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IP网络测量和业务性能研究

朱畅华  
【摘要】:随着IP网络规模和用户数目的不断扩大,业务种类日趋多样化,加之对服务质量、网络与信息安全的要求越来越高,给其运营、维护和管理提出更高的要求。同时,掌握IP网络的运行规律,对网络设备和协议的研究开发具有重要意义,为此促使了网络测量和业务性能的研究。 本文围绕IP网络测量和业务性能两个方面展开研究,力图构造有效的网络测量基础结构,获得IP网络的性能指标,掌握IP网络的业务性能,理解其运行规律,建立其行为模型,以进一步提高其服务质量,改善安全性,实现高效的运营维护,并为网络新协议的开发奠定基础。本文的主要内容和结果如下: 1.研究了Internet单向时延的测量方法及其动力学特征。提出了一种基于非线性规划的方法估计收发时钟的频差和相对偏差,克服了常用的端到端时延测量方法大多依赖于GPS接收机或采用NTP协议来实现收发端时钟的同步,而GPS接收机价格较高且与接收环境有关、NTP协议的精度不能满足要求的缺点。我们在几条不同的链路上进行了测试,结果表明该方法能有效消除收发时钟不同步对时延测量的影响。此外,通过分析多条链路的测试结果,发现Internet端到端时延具有非线性、非平稳的特征,而且不同链路其自相似性(Self-Similarity)程度不同。通过构造合适的网络结构及泛函神经元函数,利用泛函网络进行系统辨识,准确描述了端到端时延的非线性特征,同时对泛函神经元函数的参数进行自适应修正,适应了时延的非平稳性。对两条不同种类链路实测的端到端时延数据进行验证,结果表明所构造的网络结构以及提出的自适应算法能准确描述Internet端到端时延的动力学特征。 2.研究了端到端瓶颈带宽和可用带宽的测量方法。在分析几种主要的网络瓶颈带宽测量方法及其存在的问题的基础上,提出了一种基于多分组(Multi-Packet)技术、考查分组到达间隔特征(平稳性,标准差与均值之比)的新方法,仿真试验结果表明该方法能有效地克服分组对(Packet Pair)技术无法判断时间压缩和时间扩展造成的误差,相比分组链技术精度得以提高,并且适合于网络重负载的情况。此外,基于自感应拥塞的思想提出一种新的端到端可用带宽测量方法,该方法采用步进式增加探测分组发送速率的方案,还定义了一个判决标准:归一化加权时延增量(NWID)。采用滑动判决方法,一次测量便可得到可用带宽值。仿真试验结果表明:与pathChirp方法相比,适量增加了测量开销,但其测量精度明显提高。 3.研究了802.11WLAN接入点汇聚的业务量特征和WLAN QoS问题。经过仿真实验发现:采用IEEE 802.11协议的无线局域网,其无线接入点(AP)在饱和情 况下汇聚的业务量数据具有多分形/多尺度(mul ti一fractal/multi一SCale)特征。 利用多分形业务量排队分析的最新结果,研究了无线接入点的业务量丢弃率与缓 冲区大小的关系,并进行了仿真验证。此外,针对于少数慢速终端导致整个WLAN 性能下降以及兼顾端到端Qos的情况,提出了一种接入控制方法—面向QoS的 混合接入控制(QoS一oriented Hybrid Admission Control,QHAC)策略,通过 限制慢速终端的分组请求间隔来降低对其它移动台的性能影响。此外,还测量端 到端路径的性能,与需要接入的新移动台的服务质量需求进行对比来判决新移动 台是否获得竞争权限。仿真结果表明该算法能有效提高工EEE 802.1 1 WLAN的性能。 4.研究了GPRS承载IP业务的性能。在分析GPRS RLC/MAC工作过程的基础上, 基于D一BMAP/D/l排队模型分析GPRS数据业务在简化的一步接入模式下RLC/MAC 缓冲区队列的平均长度、小分组(Mini一Packet)的平均时延和丢弃率等性能。考 虑了不同服务速率、定时器大小和缓冲区容量时的情况。分析结果表明:当定时 器TJl:2时间变长时,时延缩短,丢弃率降低;处于空闲状态的移动台产生新会话 (Session)的概率越大,时延越长;缓冲区容量增加,丢弃率明显降低。然而, 随着每个Session中分组呼叫数目的变化,时延和丢弃率的变化不显著。本文的 特点在于采用了矩母函数和概率母函数理论,运算量大为降低。 5,提出了一种分布式网络测量与分析基础架构(Distributed Network Measurement and AnalysiS Infrastrueture,DNMAI),采用层次化模型,模块化 设计、易扩展。与现有测量框架相比,DNMA工强调了根据用户需求定制测量与分析 方案的能力,完善了分析方法和应用场景,可灵活组织单点或分布式多点测量。 文中给出其框架模型、功能部件、实现的关键技术和解决方案,并以端到端时延 测量与分析需求为例说明了DNMAI的应用。此外,探讨了网络测量在无线网络入 侵检测和脆弱性分析方面的应用,给出了一个分布式无线入侵检测和脆弱性分析 系统(W工D脚As)模型,作为DN琳工的一个特例。 关键词: 网络测量,端到端时延测量,端到端带宽估计,业务性能分析,分布式结构


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