IP网络性能监测技术及其发展趋势

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IP网络性能监测技术及其发展趋势
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编辑：信息产业部电信研究院通信标准研究所 曹蓟光 何宝宏


　　 摘 要：本文重点阐释了IP网络性能监测的重要性，先容了IP网络性能监测领域的研究现状，并在此基础上，对IP网络性能监测的主要参数、关键技术进行阐释，并分析了IP网络性能监测技术的未来发展趋势。
关键词：IP网络性能 服务质量 性能测量 性能控制与调整

一、概述

IP网络服务质量保证机制的研究是互联网领域和电信领域的共同热点，是在IP网络上提供多媒体通信业务时的基础之一。已经提出了多种具体技术和相关的解决策略，这些技术和策略有着各自的技术特点和适用范围，当它们被综合应用到IP网络的建设和IP多业务支撑的环境中时，具体的应用效果不尽相同。在这种情况下，对IP网络的网络性能进行测量、分析、评价、控制、调整受到越来越多的关注。IP网络性能监测技术就是在这种情况下提出的。

IP网络性能监测技术主要涉及IP网络性能的测量参数的选取，测量指标的确定，具体参数的测量方法（包括测量点的布置，测量结果的采样方法等），网络性能的评测方法，网络性能的控制与调整策略等内容。目前在这些领域均取得了一些研究成果，但是从整体研究水平来看，尚处于起步阶段。这个研究领域的发展空间较大，尤其是随着各种IP QoS保证技术在IP网络中的应用，IP网络性能监测技术会受到更多的重视，将成为新的IP网络研究热点。

二、IP网络性能监测的重要性

在IP网络中采用网络性能监测技术，可以实现：

（1）实时监测网络状况

能实时获得网络的当前运行状况，减轻运维人员的工作负担。能在网络出现故障或拥塞时发出自动告警，在网络即将出现瓶颈前给出分析和预测。

（2）合理规划和优化网络

通过对网络流量的监视、数据采集和分析，给出详细的链路和节点流量分析报告，获得流量分布和流向分布、报文特性和协议分布特性，为网络规划、路由策略、资源和容量升级提供依据。

（3）引导提供网络增值业务

通过对业务占用带宽的分布、业务会话的统计分析，能够了解和分析网络特性和用户使用偏好，引导开发和规划新的网络应用和业务平台，进行增值业务的拓展和市场宣传，引导用户需求。

（4）灵活的资费标准

通过对用户上网时长、上网流量、网络业务以及目的网站的数据分析，摆脱目前单一的包月制，实现基于时间段、带宽、应用、服务质量等更加灵活的资费标准。

（5）有力支撑业务平台

通过具体的流量数据获得业务的经营情况和用户的认可程度，引导后续发展，而改进的结果仍需要流量来验证，最终实现业务拓展流程的良性循环。

IP网络性能监测技术的研究成果可用于互联网运营商、电信运营商、拥有IP专用网络的企业、测试服务提供商、测试工具开发商以及政府主管部门等，对于分析、确定现有IP网络存在的潜在问题，评价和比较网络改造方案，优化网络性能等方面都有很大帮助。其现实意义在于以下几个方面。

（1）对消费者而言，其可以根据不同运营商的IP网的服务质量状况和IP网上开展的新业务，进行比较，做出更合理的选择，同时，还可以判断运营商是否违反了服务承诺。

（2）对运营商而言，首先，服务质量公告是规范IP网服务市场的需要；其次，客观的评估服务质量也是运营商开展新业务从而获得增值利润的需要。

（3）对电信产品制造商而言，在产品设计、开发、出厂测试的环节应该突出产品在实际应用环境中的表现能力测试，调整产品研发思路，注重针对不同网络应用环境的极限测试，从而保证产品质量。

（4）对政府监管部门来说，通过对不同电信运营商网络的测试和评估，可以公布运营商的IP网络服务质量状况，是能促进运营商公平竞争和改善服务质量，解决服务质量纠纷的有力手段。

综上所述，开展IP网络性能监测技术的研究具有重要的现实意义，通过对相关技术的产业化，可以产生良好的经济效益和积极的社会效益。

三、IP网络性能的主要监测对象

1. 网络性能测量参数

根据中国通信标准化协会已完成的《IP网络技术要求——性能参数与指标》（报批稿）的有关规定，用户所关心的IP网络端到端的服务质量的参数主要包括以下几个。

（1）可用性：用于表明网络是否可以使用的参数。如果一个端到端IP网络业务的包丢失率低于一定的门限值，则认为该端到端IP网络业务是可用的，否则就是不可用的。根据可用性的定义，可以把IP网络业务的全部持续时间分为可用时间和不可用时间（不可用时段就不应支付使用费用）。

（2）IP包传输时延：IP包传输时延定义为穿过一个或多个网络段，传送IP包所经历的时间（不考虑传送成功与否）。

（3）IP包丢失率：IP包丢失率是丢失的IP包传送结果与所有IP包的比值。

（4）IP时延变化（即抖动）：连续传递时，包与包之间的时间延迟的变化。

（5）IP包误差率：是错误IP包传送结果与成功IP包传送结果加错误IP包传送之和的比值。

（6）虚假IP包率：指在一个特定时间间隔内，在测量点上观测到的虚假IP包数量除以该时间间隔。

在上述测量的基础上，需要综合分析从而获得：

（1）网络线路利用率和趋势、流量分布、流量走向。

（2）网络区域间的流量模式，即以网络拓扑为依据划分被测流量，突出网络规划和运维的目的。

（3）网络用户的流量模式，即测量用户或用户群的流量特征，突出用户管理和客户服务的目的，也是用户SLA保证的基础。

（4）网络业务的流量模式，测量网络中指定业务的流量模式和质量，突出网络的业务规划和运营的目的。

2. 其他需要测量的参数

除了上述与网络性能直接相关的参数以外，其他一些与网络设备有关的参数对于IP网络性能也有重要的影响，包括：处理器利用率、内存剩余空间、温度、电压、开机时间、系统版本、缓冲区故障计数、缓冲区遗失计数以及其他性能指标。

四、IP网络性能监测的关键技术

IP网络性能监测技术所涉及的技术较多，下面着重对几个关键技术进行先容。

1. 网络性能参数的采集方法

通常情况下，网络管理人员只对几个重要的网络环节进行QoS监测。因此可考虑三种方式来实现对重要环节网络性能的监测。

（1）直接使用现有路由器或交换机自身具备的流量测量功能，具体利用路由器的NETFLOWApp来实现。在这种方式下，大流量的数据采集会消耗设备的CPU和存储资源，一般采用抽样技术，观测粒度较粗。而且目前的标准不完善，IPFIX尚处于讨论阶段。另外由于高速接口的流量监测设备成本相对较高，需要在网络设备中或在网络中添加专用的数据采集设备。

（2）在路由器上采用ISE卡实现对重点链路的监控。

（3）在IP传输链路中串入或并入流量分析设备来获得流量信息。

通过上述监测机制可以获得网络的状态信息，一方面，这种状态信息要成为路由策略的重要参数，以便在感知到网络阻塞发生或将要发生时能够实时地改变网络路由。目前，这方面的研究已经在IETF展开，也提出了一些基于QoS的路由算法，但是支撑这些新型路由协议的网络设备并不多。另一方面，这些网络状态信息可以为网络管理人员对网络运行状况进行预测和把握提供事实依据，从而可以非实时地对网络进行调整，以提升网络性能。

2. 网络性能测量点的布置与管理

采用上述三种测量方式以后，相当于在网络中配置了多个网络性能探测器，这些探测器采用分布式测试、集中式综合分析模式工作。这些探测器应该能够为多个用户的多个性能监测服务，这样才能降低建设成本，并能够真正开展面向更多用户的网络性能监测服务。

网络中的多个探测器可以组成多个网络性能监测域，一个探测器可以逻辑上属于多个监测域。也就是说，一个探测器可以同时为多个用户服务，一个探测器也可以同时实行多个监测任务。因此要求研究网络性能监测域的灵活的逻辑划分和管理方法。

3. 网络性能的采样测量技术

考虑到网络负载和探测器负载，通常对于一些参数不能长时间的连续测试，而是要采用适当的采样技术，即在时间轴上依据一定的算法，抽取部分测量时间点，在测量时间点上对关心的参数进行测量并记录。采样技术可以直接削减探测器的工作量，减轻网络的负载，减少网络设备的压力，进而可以降低对探测器的技术要求，降低产品成本。

在时间轴上选取采样时间点的算法很多，主要包括以下两种。

（1）固定时间间隔周期性采集数据，在后处理过程中依据一定的线性预测算法进行建模，使点数据延展为连续数据。

（2）自适应时间间隔采集数据，在后处理中依据一定的非线性预测算法，如神经元网络的方式将点数据延展为连续数据。自适应的时间间隔算法可以在一定程度上增加对网络流量突发事件的发现概率，即在流量变化较为频繁或剧烈的时间段加大采集密度，在流量较为平缓的时间段降低采集密度。

在应用采样技术时，也要注意到存在这样一些问题。

首先，在时间轴上进行压缩不是流量测量数据压缩的首选方法，因为一般的采样算法并不能实现真正地制作数据缩略图，以根据运维人员的需求对数据进行缩放。

其次，采样算法对数据采集的效果影响很大。目前一般设备采用的时间采样点的计算方法和采集方法都远不是最优算法，有较大的误差，信息的丢失也很严重，往往不能即时准确地捕获网络中的异常事件。

五、IP网络性能监测技术的发展趋势

1. IP网络性能测量

网络性能监测技术实际上包括两个部分，一个是性能测量，一个是性能控制与调整。目前，对于网络性能测量技术的研究越来越受重视，但是就整体研究水平来讲，还处于初级阶段。表现在测试理论的研究还有待深入，原来关注的重点是单个网络设备的性能测量，现在的研究重点已经向整个IP网络的性能测量方面转变。原有的用来衡量单个网络设备的性能参数不能直接用来衡量整网的性能，对于能够从整网角度来反应IP网络性能的参数的研究，在IETF和ITU中都在进行。在参数确定以后，相应的测量方法、指标确定、综合评价都是要研究的内容；另外，从整网角度来建立IP网络服务质量评价体系也是未来的研究重点。

2. IP网络性能控制与调整

对于网络性能的控制与调整的研究，很早就开展了，但是这方面的成果比网络性能测量方面的成果要少，这是因为一方面，这种网络性能需要实时调整的需求才出现不久；另一方面，对网络性能进行调整需要对现网中的设备进行升级，路由协议需要完善，必要时还要建立相对独立的信令系统，实施的难度较大。

在网络性能控制与调整方面，以后的目标是：

（1）提供主动的控制功能

不仅仅局限于对网络性能状况的获得，还能够通过纯硬件的设计实现业界标准的流控算法进行灵活的流量控制，主动改进网络服务。

（2）满足重点监控需要

提供丰富的特征参数监控，可以进行灵活的复合设定，全面满足运营商的需要，也可以通过定制来实现特定要求。

（3）降低互联互通成本

获得重点出口中继链路的利用率，用户和协议分布，源和目的网段间的流量分布和趋势，提供运营和互联成本分析。

（4）实现区分服务，保证服务质量

性能监控获得的数据，可进行高低优先级客户的网络资源占用率分析、服务质量的监测。通过资费政策的调节、业务等级的区分，在中继线路上实施流量控制，优先保证高优先客户的服务质量。

（5）网络安全和抵御DOS攻击

通过连接会话数的跟踪，源目的地址对的分析，TCP流的分析，能够及时发现网络中的异常流量和异常连接，侦测和定位网络潜在的安全问题和攻击行为，保障网络安全。

（6）建立完善的监控系统

支撑同时从多个网关获取流量数据，实现分布式流量监控系统，便于在未来建立完善的网络性能监控网，保护前期投资。对外提供标准的数据库接口，可与其他运营支撑系统共享数据。

■ 参考文献

1] 何宝宏．IP虚拟专用网络．北京：人民邮电出版社，2002

[2] 曹蓟光．多媒体业务服务质量相关问题的研究．现代电信科技，2004（11）