此後Pax?son，Crovella等人驗證了網路具有廣泛的自相似特性，從而解決了泊松模型和馬爾科夫模型不能解釋的網路現象。
2.1.4 丟包率
在網路裝置和鏈路均無故障的情況下，丟包率主要與網路擁塞程度有關。當網路出現故障時，丟包率往往比較大，可能的原因也是多方面的，如裝置配置、裝置故障、鏈路故障等。
為了評估網路的丟包率，一般採用直接傳送測量包來進行測量，但對丟包率進行準確的評估與預測則需要一定的數學模型。目前評估網路丟包率的模型主要有貝努利模型、馬爾可夫模型和隱馬爾可夫模型等等。丟包率測量的具體過程為：傳送源和接收者都設定各自的同步時鐘;傳送源選取傳送源和接收者的IP地址，生成一個含有時間戳的探測包;接收者安排接收探測包;傳送源將把設定有時間戳的探測包傳送給接收者;如果該包在允許時間內達到接收者，則認為丟包率為0。
另外，網路測量的效能指標還包括分組轉發率、通道利用率、頻寬利用率、時延抖動等參量，針對不同的業務型別和測試目的，網路測量的側重點也有所不同，對其他效能指標不再做詳細介紹。
2.2 關鍵技術
2.2.1 連通性測試技術
連通性嚴格說應該是網路的基本能力或屬性。最簡單最常用的測試方法是用ping進行連通性測試。
2.2.2 拓撲測量技術
拓撲測量是指發現網路節點並確定網路節點之間的連線關係，包括互聯裝置(如路由器、交換機、網橋等)、主機等。網路拓撲圖是網路拓撲的視覺化表現。獲得網路的拓撲圖對於網路管理人員總體把握網路情況，對網路部件的安裝、配置和故障定位都具有重要意義。網路拓撲發現演算法主要發生在網路層和資料鏈路層，分別稱為邏輯網路拓撲發現演算法和物理網路拓撲發現演算法。目前的網路拓撲發現演算法主要有基於各種協議的網路拓撲發現演算法(如ICMP，OSPF，DNS，SNMP等)、基於地址轉發表的拓撲發現演算法、基於埠流量的拓撲發現演算法等。但是每一種演算法，都存在自己的弊端，導致探測到網路拓撲結構不夠全面。
2.2.3 “噪聲”分組過濾技術
在主動測量中，測量結果難免受到“噪聲”分組(也成背景流量Cross Traffic)的影響。“噪聲”分組是指夾雜在探測分組中，或處於探測分組前、後對測量結果造成影響的業務分組[9]。文獻[9]中指出，在測量鏈路瓶頸頻寬時，採用分組對(Pacekt pair)或多分組(Multi?packet)技術，當探測分組在瓶頸鍊路處相鄰排隊時，可能會在中間有其他分組，導致時間擴充套件，或在鏈路之後存在其他分組，導致時間壓縮，這些都會導致測量誤差。常用的過濾方法主要有三種：求均值法，但是由於網路隨機性大，該方法的測量誤差較大;在測量的統計結果中選密度最大的點;在統計學中使用非引數估計法和密度估計演算法。
2.2.4 網路推理技術
網路推理技術是用於網路效能引數難以直接得到，利用便於測量得到的部分網路資訊，估計網路效能引數的方法。近來，人們將各領域成功應用的成熟理論和方法應用於網路推測，衍生出了網路斷層掃描或網路層析(Network Tomography，NT)技術，根據網路外部(網路端點或邊界)的測量來分析和推斷網路的內部效能和拓撲結構[8]。網路推理技術屬於系統識別和引數估計範疇，常用的估計方法有最小二乘估計、最大似然估計和期望最大化演算法等，可以根據需要選擇相應的方法。但是該技術計算複雜度高，計算精度不夠高。
除以上測量技術外，還有涉及其他技術問題，如網路測量中的抽樣問題，測量探測點的選取問題，時鐘同步的問題，誤差校正技術等。
3 網路測量方法
網路測量的方法分類較多，從不同角度看，分類也各不相同。
(1)主動測試和被動測試
主動測試是通過向網路中傳送測試流，根據這些測試流的傳輸情況來了解網路行為。例如，通過在一端傳送UDP分組，而在另一端接收該分組，該方法可以測量端到端的時延、丟包率、路由資訊等。該方法具有靈活性好，目的性強，易於控制等優點，但是也存在測試流會佔用網路資源，影響網路效能等缺點。被動測試是利用資料採集器，捕獲網路業務流並對其進行分析的方法。該方法無需向網路主動傳送流量，不會佔用網路資源。但是它依賴於網路監測裝置的效能，侷限性比較大;它只能瞭解網路的區域性效能;該方法還可能存在隱私和安全問題。在實際的測量中，也常常採用主動測試和被動測試相結合的方法。
(2)單點測量和多點測量
在傳統的網路測量中，由於網路規模小，測量技術受限，常常採用單點測量，但是單點測量測量能力有限，獲得的資訊往往不夠全面。對於大規模的網路，必須設定多個測量點，得到比較詳盡的、綜合的大規模網路資料以及單點測量所得不到的資訊[10]。大部分的網路測量都是分散式的多點測量。
(3)協作式測量和非協作式測量
協作式測量是指需要被測網路的配合而進行的網路測量。對於網路運營者來說，可以掌握網路的執行狀況，業務分佈情況，找出瓶頸等，以便於有效的管理網路。這種測量既可得到端到端的效能測量結果也可以對網路效能進行分段分析。非協作測量不需要被測網路的參與，測量的目的往往是為了瞭解對方網路的情況，這在軍事上有非常重要的意義[1]。
4 存在問題和發展趨勢
網路測量具有廣泛的應用範圍，包括：網路故障診斷、協議排錯、網路流量特徵分析、業務效能評估、計費管理、網路入侵監測和網路行為分析等等。目前網路維護和測量方面還存在比較多的問題：
(1)資料傳輸過程的干擾因素多，網路的不確定性很多。在網路效能參量中，可變成分的測量始終是測量的難題。如鏈路頻寬的不對稱性，網路擁塞程度的不確定性等都為網路測量帶來了困難。而且某些參量的實時性要求比較高，單純通過增加測量次數的方法來衡量網路效能，不夠合理。所以對於不同的干擾因素的過濾方法值得深入考慮。
(2)網路測量的準確度問題。如在網路拓撲探測時獲得較大的網路探測覆蓋率的問題;對於不支援某些協議的網路裝置的檢測問題等等。目前網路測量的準確度不高，測量週期長，難以迅速的發現網路瓶頸，定位網路故障。
(3)不同測量方法和測量成果的融合。在國內，幾乎所有大學都會有研究人員選取網路測量與分析的某個方面進行相關研究，但是這些研究成果較為分散，如何有效地整合這些科研成果進而轉化為工程應用，提升網路測量的效能，這些都是今後努力的方向[7]。
5 結 語
本文主要從網路測量體系結構、效能指標、關鍵技術、測量方法及發展趨勢等方面對網路測量進行了全面介紹。對於從整體把握網路測量核心技術，瞭解網路發展動態具有重要意義。隨著網際網路規模的擴大、通訊量的增加和新增功能的實現，關於網路技術研究的廣度和深度不斷增加，其應用領域更加廣泛。研究網路測試的新技術、新方法對於提高網路可靠性，更好地服務於人們生活具有深遠意義。
參考文獻
[1] 裴昌幸，朱暢華，韓寶彬，等.現代通訊系統與網路測量[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[2] 朱暢華，裴昌幸，李建東，等.網路測量及其關鍵技術[J].西安電子科技大學學報：自然科學版，2012，29(6)：813?818.
[3] 王繼龍，吳建平.大規模計算機網際網路絡效能監控模型的設計與實現[J].計算機研究與發展，2000，37(4)：443?452.
[4] 謝應科，王建東，祝超，等.網路測量中高精度時間戳研究與實現[J].計算機研究與發展，2010，47(12)：2049?2058.
[5] 崔丙鋒，楊震，丁煒.網路測量中的關鍵技術[J].現代電信科技，2007(7)：34?36.
[6] 談傑，李星.網路測量綜述[J].計算機應用研究，2006(2)：5?9.
[7] 陳曉霞，任勇毛，李俊，等.網路測量與分析研究綜述[J].計算機系統應用，2010，19(7)：244?249.
[8] 王海濤網路測量技術簡析[J].電信快報，2010(5)：7?10.
[9] 潘飛，高嶺.網路測量及其關鍵技術[J].計算機技術與發展，2006，16(7)：99?104.
[10] 王海濤，付鷹.網路測量方法和關鍵技術[J].電信工程技術與標準化，2010(7)：61?66.