IP網絡性能檢測技術及其發展趨勢

　　摘 要：本文重點闡釋了IP網絡性能監測的重要性，介紹了IP網絡性能監測領域的研究現狀，并在此基礎上，對IP網絡性能監測的主要參數、關鍵技術進行闡釋，并分析了IP網絡性能監測技術的未來發展趨勢。

　　關鍵詞：IP網絡性能 服務質量 性能測量 性能控制與調整

一、概述

　　IP網絡服務質量保證機制的研究是互聯網領域和電信領域的共同熱點，是在IP網絡上提供多媒體通信業務時的基礎之一。已經提出了多種具體技術和相關的解決策略，這些技術和策略有著各自的技術特點和適用范圍，當它們被綜合應用到IP網絡的建設和IP多業務支持的環境中時，具體的應用效果不盡相同。在這種情況下，對IP網絡的網絡性能進行測量、分析、評價、控制、調整受到越來越多的關注。IP網絡性能監測技術就是在這種情況下提出的。

　　IP網絡性能監測技術主要涉及IP網絡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（包括測量點的布置，測量結果的采樣方法等），網絡性能的評測方法，網絡性能的控制與調整策略等內容。目前在這些領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。這個研究領域的發展空間較大，尤其是隨著各種IP QoS保證技術在IP網絡中的應用，IP網絡性能監測技術會受到更多的重視，將成為新的IP網絡研究熱點。

二、IP網絡性能監測的重要性

　　在IP網絡中采用網絡性能監測技術，可以實現：

　　（1）實時監測網絡狀況

　　能實時獲得網絡的當前運行狀況，減輕運維人員的工作負擔。能在網絡出現故障或擁塞時發出自動告警，在網絡即將出現瓶頸前給出分析和預測。

　　（2）合理規劃和優化網絡

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

　　（3）引導提供網絡增值業務

　　通過對業務占用帶寬的分布、業務會話的統計分析，能夠了解和分析網絡特性和用戶使用偏好，引導開發和規劃新的網絡應用和業務平臺，進行增值業務的拓展和市場宣傳，引導用戶需求。

　　（4）靈活的資費標準

　　通過對用戶上網時長、上網流量、網絡業務以及目的網站的數據分析，擺脫目前單一的包月制，實現基于時間段、帶寬、應用、服務質量等更加靈活的資費標準。

　　（5）有力支撐業務平臺

　　通過具體的流量數據獲得業務的經營情況和用戶的認可程度，引導后續發展，而改進的結果仍需要流量來驗證，最終實現業務拓展流程的良性循環。

　　IP網絡性能監測技術的研究成果可用于互聯網運營商、電信運營商、擁有IP專用網絡的企業、測試服務提供商、測試工具開發商以及政府主管部門等，對于分析、確定現有IP網絡存在的潛在問題，評價和比較網絡改造方案，優化網絡性能等方面都有很大幫助。其現實意義在于以下幾個方面。

　　（1）對消費者而言，其可以根據不同運營商的IP網的服務質量狀況和IP網上開展的新業務，進行比較，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承諾。

　　（2）對運營商而言，首先，服務質量公告是規范IP網服務市場的需要；其次，客觀的評估服務質量也是運營商開展新業務從而獲得增值利潤的需要。

　　（3）對電信產品制造商而言，在產品設計、開發、出廠測試的環節應該突出產品在實際應用環境中的表現能力測試，調整產品研發思路，注重針對不同網絡應用環境的極限測試，從而保證產品質量。

　　（4）對政府監管部門來說，通過對不同電信運營商網絡的測試和評估，可以公布運營商的IP網絡服務質量狀況，是能促進運營商公平競爭和改善服務質量，解決服務質量糾紛的有力手段。

　　綜上所述，開展IP網絡性能監測技術的研究具有重要的現實意義，通過對相關技術的產業化，可以產生良好的經濟效益和積極的社會效益。 

  三、IP網絡性能的主要監測對象

　　1. 網絡性能測量參數

　　根據中國通信標準化協會已完成的《IP網絡技術要求——性能參數與指標》（報批稿）的有關規定，用戶所關心的IP網絡端到端的服務質量的參數主要包括以下幾個。

　　（1）可用性：用于表明網絡是否可以使用的參數。如果一個端到端IP網絡業務的包丟失率低于一定的門限值，則認為該端到端IP網絡業務是可用的，否則就是不可用的。根據可用性的定義，可以把IP網絡業務的全部持續時間分為可用時間和不可用時間（不可用時段就不應支付使用費用）。

　　（2）IP包傳輸時延：IP包傳輸時延定義為穿過一個或多個網絡段，傳送IP包所經歷的時間（不考慮傳送成功與否）。

　　（3）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。

　　（4）IP時延變化（即抖動）：連續傳遞時，包與包之間的時間延遲的變化。

　　（5）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。

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

　　在上述測量的基礎上，需要綜合分析從而獲得：

　　（1）網絡線路利用率和趨勢、流量分布、流量走向。

　　（2）網絡區域間的流量模式，即以網絡拓撲為依據劃分被測流量，突出網絡規劃和運維的目的。

　　（3）網絡用戶的流量模式，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的目的，也是用戶SLA保證的基礎。

　　（4）網絡業務的流量模式，測量網絡中指定業務的流量模式和質量，突出網絡的業務規劃和運營的目的。

　　2. 其他需要測量的參數

　　除了上述與網絡性能直接相關的參數以外，其他一些與網絡設備有關的參數對于IP網絡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、開機時間、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網絡性能監測的關鍵技術

　　IP網絡性能監測技術所涉及的技術較多，下面著重對幾個關鍵技術進行介紹。

　　1. 網絡性能參數的采集方法

　　通常情況下，網絡管理人員只對幾個重要的網絡環節進行QoS監測。因此可考慮三種方式來實現對重要環節網絡性能的監測。

　　（1）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軟件來實現。在這種方式下，大流量的數據采集會消耗設備的CPU和存儲資源，一般采用抽樣技術，觀測粒度較粗。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，需要在網絡設備中或在網絡中添加專用的數據采集設備。

　　（2）在路由器上采用ISE卡實現對重點鏈路的監控。

　　（3）在IP傳輸鏈路中串入或并入流量分析設備來獲得流量信息。

　　通過上述監測機制可以獲得網絡的狀態信息，一方面，這種狀態信息要成為路由策略的重要參數，以便在感知到網絡阻塞發生或將要發生時能夠實時地改變網絡路由。目前，這方面的研究已經在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議的網絡設備并不多。另一方面，這些網絡狀態信息可以為網絡管理人員對網絡運行狀況進行預測和把握提供事實依據，從而可以非實時地對網絡進行調整，以提升網絡性能。

　　2. 網絡性能測量點的布置與管理

　　采用上述三種測量方式以后，相當于在網絡中配置了多個網絡性能探測器，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用戶的多個性能監測服務，這樣才能降低建設成本，并能夠真正開展面向更多用戶的網絡性能監測服務。

　　網絡中的多個探測器可以組成多個網絡性能監測域，一個探測器可以邏輯上屬于多個監測域。也就是說，一個探測器可以同時為多個用戶服務，一個探測器也可以同時執行多個監測任務。因此要求研究網絡性能監測域的靈活的邏輯劃分和管理方法。

　　3. 網絡性能的采樣測量技術

　　考慮到網絡負載和探測器負載，通常對于一些參數不能長時間的連續測試，而是要采用適當的采樣技術，即在時間軸上依據一定的算法，抽取部分測量時間點，在測量時間點上對關心的參數進行測量并記錄。采樣技術可以直接削減探測器的工作量，減輕網絡的負載，減少網絡設備的壓力，進而可以降低對探測器的技術要求，降低產品成本。

　　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。

　　（1）固定時間間隔周期性采集數據，在后處理過程中依據一定的線性預測算法進行建模，使點數據延展為連續數據。

　　（2）自適應時間間隔采集數據，在后處理中依據一定的非線性預測算法，如神經元網絡的方式將點數據延展為連續數據。自適應的時間間隔算法可以在一定程度上增加對網絡流量突發事件的發現概率，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。

　　在應用采樣技術時，也要注意到存在這樣一些問題。

　　首先，在時間軸上進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間采樣點的計算方法和采集方法都遠不是最優算法，有較大的誤差，信息的丟失也很嚴重，往往不能即時準確地捕獲網絡中的異常事件。

五、IP網絡性能監測技術的發展趨勢

　　1. IP網絡性能測量

　　網絡性能監測技術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整。目前，對于網絡性能測量技術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。表現在測試理論的研究還有待深入，原來關注的重點是單個網絡設備的性能測量，現在的研究重點已經向整個IP網絡的性能測量方面轉變。原有的用來衡量單個網絡設備的性能參數不能直接用來衡量整網的性能，對于能夠從整網角度來反應IP網絡性能的參數的研究，在IETF和ITU中都在進行。在參數確定以后，相應的測量方法、指標確定、綜合評價都是要研究的內容；另外，從整網角度來建立IP網絡服務質量評價體系也是未來的研究重點。

　　2. IP網絡性能控制與調整

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

　　在網絡性能控制與調整方面，以后的目標是：

　　（1）提供主動的控制功能

　　不僅僅局限于對網絡性能狀況的獲得，還能夠通過純硬件的設計實現業界標準的流控算法進行靈活的流量控制，主動改進網絡服務。

　　（2）滿足重點監控需要

　　提供豐富的特征參數監控，可以進行靈活的復合設定，全面滿足運營商的需要，也可以通過定制來實現特定要求。

　　（3）降低互聯互通成本

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

　　（4）實現區分服務，保證服務質量

　　性能監控獲得的數據，可進行高低優先級客戶的網絡資源占用率分析、服務質量的監測。通過資費政策的調節、業務等級的區分，在中繼線路上實施流量控制，優先保證高優先客戶的服務質量。

　　（5）網絡安全和抵御DOS攻擊

　　通過連接會話數的跟蹤，源目的地址對的分析，TCP流的分析，能夠及時發現網絡中的異常流量和異常連接，偵測和定位網絡潛在的安全問題和攻擊行為，保障網絡安全。

　　（6）建立完善的監控系統

　　支持同時從多個網關獲取流量數據，實現分布式流量監控系統，便于在未來建立完善的網絡性能監控網，保護前期投資。對外提供標準的數據庫接口，可與其他運營支撐系統共享數據。

　　 參考文獻

　　［1] 何寶宏．IP虛擬專用網絡．北京：人民郵電出版社，2002 

　　[2] 曹薊光．多媒體業務服務質量相關問題的研究．現代電信科技，2004（11）