網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)主動(dòng)測(cè)量技術(shù)的研究.pdf

1、Internet是一個(gè)龐大的分布式網(wǎng)絡(luò)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多新型的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shí)，Internet的規(guī)模和復(fù)雜性也在不斷增加，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃和管理操作越來越困難。深入全面地認(rèn)識(shí)和了解Internet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，高效準(zhǔn)確地描述Internet的運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)特性，是評(píng)估服務(wù)質(zhì)量、開發(fā)新型應(yīng)用、保障網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵。所以，研究網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)的測(cè)量技術(shù)具有十分重要的意義。

2、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)包括主動(dòng)方式和被動(dòng)方式兩種。主動(dòng)測(cè)量方法按照一定的策略，有目的地主動(dòng)產(chǎn)生探測(cè)流量，根據(jù)探測(cè)流受網(wǎng)絡(luò)影響而發(fā)生某些特性變化的情況做出分析，進(jìn)而推測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)行為參數(shù)。被動(dòng)測(cè)量方法通過捕獲網(wǎng)絡(luò)正在傳輸?shù)膱?bào)文分組，或者通過讀取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備記錄的流量信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的測(cè)量和估計(jì)。被動(dòng)測(cè)量方法只適用于網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)存在所感興趣的流量分組的條件，捕獲的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文信息可能侵犯用戶隱私和影響網(wǎng)絡(luò)安全，所以當(dāng)前對(duì)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)的研究以主動(dòng)發(fā)

3、送探測(cè)分組的方式為主。 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)包括分組丟失率、網(wǎng)絡(luò)可用帶寬、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)等。分組丟失率描述了網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度，在測(cè)量?jī)啥丝梢韵鄬?duì)簡(jiǎn)單地通過被動(dòng)或主動(dòng)方式測(cè)量得到。網(wǎng)絡(luò)可用帶寬描述了網(wǎng)絡(luò)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(bào)文分組的能力，是衡量網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，也是一項(xiàng)比較難以測(cè)量的指標(biāo)。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)可用帶寬主動(dòng)測(cè)量技術(shù)包括單分組技術(shù)、自導(dǎo)擁塞技術(shù)、分組對(duì)間隔模型技術(shù)等。這些技術(shù)對(duì)于不同的測(cè)

4、量目標(biāo)和適用范圍，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)同樣是重要的性能指標(biāo)參數(shù)，它們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的應(yīng)用中具有嚴(yán)格的要求。由于測(cè)量端之間存在著時(shí)鐘偏差和時(shí)鐘頻差的不同步問題，網(wǎng)絡(luò)端到端單向時(shí)延的測(cè)量遠(yuǎn)比雙向往返時(shí)延的測(cè)量困難得多。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP是實(shí)現(xiàn)測(cè)量端時(shí)鐘同步的一般技術(shù)。這兩種技術(shù)固有的一些局限性使得它們無法在Intemet環(huán)境下廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)有在Internet環(huán)境下使用的測(cè)量時(shí)鐘相對(duì)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(shí)鐘頻差對(duì)單向時(shí)延測(cè)量結(jié)果的影響呈線性關(guān)系，所以對(duì)于時(shí)鐘頻差的測(cè)量技術(shù)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(biāo)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(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)測(cè)量技術(shù)，包括： 一、提出了基于優(yōu)先權(quán)探測(cè)分組對(duì)的網(wǎng)絡(luò)可用帶寬測(cè)量技術(shù)。本文首先分析了探測(cè)分組在鏈路節(jié)點(diǎn)隊(duì)列處的排隊(duì)行為，對(duì)比了傳統(tǒng)基于一般探測(cè)分組對(duì)的報(bào)

6、文間隔模型的基本測(cè)量方法，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有方法在網(wǎng)絡(luò)可用帶寬測(cè)量方面的局限性：測(cè)量路徑只有單一瓶頸鏈路的假設(shè)前提、只捕捉背景流競(jìng)爭(zhēng)報(bào)文而沒有考慮排隊(duì)報(bào)文、只適用于唯一瓶頸鏈路的測(cè)量。針對(duì)這些不足，本文提出了創(chuàng)新的基于“優(yōu)先報(bào)文一普通報(bào)文”探測(cè)分組對(duì)的測(cè)量技術(shù)，利用高優(yōu)先權(quán)探測(cè)分組不需要排隊(duì)等候而普通探測(cè)分組需要排隊(duì)等候的特點(diǎn)，獲取服務(wù)隊(duì)列中背景流報(bào)文排隊(duì)的信息。運(yùn)用經(jīng)典排隊(duì)理論的有關(guān)推論，得到排隊(duì)時(shí)間均值與鏈路利用率之間的關(guān)系，再以利用率估計(jì)

7、鏈路的可用帶寬。由于優(yōu)先權(quán)探測(cè)分組與普通分組具有不同的排隊(duì)行為，所以新方法選擇的分組隊(duì)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(shè)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(jì)的準(zhǔn)確性和有效性。本文通過實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證了新方法對(duì)比傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果表明在各種復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多變的背景流量下，基于優(yōu)先-普通探測(cè)分組對(duì)的方法都能夠有效地跟蹤鏈路利用率的變化，準(zhǔn)確地測(cè)量和估計(jì)可用帶寬的大

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

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