網絡測量

網絡測量與分析主要分為 3 個研究領域:

(1) 測量.精確地捕捉定量的因特網及其活動的測量數據.通常,網絡測量的主要參數包括RTT、路徑數據、帶寬、延遲、瓶頸、突發(fā)業(yè)務量的頻率、擁塞程度、動態(tài)瓶頸、站點的可達性、吞吐量、帶寬利用率、丟包率、服務器和網絡設備的響應時間、最大的網絡流量、網絡服務質量QoS(包括圖像、數據、語音等服務的質量)等.需要指出的是,在網絡層次的測量中,需要測量的一類屬性是網絡固有的,如它的拓撲、連接容量、延遲;另一類屬性反映了網絡的當前狀態(tài),如排隊延遲、連接可用性、路由的動態(tài)性.

(2) 模型化.這是性能評價的核心問題——建立正式的網絡描述與模擬.這種模型的有效應用可實現對未來網絡行為的預測.

(3) 控制.利用從測量和模型化得到的知識,實現因特網資源的合理配置與使用.測量網絡的拓撲結構,對大規(guī)模網絡結構進行動態(tài)描述,并根據網絡的變化分析網絡的性能,對網絡效率和

行為作出評價至少具有以下幾方面的應用:

(1) 網絡監(jiān)視.包括對網絡運行情況的監(jiān)視、網絡資源的監(jiān)視和網絡性能(如業(yè)務吞吐量、時延、丟包率、RTT、帶寬利用率、網絡伸縮性(scalability)等)的監(jiān)視等,并可提交故障及異常事件報告,作出相應的評價.

(2) 網絡質量控制和輔助性網絡管理.如發(fā)現并改正病態(tài)路由、根據長期觀察的路由數據對網絡選路制定策略、網絡被破壞后的網絡資源自組織等.

(3) 防范大規(guī)模網絡攻擊,同時為信息攻擊對抗提供必要的網絡測繪和流量分析.通過在大范圍內進行網絡行為監(jiān)控,有可能發(fā)現網絡異常,為防范大規(guī)模網絡攻擊提供預警手段,使國家對網絡管理更具宏觀控制力.

(4) 網絡測量還可以應用于對不同Internet 服務提供商(Internet service provider,簡稱ISP)的服務質量(quality of service,簡稱QoS)的比較、移動IP 的位置發(fā)現、代理服務器的自動選擇等許多方面.

(5) 為仿真模擬Internet 環(huán)境、協議設計與評價以及動態(tài)網絡存活性分析提供研究基礎.

(6) 為Internet 流量工程(traffic engineering)和網絡行為學(network behavior)的研究提供基礎輔助依據及驗證平臺.

網絡測量的分類標準有多種.根據測量的方式,分為主動測量和被動測量;根據測量點的多少,分為單點測量與多點測量;根據被測量者知情與否,分為協作式測量與非協作式測量;根據測量所采用的協議,分為基于BGP 協議的測量、基于TCP/IP 協議的測量以及基于SNMP 協議的測量;根據測量的內容,分為拓撲測量與性能測量.

在主動測量方式中,通過向網絡中發(fā)送數據,觀察結果和發(fā)送數據所需時間來研究網絡的行為.主動測量向網絡中發(fā)送實際的業(yè)務量,利用這些業(yè)務量測量反映網絡提供給其他用戶的服務的參數,包括round-triptime(RTT)和丟包率.人們所做的大多數項目都涉及到主動測量.

在被動測量方式中,記錄網絡活動的探針被接入到網絡中,在大多數情況下探接到網絡節(jié)點之間的連接上,匯總和記錄那條連接上業(yè)務流量的信息.

從測量點的數量來講,網絡測量分為單點和多點測量.在研究初期,許多工作都屬于單點測量,但因為測量能力有限,搜集的信息不全面,分布式多點測量應運而生,尤其是多點主動測量,利用多個探測點得到的數據,能夠綜合出大規(guī)模的網絡數據和單點所得不到的交叉路由信息.

單點測試的典型例子是貝爾實驗室的InternetMapping 項目,這是一個非合作測量.該項目成功地描述了科索沃戰(zhàn)爭期間南斯拉夫和科索沃兩個網絡的拓撲變化情況,這表明在IP 網絡測量中,單點非合作測量具有相當強的網絡探測能力.這也是網絡測量在軍事領域中應用的典范.

在拓撲測量方面,多數項目顯示的是邏輯拓撲關系圖.隨著測量范圍的擴大,整張圖規(guī)模結構也隨之擴大,這時,人們往往希望與實際地域位置相對應,也就是具有地理信息的拓撲圖.Skitter(CAIDA)針對從幾個源點到成千上萬個目標點收集到的路徑信息進行拓撲結構和性能屬性的可視化,并且開展了AS 的地理信息圖方面的研究.

在性能測量方面,相關項目開展得較多,測量內容包括吞吐量、延遲、丟包率,并作網絡可靠性、穩(wěn)定性、可達性等方面的分析.這一方面是為了對一個特定網絡進行維護管理,保障服務質量,;另一方面是為了預報網絡性能,如NPACI’s Network Weather Service[5]每隔一定的時間間隔,周期性地監(jiān)視、動態(tài)地預報(各種網絡及計算資源)網絡性能.收集某一時刻的數據,通過數值模型預測下一時段的TCP/IP 端到端的吞吐量、延遲,主要用于廣域網上的大規(guī)模計算的調度.

測量是按照某種規(guī)律，用數據來描述觀察到的現象，即對事物作出量化描述。測量是對非量化實物的量化過程。

1、測量客體，即測量對象。它是客觀世界中所存在的事物或者現象，是我們要用數字或符號來進行表達、解釋和說明的對象。

2、測量內容，即測量客體的某種屬性或特征。實際上，在任何一種測量中，我們所測量的對象雖然是某一客體，但所測量的內容卻并不是客體本身，而是這一客體的特征或屬性。

3、測量法則，即用數字和符號表達事物各種屬性或特征的操作規(guī)則。也可以說，它是某種具體的操作程序和區(qū)分不同特征或屬性的標準。

4、數字和符號，即用來表示測量結果的工具。比如120cm，350元。

(1) IP 拓撲測量.主要測量方法分為兩類:基于SNMP 協議、基于ICMP 協議.前者主要通過訪問MIB 庫進行拓撲關系的獲取,由于權限的關系,適合于在具有管轄權的網絡范圍內進行測量,所以難以推廣應用.后者通過Tracert 實現,可用于Internet 上的大規(guī)模網絡測量,但當網絡上安裝有防火墻軟件時,則無法進行測量.

過程如下:首先得到網絡IP 地址分段,然后利用路由追蹤技術得到一個數據包從源IP 地址到目的IP 地址所經歷的所有路由器的IP 地址,對某一網絡的所有IP 地址進行路由追蹤,就會得到該網絡所有的路由器的IP 地址及互聯關系.路由追蹤技術是基于下面的原理來實現的:首先以TTL=1 向目的IP 地址的一個不可達端口(通常是10 000以上的端口)發(fā)一個udp 包,這個包在經過第1 個路由器以后,將被路由器丟棄,同時路由器將向源主機發(fā)送一個ICMP包通知該包丟失,通過解開這個ICMP包,就可以得到該路由器的IP 地址.

然后,我們再以TTL=2 向目的IP地址發(fā)udp 包,重復上面的操作,直到返回的ICMP 包的類型為目的端口不可達,表明已經到達了目的主機,這樣就得到從本機到目的主機所經過的路由器IP 地址.所有的路由器都支持這種實現方式.根據由數據搜集模塊得到的路徑總表,可以直接生成反映邏輯連接關系的路由IP 拓撲圖,結合各IP 所在的地理位置,可以生成城市覆蓋拓撲圖.

(2) AS拓撲測量.總的來說,生成AS級拓撲圖的方法可歸結為基于BGP 路由信息的AS圖、基于Traceroute的AS 圖以及基于某些特性采用拓撲生成器合成(synthesizing) 的AS 級拓撲圖三類.其中,第1 種方法較為普遍.該方法有被動測量和主動測量兩種測量方式可供選擇.前者在關鍵路由節(jié)點獲取BGP 數據包,再采用有限狀態(tài)自動機技術,對捕獲的BGP update 報文進行處理;后者自備一臺路由器,運行BGP 協議,通過與ISP 協商,與相應的路由器建立BGP 對等連接,只接收路由更新報文,不轉發(fā)用戶數據,這需要對等雙方對相應路由器的正確配置.在大量測量數據的基礎上,生成AS 拓撲連接圖.通過AS 拓撲連接圖,可以直觀地了解各AS 連接關系,分析出哪些AS 起重要作用,不僅可以為新AS 的接入提供指導,而且還可以為將來信息戰(zhàn)中的計算機攻防提供指導依據.

(3) 基于TCP/IP 協議的網絡性能測量與分析.為了考察網絡的穩(wěn)定性、可達性、可靠性及網絡服務質量,需周期性、連續(xù)測量的性能參數包括丟包率、RTT、流量、路徑的平均跳數等;在此基礎上,以時間為主線分析各路徑上各項指標的動態(tài)變化,以空間為主線統(tǒng)計分析某一時刻整個網絡的整體態(tài)勢,如處于不同量級時延的節(jié)點總體數量分布等,分析端到端路由變化(或跳數的路由變化)等.其他分析還包括,對探測得到的數據進行數據挖掘(data mining),或者利用已有的模型(Petri 網、自相似性、排隊論)研究其自相似特征.由于對網絡性能測量的實時性要求較高,所以探測頻率往往很大,但必須保證不要由此對網絡造成較大的額外負荷,同時注意隱藏探測蹤跡.

(4) 網絡運行態(tài)勢綜合分析.基于多個監(jiān)測點,在不同時段收集的測量數據,生成被測網絡的綜合態(tài)勢戰(zhàn)略圖,真正實現“運籌帷幄而決勝于千里之外”.該圖除了具有不同層面屬性的即時播放功能以外,還可以通過顏色標注、聲音提示等進行流量異常、故障報警,為防范大規(guī)模網絡攻擊提供預警手段,同時,從網絡攻擊的角度,研究發(fā)展具有隱蔽性、高效的分布式網絡偵察測量方法.另外,進行綜合分析,為用戶提供QoS 指數、病態(tài)路由報告,為改正病態(tài)路由、制定網絡路由策略、進行網絡破壞后的網絡資源自組織等提供第一手依據.

(5) 測量與分析結果的可視化.網絡測量與分析結果的可視化是一個關鍵環(huán)節(jié).通過研究,采用圖形用戶界面GUI、電子地圖的任意縮放、拖動、電子地圖的多層表示法、直方圖、二維、三維坐標曲線、扇形圖、表格、報表、二維平面圖形、三維立體圖形[8]等種種手段,結合GIS 技術,對態(tài)勢圖進行層次化、可拖動、交互式分級顯示,直觀、形象地表示出測量分析結果.折衷點在于,既要全面而客觀地顯示庫中的數據,又要具有良好的視覺效果.

(6) 網絡行為建模、網絡仿真、網絡趨勢預測.網絡拓撲發(fā)現和測量已經成為研究網絡行為學的主要方法,網絡行為的測量是整個網絡行為學研究的基礎.網絡行為的建模分析可采用排隊論、Petri 網、馬爾可夫鏈、Poisson 過程等理論.由于Internet 環(huán)境的復雜性、多變性、異構性,網絡行為的建模分析和仿真分析變得步履維艱.

(7) 網絡測量的體系結構.隨著時間的推移,網絡測量將不斷擴展升級,所以在設計實施之初,就要充分考慮測量體系的可擴展性、可裁剪性及兼容性、容錯性.2100433B

針對大型裝備制造、裝配過程需要解決的大范圍目標位姿估計問題，本項目旨在研究探索基于空間角度交會測量網絡的目標位姿測量理論與測量精度評價方法。在已有預研基礎上，進一步深入研究空間角度交會測量網絡測量原理，研究光電傳感器幾何結構與光電信號峰值特征時間的轉換，以及發(fā)射機網絡時間基準高精度同步傳輸機制。在此基礎上，研究在空間角度交會測量網絡系統(tǒng)下的不確定度表達方式，揭示不確定度在不同類型測量模型、非線性擬合、空間坐標變換過程中合成、傳遞規(guī)律，建立測量網絡覆蓋空間不確定度分布模型。研究發(fā)射機網絡拓撲結構變化對覆蓋空間不確定度分布的影響規(guī)律，研究發(fā)射機網絡拓撲結構的約束多目標優(yōu)化問題。研究目標位姿信息度量方法，識別對目標位姿估計精度影響最大的關鍵幾何特征點集，以此為依據確定光電傳感器在目標上設置。以信息增益為依據，研究目標移動中發(fā)射機自適應配置。為大型裝備制造、裝配提供一種新的位姿在線測量方法。

網絡測量為網絡和各種應用的管理、優(yōu)化和控制提供有效支撐，是下一代互聯網發(fā)展的必備要求。隨著網絡線速和業(yè)務流數目的增加，物理存儲器件在容量和速度方面的限制成為網絡測量的巨大挑戰(zhàn)，本課題研究網絡測量當前迫切需要解決的基礎性科學問題，探索高速網絡測量數據的普適在線壓縮統(tǒng)計理論與方法，通過數學模型抽象和實驗驗證的手段，采用理論求證、軟件仿真和實驗床搭建等方法，力圖從三個方面尋求對現有網絡測量技術的突破和創(chuàng)新：1)在保證測量精度的前提下在線壓縮測量信息，滿足至少20 Gbps鏈路的測量數據的實時更新和查詢；2)從理論上提供一種相對普遍適用于各種網絡測量統(tǒng)計量特點的在線壓縮方法，滿足不同統(tǒng)計量的測量要求；3)通過自適應調整測量時間間隔進一步降低測量信息傳輸的帶寬占用。本項目研究的高速網絡測量的普適在線壓縮統(tǒng)計理論與方法對下一代互聯網的發(fā)展，尤其是對高速網絡測量的實現具有重要的理論意義和應用前景。