IP 網(wǎng)絡(luò)綜合性能評(píng)估模型
2013-11-18 06:28:30李改河
李改河
【摘 要】提出一種IP網(wǎng)絡(luò)綜合性能評(píng)估模型，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)健康度和路由器健康度的概念，通過(guò)測(cè)量收集網(wǎng)絡(luò)基本性能數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)作出整體評(píng)價(jià)?；谠撃Ｐ烷_發(fā)了NHES系統(tǒng)，對(duì)中國(guó)移動(dòng)CNGI示范網(wǎng)進(jìn)行性能測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地反映了CNGI的運(yùn)行狀況，為診斷網(wǎng)絡(luò)性能問(wèn)題提供了有用信息。
【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)健康度；路由器健康度；綜合性能評(píng)估；性能測(cè)量
0.概述
隨著 Internet 技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)其依賴程度也日漸增加。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和用戶必須對(duì)其性能深入了解，才能保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。但是Internet的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，使其性能的可知性越來(lái)越低，因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的研究變得越來(lái)越重要。
目前，國(guó)際上有關(guān)性能測(cè)量的研究項(xiàng)目主要有：NIMI，AM，CAIDA和Surveyor。IETF也提出了若干RFCs以制定一系列框架指標(biāo)來(lái)規(guī)范對(duì)Internet的測(cè)量。此外，還有許多其他網(wǎng)絡(luò)測(cè)量體系，如MOAT， IEPM，NWS，PPNCG等[1]。雖然這些項(xiàng)目在關(guān)鍵技術(shù)上取得了很大進(jìn)展，但還存在一些問(wèn)題：（1）在測(cè)量系統(tǒng)模型化方面做的工作比較少，缺乏宏觀的體系結(jié)構(gòu)模型；（2）普遍采用指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法，雖能從多個(gè)角度對(duì)事物進(jìn)行評(píng)價(jià)，但不利于對(duì)事物的綜合評(píng)估、統(tǒng)一比較[2]。本文提出的IP網(wǎng)絡(luò)綜合性能評(píng)估模型采用綜合多指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法，把反映網(wǎng)絡(luò)性能的多個(gè)指標(biāo)信息綜合起來(lái)，映射成一個(gè)指標(biāo)，由此來(lái)反映網(wǎng)絡(luò)整體的性能狀況。通過(guò)這一綜合性指標(biāo)，使網(wǎng)管人員可從宏觀的角度來(lái)評(píng)測(cè)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
1.評(píng)估模型
節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本元素之一，網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)都會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能在一定范圍內(nèi)造成影響，這種影響反映在端到端（路徑）性能上，一般認(rèn)為，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)總體性能指數(shù)只須測(cè)量出端到端的性能數(shù)據(jù)加以分析總結(jié)即可[2]。但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，對(duì)端到端的測(cè)量在實(shí)現(xiàn)上不可能也沒必要覆蓋網(wǎng)絡(luò)中所有的路徑，因此，也不能保證覆蓋所有節(jié)點(diǎn)；另外，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行著的各路由器的綜合性能進(jìn)行評(píng)估，對(duì)網(wǎng)管人員更全面深入地了解網(wǎng)絡(luò)性能情況也很有幫助，例如把路由器綜合性能信息實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在拓?fù)鋱D上，可以為網(wǎng)管人員及時(shí)準(zhǔn)確地定位瓶頸提供輔助信息。因此，在評(píng)估模型中加入對(duì)節(jié)點(diǎn)的綜合性能評(píng)估是非常有用的。
2.路由器綜合性能評(píng)估
路由器性能相關(guān)指標(biāo)非常多，其中吞吐量、路由計(jì)算能力、路由表能力、系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間和系統(tǒng)復(fù)位時(shí)間都是固定型指標(biāo)，而時(shí)延、丟包率、包轉(zhuǎn)發(fā)率、年齡、CPU利用率和內(nèi)存利用率則是動(dòng)態(tài)型指標(biāo)。固定型指標(biāo)即設(shè)備固有的靜態(tài)參數(shù)，體現(xiàn)其能力能達(dá)到什么程度，跟具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境無(wú)關(guān)，可用特定軟硬件設(shè)備測(cè)出；動(dòng)態(tài)型指標(biāo)是實(shí)際運(yùn)行時(shí)的量，其變化跟環(huán)境有關(guān)，可在實(shí)際運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得出。
3.端到端綜合性能評(píng)估
關(guān)于網(wǎng)絡(luò)層的端到端性能測(cè)量，IETF的IPPM工作組定義了一個(gè)指標(biāo)注冊(cè)框架IPPM Metrics Registry[3]，給出了管理規(guī)則，注冊(cè)指標(biāo)的模板，用此模板列出了已注冊(cè)的全部33個(gè)指標(biāo)，給出每個(gè)指標(biāo)的基本屬性，包括：名字，參數(shù)（測(cè)量環(huán)境等），具體定義，單位，測(cè)量方法，誤差等。
這些指標(biāo)可以分為2類：基本指標(biāo)和衍生指標(biāo)?；局笜?biāo)指可以直接測(cè)量得出的指標(biāo)，而衍生指標(biāo)則是建立在若干基本指標(biāo)之上，可以是基本指標(biāo)的采樣序列，也可以是采樣序列的統(tǒng)計(jì)特征。最基本的原子性指標(biāo)有4個(gè)：時(shí)延（delay），丟包率（loss），重包率（duplication）和重排序率（reordering）[4]。
只知道某個(gè)時(shí)刻上這些原子指標(biāo)的值是沒有意義的，普遍的方法論是在這些原子性指標(biāo)的基礎(chǔ)之上，作時(shí)間上的擴(kuò)展，形成序列，再研究這些序列的統(tǒng)計(jì)特征平均值、最小值、中值、百分分布等。
4.網(wǎng)絡(luò)綜合性能評(píng)估
網(wǎng)絡(luò)的綜合性能評(píng)估方法與路由器一樣， 用 0～100打分，稱為健康度。網(wǎng)絡(luò)健康度與端到端的總體評(píng)價(jià)系數(shù)和路由器健康度緊密關(guān)聯(lián)，算法如下：
health=0；
for every path do
health=health+path.eval；
health=round（health×100/ num）；
for every router do
if （router.health<60）
health=health×0.9
其中，num 為實(shí)際測(cè)量的路徑的數(shù)目；round 為取整函數(shù)。
5.實(shí)現(xiàn)根據(jù)這個(gè)評(píng)估模型，開發(fā)出網(wǎng)絡(luò)健康度評(píng)估工具（Network Health Evaluation System，NHES）
NHES 分為3層：
（1）數(shù)據(jù)采集層。包括路由器數(shù)據(jù)采集和端到端數(shù)據(jù)采集2部分。其中，路由器采集部分利用SNMP 協(xié)議來(lái)收集路由器各端口的輸入輸出總包數(shù)、包丟棄數(shù)、入口帶寬、CPU利用率等數(shù)據(jù)，由此計(jì)算出路由器各指標(biāo)值；端到端采集部分利用Ping命令收集路徑的雙向延時(shí)和雙向丟包率，由此計(jì)算出延時(shí)的最小值、方差和平均值。
（2）評(píng)估層。從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出采集層輸出的數(shù)據(jù)，以其作為輸入，按照上面所述評(píng)估模型，逐層計(jì)算評(píng)估出網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)路由器、各條路經(jīng)以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的綜合性能，把評(píng)估出的數(shù)據(jù)寫回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。
（3）呈現(xiàn)層。負(fù)責(zé)把評(píng)估層輸出的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，分為實(shí)時(shí)呈現(xiàn)和歷史呈現(xiàn)。實(shí)時(shí)呈現(xiàn)是指把路由器健康度和網(wǎng)絡(luò)健康度在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，而歷史呈現(xiàn)則是根據(jù)用戶的需求從數(shù)據(jù)庫(kù)里調(diào)出數(shù)據(jù)，以報(bào)表的形式顯示。在中國(guó)移動(dòng)CNGI示范網(wǎng)上運(yùn)行NHES，把 NHES部署在與其中一個(gè)邊緣路由器相連的主機(jī)上，選取其中的3條路徑進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)所有支持SNMP的路由器進(jìn)行采集，網(wǎng)管人員在 NHES上輸入各路由器地址、端口、口令、OID、目的端地址等信息，系統(tǒng)即可運(yùn)行。這些信息被寫入配置文件中，用戶無(wú)須每次登錄都輸入。除此之外，路由器指標(biāo)權(quán)值、正常值、采集間隔以及計(jì)算健康度的周期等參數(shù)也都可由用戶配置。在拓?fù)鋱D上每隔一個(gè)健康度評(píng)估周期自動(dòng)更新一次路由器和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的健康度，路徑的綜合性能則可在歷史記錄中查詢。
在不同時(shí)刻采集到的中國(guó)移動(dòng)CNGI示范網(wǎng)的部分路由器性能數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為輸入，根據(jù)模型計(jì)算得出網(wǎng)絡(luò)綜合性能?？梢钥闯?，CNGI示范網(wǎng)在10月26日無(wú)論是路由器的表現(xiàn)還是端到端的性能比24日都有所下降：網(wǎng)絡(luò)健康度從90下降到71。路由器（H）無(wú)論在網(wǎng)絡(luò)整體性能較好還是較差的時(shí)候其健康度均只有 66，事實(shí)上查看歷史記錄可知它在連續(xù)一個(gè)星期的測(cè)量中整體性能表現(xiàn)一直不佳，健康度在60上下浮動(dòng)，與其他路由器較佳的平均表現(xiàn)形成鮮明對(duì)比，影響了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。因此，為了提高綜合性能，網(wǎng)管人員應(yīng)首先考慮替換路由器（H）或?qū)⑵湟浦凛^為不重要的位置。
6.結(jié)束語(yǔ)
本文從當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)管理的需求出發(fā)，提出路由器健康度和網(wǎng)絡(luò)健康度的概念，采用模塊化技術(shù)，對(duì)已有的一些網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)估方法進(jìn)行了比較，建立一種IP 網(wǎng)絡(luò)綜合性能評(píng)估模型，使網(wǎng)絡(luò)管理者無(wú)須仔細(xì)研究各個(gè)指標(biāo)，即可了解網(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)，并且方便了不同節(jié)點(diǎn)、路徑以及網(wǎng)絡(luò)之間在時(shí)間和空間上的比較。通過(guò)中國(guó)移動(dòng)CNGI示范網(wǎng)的的測(cè)量評(píng)估證明，該模型能夠有效幫助網(wǎng)管人員了解并分析網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。 [科]
