IP網(wǎng)絡(luò )性能檢測技術(shù)及其發(fā)展趨勢

　　摘 要：本文重點(diǎn)闡釋了IP網(wǎng)絡(luò )性能監測的重要性，介紹了IP網(wǎng)絡(luò )性能監測領(lǐng)域的研究現狀，并在此基礎上，對IP網(wǎng)絡(luò )性能監測的主要參數、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡釋?zhuān)⒎治隽薎P網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞：IP網(wǎng)絡(luò )性能 服務(wù)質(zhì)量 性能測量 性能控制與調整

一、概述

　　IP網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量保證機制的研究是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域和電信領(lǐng)域的共同熱點(diǎn)，是在IP網(wǎng)絡(luò )上提供多媒體通信業(yè)務(wù)時(shí)的基礎之一。已經(jīng)提出了多種具體技術(shù)和相關(guān)的解決策略，這些技術(shù)和策略有著(zhù)各自的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍，當它們被綜合應用到IP網(wǎng)絡(luò )的建設和IP多業(yè)務(wù)支持的環(huán)境中時(shí)，具體的應用效果不盡相同。在這種情況下，對IP網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行測量、分析、評價(jià)、控制、調整受到越來(lái)越多的關(guān)注。IP網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)就是在這種情況下提出的。

　　IP網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)主要涉及IP網(wǎng)絡(luò )性能的測量參數的選取，測量指標的確定，具體參數的測量方法（包括測量點(diǎn)的布置，測量結果的采樣方法等），網(wǎng)絡(luò )性能的評測方法，網(wǎng)絡(luò )性能的控制與調整策略等內容。目前在這些領(lǐng)域均取得了一些研究成果，但是從整體研究水平來(lái)看，尚處于起步階段。這個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展空間較大，尤其是隨著(zhù)各種IP QoS保證技術(shù)在IP網(wǎng)絡(luò )中的應用，IP網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)會(huì )受到更多的重視，將成為新的IP網(wǎng)絡(luò )研究熱點(diǎn)。

二、IP網(wǎng)絡(luò )性能監測的重要性

　　在IP網(wǎng)絡(luò )中采用網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)，可以實(shí)現：

　?。?）實(shí)時(shí)監測網(wǎng)絡(luò )狀況

　　能實(shí)時(shí)獲得網(wǎng)絡(luò )的當前運行狀況，減輕運維人員的工作負擔。能在網(wǎng)絡(luò )出現故障或擁塞時(shí)發(fā)出自動(dòng)告警，在網(wǎng)絡(luò )即將出現瓶頸前給出分析和預測。

　?。?）合理規劃和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )

　　通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )流量的監視、數據采集和分析，給出詳細的鏈路和節點(diǎn)流量分析報告，獲得流量分布和流向分布、報文特性和協(xié)議分布特性，為網(wǎng)絡(luò )規劃、路由策略、資源和容量升級提供依據。

　?。?）引導提供網(wǎng)絡(luò )增值業(yè)務(wù)

　　通過(guò)對業(yè)務(wù)占用帶寬的分布、業(yè)務(wù)會(huì )話(huà)的統計分析，能夠了解和分析網(wǎng)絡(luò )特性和用戶(hù)使用偏好，引導開(kāi)發(fā)和規劃新的網(wǎng)絡(luò )應用和業(yè)務(wù)平臺，進(jìn)行增值業(yè)務(wù)的拓展和市場(chǎng)宣傳，引導用戶(hù)需求。

　?。?）靈活的資費標準

　　通過(guò)對用戶(hù)上網(wǎng)時(shí)長(cháng)、上網(wǎng)流量、網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)以及目的網(wǎng)站的數據分析，擺脫目前單一的包月制，實(shí)現基于時(shí)間段、帶寬、應用、服務(wù)質(zhì)量等更加靈活的資費標準。

　?。?）有力支撐業(yè)務(wù)平臺

　　通過(guò)具體的流量數據獲得業(yè)務(wù)的經(jīng)營(yíng)情況和用戶(hù)的認可程度，引導后續發(fā)展，而改進(jìn)的結果仍需要流量來(lái)驗證，最終實(shí)現業(yè)務(wù)拓展流程的良性循環(huán)。

　　IP網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)的研究成果可用于互聯(lián)網(wǎng)運營(yíng)商、電信運營(yíng)商、擁有IP專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的企業(yè)、測試服務(wù)提供商、測試工具開(kāi)發(fā)商以及政府主管部門(mén)等，對于分析、確定現有IP網(wǎng)絡(luò )存在的潛在問(wèn)題，評價(jià)和比較網(wǎng)絡(luò )改造方案，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )性能等方面都有很大幫助。其現實(shí)意義在于以下幾個(gè)方面。

　?。?）對消費者而言，其可以根據不同運營(yíng)商的IP網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量狀況和IP網(wǎng)上開(kāi)展的新業(yè)務(wù)，進(jìn)行比較，做出更合理的選擇，同時(shí)，還可以判斷運營(yíng)商是否違反了服務(wù)承諾。

　?。?）對運營(yíng)商而言，首先，服務(wù)質(zhì)量公告是規范IP網(wǎng)服務(wù)市場(chǎng)的需要；其次，客觀(guān)的評估服務(wù)質(zhì)量也是運營(yíng)商開(kāi)展新業(yè)務(wù)從而獲得增值利潤的需要。

　?。?）對電信產(chǎn)品制造商而言，在產(chǎn)品設計、開(kāi)發(fā)、出廠(chǎng)測試的環(huán)節應該突出產(chǎn)品在實(shí)際應用環(huán)境中的表現能力測試，調整產(chǎn)品研發(fā)思路，注重針對不同網(wǎng)絡(luò )應用環(huán)境的極限測試，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

　?。?）對政府監管部門(mén)來(lái)說(shuō)，通過(guò)對不同電信運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )的測試和評估，可以公布運營(yíng)商的IP網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量狀況，是能促進(jìn)運營(yíng)商公平競爭和改善服務(wù)質(zhì)量，解決服務(wù)質(zhì)量糾紛的有力手段。

　　綜上所述，開(kāi)展IP網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)的研究具有重要的現實(shí)意義，通過(guò)對相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和積極的社會(huì )效益。 

  三、IP網(wǎng)絡(luò )性能的主要監測對象

　　1. 網(wǎng)絡(luò )性能測量參數

　　根據中國通信標準化協(xié)會(huì )已完成的《IP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)要求——性能參數與指標》（報批稿）的有關(guān)規定，用戶(hù)所關(guān)心的IP網(wǎng)絡(luò )端到端的服務(wù)質(zhì)量的參數主要包括以下幾個(gè)。

　?。?）可用性：用于表明網(wǎng)絡(luò )是否可以使用的參數。如果一個(gè)端到端IP網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的包丟失率低于一定的門(mén)限值，則認為該端到端IP網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)是可用的，否則就是不可用的。根據可用性的定義，可以把IP網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的全部持續時(shí)間分為可用時(shí)間和不可用時(shí)間（不可用時(shí)段就不應支付使用費用）。

　?。?）IP包傳輸時(shí)延：IP包傳輸時(shí)延定義為穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )段，傳送IP包所經(jīng)歷的時(shí)間（不考慮傳送成功與否）。

　?。?）IP包丟失率：IP包丟失率是丟失的IP包傳送結果與所有IP包的比值。

　?。?）IP時(shí)延變化（即抖動(dòng)）：連續傳遞時(shí)，包與包之間的時(shí)間延遲的變化。

　?。?）IP包誤差率：是錯誤IP包傳送結果與成功IP包傳送結果加錯誤IP包傳送之和的比值。

　?。?）虛假I(mǎi)P包率：指在一個(gè)特定時(shí)間間隔內，在測量點(diǎn)上觀(guān)測到的虛假I(mǎi)P包數量除以該時(shí)間間隔。

　　在上述測量的基礎上，需要綜合分析從而獲得：

　?。?）網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路利用率和趨勢、流量分布、流量走向。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )區域間的流量模式，即以網(wǎng)絡(luò )拓撲為依據劃分被測流量，突出網(wǎng)絡(luò )規劃和運維的目的。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的流量模式，即測量用戶(hù)或用戶(hù)群的流量特征，突出用戶(hù)管理和客戶(hù)服務(wù)的目的，也是用戶(hù)SLA保證的基礎。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的流量模式，測量網(wǎng)絡(luò )中指定業(yè)務(wù)的流量模式和質(zhì)量，突出網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)規劃和運營(yíng)的目的。

　　2. 其他需要測量的參數

　　除了上述與網(wǎng)絡(luò )性能直接相關(guān)的參數以外，其他一些與網(wǎng)絡(luò )設備有關(guān)的參數對于IP網(wǎng)絡(luò )性能也有重要的影響，包括：處理器利用率、內存剩余空間、溫度、電壓、開(kāi)機時(shí)間、系統版本、緩沖區故障計數、緩沖區遺失計數以及其他性能指標。

四、IP網(wǎng)絡(luò )性能監測的關(guān)鍵技術(shù)

　　IP網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)所涉及的技術(shù)較多，下面著(zhù)重對幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

　　1. 網(wǎng)絡(luò )性能參數的采集方法

　　通常情況下，網(wǎng)絡(luò )管理人員只對幾個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò )環(huán)節進(jìn)行QoS監測。因此可考慮三種方式來(lái)實(shí)現對重要環(huán)節網(wǎng)絡(luò )性能的監測。

　?。?）直接使用現有路由器或交換機自身具備的流量測量功能，具體利用路由器的NETFLOW軟件來(lái)實(shí)現。在這種方式下，大流量的數據采集會(huì )消耗設備的CPU和存儲資源，一般采用抽樣技術(shù)，觀(guān)測粒度較粗。而且目前的標準不完善，IPFIX尚處于討論階段。另外由于高速接口的流量監測設備成本相對較高，需要在網(wǎng)絡(luò )設備中或在網(wǎng)絡(luò )中添加專(zhuān)用的數據采集設備。

　?。?）在路由器上采用ISE卡實(shí)現對重點(diǎn)鏈路的監控。

　?。?）在IP傳輸鏈路中串入或并入流量分析設備來(lái)獲得流量信息。

　　通過(guò)上述監測機制可以獲得網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)信息，一方面，這種狀態(tài)信息要成為路由策略的重要參數，以便在感知到網(wǎng)絡(luò )阻塞發(fā)生或將要發(fā)生時(shí)能夠實(shí)時(shí)地改變網(wǎng)絡(luò )路由。目前，這方面的研究已經(jīng)在IETF展開(kāi)，也提出了一些基于QoS的路由算法，但是支持這些新型路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )設備并不多。另一方面，這些網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息可以為網(wǎng)絡(luò )管理人員對網(wǎng)絡(luò )運行狀況進(jìn)行預測和把握提供事實(shí)依據，從而可以非實(shí)時(shí)地對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行調整，以提升網(wǎng)絡(luò )性能。

　　2. 網(wǎng)絡(luò )性能測量點(diǎn)的布置與管理

　　采用上述三種測量方式以后，相當于在網(wǎng)絡(luò )中配置了多個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能探測器，這些探測器采用分布式測試、集中式綜合分析模式工作。這些探測器應該能夠為多個(gè)用戶(hù)的多個(gè)性能監測服務(wù)，這樣才能降低建設成本，并能夠真正開(kāi)展面向更多用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )性能監測服務(wù)。

　　網(wǎng)絡(luò )中的多個(gè)探測器可以組成多個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能監測域，一個(gè)探測器可以邏輯上屬于多個(gè)監測域。也就是說(shuō)，一個(gè)探測器可以同時(shí)為多個(gè)用戶(hù)服務(wù)，一個(gè)探測器也可以同時(shí)執行多個(gè)監測任務(wù)。因此要求研究網(wǎng)絡(luò )性能監測域的靈活的邏輯劃分和管理方法。

　　3. 網(wǎng)絡(luò )性能的采樣測量技術(shù)

　　考慮到網(wǎng)絡(luò )負載和探測器負載，通常對于一些參數不能長(cháng)時(shí)間的連續測試，而是要采用適當的采樣技術(shù)，即在時(shí)間軸上依據一定的算法，抽取部分測量時(shí)間點(diǎn)，在測量時(shí)間點(diǎn)上對關(guān)心的參數進(jìn)行測量并記錄。采樣技術(shù)可以直接削減探測器的工作量，減輕網(wǎng)絡(luò )的負載，減少網(wǎng)絡(luò )設備的壓力，進(jìn)而可以降低對探測器的技術(shù)要求，降低產(chǎn)品成本。

　　在時(shí)間軸上選取采樣時(shí)間點(diǎn)的算法很多，主要包括以下兩種。

　?。?）固定時(shí)間間隔周期性采集數據，在后處理過(guò)程中依據一定的線(xiàn)性預測算法進(jìn)行建模，使點(diǎn)數據延展為連續數據。

　?。?）自適應時(shí)間間隔采集數據，在后處理中依據一定的非線(xiàn)性預測算法，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的方式將點(diǎn)數據延展為連續數據。自適應的時(shí)間間隔算法可以在一定程度上增加對網(wǎng)絡(luò )流量突發(fā)事件的發(fā)現概率，即在流量變化較為頻繁或劇烈的時(shí)間段加大采集密度，在流量較為平緩的時(shí)間段降低采集密度。

　　在應用采樣技術(shù)時(shí)，也要注意到存在這樣一些問(wèn)題。

　　首先，在時(shí)間軸上進(jìn)行壓縮不是流量測量數據壓縮的首選方法，因為一般的采樣算法并不能實(shí)現真正地制作數據縮略圖，以根據運維人員的需求對數據進(jìn)行縮放。

　　其次，采樣算法對數據采集的效果影響很大。目前一般設備采用的時(shí)間采樣點(diǎn)的計算方法和采集方法都遠不是最優(yōu)算法，有較大的誤差，信息的丟失也很?chē)乐?，往往不能即時(shí)準確地捕獲網(wǎng)絡(luò )中的異常事件。

五、IP網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　1. IP網(wǎng)絡(luò )性能測量

　　網(wǎng)絡(luò )性能監測技術(shù)實(shí)際上包括兩個(gè)部分，一個(gè)是性能測量，一個(gè)是性能控制與調整。目前，對于網(wǎng)絡(luò )性能測量技術(shù)的研究越來(lái)越受重視，但是就整體研究水平來(lái)講，還處于初級階段。表現在測試理論的研究還有待深入，原來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)是單個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備的性能測量，現在的研究重點(diǎn)已經(jīng)向整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò )的性能測量方面轉變。原有的用來(lái)衡量單個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備的性能參數不能直接用來(lái)衡量整網(wǎng)的性能，對于能夠從整網(wǎng)角度來(lái)反應IP網(wǎng)絡(luò )性能的參數的研究，在IETF和ITU中都在進(jìn)行。在參數確定以后，相應的測量方法、指標確定、綜合評價(jià)都是要研究的內容；另外，從整網(wǎng)角度來(lái)建立IP網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量評價(jià)體系也是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

　　2. IP網(wǎng)絡(luò )性能控制與調整

　　對于網(wǎng)絡(luò )性能的控制與調整的研究，很早就開(kāi)展了，但是這方面的成果比網(wǎng)絡(luò )性能測量方面的成果要少，這是因為一方面，這種網(wǎng)絡(luò )性能需要實(shí)時(shí)調整的需求才出現不久；另一方面，對網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行調整需要對現網(wǎng)中的設備進(jìn)行升級，路由協(xié)議需要完善，必要時(shí)還要建立相對獨立的信令系統，實(shí)施的難度較大。

　　在網(wǎng)絡(luò )性能控制與調整方面，以后的目標是：

　?。?）提供主動(dòng)的控制功能

　　不僅僅局限于對網(wǎng)絡(luò )性能狀況的獲得，還能夠通過(guò)純硬件的設計實(shí)現業(yè)界標準的流控算法進(jìn)行靈活的流量控制，主動(dòng)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。

　?。?）滿(mǎn)足重點(diǎn)監控需要

　　提供豐富的特征參數監控，可以進(jìn)行靈活的復合設定，全面滿(mǎn)足運營(yíng)商的需要，也可以通過(guò)定制來(lái)實(shí)現特定要求。

　?。?）降低互聯(lián)互通成本

　　獲得重點(diǎn)出口中繼鏈路的利用率，用戶(hù)和協(xié)議分布，源和目的網(wǎng)段間的流量分布和趨勢，提供運營(yíng)和互聯(lián)成本分析。

　?。?）實(shí)現區分服務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量

　　性能監控獲得的數據，可進(jìn)行高低優(yōu)先級客戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )資源占用率分析、服務(wù)質(zhì)量的監測。通過(guò)資費政策的調節、業(yè)務(wù)等級的區分，在中繼線(xiàn)路上實(shí)施流量控制，優(yōu)先保證高優(yōu)先客戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )安全和抵御DOS攻擊

　　通過(guò)連接會(huì )話(huà)數的跟蹤，源目的地址對的分析，TCP流的分析，能夠及時(shí)發(fā)現網(wǎng)絡(luò )中的異常流量和異常連接，偵測和定位網(wǎng)絡(luò )潛在的安全問(wèn)題和攻擊行為，保障網(wǎng)絡(luò )安全。

　?。?）建立完善的監控系統

　　支持同時(shí)從多個(gè)網(wǎng)關(guān)獲取流量數據，實(shí)現分布式流量監控系統，便于在未來(lái)建立完善的網(wǎng)絡(luò )性能監控網(wǎng)，保護前期投資。對外提供標準的數據庫接口，可與其他運營(yíng)支撐系統共享數據。

　　 參考文獻

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　　[2] 曹薊光．多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量相關(guān)問(wèn)題的研究．現代電信科技，2004（11）