一種提高網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)效率的新方法

　　摘要　網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)性能是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的對(duì)象，目前國(guó)內(nèi)外的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大都采用綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)可用性的方法。本文分析了綜合監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)，指出了綜合監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可用性時(shí)存在的問題，尤其當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，這種問題更為嚴(yán)重，由此提出了一種分離監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)性能的方法SNPNA。數(shù)學(xué)分析與實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，SNPNA能夠提高網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)效率。

　　互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)性能的要求也越來越高，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)性能的監(jiān)測(cè)也越來越重要。所謂網(wǎng)絡(luò)可用性是指端到端全網(wǎng)所能提供的無故障服務(wù)時(shí)間與全部運(yùn)行時(shí)間之比。網(wǎng)絡(luò)管理目標(biāo)有時(shí)就是關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的可用性，即使網(wǎng)絡(luò)的可用性盡可能地接近100%。任何關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的停機(jī)都將影響到可用性[1]，所謂網(wǎng)絡(luò)性能是指描述網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的屬性，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的描述有多個(gè)參數(shù)[2]。CAIDA（cooperative association for Internet data analysis）和IETF（Internet engineering task force）的IPPM（IP performance monitoring）工作組是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方面的著名國(guó)際組織，它們對(duì)一些網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)給出了定義[3]。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)量主要有被動(dòng)測(cè)量和主動(dòng)測(cè)量?jī)煞N方式，由于主動(dòng)測(cè)量的部署和實(shí)施比較方便，所以一般采用主動(dòng)測(cè)量方式。在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)中通常采用綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)可用性（integration of network performance and network availability，INPNA）的方法。

　　目前國(guó)內(nèi)外有多個(gè)基于主動(dòng)測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，著名的PingER[4]是當(dāng)前應(yīng)用在美國(guó)電報(bào)電話公司（AT&T）網(wǎng)絡(luò)上的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，于1998年在AT&T使用，并不斷更新和升級(jí)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)可用性、單向時(shí)延、往返時(shí)延、丟包、路由、時(shí)延抖動(dòng)等。NLANR（national laboratory for applied network research）開發(fā)的AMP項(xiàng)目[5]，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)可用性、往返時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)帶寬等參數(shù)。NIMI[6]也是基于主動(dòng)測(cè)量的項(xiàng)目，測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的可用性和網(wǎng)絡(luò)帶寬。韓國(guó)分布式處理和網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)驗(yàn)室（distributed Processing & network management lab）開發(fā)了一套用于IP主干網(wǎng)的SLA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]，該系統(tǒng)已應(yīng)用于韓國(guó)電信IP主干網(wǎng)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)可用性、往返時(shí)延、丟包率等。IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（performance monitoring & measurement system，PMMS）是解放軍理工大學(xué)指揮自動(dòng)化學(xué)院在國(guó)家“863”項(xiàng)目和總參通信部支持下研發(fā)的一種易于實(shí)施、操作的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)級(jí)系統(tǒng)，以端到端、定量、可視化的方式監(jiān)視、分析、管理互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的性能參數(shù)[8]。

　　上述這些系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都利用了網(wǎng)絡(luò)可用性與網(wǎng)絡(luò)性能之間的聯(lián)系，采用了INPNA方法。INPNA方法的最大優(yōu)勢(shì)是，在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的同時(shí)，就能夠同時(shí)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的可用性。然而，當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)嚴(yán)格或網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，INPNA方法可能無法兼顧網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)可用性。

1、對(duì)綜合監(jiān)測(cè)方法的分析

　　在綜合監(jiān)測(cè)方法中為了提高監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能的準(zhǔn)確性，通常采用在一定的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)發(fā)送多個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)包的方式，因?yàn)樘綔y(cè)包的時(shí)延和丟失率等參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)鏈路情況和被測(cè)節(jié)點(diǎn)的忙閑程度關(guān)系很大。在高速網(wǎng)絡(luò)情況下要用統(tǒng)計(jì)的方法才能獲得相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用連續(xù)多次測(cè)試（如10次）的平均值來大致反映網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)情況。

　　根據(jù)大量的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，為提高測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性，通常采用下列監(jiān)測(cè)參數(shù)[4，9]：

　　測(cè)量包的長(zhǎng)度不同所反映的時(shí)延也不一致：長(zhǎng)包時(shí)延要大，短包的時(shí)延要小。因此測(cè)量時(shí)采用兩組參數(shù)，11個(gè)短包，每個(gè)包100 byte（第一個(gè)被丟棄，因?yàn)榈谝粋�(gè)探測(cè)包的時(shí)延通常要比后繼包大20%）；10個(gè)長(zhǎng)包，每個(gè)包1 000 byte，測(cè)試數(shù)據(jù)包的發(fā)送在1 s以內(nèi)，為了防止數(shù)據(jù)包集中發(fā)送，包之間的時(shí)延為20 ms。

　　網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的周期一般都比較長(zhǎng)，如PingER的監(jiān)測(cè)周期為15 min，PMMS采用的默認(rèn)監(jiān)測(cè)周期為20 min，15 min或20 min對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的監(jiān)測(cè)已經(jīng)足夠，而且產(chǎn)生的附加流量較少，但這樣的監(jiān)測(cè)周期對(duì)于網(wǎng)絡(luò)可用性監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

　　因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)可用性的監(jiān)測(cè)主要測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的阻斷以及網(wǎng)絡(luò)阻斷的歷時(shí)，在監(jiān)測(cè)中丟包率等于100%時(shí)為網(wǎng)絡(luò)阻斷，當(dāng)監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)阻斷測(cè)量的靈密度不高，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可用性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不夠精確。

　　網(wǎng)絡(luò)阻斷測(cè)量的靈敏度與監(jiān)測(cè)的周期直接相關(guān)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻斷的時(shí)間為X（min），監(jiān)測(cè)周期為T（min），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻斷的概率為P（P≤1），則：

　　�。�1）

　　如果要提高對(duì)網(wǎng)絡(luò)阻斷測(cè)量的靈敏度，則要降低監(jiān)測(cè)周期T，只有當(dāng)X≥T時(shí)，才能監(jiān)測(cè)到所有的網(wǎng)絡(luò)阻斷，但降低監(jiān)測(cè)周期會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，產(chǎn)生較大的附加流量�？捎霉�式計(jì)算產(chǎn)生的附加流量，設(shè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)周期為T（min），監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，則節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量為：

　　�。�2）

　　由式（2）可知，INPNA產(chǎn)生的附加流量與被測(cè)量節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)成正比，與測(cè)量周期成反比，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，被測(cè)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)也較多。若被監(jiān)測(cè)設(shè)備為100個(gè)，監(jiān)測(cè)周期為10 min，則產(chǎn)生的流量為：

　　　（3）

　　由式（3）可知，所采用的監(jiān)測(cè)周期為10 min、被測(cè)節(jié)點(diǎn)為100個(gè)時(shí)所產(chǎn)生的附加流量非常大，而這種情況下對(duì)于網(wǎng)絡(luò)阻斷測(cè)量的靈敏度并不高，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻斷時(shí)間小于10 min時(shí)，不能保證監(jiān)測(cè)到所有網(wǎng)絡(luò)阻斷，而且無法監(jiān)測(cè)到阻斷歷時(shí)。

2、分離監(jiān)測(cè)方法SNPNA

　　SNPNA（separation of network performance and network availability）對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)可用性采用分離監(jiān)測(cè)的方式，SNPNA采用較大的時(shí)間周期（如20 min或30 min）來監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)采用較小的時(shí)間周期（如5 min或2 min）、高效的監(jiān)測(cè)算法來監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可用性，在測(cè)量過程中加入了網(wǎng)絡(luò)可用性、網(wǎng)絡(luò)性能與路由的關(guān)聯(lián)。

　　概括地說，SNPNA對(duì)于網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)性能采用分開測(cè)量的方式，改進(jìn)了INPNA的不足，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的監(jiān)測(cè)同樣采用INPNA方法。

　　為了監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可用性，提出了一種稱為CP（continuous probing）的算法，CP的主要工作過程是：

　�。�1）每隔一個(gè)周期向被監(jiān)測(cè)對(duì)象發(fā)送一個(gè)100 byte的ICMP_Ping分組，如果收到響應(yīng)，則返回；

　�。�2）若在指定時(shí)段內(nèi)沒有收到響應(yīng)。則再發(fā)送一個(gè)100 byte的UDP Ping分組，如果收到響應(yīng)，則返回：

　�。�3）若在指定時(shí)段內(nèi)沒有收到響應(yīng)，則再發(fā)送一個(gè)100 byte的UDP Ping分組，如果收到響應(yīng)，則返回，否則返回網(wǎng)絡(luò)不可用的標(biāo)志。

　　步驟2和3發(fā)送的是UDP的報(bào)文，不同于步驟1的測(cè)試報(bào)文，采用這種方式可以提高測(cè)量的精度，因?yàn)槟承┞酚善骰�于安全的考慮，對(duì)ICMP（網(wǎng)間控制報(bào)文協(xié)議）報(bào)文不響應(yīng)。

　　分析CP算法的基本性能，監(jiān)測(cè)設(shè)備的個(gè)數(shù)為N，在正常的情況下，在每個(gè)周期T僅發(fā)送一個(gè)100 byte的Ping分組，產(chǎn)生的附加流量為：

　　　（4）

　　也為最小附加流量。

　　在網(wǎng)絡(luò)異常（網(wǎng)絡(luò)阻斷）的情況下，在每個(gè)周期發(fā)送3個(gè)100 byte的Ping分組，產(chǎn)生的附加流量為：

　　�。�5）

　　也為最大附加流量。

　　表1給出了在網(wǎng)絡(luò)異常和網(wǎng)絡(luò)正常情況下，被測(cè)節(jié)點(diǎn)為100個(gè)時(shí)，采用不同的監(jiān)測(cè)周期，CP算法的產(chǎn)生的附加流量及其對(duì)100 Mbit/s帶寬網(wǎng)絡(luò)的影響。

表1　CP算法的性能


　　在INPNA中，如果為了兼顧網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)可用性監(jiān)測(cè)，要減小監(jiān)測(cè)的周期，但會(huì)產(chǎn)生較大的附加流量。表2給出了被測(cè)節(jié)點(diǎn)為100個(gè)時(shí)，采用不同的監(jiān)測(cè)周期INPNA方法產(chǎn)生的附加流量及其對(duì)100 Mbit/s帶寬網(wǎng)絡(luò)的影響。

表2　INPNA方法的性能


　　可見，隨著監(jiān)測(cè)周期變小，監(jiān)測(cè)所需要的附加流量將不斷增加。隨之而來的是，該附加流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響越來越大。因此，縮短監(jiān)測(cè)周期將使網(wǎng)絡(luò)侵?jǐn)_的問題愈發(fā)顯得嚴(yán)重。

　　對(duì)比表1和表2可見，采用CP算法后的確減輕了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的侵?jǐn)_。

　　事實(shí)上，在采用CP算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)可用性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同樣可以計(jì)算出在SNPNA監(jiān)測(cè)中產(chǎn)生的附加流量。在SNPNA監(jiān)測(cè)中，設(shè)性能監(jiān)測(cè)周期為T1（s），可用性監(jiān)測(cè)周期為T2（s），監(jiān)測(cè)的設(shè)備數(shù)為N，則網(wǎng)絡(luò)阻斷時(shí)產(chǎn)生的附加流量為：

　　　（6）

　　網(wǎng)絡(luò)無阻斷時(shí)產(chǎn)生的附加流量為：

　　�。�7）

　　由式（6）和式（7）可得，網(wǎng)絡(luò)可用性測(cè)量產(chǎn)生的附加流量在有無網(wǎng)絡(luò)阻斷的情況下對(duì)整體的附加流量影響都很小�？紤]SNPNA性能時(shí)，要同時(shí)考慮性能監(jiān)測(cè)、CP算法和特定的時(shí)間因素。假設(shè)同時(shí)監(jiān)測(cè)100個(gè)設(shè)備，在表3中列出了在不同監(jiān)測(cè)周期下，被測(cè)節(jié)點(diǎn)為100個(gè)時(shí)，SNPNA產(chǎn)生的附加流量及對(duì)100 Mbit/s帶寬網(wǎng)絡(luò)的影響。

表3　SNPNA方法的性能


　　對(duì)比表1、表2和表3，可以得出以下結(jié)論：

　　●當(dāng)采用INPNA算法時(shí)，產(chǎn)生的附加流量較大，尤其是監(jiān)測(cè)周期較短時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響較大；

　　●可用性監(jiān)測(cè)算法CP產(chǎn)生的附加流量很小。監(jiān)測(cè)周期為5 min時(shí)流量已經(jīng)相當(dāng)�。�

　　●當(dāng)采用SNPNA算法監(jiān)測(cè)時(shí)，可采用較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)周期和較短的網(wǎng)絡(luò)可用性監(jiān)測(cè)周期，能有效兼顧對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和對(duì)網(wǎng)絡(luò)可用性的監(jiān)測(cè)。

　　●分離監(jiān)測(cè)時(shí)，可用性監(jiān)測(cè)的流量相對(duì)總附加流量很小，隨著可用性測(cè)量周期的增大，可用性監(jiān)測(cè)流量相對(duì)于總附加流量明顯減少。

　　SNPNA的測(cè)量采用Ping和Traceroute相結(jié)合的方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的測(cè)量充分利用了性能參數(shù)之間的相關(guān)性。例如路由的變化往往會(huì)帶來許多其他相關(guān)影響。對(duì)于端到端路由來講，通常會(huì)引起RTT（往返時(shí)間）、丟包率和返回分組的TTL（生存時(shí)間）的變化等；從另一方面來講，網(wǎng)絡(luò)性能的變化常常是路由變化的誘因，網(wǎng)絡(luò)性能的變化會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由選擇策略重新進(jìn)行路由，因此網(wǎng)絡(luò)性能的變化與路由的變化是息息相關(guān)的。通過分析網(wǎng)絡(luò)性能的變化，也可以對(duì)路由的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3、監(jiān)測(cè)結(jié)果

　　監(jiān)測(cè)環(huán)境為100 Mbit/s以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成的局域網(wǎng)通過租用中國(guó)電信公司的2 Mbit/s線路與互聯(lián)網(wǎng)連接。測(cè)試環(huán)境由4臺(tái)設(shè)備和7個(gè)被測(cè)點(diǎn)組成（參見圖1），其中在192.9.201.33主機(jī)上運(yùn)行SNPNA，在192.9.201.114主機(jī)上運(yùn)行INPNA，2臺(tái)試驗(yàn)機(jī)作為被測(cè)節(jié)點(diǎn)（192.9.201.112和192.9.201.1）。其中192.9.201.1為網(wǎng)關(guān)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上選定的7個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，7個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息參見表4。


圖1　測(cè)試環(huán)境

表4　被測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)信息


　　所選擇的測(cè)試點(diǎn)的拓?fù)浞植既鐖D2所示，從圖中可以看出被測(cè)節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。


圖2　測(cè)試點(diǎn)拓?fù)浞植?/center>

　　測(cè)試時(shí)間為一周，SNPNA采用的監(jiān)測(cè)周期為性能監(jiān)測(cè)周期是20 min，可用性監(jiān)測(cè)周期是2 min；INPNA采用的監(jiān)測(cè)周期為10 min，對(duì)比表2和3可知。測(cè)試中SNPNA產(chǎn)生的附加流量要遠(yuǎn)小于INPNA所產(chǎn)生的附加流量。經(jīng)過一周的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于INPNA，SNPNA在不影響性能監(jiān)測(cè)的情況下，能較好地監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可用性。表5給出了一周的監(jiān)測(cè)情況，其中列出了SNPNA精確監(jiān)測(cè)到而INPNA沒有監(jiān)測(cè)到的網(wǎng)絡(luò)阻斷情況。

表5　網(wǎng)絡(luò)阻斷記錄


　　從表5可看出，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻斷的時(shí)間一般都比較短，在監(jiān)測(cè)一周的時(shí)間內(nèi)，沒有出現(xiàn)15 min以上的網(wǎng)絡(luò)阻斷。而如果采用INPNA的方式，則根據(jù)式（1），網(wǎng)絡(luò)阻斷被發(fā)現(xiàn)的概率較小，而且不能測(cè)量網(wǎng)絡(luò)阻斷的歷時(shí)。

　　通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)阻斷的情況不同，發(fā)生在2006-1-18 17:11:45的網(wǎng)絡(luò)阻斷出現(xiàn)的原因是接入路由器出現(xiàn)故障，從測(cè)試點(diǎn)到接入路由器的鏈路出現(xiàn)異常，導(dǎo)致所有目的節(jié)點(diǎn)不可達(dá)。發(fā)生在2006-1-22 15:23:21的網(wǎng)絡(luò)阻斷出現(xiàn)的原因是網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障所致。

　　經(jīng)過一周的測(cè)試，驗(yàn)證了可用性監(jiān)測(cè)程序的正確性，實(shí)驗(yàn)證明SNPNA在產(chǎn)生較少流量的情況下，能快速、準(zhǔn)確地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的可用性，與INPNA相比，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可用性的監(jiān)測(cè)效率更高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的監(jiān)測(cè)功能相當(dāng)，而且在SNPNA中通過把可用性監(jiān)測(cè)與PMMS[10]系統(tǒng)拓?fù)鋱D和告警功能相結(jié)合，能快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)。

4、結(jié)束語

　　當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法中，網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)可用性的監(jiān)測(cè)并沒有分離，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大時(shí)，面臨監(jiān)測(cè)效率低的問題，而分離監(jiān)測(cè)方法是基于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)提出的提高監(jiān)測(cè)效率的方法，通過本文的數(shù)學(xué)分析和實(shí)際測(cè)量，證實(shí)了分離監(jiān)測(cè)方法能有效提高網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)的效率。

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