來源：微型機(jī)與應(yīng)用，作者：周福偉；武文忠；秦豐林；段海新

互聯(lián)網(wǎng)從誕生之日起就受到了人們的青睞。人們希望利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來改變其生活方式，事實(shí)上，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過幾十年的長(zhǎng)足發(fā)展，已經(jīng)影響并改變了傳統(tǒng)的生活、工作和學(xué)習(xí)等方式。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)明可以說是人類發(fā)明史最偉大的杰作，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴(kuò)大、互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量激增和新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不斷出現(xiàn)，用戶對(duì)互聯(lián)網(wǎng)資源的需求也急速增加，這就使得網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常出現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量（QoS）低、網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重等現(xiàn)象。尤其對(duì)于校園網(wǎng)用戶來說，隨著校園網(wǎng)絡(luò)日益規(guī)?；蛷?fù)雜化，其用戶數(shù)量通常過萬，當(dāng)校園網(wǎng)用戶訪問公網(wǎng)（中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)電信網(wǎng)絡(luò)等）時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞嚴(yán)重甚至?xí)霈F(xiàn)訪問不可達(dá)等現(xiàn)象。在這些情況下，如何提高校園網(wǎng)用戶服務(wù)質(zhì)量是網(wǎng)絡(luò)管理人員面臨的重要問題。要有效地解決這些問題，首先就需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析、改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中存在的問題。

本文所述測(cè)量系統(tǒng)主要是基于校園網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有分布式、可擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量平臺(tái)。利用各種測(cè)量方法和測(cè)量工具，測(cè)量校園網(wǎng)訪問公網(wǎng)和其他校園網(wǎng)絡(luò)各種相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。從而獲得網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，掌握和分析校園網(wǎng)絡(luò)中各種性能參數(shù)，研究校園網(wǎng)多出口環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，為校園網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化提供有價(jià)值的參考。

1 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的各種難以預(yù)測(cè)的問題日益增多，網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)也越來越受到研究人員的關(guān)注。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量，目前沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，人們只是形象地將網(wǎng)絡(luò)測(cè)量描述為利用一些有效的方法和成熟的技術(shù)，通過使用軟硬件工具來測(cè)試了解網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)、獲得網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)行為指標(biāo)等一系列活動(dòng)的總稱。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：測(cè)量方法、測(cè)量對(duì)象、測(cè)量工具和測(cè)量結(jié)果的可視化等。

1.1 測(cè)量方法

由于測(cè)量方法分類較多，本文僅介紹幾種最基本、最常用的分類方法。根據(jù)測(cè)量環(huán)境中測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，可以分為基于單點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和基于多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量；根據(jù)被測(cè)者是否知情，可以分為協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和非協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量；根據(jù)被測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置，可以分為端到端的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和分布式的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量；根據(jù)測(cè)量的行為方式，可以分為主動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和被動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量。

主動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法是測(cè)量源節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)鏈路或者目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)返回的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)來研究和分析網(wǎng)絡(luò)的行為。主動(dòng)測(cè)量方法非常易于在網(wǎng)絡(luò)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)，而且能以更加直接的方式來分析網(wǎng)絡(luò)，可以全面掌握整個(gè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的行為特征。但是，主動(dòng)測(cè)量方法也存在一定的缺陷，該方法在測(cè)量的過程中需要向網(wǎng)絡(luò)中注入特定的探測(cè)流量，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中流量的增加。雖然探測(cè)流量很小，但是如果控制不當(dāng)，也會(huì)在增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

被動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法是通過在網(wǎng)絡(luò)中特定的節(jié)點(diǎn)上安裝探針和數(shù)據(jù)采集器等來收集流經(jīng)該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)流量，然后進(jìn)行分析，提取業(yè)務(wù)特征進(jìn)而獲得網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。被動(dòng)測(cè)量方法主要是通過在一個(gè)特殊點(diǎn)觀察網(wǎng)絡(luò)的行為，不會(huì)增加和修改網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷基本上沒有影響，能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的性能。但是，從被動(dòng)測(cè)量方法中捕獲得到的包難以甚至不可能包括想要的某些信息，被動(dòng)測(cè)量方法的適用范圍較小，并且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體的理解和網(wǎng)絡(luò)端到端行為的理解，因此，被動(dòng)測(cè)量方法主要用在帶寬測(cè)量和流量測(cè)量等方面。另一方面，由于被動(dòng)測(cè)量方法可以直接獲得該節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，可能會(huì)造成信息泄露等安全方面的問題。

1.2 測(cè)量對(duì)象

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的對(duì)象，可以分為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量和路由探測(cè)等方面。其中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)量最能夠反映網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的高低。網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)主要包括：基于網(wǎng)絡(luò)層的性能指標(biāo)（單向延時(shí)、往返延時(shí)、丟包率、帶寬、可連通性等），基于傳輸層性能指標(biāo)和基于應(yīng)用層性能指標(biāo)。路由探測(cè)主要是測(cè)量源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)鏈路之間所包含的各路由信息狀態(tài)。通過分析測(cè)量路徑，能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中是否存在故障。例如，可以發(fā)現(xiàn)鏈路中是否出現(xiàn)中斷不可達(dá)問題、路由器的配置問題、環(huán)路問題以及路徑的冗余等問題。本系統(tǒng)主要從網(wǎng)絡(luò)性能和路由探測(cè)兩方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

1.3 測(cè)量工具

測(cè)量工具是測(cè)量網(wǎng)絡(luò)行為特征的重要組成部分。目前，測(cè)量工具主要有：基于網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)量工具ping、fping、pathchar、traceroute等，基于流量的測(cè)量工具iperf、netperf、netflow、nettramet等，基于拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的工具skitter、GASP等，基于路由選擇的工具traceroute、ASExplorer、RouteRracker等。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量工具的選取對(duì)于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量結(jié)果有著重要的影響。本系統(tǒng)主要使用基于網(wǎng)絡(luò)性能（ping、traceroute）和路由選擇（traceroute）兩大方面的測(cè)量工具。

2 體系結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要通過在不同區(qū)域的高校部署客戶端測(cè)量節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)分布式可協(xié)作的測(cè)量系統(tǒng)。其體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要使用主動(dòng)測(cè)量方法，測(cè)量節(jié)點(diǎn)通過主動(dòng)測(cè)量工具探測(cè)網(wǎng)絡(luò)上的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，主要涉及到的測(cè)量參數(shù)包括帶寬、延時(shí)、丟包率、可連通性和節(jié)點(diǎn)間的路徑等，通過對(duì)這些參數(shù)的返回值進(jìn)行分析處理，并把測(cè)量結(jié)果以圖形化的方式顯示在客戶端Web服務(wù)器上。

系統(tǒng)主要分為服務(wù)器和客戶端兩大部分，采用的是B/S結(jié)構(gòu)。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)客戶端節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)、管理和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，向客戶端節(jié)點(diǎn)分配測(cè)量任務(wù)，保存客戶端節(jié)點(diǎn)返回的測(cè)量結(jié)果，顯示已經(jīng)部署好的客戶端節(jié)點(diǎn)拓?fù)浞植紙D并能夠通過服務(wù)器端直接訪問客戶端節(jié)點(diǎn)。客戶端節(jié)點(diǎn)主要完成測(cè)量任務(wù)，但是，它又不是完全意義上的客戶端，當(dāng)有其他客戶端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)助測(cè)量時(shí)，此時(shí)該客戶端節(jié)點(diǎn)又可以轉(zhuǎn)變成為被請(qǐng)求客戶端節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器?？蛻舳说闹饕δ馨ǎ簩?duì)服務(wù)器分配的任務(wù)進(jìn)行測(cè)量并且保存和傳送測(cè)量結(jié)果，本地用戶的添加、刪除、修改等管理操作，協(xié)助其他客戶端節(jié)點(diǎn)完成測(cè)量任務(wù)，圖形化顯示出測(cè)量結(jié)果等。

3 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)從功能上又可以劃分為通信控制模塊、數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)分析和處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和結(jié)果的可視化顯示模塊等。

3.1 通信控制模塊

通信控制模塊主要完成服務(wù)器向客戶端分配任務(wù)、客戶端向服務(wù)器發(fā)送心跳數(shù)據(jù)、客戶端節(jié)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的傳輸?shù)取榱吮ＷC數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的安全性，自定義并設(shè)計(jì)了通信協(xié)議，利用socket通信來完成基于TCP協(xié)議的可靠傳輸。圖2所示是客戶端和服務(wù)器端的通信流程。

3.2 數(shù)據(jù)收集模塊

在數(shù)據(jù)收集模塊中主要使用ping、fping、traceroute等主動(dòng)測(cè)量工具向測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送ICMP數(shù)據(jù)包，利用測(cè)量返回值得到性能參數(shù)。由于主動(dòng)測(cè)量方法會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，因此選擇數(shù)據(jù)包較小的ping工具，而且在測(cè)量的過程中使用定長(zhǎng)的時(shí)間間隔（客戶端還可以根據(jù)需要修改間隔時(shí)間，默認(rèn)的情況下是5 min）進(jìn)行采樣，這樣就可以緩解網(wǎng)絡(luò)中由于負(fù)荷過重可能導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)阻塞。

3.3 數(shù)據(jù)分析和處理模塊

由于網(wǎng)絡(luò)中各種因素的影響可能使每次測(cè)量的結(jié)果偏差較大，為了減少誤差，使測(cè)量結(jié)果能夠更好地反映實(shí)際情況，對(duì)測(cè)量結(jié)果求均差和方差等一系列分析處理，并把處理后的結(jié)果保存到數(shù)據(jù)文件中。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

服務(wù)器端使用mysql數(shù)據(jù)庫(kù)來保存節(jié)點(diǎn)、用戶、測(cè)量任務(wù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，服務(wù)器對(duì)測(cè)量結(jié)果的保存采取文件的方式，每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的測(cè)量對(duì)象對(duì)應(yīng)有2個(gè)文件，其中一個(gè)文件保存歷史紀(jì)錄，另一個(gè)文件保存最近的一次測(cè)量紀(jì)錄?？蛻舳藬?shù)據(jù)庫(kù)采用RRD結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的保存與繪圖。每個(gè)測(cè)量對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)RRD文件，保存對(duì)應(yīng)測(cè)量結(jié)果。RRD文件的結(jié)構(gòu)如下圖所示，每一行都是上面一行若干數(shù)據(jù)的平均值，在記錄超出后自動(dòng)刪除舊數(shù)據(jù)，保持記錄數(shù)不變，這樣只需保存少量的數(shù)據(jù)，減少日記文件的平均。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.5 結(jié)果的可視化顯示模塊

使用rrdtool畫圖工具將保存到文件里面的數(shù)據(jù)繪制成二維圖形，以Web的形式在客戶端顯示出來。為了更好更全面地反映網(wǎng)絡(luò)性能，以利于管理者分析和發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的問題，在結(jié)果顯示模塊中將會(huì)同時(shí)顯示每小時(shí)、每天、每周和每月的測(cè)量結(jié)果。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)在清華大學(xué)部署了一個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)，以下數(shù)據(jù)均來源于清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心部署的1臺(tái)客戶端節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。

圖4顯示的是一周內(nèi)測(cè)量節(jié)點(diǎn)到中國(guó)銀行站點(diǎn)的往返延時(shí)和訪問中國(guó)銀行主頁(yè)需要的下載時(shí)間結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果具有很強(qiáng)的相似性和規(guī)律性。圖5顯示的是一天之內(nèi)測(cè)量中國(guó)銀行的往返延時(shí)和訪問中國(guó)銀行主頁(yè)需要的下載時(shí)間結(jié)果?？梢钥闯鲈诎滋?點(diǎn)以后下載時(shí)間和往返延時(shí)明顯增加，分析可能到了訪問高峰期。

圖6顯示的是清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心到交通銀行網(wǎng)站節(jié)點(diǎn)的路徑，不同深度的灰色代表節(jié)點(diǎn)往返延時(shí)（RTT）處在不同的時(shí)間范圍，從最小的深灰色（小于15 ms）到最高的白色（大于120 ms）?？梢栽趫D6中直觀地看到前面三跳其往返延時(shí)較小說明可能在同一個(gè)校園網(wǎng)中，緊接著往返延時(shí)變大，說明可能跳出校網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)大量路徑測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)校園網(wǎng)是否存在冗余路徑和一些配置問題，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

本系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試運(yùn)行良好，其測(cè)量結(jié)果能夠較為客觀地反映網(wǎng)絡(luò)性能，為網(wǎng)絡(luò)管理者提供一個(gè)有效的輔助工具。但是本系統(tǒng)沒有考慮到基于IPv6網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性能測(cè)量，因此下一階段需要繼續(xù)完善以能夠更好地實(shí)現(xiàn)基于IPv4和IPv6同時(shí)測(cè)量。

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