端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測技術研究.pdf

1、以TCP／IP協(xié)議為基礎的互聯(lián)網(wǎng)得到了迅猛發(fā)展和廣泛應用，已經(jīng)并正在改變著人們的工作、學習和生活方式。而網(wǎng)絡服務質(zhì)量、可管理性、網(wǎng)絡模型等對互聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。由于互聯(lián)網(wǎng)固有的異構(gòu)性、復雜性、開放性和動態(tài)性等特點，以及網(wǎng)絡及其應用的飛速發(fā)展，人們迫切需要對網(wǎng)絡行為有透徹的理解，可以對網(wǎng)絡整體進行監(jiān)測管理和建模，保障服務質(zhì)量，特別是端到端服務質(zhì)量。 端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測技術的研究將為互聯(lián)網(wǎng)的科學管理和有效控制、科學規(guī)劃和

2、合理利用、高效的協(xié)議、設備、應用的開發(fā)及部署提供科學依據(jù)和有力輔助。本文對端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測技術進行了深入調(diào)研，回顧了技術發(fā)展歷程，分析了性能監(jiān)測指標體系的定義，測量方法的分類和評價標準，總結(jié)了已有大規(guī)模端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測系統(tǒng)的研究進展、特點等，針對高效、準確的指標測量方法，測量實現(xiàn)協(xié)議差異，測量系統(tǒng)設計等問題進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延測量方法 對在通用PC實現(xiàn)的時延測量方法分

3、析發(fā)現(xiàn)，由于存在時鐘誤差、位置誤差其精度較差。提出一種改進的時延測量方法，以TSC寄存器計數(shù)取代系統(tǒng)時鐘計時，減少了測量的時鐘誤差；修改系統(tǒng)內(nèi)核，將時間戳記錄位置由應用程序轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡驅(qū)動，減少了測量的位置誤差。該方法測量結(jié)果穩(wěn)定，對系統(tǒng)吞吐量基本無影響。與傳統(tǒng)方法相比，可顯著降低測量誤差。該方法基于通用PC架構(gòu)，測量成本低，適于普遍采用。由于端到端最小包時延的可測性對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度下最小包時

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

5、的采樣方式為泊松包對采樣，避免了通常周期采樣、泊松采樣等采樣方式的限制。同時基于路徑排隊模型，確定了探測包對發(fā)送時間間隔的下界。 3)提出了低開銷的端到端路徑容量測量方法 定義了評價工具性能的指標集后，在自行搭建的可控網(wǎng)絡環(huán)境和可重復的多種背景流量條件下，對已有幾種典型的路徑容量測量工具性能進行了評估分析。發(fā)現(xiàn)已有工具因過濾算法不適當而測量開銷大且不準確。在此基礎上，分析了背景流量對探測包對散布時間和包對時延的影響后，提

6、出一種基于最小時延的樣本過濾算法，并分析了探測包長度、包對間時間間隔、時間戳記錄精度等影響路徑容量測量的因素。與pathrate算法相比，小背景流量負載時，二者測量準確性接近；大背景流量負載時該方法比pathrate準確。任何背景流量負載條件下，該方法的探測量開銷和測量時間均遠低于pathrate。 4)開展了測量實現(xiàn)協(xié)議差異的實驗和分析 設計了兩組對比測試，并通過實驗評估選擇了合適的測試參數(shù)以保證測試準確性，最后在互聯(lián)

7、網(wǎng)執(zhí)行大量對比實驗以比較TCP、ICMP在測量連通性、RTT和丟包率等性能指標的差異。結(jié)果表明，TCP、ICMP的連通性測量結(jié)果差異很大。RTT和丟包率測量的協(xié)議差異較復雜，與路徑負載和主機負載有很大關系；但通常TCP和ICMP所測RTT和丟包率很接近。實驗結(jié)論為端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測實現(xiàn)和測量結(jié)果評價提供了依據(jù)。 5)設計并實現(xiàn)了面向SLA的端到端互聯(lián)網(wǎng)性能監(jiān)測系統(tǒng) 綜合以上研究成果，設計并實現(xiàn)了面向SLA的端到端互聯(lián)網(wǎng)

8、性能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分布式測量、集中式控制的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了基本網(wǎng)絡性能指標的監(jiān)測功能。由于已有大規(guī)模網(wǎng)絡測量系統(tǒng)基于文件存儲測量結(jié)果的方式存在設計復雜、實時性差等不足，設計并實現(xiàn)了一個用于存儲網(wǎng)絡測量數(shù)據(jù)的管理信息庫?；谠摴芾硇畔齑鎯y量結(jié)果，使用標準的簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議通信，降低了測量數(shù)據(jù)讀寫設計的復雜性，并保證測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，解決了網(wǎng)絡測量系統(tǒng)文件存儲方式存在的不足。目前該系統(tǒng)已集成于項目組開發(fā)的分布式網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)Ne