IP网络性能测量研究现状和进展-胡治国 , 田春岐 , 杜亮 , 关晓蔷 , 曹峰.pdf

上善若水

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2022-05-20

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软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn

Journal of Software,2017,28(1):105−134 [doi: 10.13328/j.cnki.jos.005127] http://www.jos.org.cn

IP 网络性能测量研究现状和进展

∗

胡治国

田春岐

杜

亮

关晓蔷

曹

峰

(山西大学计算机与信息技术学院,山西太原 030006)

(同济大学电子与信息工程学院计算机科学与技术系,上海 201804)

通讯作者: 胡治国, E-mail: huzhiguotj@sxu.edu.cn

摘要: 网络性能测量是网络测量领域的核心分支,是指遵照一定的方法和技术,利用软、硬件工具来测试、验证

及表征网络性能指标的一系列活动总和,是量化网络性能指标、理解和认识网络行为最基本和最有效的手段,在网

络建模、网络安全、网络管理和优化等诸多领域均有广泛应用,是计算机网络领域持续的研究热点之一.介绍了该

领域的研究现状与进展,重点讨论了带宽、丢包和时延测量等方面的代表性算法,从算法的基本思想、关键技术、

实现机理入手,剖析了突发性背景流的时间不确性和多跳网络路径下的空间不确定性对带宽测量的影响、丢包测量

中应用流丢包与探测流丢包的区别与联系、时延测量中时钟偏差与时钟频差的相互作用关系等问题,并在此基础上

对网络性能测量面临的挑战、发展趋势和进一步研究的方向进行了讨论.

关键词: 网络性能;带宽;瓶颈定位;丢包;时延

中图法分类号: TP393

中文引用格式: 胡治国,田春岐, 杜亮, 关晓蔷, 曹峰.IP 网络性能测量研究现状和进展.软件学报,2017,28(1):105−134.

http://www.jos.org.cn/1000-9825/5127.htm

英文引用格式: Hu ZG, Tian CQ, Du L, Guan XQ, Cao F. Current research and future perspective on IP network performance

measurement. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software, 2017,28(1):105−134 (in Chinese). http://www.jos.org.cn/1000-9825/5127.

htm

Current Research and Future Perspective on IP Network Performance Measurement

HU Zhi-Guo

, TIAN Chun-Qi

, DU Liang

, GUAN Xiao-Qiang

, CAO Feng

(School of Computer and Information Technology, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

(Department of Computer Science and Technology, School of Electronics and Information, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract: Network performance measurement, which takes advantage of specific methods and techniques to quantify network

performance, is the core branch of the network measurement research. Network performance measurement and analysis provides the most

effective and fundamental way of quantifying network performance and characterizing network behavior. Network performance

measurement has great significance in network modeling, network security, network management and network optimization. Drawing on

the latest research progress, this paper presents the principles, characteristics and implementation mechanisms of the representative

algorithms for bandwidth measurement, packet loss measurement and delay measurement. The main discussions include temporal

uncertainty and spatial uncertainty during bandwidth measurement, the distinctness of application packet loss and probe packet loss, and

the relationship between the clock offset and clock skew. Lastly, the paper discusses some challenges and directions in the field network

performance measurement study.

Key words: network performance; bandwidth; bottleneck location; packet loss; packet delay

∗ 基金项目: 国家自然科学基金(61502289, 41401521); 山西省青年科技研究基金(2015021101)

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61502289, 41401521); Natural Science Foundation for Young

Scientists of Shanxi Province (2015021101)

收稿时间: 2016-03-03; 修改时间: 2016-06-14; 采用时间: 2016-07-28; jos 在线出版时间: 2016-10-11

CNKI 网络优先出版: 2016-10-12 16:26:51, http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2560.TP.20161012.1626.018.html

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Journal of Software 软件学报 Vol.28, No.1, January 2017

以 Internet 为代表的 IP 网络是复杂的巨系统,是人类社会信息化的标志之一,其行为影响着我们每个人的

工作和生活.对 Internet 的运行管理和管治,无论从社会、商业和技术的角度来看都愈益重要和迫切.网络测量作

为监控、理解和认识网络行为,进而优化和重新规划网络结构以及改善网络服务质量的重要手段,受到了工业

界和学术界的广泛重视

[1,2]

.概括来讲,针对 Internet 的网络测量研究,其意义主要体现在以下几个方面:(1) 为网

络行为学的研究提供重要的理论依据和准确的验证平台,是对理论模型进行验证与修正的重要基准;(2) 通过

网络测量可判断和评估当前网络对应用的支持程度;(3) 可实时检测网络拥塞状况、定位网络性能瓶颈,从而及

时了解网络运行状况;(4) 利用网络测量方法和对网络拓扑变化的分析,可对网络异常进行提前告警和建立有

效的网络安全防范机制,保证网络安全、稳定地运行

[3,4]

1996 年,美国应用网络研究国家实验室(NLANR)组织召开了互联网统计与指标分析(ISMA)研讨会,这标志

着大规模、系统化网络测量研究的开始.一批在网络测量领域有重大影响的项目应运而生,如 NIMI

[5]

,Surveyor

[6]

和 CAIDA

[7]

等.我国在该领域的研究起步相对较晚,研究成果主要来自湖南大学、国防科学技术大学、电子科

技大学、中国科学院等单位.近年来,我国科研人员陆续在国际顶尖学术会议和期刊 MOBICOM

[8]

,SIGCOMM

[9]

INFOCOM

[10]

,TON

[11]

,JSAC

[12]

,TMC

[13]

上发表了许多与网络测量相关的研究成果,如文献[14−19]等,标志着我

国在网络测量领域取得了长足的进步.

网络测量的分类标准有很多种:按测量方式不同,可分为主动测量和被动测量;按测量环境不同,可分为单

点测量和多点测量;按测量的对象不同,可分为网络拓扑测量、网络性能测量和网络流量测量;按测量点所在层

次不同,可分为网络层测量和应用层测量;按测量者是否知情,可分为协作式测量和非协作式测量;按测量所采

用的协议,可分为基于 BGP 协议、基于 TCP/IP 协议和基于 SNMP 协议的测量,等等.其中,对网络性能测量的研

究最为集中,影响也最为广泛.虽然不同组织和文献对网络性能参数的定义不尽相同,但绝大多数的研究都将带

宽、丢包、时延和抖动作为评价网络性能的基本参数指标,并据此分析网络的连通性、可靠性、稳定性和安全

性.上述参数中,抖动是时延值变化情况的体现,只需通过对时延测量结果的分析就能得到对应的抖动值.因此,

网络性能测量又可具体分为带宽测量、丢包测量和时延测量.

针对网络性能测量,国内已有一些综述性文章,如文献[20−22]等,但主要关注于带宽测量算法的介绍,对影

响算法性能的关键因素,如突发性背景流下的时间不确性和多跳网络路径下的空间不确性对带宽测量的影响

缺乏认识;对丢包测量和时延测量算法目前还鲜有文献进行介绍和剖析.基于上述考虑,本文以带宽、时延、丢

包测量中的代表性算法为主要研究对象,以此梳理各测量技术涉及到的基本概念、算法思想、实现机理和存在

的问题,并对未来网络性能测量的研究方向进行了讨论.

1 带宽测量算法

1.1 基本概念

定义 1(背景流量(cross traffic)). 这是指网络路径上已经存在的流量.若背景流量在任意时刻的传输速率

保持不变,则称背景流为恒定背景流或流体模型,其他类型背景流则称为突发背景流或非流体模型.

定义 2(链路带宽(link bandwidth)). 链路带宽又称为链路容量(link capacity),是指在无背景流量条件下,链

路所能提供的最大传输速率.

定义 3(路径带宽(path bandwidth)). 路径带宽又称为路径容量(path capacity),是指在无背景流量条件下,

网络路径所能提供的最大传输速率.

定义 4(可用带宽(available bandwidth)). 这是指在不影响背景流传输速率的情况下,链路能为其他应用提

供的最大传输速率.文献[23]对流体模型和非流体模型下的可用带宽分别进行了定义,即,流体模型下链路的可

用带宽为 avbw=Capacity−CrossTraffic

Δt

,Capacity 为链路容量,CrossTraffic

Δt

为Δt 时间内通过该链路背景流的平

均速率;非流体模型下链路的可用带宽:

ΔΔ

CCT

avbw

−

,LC

Δt

为在时间段Δt 内能通过链路 L 的总比特数,

Δt

为在时间段Δt 内流过链路 L 的比特数.

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