IP網(wǎng)絡(luò)性能檢測技術(shù)及其發(fā)展趨勢

　　摘 要：本文重點闡釋了IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測的重要性，介紹了IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，對IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測的主要參數(shù)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡釋，并分析了IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測技術(shù)的未來發(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(diào)整

一、概述

　　IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保證機(jī)制的研究是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域和電信領(lǐng)域的共同熱點，是在IP網(wǎng)絡(luò)上提供多媒體通信業(yè)務(wù)時的基礎(chǔ)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)和策略有著各自的技術(shù)特點和適用范圍，當(dāng)它們被綜合應(yīng)用到IP網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和IP多業(yè)務(wù)支持的環(huán)境中時，具體的應(yīng)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、控制、調(diào)整受到越來越多的關(guān)注。IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測技術(shù)就是在這種情況下提出的。

　　IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測技術(shù)主要涉及IP網(wǎng)絡(luò)性能的測量參數(shù)的選取，測量指標(biāo)的確定，具體參數(shù)的測量方法（包括測量點的布置，測量結(jié)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(diào)整策略等內(nèi)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看，尚處于起步階段。這個研究領(lǐng)域的發(fā)展空間較大，尤其是隨著各種IP QoS保證技術(shù)在IP網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測技術(shù)會受到更多的重視，將成為新的IP網(wǎng)絡(luò)研究熱點。

二、IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測的重要性

　　在IP網(wǎng)絡(luò)中采用網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測技術(shù)，可以實現(xiàn)：

　?。?）實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀況

　　能實時獲得網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前運行狀況，減輕運維人員的工作負(fù)擔(dān)。能在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或擁塞時發(fā)出自動告警，在網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)瓶頸前給出分析和預(yù)測。

　　（2）合理規(guī)劃和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)

　　通過對網(wǎng)絡(luò)流量的監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和分析，給出詳細(xì)的鏈路和節(jié)點流量分析報告，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(guī)劃、路由策略、資源和容量升級提供依據(jù)。

　?。?）引導(dǎo)提供網(wǎng)絡(luò)增值業(yè)務(wù)

　　通過對業(yè)務(wù)占用帶寬的分布、業(yè)務(wù)會話的統(tǒng)計分析，能夠了解和分析網(wǎng)絡(luò)特性和用戶使用偏好，引導(dǎo)開發(fā)和規(guī)劃新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和業(yè)務(wù)平臺，進(jìn)行增值業(yè)務(wù)的拓展和市場宣傳，引導(dǎo)用戶需求。

　?。?）靈活的資費標(biāo)準(zhǔn)

　　通過對用戶上網(wǎng)時長、上網(wǎng)流量、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)以及目的網(wǎng)站的數(shù)據(jù)分析，擺脫目前單一的包月制，實現(xiàn)基于時間段、帶寬、應(yīng)用、服務(wù)質(zhì)量等更加靈活的資費標(biāo)準(zhǔn)。

　　（5）有力支撐業(yè)務(wù)平臺

　　通過具體的流量數(shù)據(jù)獲得業(yè)務(wù)的經(jīng)營情況和用戶的認(rèn)可程度，引導(dǎo)后續(xù)發(fā)展，而改進(jìn)的結(jié)果仍需要流量來驗證，最終實現(xiàn)業(yè)務(wù)拓展流程的良性循環(huán)。

　　IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測技術(shù)的研究成果可用于互聯(lián)網(wǎng)運營商、電信運營商、擁有IP專用網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)、測試服務(wù)提供商、測試工具開發(fā)商以及政府主管部門等，對于分析、確定現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)存在的潛在問題，評價和比較網(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(xiàn)實意義在于以下幾個方面。

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

　?。?）對運營商而言，首先，服務(wù)質(zhì)量公告是規(guī)范IP網(wǎng)服務(wù)市場的需要；其次，客觀的評估服務(wù)質(zhì)量也是運營商開展新業(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(shè)計、開發(fā)、出廠測試的環(huán)節(jié)應(yīng)該突出產(chǎn)品在實際應(yīng)用環(huán)境中的表現(xiàn)能力測試，調(diào)整產(chǎn)品研發(fā)思路，注重針對不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的極限測試，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

　?。?）對政府監(jiān)管部門來說，通過對不同電信運營商網(wǎng)絡(luò)的測試和評估，可以公布運營商的IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量狀況，是能促進(jìn)運營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，開展IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義，通過對相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和積極的社會效益。 

  三、IP網(wǎng)絡(luò)性能的主要監(jiān)測對象

　　1. 網(wǎng)絡(luò)性能測量參數(shù)

　　根據(jù)中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會已完成的《IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求——性能參數(shù)與指標(biāo)》（報批稿）的有關(guān)規(guī)定，用戶所關(guān)心的IP網(wǎng)絡(luò)端到端的服務(wù)質(zhì)量的參數(shù)主要包括以下幾個。

　?。?）可用性：用于表明網(wǎng)絡(luò)是否可以使用的參數(shù)。如果一個端到端IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的包丟失率低于一定的門限值，則認(rèn)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(jù)可用性的定義，可以把IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的全部持續(xù)時間分為可用時間和不可用時間（不可用時段就不應(yīng)支付使用費用）。

　　（2）IP包傳輸時延：IP包傳輸時延定義為穿過一個或多個網(wǎng)絡(luò)段，傳送IP包所經(jīng)歷的時間（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(jié)果與所有IP包的比值。

　?。?）IP時延變化（即抖動）：連續(xù)傳遞時，包與包之間的時間延遲的變化。

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

　?。?）虛假IP包率：指在一個特定時間間隔內(nèi)，在測量點上觀測到的虛假IP包數(shù)量除以該時間間隔。

　　在上述測量的基礎(chǔ)上，需要綜合分析從而獲得：

　?。?）網(wǎng)絡(luò)線路利用率和趨勢、流量分布、流量走向。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)區(qū)域間的流量模式，即以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇橐罁?jù)劃分被測流量，突出網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運維的目的。

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

　?。?）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(guī)劃和運營的目的。

　　2. 其他需要測量的參數(shù)

　　除了上述與網(wǎng)絡(luò)性能直接相關(guān)的參數(shù)以外，其他一些與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有關(guān)的參數(shù)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(nèi)存剩余空間、溫度、電壓、開機(jī)時間、系統(tǒng)版本、緩沖區(qū)故障計數(shù)、緩沖區(qū)遺失計數(shù)以及其他性能指標(biāo)。

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

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

　　1. 網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的采集方法

　　通常情況下，網(wǎng)絡(luò)管理人員只對幾個重要的網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)進(jìn)行QoS監(jiān)測。因此可考慮三種方式來實現(xiàn)對重要環(huán)節(jié)網(wǎng)絡(luò)性能的監(jiān)測。

　　（1）直接使用現(xiàn)有路由器或交換機(jī)自身具備的流量測量功能，具體利用路由器的NETFLOW軟件來實現(xiàn)。在這種方式下，大流量的數(shù)據(jù)采集會消耗設(shè)備的CPU和存儲資源，一般采用抽樣技術(shù)，觀測粒度較粗。而且目前的標(biāo)準(zhǔn)不完善，IPFIX尚處于討論階段。另外由于高速接口的流量監(jiān)測設(shè)備成本相對較高，需要在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中或在網(wǎng)絡(luò)中添加專用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

　?。?）在路由器上采用ISE卡實現(xiàn)對重點鏈路的監(jiān)控。

　?。?）在IP傳輸鏈路中串入或并入流量分析設(shè)備來獲得流量信息。

　　通過上述監(jiān)測機(jī)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(shù)，以便在感知到網(wǎng)絡(luò)阻塞發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生時能夠?qū)崟r地改變網(wǎng)絡(luò)路由。目前，這方面的研究已經(jīng)在IETF展開，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(shè)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(yù)測和把握提供事實依據(jù)，從而可以非實時地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，以提升網(wǎng)絡(luò)性能。

　　2. 網(wǎng)絡(luò)性能測量點的布置與管理

　　采用上述三種測量方式以后，相當(dāng)于在網(wǎng)絡(luò)中配置了多個網(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(yīng)該能夠為多個用戶的多個性能監(jiān)測服務(wù)，這樣才能降低建設(shè)成本，并能夠真正開展面向更多用戶的網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測服務(wù)。

　　網(wǎng)絡(luò)中的多個探測器可以組成多個網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測域，一個探測器可以邏輯上屬于多個監(jiān)測域。也就是說，一個探測器可以同時為多個用戶服務(wù)，一個探測器也可以同時執(zhí)行多個監(jiān)測任務(wù)。因此要求研究網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)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(fù)載和探測器負(fù)載，通常對于一些參數(shù)不能長時間的連續(xù)測試，而是要采用適當(dāng)?shù)牟蓸蛹夹g(shù)，即在時間軸上依據(jù)一定的算法，抽取部分測量時間點，在測量時間點上對關(guān)心的參數(shù)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(fù)載，減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)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。

　　在時間軸上選取采樣時間點的算法很多，主要包括以下兩種。

　?。?）固定時間間隔周期性采集數(shù)據(jù)，在后處理過程中依據(jù)一定的線性預(yù)測算法進(jìn)行建模，使點數(shù)據(jù)延展為連續(xù)數(shù)據(jù)。

　　（2）自適應(yīng)時間間隔采集數(shù)據(jù)，在后處理中依據(jù)一定的非線性預(yù)測算法，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方式將點數(shù)據(jù)延展為連續(xù)數(shù)據(jù)。自適應(yīng)的時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(xiàn)概率，即在流量變化較為頻繁或劇烈的時間段加大采集密度，在流量較為平緩的時間段降低采集密度。

　　在應(yīng)用采樣技術(shù)時，也要注意到存在這樣一些問題。

　　首先，在時間軸上進(jìn)行壓縮不是流量測量數(shù)據(jù)壓縮的首選方法，因為一般的采樣算法并不能實現(xiàn)真正地制作數(shù)據(jù)縮略圖，以根據(jù)運維人員的需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放。

　　其次，采樣算法對數(shù)據(jù)采集的效果影響很大。目前一般設(shè)備采用的時間采樣點的計算方法和采集方法都遠(yuǎn)不是最優(yōu)算法，有較大的誤差，信息的丟失也很嚴(yán)重，往往不能即時準(zhǔn)確地捕獲網(wǎng)絡(luò)中的異常事件。

五、IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)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(jiān)測技術(shù)實際上包括兩個部分，一個是性能測量，一個是性能控制與調(diào)整。目前，對于網(wǎng)絡(luò)性能測量技術(shù)的研究越來越受重視，但是就整體研究水平來講，還處于初級階段。表現(xiàn)在測試?yán)碚摰难芯窟€有待深入，原來關(guān)注的重點是單個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能測量，現(xiàn)在的研究重點已經(jīng)向整個IP網(wǎng)絡(luò)的性能測量方面轉(zhuǎn)變。原有的用來衡量單個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能參數(shù)不能直接用來衡量整網(wǎng)的性能，對于能夠從整網(wǎng)角度來反應(yīng)IP網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)的研究，在IETF和ITU中都在進(jìn)行。在參數(shù)確定以后，相應(yīng)的測量方法、指標(biāo)確定、綜合評價都是要研究的內(nèi)容；另外，從整網(wǎng)角度來建立IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量評價體系也是未來的研究重點。

　　2. IP網(wǎng)絡(luò)性能控制與調(diào)整

　　對于網(wǎng)絡(luò)性能的控制與調(diào)整的研究，很早就開展了，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)性能需要實時調(diào)整的需求才出現(xiàn)不久；另一方面，對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行調(diào)整需要對現(xiàn)網(wǎng)中的設(shè)備進(jìn)行升級，路由協(xié)議需要完善，必要時還要建立相對獨立的信令系統(tǒng)，實施的難度較大。

　　在網(wǎng)絡(luò)性能控制與調(diào)整方面，以后的目標(biāo)是：

　?。?）提供主動的控制功能

　　不僅僅局限于對網(wǎng)絡(luò)性能狀況的獲得，還能夠通過純硬件的設(shè)計實現(xiàn)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的流控算法進(jìn)行靈活的流量控制，主動改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　（2）滿足重點監(jiān)控需要

　　提供豐富的特征參數(shù)監(jiān)控，可以進(jìn)行靈活的復(fù)合設(shè)定，全面滿足運營商的需要，也可以通過定制來實現(xiàn)特定要求。

　?。?）降低互聯(lián)互通成本

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

　　（4）實現(xiàn)區(qū)分服務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量

　　性能監(jiān)控獲得的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行高低優(yōu)先級客戶的網(wǎng)絡(luò)資源占用率分析、服務(wù)質(zhì)量的監(jiān)測。通過資費政策的調(diào)節(jié)、業(yè)務(wù)等級的區(qū)分，在中繼線路上實施流量控制，優(yōu)先保證高優(yōu)先客戶的服務(wù)質(zhì)量。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)安全和抵御DOS攻擊

　　通過連接會話數(shù)的跟蹤，源目的地址對的分析，TCP流的分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的異常流量和異常連接，偵測和定位網(wǎng)絡(luò)潛在的安全問題和攻擊行為，保障網(wǎng)絡(luò)安全。

　?。?）建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)

　　支持同時從多個網(wǎng)關(guān)獲取流量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分布式流量監(jiān)控系統(tǒng)，便于在未來建立完善的網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控網(wǎng)，保護(hù)前期投資。對外提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫接口，可與其他運營支撐系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。

　　 參考文獻(xiàn)

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