網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法綜述

張小彬

摘要：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)可為網(wǎng)絡(luò)管理人員提供科學(xué)的管理決策依據(jù)，用以指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、訪問(wèn)形式多樣、異構(gòu)并發(fā)等特點(diǎn)，因此對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)相對(duì)比較復(fù)雜。在分析概括網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)必要性的基礎(chǔ)上，總結(jié)了基于解析、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和仿真3類網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)方法，分析了各方法的技術(shù)原理和優(yōu)缺點(diǎn)。最后，總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)方法的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；性能評(píng)價(jià)；網(wǎng)絡(luò)測(cè)量；網(wǎng)絡(luò)仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.143760

中圖分類號(hào)：TP306+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）001004703

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)日益豐富，基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也越來(lái)越多，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從單純傳送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚魉蛿?shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像、視頻的多媒體網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者、管理者、運(yùn)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，尤其關(guān)心如何保證網(wǎng)絡(luò)可靠性，何時(shí)需對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造，以及如何驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期性能。以上問(wèn)題涉及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)，其結(jié)果可以用于指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、配置、管理和維護(hù)。同時(shí)，為網(wǎng)絡(luò)管理者和運(yùn)營(yíng)者提供科學(xué)決策依據(jù)，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸節(jié)點(diǎn)或鏈路，有效配置資源，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的目的。

網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指對(duì)被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行研究和優(yōu)化[1]，對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行測(cè)量和建模；按照一定的性能要求對(duì)方案進(jìn)行選擇；對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的性能缺陷和瓶頸進(jìn)行改進(jìn)；對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜、訪問(wèn)形式多樣、異構(gòu)并發(fā)等特點(diǎn)，因此計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化非常復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍研究的方法有3類：基于解析的方法、基于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的方法和基于仿真的方法。

1 基于解析的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)方法

1.1 技術(shù)原理

基于解析方法的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化基本步驟為：對(duì)所研究的對(duì)象和所依存的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行初步分析；根據(jù)一定的限定條件和合理假設(shè)，對(duì)研究對(duì)象和系統(tǒng)進(jìn)行描述，確定系統(tǒng)性能參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，抽象出研究對(duì)象的數(shù)學(xué)分析模型；利用數(shù)學(xué)分析模型對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，根據(jù)求解結(jié)果分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能參數(shù)指標(biāo)；找出影響性能的瓶頸參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的目的。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)基于解析的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估與優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，并取得了豐富成果。這些研究多基于概率論、隨機(jī)過(guò)程論和排隊(duì)論等數(shù)學(xué)工具。特別是排隊(duì)論，學(xué)者對(duì)其研究更多，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往可以等價(jià)為一個(gè)排隊(duì)系統(tǒng)。

1.2 基于排隊(duì)論的方法

排隊(duì)論理論由丹麥數(shù)學(xué)家A.K.Erlang于1909年提出。上世紀(jì)30年代，法國(guó)數(shù)學(xué)家F.Poelaczek和蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家A.N.Kolmogorov，A.Y.Khintchine的研究課題及后來(lái)撰寫(xiě)的著作，為基于排隊(duì)論的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。隨后排隊(duì)論得到迅猛發(fā)展，50年代初期，英國(guó)D.G.Kendall系統(tǒng)地闡述了排隊(duì)問(wèn)題，并利用嵌入Markov鏈的方法推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估的進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、異步轉(zhuǎn)移模式（ATM）等技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)典排隊(duì)模型在處理這些領(lǐng)域遇到的新問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出一定的局限性。20世紀(jì)70年代，作為經(jīng)典排隊(duì)論的推廣，休假排隊(duì)論（Vacation Queue）[2]受到了學(xué)者的關(guān)注，并應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域。

雖然排隊(duì)論對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)起到了重要的理論指導(dǎo)作用，但隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)越來(lái)越龐大，構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜，排隊(duì)論對(duì)于目前的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估而言，存在以下局限性：①只適用于FIFO和固定優(yōu)先級(jí)的簡(jiǎn)單調(diào)度節(jié)點(diǎn)，很難應(yīng)用于常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度器類型（如GPS、EDF）；②對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)較為有效，難以用于多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)情形，通常只能采用直接相加的方法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)性能；③計(jì)算結(jié)果與具體的流量過(guò)程源模型和服務(wù)模型相關(guān)，缺乏通用性。

1.3 其它方法

除運(yùn)用排隊(duì)論外，學(xué)者還提出了其它方法，例如統(tǒng)計(jì)型網(wǎng)絡(luò)演算理論（Statistical Network Calculus）[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]等，這些方法為網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)價(jià)與優(yōu)化提供了不同的思路，對(duì)問(wèn)題解決具有一定效果。但無(wú)論哪種方法，一般對(duì)系統(tǒng)模型建立都有一定要求，需要解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。在建立模型過(guò)程中，必須作出一些合理的假設(shè)，否則建模很困難，且假設(shè)不能太多、太牽強(qiáng)，這樣會(huì)使模型失去實(shí)際意義，而且即使建立了模型，其求解也非常復(fù)雜。

2 基于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的方法

2.1 技術(shù)原理

基于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量[5]的評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法，是針對(duì)已運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)收集各種參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行量化評(píng)價(jià)、優(yōu)化。因此，此方法的關(guān)鍵在于性能指標(biāo)值的精確獲取與分析。

2.2 主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量

根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的方式，網(wǎng)絡(luò)測(cè)量可以分為主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量?jī)深悺Ｖ鲃?dòng)測(cè)量在測(cè)試前選定測(cè)試點(diǎn)，利用測(cè)量工具有目的地主動(dòng)向被測(cè)網(wǎng)絡(luò)注入測(cè)試流量，通過(guò)測(cè)試流量傳送情況來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)。被動(dòng)測(cè)量通過(guò)數(shù)據(jù)包捕獲器捕獲數(shù)據(jù)的方式記錄網(wǎng)絡(luò)流量，并對(duì)流量進(jìn)行分析，獲知網(wǎng)絡(luò)行為狀況?；诰W(wǎng)絡(luò)測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法，具有一定優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）主動(dòng)測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量過(guò)程可控性比較高，易于對(duì)端到端的性能進(jìn)行測(cè)量，用戶只需使用相應(yīng)的測(cè)量工具即可測(cè)量，通常不需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作。此外，主動(dòng)測(cè)量通過(guò)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)包來(lái)獲得相應(yīng)的性能參數(shù)，不捕獲網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在的流量，因此不會(huì)對(duì)用戶信息安全帶來(lái)威脅。主動(dòng)測(cè)量的缺點(diǎn)是，由于需要向網(wǎng)絡(luò)注入新的流量，而測(cè)量本身無(wú)法區(qū)分網(wǎng)絡(luò)正常用戶流量和測(cè)量流量，因此可能會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差，甚至可能引發(fā)Heisenberg效應(yīng)[6]，且如果注入的流量過(guò)大，則測(cè)量流量和用戶流量爭(zhēng)奪網(wǎng)絡(luò)資源，影響用戶正常的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（2）被動(dòng)測(cè)量方式優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需發(fā)送測(cè)量包，不向網(wǎng)絡(luò)注入額外的測(cè)量流量，因此不會(huì)產(chǎn)生Heisenberg效應(yīng)，可以獲得更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。由于被動(dòng)測(cè)量需要捕獲鏈路上所有數(shù)據(jù)包，可以非常詳盡地刻畫(huà)該測(cè)量點(diǎn)或該鏈路的網(wǎng)絡(luò)行為。被動(dòng)測(cè)量的缺點(diǎn)是，需要在網(wǎng)絡(luò)上布置大量的數(shù)據(jù)包捕獲器才能獲知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)甚至是一條通路的信息，因此測(cè)量較為復(fù)雜，且對(duì)于某些參數(shù)（如吞吐量），即使多個(gè)數(shù)據(jù)包捕獲器相互協(xié)作，依然難以獲取數(shù)據(jù)。受數(shù)據(jù)包捕獲器性能的限制，對(duì)于高速網(wǎng)絡(luò)而言，測(cè)量時(shí)容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)捕獲不完整或者捕獲時(shí)鐘偏差，從而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。另外，由于需要對(duì)捕獲點(diǎn)所有用戶信息進(jìn)行分析處理，因此存在侵犯隱私隱患，影響網(wǎng)絡(luò)安全。

無(wú)論是主動(dòng)測(cè)量方式還是被動(dòng)測(cè)量方式，性能測(cè)量和評(píng)價(jià)的成本都較高，重新配置或共享資源較難，運(yùn)用起來(lái)不靈活，并且不能在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或建立之前預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

3 基于仿真的方法

3.1 技術(shù)原理

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)所研究的對(duì)象和所依存的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行初步分析，自行開(kāi)發(fā)或者選擇已有的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的或理論的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真模型，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行該模型，分析運(yùn)行結(jié)果，從而獲得網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)信息。

3.2 實(shí)施步驟

基于仿真方法的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估與優(yōu)化步驟為：性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)仿真模型、網(wǎng)絡(luò)仿真和分析[7]。

在性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)備階段，主要明確和規(guī)范網(wǎng)絡(luò)仿真所要研究的問(wèn)題和目標(biāo)，明確網(wǎng)絡(luò)仿真描述性能參數(shù)，并針對(duì)仿真對(duì)象制定詳細(xì)的計(jì)劃，提出可選研究方案。

在網(wǎng)絡(luò)仿真模型設(shè)計(jì)階段，首先要建立網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)、協(xié)議的概念模型和數(shù)學(xué)模型，包括網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備以及鏈路向仿真模型轉(zhuǎn)化的原理、實(shí)現(xiàn)方式、結(jié)構(gòu)組成、模型模塊以及業(yè)務(wù)和流量的數(shù)學(xué)描述模型。然后搜集用于仿真實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證的相關(guān)數(shù)據(jù)，例如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、通信?jié)點(diǎn)技術(shù)和結(jié)構(gòu)，以及配置、鏈路參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)流量和負(fù)載情況等。最后通過(guò)自行開(kāi)發(fā)或使用仿真工具實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，并驗(yàn)證仿真模型是否和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)、協(xié)議性能相符合，確保模型的正確性、完整性、一致性。

網(wǎng)絡(luò)仿真和分析階段的主要任務(wù)是利用仿真模型完成具體仿真場(chǎng)景，同時(shí)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)序列。然后利用仿真軟件工具進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；最后利用分析工具和數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行仿真結(jié)果分析和處理。

3.3 仿真工具

利用仿真方法獲得可靠的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)參數(shù)，仿真工具選擇尤為關(guān)鍵。通常網(wǎng)絡(luò)仿真工具可以選擇自行開(kāi)發(fā)，也可以使用現(xiàn)有的仿真工具。如：NS2、OPNET、GloMoSim和MATLAB等。

基于仿真方法的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)所需的網(wǎng)絡(luò)模型，具有較強(qiáng)的靈活性。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)仿真工具都是基于離散事件仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)（如NS2），數(shù)據(jù)包的每一跳都需要由離散事件來(lái)描述。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，所需仿真的網(wǎng)絡(luò)流量就越大，因而需處理的離散時(shí)間也就越多，由此將帶來(lái)大量的計(jì)算開(kāi)銷。另一方面，受硬件資源尤其是內(nèi)存資源的限制，網(wǎng)絡(luò)仿真工具所能模擬的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有限，無(wú)法同時(shí)展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的全部特性。

4 結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由多種計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)各種傳輸媒體構(gòu)成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且采用不同的信道訪問(wèn)控制方式，具有接入形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、泛在和異構(gòu)等特點(diǎn)，使得經(jīng)典的性能評(píng)價(jià)方法受到了一定的挑戰(zhàn)。本文綜述的3類方法是目前主要的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)方法，但隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的增加，尤其是系統(tǒng)中各種并發(fā)同步事件的大量存在，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能特性與性能特性之間的界限已經(jīng)越來(lái)越模糊，因此各種形式化建模方法被引入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)之中，例如隨機(jī)Petri網(wǎng)[9]、隨機(jī)進(jìn)程代數(shù)[9]等。這些方法可以很好地描述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中常見(jiàn)的同步、并發(fā)、分布、沖突、資源調(diào)用等現(xiàn)象，多被用于針對(duì)各種并發(fā)分布式系統(tǒng)的功能推導(dǎo)和驗(yàn)證，通過(guò)融合相應(yīng)的性能參數(shù)，能夠同時(shí)刻畫(huà)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能模型和性能模型，成為一種理想的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能分析工具，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)提供了一種新的思路和方法。