1、網絡拓撲結構的測量協議與技術姓名：張德全單位：河北康達有限公司聯系電話摘要 ：隨著網絡技術的發展和網絡結構的日益復雜，計算機網絡的可靠性成為網絡設計和分析必需要考慮的重要因素之一通過對網絡的可靠性研究現狀的分析，本文以網絡拓撲探測和網絡性能測量為主要研究手段，基于主被動測量方式設計并實現了一個對未知網絡進行拓撲探測和可靠性分析的系統本文完成的主要工作包括以下幾個方面 實現了網絡拓撲發現，實現了對網絡中的連接關系和活動主機的實時查詢在闡述對網絡拓撲發現相關技術的基礎上通過SNMP協議對MIB庫相關信息進行提取，并依據MIB庫中的路由表信息進行子網和網絡設備的分類，然后通

2、過ICMP異步探測活動主機的方法實現網絡拓撲的測量 實現了網絡性能參數測量和可靠性的分析通過對網絡性能參數測量的基本方法和基本概念的分析，采用變長包的方法對連通性、帶寬利用率、丟包率、時延和網絡吞吐率五個網絡性能指標進行測量，并且對網絡性能參數的變化情況進行了分析在得到測量結果后利用數據采樣和數理統計的方法基于性能參數進行網絡可靠性的統計計算，并進行可靠性分析 實現了網絡流量相關信息的監測當網絡可靠性超過設定的閥值時，通過對網絡設備流量信息的統計，實現網絡流量監測功能，并對網絡進行分析 通過實際的網絡測量實驗，該系統能夠較為準確地反映網絡拓撲結構和網絡性能的變化，并較好地進行了可靠性分析。關鍵

3、詞：計算機網絡拓撲結構；測量；技術；應用。1、 網絡拓撲的一些基本概念 計算機網絡的拓撲結構，即是指網上計算機或設備與傳輸媒介形成的結點與線的物理構成模式。網絡的結點有兩類：一類是轉換和交換信息的轉接結點，包括結點交換機、集線器和終端控制器等；另一類是訪問結點，包括計算機主機和終端等。線則代表各種傳輸媒介，包括有形的和無形的。 網絡拓撲結構是指用傳輸媒體互聯各種設備的物理布局。將參與LAN工作的各種設備用媒體互聯在一起有多種方法,實際上只有幾種方式能適合LAN的工作。如果一個網絡只連接幾臺設備,最簡單的方法是將它們都直接相連在一起，這種連接稱為點對點連接。用這種方式形成的網絡稱為全互聯網絡,如

4、下圖1所示。圖1全互聯網絡 計算機網絡的拓撲結構主要有：總線型拓撲、星型拓撲、環型拓撲、樹型拓撲和混合型拓撲。1.1、總線型拓撲 總線型結構由一條高速公用主干電纜即總線連接若干個結點構成網絡。網絡中所有的結點通過總線進行信息的傳輸。這種結構的特點是結構簡單靈活，建網容易，使用方便，性能好。其缺點是主干總線對網絡起決定性作用，總線故障將影響整個網絡。 總線型拓撲是使用最普遍的一種網絡。1.2、星型拓撲星型拓撲由中央結點集線器與各個結點連接組成。這種網絡各結點必須通過中央結點才能實現通信。星型結構的特點是結構簡單、建網容易，便于控制和管理。其缺點是中央結點負擔較重，容易形成系統的“瓶頸”，線路的利

5、用率也不高。 1.3、環型拓撲環型拓撲由各結點首尾相連形成一個閉合環型線路。環型網絡中的信息傳送是單向的，即沿一個方向從一個結點傳到另一個結點；每個結點需安裝中繼器，以接收、放大、發送信號。這種結構的特點是結構簡單，建網容易，便于管理。其缺點是當結點過多時，將影響傳輸效率，不利于擴充。1.4、樹型拓撲樹型拓撲是一種分級結構。在樹型結構的網絡中，任意兩個結點之間不產生回路，每條通路都支持雙向傳輸。這種結構的特點是擴充方便、靈活，成本低，易推廣，適合于分主次或分等級的層次型管理系統。 1.5、網型拓撲 主要用于廣域網，由于結點之間有多條線路相連，所以網絡的可靠性較搞高。由于結構比較復雜，建設成本較

6、高。 1.6、混合型拓撲混合型拓撲可以是不規則型的網絡，也可以是點-點相連結構的網絡。1.7、蜂窩拓撲結構 蜂窩拓撲結構是無線局域網中常用的結構。它以無線傳輸介質（微波、衛星、紅外等）點到點和多點傳輸為特征，是一種無線網，適用于城市網、校園網、企業網。二、網絡測量2.1、網絡測量的定義網絡測量是指遵照一定的方法和技術，利用軟件和硬件工具來測試或驗證表征網絡性能的指標的一系列活動的總和。2.2、網絡測量的動機 Internet是一個巨大的網絡的網絡,研究人員喜歡研究/建模這樣一個系統,并測量緊急出現的一些特征，廣域網的行為是不可預測的,它在不停地變化，許多應用有些性能要求:可靠性,可預見性等。網

7、絡管理者要根據條件來調整系統，如果不知道網絡的結構和行為就不能改進它，不測量就無法理解網絡，不測量就無法建立一個有效的模型2.3、網絡測量的用途 網絡測量是一種技術，它通過收集數據或分組的蹤跡來顯示和分析在不同網絡應用下網絡中分組的活動情況。 從研究的實質上看，網絡測量可以把因特網從技術上升到科學，并且能夠更好地指導應用?？梢哉f，對因特網的測量是對因特網進行控制的基礎和前奏 網絡測量可以給從事網絡工作的人，比如負責網絡日常運營維護的ISP、網絡工程建設的集成商、網絡設備的生產商、互聯網用戶和網絡研究人員等帶來益處。 網絡測量的具體用途可分為以下幾大類：（1）、故障診斷；（2）、協議排錯；（3)

8、、網絡流量特征化；（4）、性能評價；（5）、其他用途。2.4、網絡測量的難點 Internet規模巨大； Internet復雜（組成、協議、應用和用戶）； Internet不停地變化； Internet開發的時候就不具備測量的基本屬性:幾乎每個網絡運行人員都希望自己網絡上的數據是私有的。2.5、網絡測量的分類 網絡測量的分類的標準有很多種。按測量方式，可以分為主動測量和被動測量；按測量點的多少，可以分為單點測量和多點測量；按測量內容，可分為拓撲測量、性能測量和流量測量；按測量點所在層次，可分為網絡層測量和應用層測量；按測量者是否知情，分為協作式和非協作式；按測量所采用的協議，分為基于BGP 協

9、議、基于TCP/IP 協議和基于SNMP 協議。 主動測量是指由測量用戶主動發起測量，將探測分組注入網絡，根據測量數據流的傳送情況來分析網絡的性能。被動測量則通過在網絡中的鏈路或設備(如路由器、交換機等)上借助包捕獲數據的方式來記錄網絡流量，分析流量，獲知網絡的性能狀況。 網絡拓撲測量主要是了解網絡拓撲結構，用于資源調度和流量分配。性能測量是通過監測網絡端到端時延、抖動、丟包率等特性，了解網絡的可達性、用率以及網絡負荷等。流量測量是對網絡數據流的特性進行監測和分析，以掌握網絡的流量特性，如協議的使用情況、應用的分布和用戶的行為特征等。 比如，sniffer 軟件是被動測量，用于網絡流量測量。而

10、netperf 軟件作為網絡性能測量工具，是主動測量，協作式，是基于TCP/IP 協議的，測量點所在的層次為網絡層。2.6、網絡測量的關鍵技術 網絡測量的關鍵技術包括：探測分組的選擇，噪聲分組的過濾，測試點的選擇，業務模型分析以及時鐘的同步。探測分組常有單分組，分組對，四分組，分組鏈等技術，測試序列中分組的大小及分組間隔的安排可根據實際網絡狀況進行確定。噪聲分組過濾中目前較長采用的方法是在統計學中使用非參數估計方法-核密度估計算法。測試點的選擇則要應用圖論的知識解決。除了以上技術外，還有其他許多問題，如網絡測量和分析中的抽樣問題，統計方法的應用等。三、網絡測量的體系結構3.1、數據采集3.1.

11、1、定義 通過向網絡中發送特定分組或者在網絡中選定的節點安裝數據采集器來獲得網絡上傳輸的數據信息。3.1.2、分類 主動測量數據采集：通過向網絡中發送特定分組來獲得網絡上傳輸的數據信息。優點是易于控制； 被動測量數據采集：通過在網絡中選定的節點安裝數據采集器來獲得網絡上傳輸的數據信息。優點是不影響系統性能。3.1.3、著重要考慮的問題 一是數據采集時，盡量照顧到各種性能指標； 二是提供一個向第二層統一的訪問接口； 三是數據采集的粒度要滿足所測指標的需求，盡量減輕網絡的開銷； 四是采樣間隔的選擇，這應視具體情況而定。3.2、 數據管理 對于采集到的大量數據選取合適的存儲方法和維護檢索策略，將數據

12、格式化，以便于分析，在數據存儲之前做必要的預處理，以壓縮存儲量。3.3 數據分析3.3.1、主要任務 研究如何定義每個行為指標，分析其包含的因素，如算法、誤差來源、測量單位等，還要考慮測量環境、測量方法和測量工具的影響，將所有這些影響因素量化描述，即對應一個指標。 IETF的IPPM工作組已經定義了一些Internet度量的指標，并提出了度量框架（RFC2330）。 常用的分析指標有：單向時延和往返時間、丟包率、可連接性、吞吐率、帶寬利用率等。其中最基本的三大指標為：時延、丟包率和帶寬。3.3.2、分析方法 對某一指標的大量樣本采用統計學的方法進行分析，得出均值、方差等基本統計量； 由一些數學

13、模型（如時間序列預測、回歸分析等）作出性能趨勢預測； 采用數據挖掘技術進行關聯分析，得出網絡本質的行為規律。3.4、數據顯示 數據表示即直觀形象地表示出測量結果，發揮藝術想像力，可借鑒網管軟件采用的方法，也可征求網管人員和用戶的意見。采用圖形用戶界面GUI，以直方圖、二維、三維坐標曲線，扇形圖，報表等形式。 對網絡測量體系結構的研究可以借鑒權威的國際組織，如IsO，刪2T，IETF，IEEE，NMF，RACE等及著名網絡測量團體的研究成果。主動測量中收發端點、被動測量中數據收集探針的配置，應根據實際需要來決定，合理的配置對測量的效率、測量的廣度和深度影響較大。四、網絡測量的典型應用4.1、網絡

14、測量在網絡管理方面的應用 監控與維護大規模網絡的運行狀態.如美國實用網絡研究國家實驗室NLANR(National Laboratory for Applied Network Research)開展的研究工作,主要服務于超高性能連接站點和高性能網絡服務提供商(NSF/MCI超高性能骨干網絡服務商vBNS). 4.2、IPv6的下一代互聯網帶寬測量和流量采樣研究 1Pv6網絡基礎理論研究方面，國家“863”計劃信息技術領域通信技術主題己部署了包括高性能IPv6路由器基礎平臺及實驗系統、高性能IPv6路由器協議軟件、IPv6協議測試技術等重大專項在內的課題項目。今后，圍繞“下一代互聯網示范工程”

15、CNGI(China Next Generation Internet)項目，國家“863”計劃還將繼續積極開展有關IPv6方面的關鍵技術重大課題研究。4.3、針對天文e-VLBI 數據傳輸應用的網絡測量 e-VLBI 是指利用高速互聯網將VLBI 觀測數據，實時高速送往數據處理中心，該技術也首次應用到“嫦娥一號”繞月探測工程首次飛行任務的精確測軌中。為滿足上海天文臺同國家天文臺、南山天文臺、昆明天文臺同歐洲甚長觀測數據處理中心JIVE、澳大利亞國家天文學院、日本國立天文臺等機構之間的傳輸要求，中國科技網做了多次的網絡測量及優化工作。在最初的端到端測試中，使用的TCP 協議傳輸只有不足50Mb

16、ps,丟包率達4.6%，遠遠達不到e-VLBI 實時觀測實驗要求的512Mbps 及丟包率小于1%的要求，對于622M 的線路來說帶寬利用率過低。就此問題，采用主動式分段測量，在上海畬山、北京CSTNET 機房、香港、JIVE 分別布置四臺測試服務器(如圖2 所示)，使用Traceroute、iperf、YcpDump、TcpTrace 等開源網絡測量工具定位網絡故障，根據測量結果，優化網絡路由及傳輸參數，并用TCP 和UDP 協議在三層以太網絡及光路上進行比較，有效地提高地網絡性能及網絡利用率，并成功地支持了APAN 會議及多次e-VLB 天文觀測。 圖 2 網絡測試環境5、 總結與展望網絡的設計和配置通常都遵循這樣一句格言“網絡出現擁塞時就增加帶寬”，只要每條鏈路的可用帶寬遠遠大于平均的通信負載，人們大概都會感到滿意?？涩F實情況是，現有的帶寬利用率并不高，即便帶寬增加，對網絡擁塞問題也沒有得到實質解決。在沒有找到真正制約因素前，增加帶寬往往也是徒勞。根據從鏈路層到應用層的不同網絡性能參數，如延遲、抖動、丟包率、傳輸協議、應用層協議、終端設備等對不同的應用環境的影響差異，建立一個能夠全面反映網絡性能的框架是下一步研究工作的重點方向。參考文獻1張宏莉.Internet測量與分析綜述.軟件學報，2003.2姚銘.網