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1、,第9章 网络测量,【内容提示】随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，网络测量在网络管理和网络应用中显得越来越重要。本章拟就网络中的时延、丢包率、带宽和流量等的测量，以及网络应用中的控制业务量和P2P业务量的测量进行讨论，同时也给出网络测量仪表和网络测量系统的基本知识，建立相关概念、给出一般方法、总结与网络测量相关的规律。对于检测技术而言，网络测量是一个全新的领域，虽然一些网络量的检测仍处在探索和研究阶段，但这并不妨碍我们对其基本概念和内容的认知。,9.1.1 网络测量技术,网络测量 (network measurement) 技术是在互联网迅速发展、网络服务范围逐渐扩大的形势下诞生的。它的出现
2、，对于实时掌握网络运行状态，合理调度网络资源，以及实现对网络应用的控制，有着重要的意义。网络测量是按一定的方法和技术，利用软件和硬件工具，对网络性能或者特征进行的一系列测试或检验活动。它包含三个要素：测量对象、测量环境和测量方法。网络测量的目的是为管理网络、使用网络和了解网络行为提供依据。,依据网络测量使用的手段、方式和规模的不同，网络测量形式有网络测量工具、网络测试仪表和网络测量系统。网络测量工具主要用软件来实现，完成对网络性能测量与故障,9.1 概述,网络层的测量针对网络中的信息流活动，目前已经发展了一些测量协议与工具。主要协议有：简单网络管理协议(simple network manag
3、ement protocol, SNMP)、远程监视(Remote MONitor, RMON)、因特网控制消息协议(internet control message protocol, ICMP)、传输控制协议(transmission control protocol, TCP)和用户数据报协议(user datagram protocol, UDP)等。近几年，互联网工程任务组织(Internet Engineering Task Force, IETF)制,诊断，它运行于操作系统之上；网络测试仪表通常指手持式或台式网络测量仪，用于现场监测和维护；网络测量系统一般针对大规模高速IP主干网
4、进行监督和运行管理，分布于多处的探测点实时获得现场数据，系统综合分析和显示网络运行状况。 依据不同的划分准则，网络测量的分类也有所不同。按是否向被测网络“注入”额外测量流量，可将网络测量分为主动测量和被动测量，根据测量对象和研究目标不同，网络测量可分为拓扑测量和性能测量，根据测量对象所属协议层次不同，网络测量可分为网络层测量和应用层测量，根据测量设备的数量与分布情况，网络测量也可分为单点测量和多点测量。 由于网络化控制系统（networked control systems, NCS）是通过网络链路，将分布在不同场所的控制器、执行器、被控对象和传感器连接起来的分布式体系结构形式，它借助网络链路
5、、按照一定的规则，进行实时信息调度、传输，最终实现对被控制对象的控制。本质上，它是一种网络应用。所以将网络测量分为网络层测量和控制应用层测量，似乎更符合网络化控制系统实际。网络层测量表现网络基本性能、路由行为和网络可用性等内容，控制应用测量反映控制性能和质量。,9.1.2 网络控制系统的测量,控制系统引入网络，形成诸如以太网、CAN、令牌传递总线和ATM交换网络等控制网络之后，基于网络的控制系统除了原有的被控物理量，如温度、压力、流量、液位、速度等的测量之外，又增加了网络链路的测量，如网络时延、丢包、失序、带宽、流量等。前者的测量属控制应用测量，而后者是在网络环境下衍生出来的，属网络层测量，且
6、与控制应用测量有联系与区别。 网络化控制系统作为一种网络应用形式，十分需要网络测量技术提供网络运行状态和应用状态的信息，以便采取相应措施，实现网络信息的高效利用和预期目标的精准控制。,在网络化控制系统中，虽然控制应用层测量与网络层测量都属网络测量，但它们却隶,定了一些关于IP网络测量的主动测量和被动测量协议。主动测量协议有：IP测量协议（IP measurement protocol, IPMP）、单向主动测量协议（one-way active measurement protocol, OWAMP）和双向主动测量协议（two-way active measurement protocol，T
7、WAMP）；被动测量协议有IP流量信息输出（IP flow information export，IPFIX）协议和IP数据包采样协议规范（packet sampling protocol specifications，PSAMP）等。 利用测量工具可实现对网络的测量，获得需要的实时参数和动态性能。常用的软件工具主要有：Ping、Tracert、Netstat、Net、Tcpdump 等。另外，PortScan和 SupperScan可用于检测某段网络的主机开放了哪些 TCP 和 UDP 端口，NetXRay 既可接收、分析和传送数据包，又可监查网络故障。,属不同网络协议层次，控制系统的被控量
8、测量属应用测量，它反映控制业务质量，如被控量的超调量、调节时间、振荡次数等；而描述网络性能和特征的测量属网络层测量，它反映网络运行状态，如网络诱导时延、负载、流量、数据丢失等。一般来说，控制应用建立在网络层基础上，其性能受网络层性能制约，同时，控制应用行为又是产生网络流量的源头，是导致形成网络特性的主要因素之一。网络层的性能指标是影响控制应用性能的一个主要方面，但不是唯一的。控制应用性能除了受网络性能影响外，控制应用本身的设计对网络性能也产生重要作用。这就是网络层与控制应用层的关系。 控制应用层的测量针对被控对象的响应，其工具采用目前较为成熟的传感变送器，将非电量转化为电信号，经过信号调理，可
9、获得用于控制或显示目的的模拟或数字信号。问题是我们获得的测量结果，往往是网络控制子系统的总状况，也就是它既含控制应用层的作用，又包括网络层的影响。例如一个控制回路中传感器获得的时延，既有控制器执行器的网络诱导时延，又有控制应用时延，它们分属不同性质，但却混在一起，实际中难以剥离开来，再加上网络信息传输的随机性、突发性和非线性，使得网络测量变得非常困难，这给网络测量研究提出了严峻的课题。另外，对于非合作测量，由于网络管理的功能、防火墙的安装、网络安全机制的实施等，使网络测量受到很大的限制。,9.2网络性能测量与流量测量,9.2.1 网络时延测量,网络时延（network delay）测量在网络性
10、能监视、网络行为分析、网络应用设计等方面有着广泛的应用。它是时延抖动、网络负载、网络带宽等指标测量的基础。,网络时延是网络的固有属性之一，它不仅是评价网络服务质量的重要指标，而且还是判断网络化控制系统质量的主要参数之一。网络控制系统中，时延包括两部分，一是网络诱导时延，二是控制应用时延。前者属于网络层次，后者属于应用层次。 网络诱导时延分为往返时延（round-trip time, RTT）和单向时延（one way delay），即端到端时延(end-to-end delay)两类。往返时延指一个数据包从源端到目的端往返所需的时间，单向时延指发送数据包到达目的端的时刻与离开源端时刻之差。就一
11、个端到端的网络诱导时延来说，它由这样三部分组成：处理时延（Processing delay）、排队时延（Queuing delay）和传输时延（Transmission delay）。其中，处理时延包括预处理时间和后处理时间，前者是在源节点将数据封装成报文分组所用的时间，后者是在报文分组到达目的节点后译成数据花的时间，将这两段时间合在一起，统称处理时延；传输时延包括物理层信号发送到信道上的发送时间和信号在物理链路上的传播时间，其大小由报文长度和路径特征决定；排队时延是数据链路层数据帧在发送缓存中等待MAC协议发送的时间，包括在缓存队列中的排队时间和进行信道竞争等待信道空闲的时间，它是变化的、随
12、机的，对网络控制影响很大。决定排队时延的主要因素有链路负载、队列管理机制、缓冲区管理机制和接口处理能力等。,（1） 单向时延测量,单向时延：从源节点发送数据开始，到目的节点收到该数据的时间间隔。 测量要求：源主机和目的主机时钟同步。可采用GPS全球定位系统授时、同步网授时或者网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）的同步方法。,测量依据为RFC（Request For Comments）2679（a one-way delay metric for IP Performance Metrics（IPPM）。它定义了单向时延测量指标，即P型分组单向时延，具体用Sre、D
13、st和 T 三个参数来描述：源主机 Src 在 T 时刻发送 P 型分组的第一个比特，而目的主机Dst在 时刻接收到该分组的最后一个比特，其中 是单向时延，为实数。单向时延测量步骤为,1）让源节点与目的节点时钟同步； 2）在源节点生成一个具有固定长度的 P 型探测分组； 3）目的节点准备接收分组； 4）源节点给 P 型分组印下（起始）时间戳，并将分组发往目的节点； 5）若探测组在预定的时间期限内到达目的节点，接收该分组的最后一个比特时印下终止时间戳，则：单向时延值目的时间戳源点时间戳； 6）若分组不能在预期的时间期限内到达，则认为单向时延不确定。 一般地，对同一对象测试35次即可确定时延结果。
14、时延结果可用最大传输时延、最小传输时延和平均传输时延来描述。当然，也可以根据实际情况灵活决定测试次数和表述形式。测量时延的误差和不确定性主要来源于 Sre 和 Dst 主机时钟的同步精度、分辨率和频差（时钟偏差的一阶导数）。,实际中，有时为了简化问题，也有通过测量往返时延来粗略估算单向时延的。如采用ICMP的echo / reply、TCP的SYN/ACK等测出往返时延，然后除以2，将商作为单向时延。不过，该方法往往因往返路径不同等方面的原因，误差较大。,（2） 往返时延测量,往返时延：源节点从发送数据开始，到收到来自目的节点的确认信息所经历的时间间隔。测量依据为RFC2681（a round
15、-trip delay metric for IPPM）。源主机Src在T 时刻向目的主机发送P型分组的第一个比特，目的主机 Dst 收到该分组后立即向源主机Src返回一个P分组，源主机Src在 时刻收到这个P型分组的最后一个比特。由此可见，往返时延的测量是在同一源节点上进行，不需时钟同步，测量容易实现。往返时延测量步骤：,1）在源节点生成一个P型探测分组，印上起始时间戳后，向目的节点发送； 2）目的节点接收探测分组，并尽快向原节点发送响应分组； 3) 若该响应分组在预定时间期限内到达源节点，源节点在接收分组的最后一个比特时印上终止时间戳，则往返时延终止时间戳起始时间戳； 4) 若分组不能在预
16、期的时间期限到达，则认为往返时延不确定。 这里值得一提的是常用工具Ping，通过它向网络中特定地址发送ICMP echo报文，获得响应信息。据此可评估和认定许多有用信息，如，目的节点路径的可达性、往返延迟大小、目的主机是否正在运行、线路是否有故障等。,（3） 时延抖动（delay variation）测量,当数据包从源节点传输到目的节点时，相同时间间隔发送的数据包以不同的时间间隔到达目的节点，这种现象我们称之为IP分组时延抖动，即时延变化。在采用分组交换方式传输数据包时，由于路由改变或者负载重轻不一，不同的数据包的端到端时延可能相差很大，这种时延的变化对于实时网络应用的性能可能带来较大的不良影响。因此，测量与控制时延抖动显得很重要。,RFC3393（IP packet delay variation metric for IPPM）规定了时延抖动的测量指标，即P型分组单向时延抖动。该单向时延抖动值是以秒为单位的实数。从源主机到目的主机的P型分组单向时延抖动是一个实数ddT，它表示分别在 和 两时刻从源主机送出两个数据包的第一位，目的主机在
