網(wǎng)絡(luò)測量測量規(guī)律

測量是按照某種規(guī)律，用數(shù)據(jù)來描述觀察到的現(xiàn)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(xiàn)象，是我們要用數(shù)字或符號來進(jìn)行表達(dá)、解釋和說明的對象。

2、測量內(nèi)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(nèi)容卻并不是客體本身，而是這一客體的特征或?qū)傩浴?

3、測量法則，即用數(shù)字和符號表達(dá)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?qū)傩缘臉?biāo)準(zhǔn)。

4、數(shù)字和符號，即用來表示測量結(jié)果的工具。比如120cm，350元。

網(wǎng)絡(luò)測量與分析主要分為 3 個研究領(lǐng)域:

(1) 測量.精確地捕捉定量的因特網(wǎng)及其活動的測量數(shù)據(jù).通常,網(wǎng)絡(luò)測量的主要參數(shù)包括RTT、路徑數(shù)據(jù)、帶寬、延遲、瓶頸、突發(fā)業(yè)務(wù)量的頻率、擁塞程度、動態(tài)瓶頸、站點的可達(dá)性、吞吐量、帶寬利用率、丟包率、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的響應(yīng)時間、最大的網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS(包括圖像、數(shù)據(jù)、語音等服務(wù)的質(zhì)量)等.需要指出的是,在網(wǎng)絡(luò)層次的測量中,需要測量的一類屬性是網(wǎng)絡(luò)固有的,如它的拓?fù)?、連接容量、延遲;另一類屬性反映了網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)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(wǎng)絡(luò)描述與模擬.這種模型的有效應(yīng)用可實現(xiàn)對未來網(wǎng)絡(luò)行為的預(yù)測.

(3) 控制.利用從測量和模型化得到的知識,實現(xiàn)因特網(wǎng)資源的合理配置與使用.測量網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)描述,并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的變化分析網(wǎng)絡(luò)的性能,對網(wǎng)絡(luò)效率和

行為作出評價至少具有以下幾方面的應(yīng)用:

(1) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視.包括對網(wǎng)絡(luò)運行情況的監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)資源的監(jiān)視和網(wǎng)絡(luò)性能(如業(yè)務(wù)吞吐量、時延、丟包率、RTT、帶寬利用率、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的評價.

(2) 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量控制和輔助性網(wǎng)絡(luò)管理.如發(fā)現(xiàn)并改正病態(tài)路由、根據(jù)長期觀察的路由數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)選路制定策略、網(wǎng)絡(luò)被破壞后的網(wǎng)絡(luò)資源自組織等.

(3) 防范大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)攻擊,同時為信息攻擊對抗提供必要的網(wǎng)絡(luò)測繪和流量分析.通過在大范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)控,有可能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常,為防范大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)攻擊提供預(yù)警手段,使國家對網(wǎng)絡(luò)管理更具宏觀控制力.

(4) 網(wǎng)絡(luò)測量還可以應(yīng)用于對不同Internet 服務(wù)提供商(Internet service provider,簡稱ISP)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service,簡稱QoS)的比較、移動IP 的位置發(fā)現(xiàn)、代理服務(wù)器的自動選擇等許多方面.

(5) 為仿真模擬Internet 環(huán)境、協(xié)議設(shè)計與評價以及動態(tài)網(wǎng)絡(luò)存活性分析提供研究基礎(chǔ).

(6) 為Internet 流量工程(traffic engineering)和網(wǎng)絡(luò)行為學(xué)(network behavior)的研究提供基礎(chǔ)輔助依據(jù)及驗證平臺.

網(wǎng)絡(luò)測量的分類標(biāo)準(zhǔn)有多種.根據(jù)測量的方式,分為主動測量和被動測量;根據(jù)測量點的多少,分為單點測量與多點測量;根據(jù)被測量者知情與否,分為協(xié)作式測量與非協(xié)作式測量;根據(jù)測量所采用的協(xié)議,分為基于BGP 協(xié)議的測量、基于TCP/IP 協(xié)議的測量以及基于SNMP 協(xié)議的測量;根據(jù)測量的內(nèi)容,分為拓?fù)錅y量與性能測量.

在主動測量方式中,通過向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù),觀察結(jié)果和發(fā)送數(shù)據(jù)所需時間來研究網(wǎng)絡(luò)的行為.主動測量向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送實際的業(yè)務(wù)量,利用這些業(yè)務(wù)量測量反映網(wǎng)絡(luò)提供給其他用戶的服務(wù)的參數(shù),包括round-triptime(RTT)和丟包率.人們所做的大多數(shù)項目都涉及到主動測量.

在被動測量方式中,記錄網(wǎng)絡(luò)活動的探針被接入到網(wǎng)絡(luò)中,在大多數(shù)情況下探接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的連接上,匯總和記錄那條連接上業(yè)務(wù)流量的信息.

從測量點的數(shù)量來講,網(wǎng)絡(luò)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(yīng)運而生,尤其是多點主動測量,利用多個探測點得到的數(shù)據(jù),能夠綜合出大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓闆r,這表明在IP 網(wǎng)絡(luò)測量中,單點非合作測量具有相當(dāng)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)探測能力.這也是網(wǎng)絡(luò)測量在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用的典范.

在拓?fù)錅y量方面,多數(shù)項目顯示的是邏輯拓?fù)潢P(guān)系圖.隨著測量范圍的擴(kuò)大,整張圖規(guī)模結(jié)構(gòu)也隨之?dāng)U大,這時,人們往往希望與實際地域位置相對應(yīng),也就是具有地理信息的拓?fù)鋱D.Skitter(CAIDA)針對從幾個源點到成千上萬個目標(biāo)點收集到的路徑信息進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)項目開展得較多,測量內(nèi)容包括吞吐量、延遲、丟包率,并作網(wǎng)絡(luò)可靠性、穩(wěn)定性、可達(dá)性等方面的分析.這一方面是為了對一個特定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)管理,保障服務(wù)質(zhì)量,;另一方面是為了預(yù)報網(wǎng)絡(luò)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(yù)報(各種網(wǎng)絡(luò)及計算資源)網(wǎng)絡(luò)性能.收集某一時刻的數(shù)據(jù),通過數(shù)值模型預(yù)測下一時段的TCP/IP 端到端的吞吐量、延遲,主要用于廣域網(wǎng)上的大規(guī)模計算的調(diào)度.

(1) IP 拓?fù)錅y量.主要測量方法分為兩類:基于SNMP 協(xié)議、基于ICMP 協(xié)議.前者主要通過訪問MIB 庫進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系的獲取,由于權(quán)限的關(guān)系,適合于在具有管轄權(quán)的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進(jìn)行測量,所以難以推廣應(yīng)用.后者通過Tracert 實現(xiàn),可用于Internet 上的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)測量,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上安裝有防火墻軟件時,則無法進(jìn)行測量.

過程如下:首先得到網(wǎng)絡(luò)IP 地址分段,然后利用路由追蹤技術(shù)得到一個數(shù)據(jù)包從源IP 地址到目的IP 地址所經(jīng)歷的所有路由器的IP 地址,對某一網(wǎng)絡(luò)的所有IP 地址進(jìn)行路由追蹤,就會得到該網(wǎng)絡(luò)所有的路由器的IP 地址及互聯(lián)關(guān)系.路由追蹤技術(shù)是基于下面的原理來實現(xiàn)的:首先以TTL=1 向目的IP 地址的一個不可達(dá)端口(通常是10 000以上的端口)發(fā)一個udp 包,這個包在經(jīng)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(jī)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(fù)上面的操作,直到返回的ICMP 包的類型為目的端口不可達(dá),表明已經(jīng)到達(dá)了目的主機(jī),這樣就得到從本機(jī)到目的主機(jī)所經(jīng)過的路由器IP 地址.所有的路由器都支持這種實現(xiàn)方式.根據(jù)由數(shù)據(jù)搜集模塊得到的路徑總表,可以直接生成反映邏輯連接關(guān)系的路由IP 拓?fù)鋱D,結(jié)合各IP 所在的地理位置,可以生成城市覆蓋拓?fù)鋱D.

(2) AS拓?fù)錅y量.總的來說,生成AS級拓?fù)鋱D的方法可歸結(jié)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?fù)渖善骱铣?synthesizing) 的AS 級拓?fù)鋱D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(guān)鍵路由節(jié)點獲取BGP 數(shù)據(jù)包,再采用有限狀態(tài)自動機(jī)技術(shù),對捕獲的BGP update 報文進(jìn)行處理;后者自備一臺路由器,運行BGP 協(xié)議,通過與ISP 協(xié)商,與相應(yīng)的路由器建立BGP 對等連接,只接收路由更新報文,不轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù),這需要對等雙方對相應(yīng)路由器的正確配置.在大量測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,生成AS 拓?fù)溥B接圖.通過AS 拓?fù)溥B接圖,可以直觀地了解各AS 連接關(guān)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(dǎo),而且還可以為將來信息戰(zhàn)中的計算機(jī)攻防提供指導(dǎo)依據(jù).

(3) 基于TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能測量與分析.為了考察網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可達(dá)性、可靠性及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,需周期性、連續(xù)測量的性能參數(shù)包括丟包率、RTT、流量、路徑的平均跳數(shù)等;在此基礎(chǔ)上,以時間為主線分析各路徑上各項指標(biāo)的動態(tài)變化,以空間為主線統(tǒng)計分析某一時刻整個網(wǎng)絡(luò)的整體態(tài)勢,如處于不同量級時延的節(jié)點總體數(shù)量分布等,分析端到端路由變化(或跳數(shù)的路由變化)等.其他分析還包括,對探測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘(data mining),或者利用已有的模型(Petri 網(wǎng)、自相似性、排隊論)研究其自相似特征.由于對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)造成較大的額外負(fù)荷,同時注意隱藏探測蹤跡.

(4) 網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù),生成被測網(wǎng)絡(luò)的綜合態(tài)勢戰(zhàn)略圖,真正實現(xiàn)“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(biāo)注、聲音提示等進(jìn)行流量異常、故障報警,為防范大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)攻擊提供預(yù)警手段,同時,從網(wǎng)絡(luò)攻擊的角度,研究發(fā)展具有隱蔽性、高效的分布式網(wǎng)絡(luò)偵察測量方法.另外,進(jìn)行綜合分析,為用戶提供QoS 指數(shù)、病態(tài)路由報告,為改正病態(tài)路由、制定網(wǎng)絡(luò)路由策略、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)破壞后的網(wǎng)絡(luò)資源自組織等提供第一手依據(jù).

(5) 測量與分析結(jié)果的可視化.網(wǎng)絡(luò)測量與分析結(jié)果的可視化是一個關(guān)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(biāo)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(jié)合GIS 技術(shù),對態(tài)勢圖進(jìn)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(jié)果.折衷點在于,既要全面而客觀地顯示庫中的數(shù)據(jù),又要具有良好的視覺效果.

(6) 網(wǎng)絡(luò)行為建模、網(wǎng)絡(luò)仿真、網(wǎng)絡(luò)趨勢預(yù)測.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和測量已經(jīng)成為研究網(wǎng)絡(luò)行為學(xué)的主要方法,網(wǎng)絡(luò)行為的測量是整個網(wǎng)絡(luò)行為學(xué)研究的基礎(chǔ).網(wǎng)絡(luò)行為的建模分析可采用排隊論、Petri 網(wǎng)、馬爾可夫鏈、Poisson 過程等理論.由于Internet 環(huán)境的復(fù)雜性、多變性、異構(gòu)性,網(wǎng)絡(luò)行為的建模分析和仿真分析變得步履維艱.

(7) 網(wǎng)絡(luò)測量的體系結(jié)構(gòu).隨著時間的推移,網(wǎng)絡(luò)測量將不斷擴(kuò)展升級,所以在設(shè)計實施之初,就要充分考慮測量體系的可擴(kuò)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(biāo)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(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)位姿測量理論與測量精度評價方法。在已有預(yù)研基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究空間角度交會測量網(wǎng)絡(luò)測量原理，研究光電傳感器幾何結(jié)構(gòu)與光電信號峰值特征時間的轉(zhuǎn)換，以及發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)高精度同步傳輸機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，研究在空間角度交會測量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下的不確定度表達(dá)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(biāo)變換過程中合成、傳遞規(guī)律，建立測量網(wǎng)絡(luò)覆蓋空間不確定度分布模型。研究發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束多目標(biāo)優(yōu)化問題。研究目標(biāo)位姿信息度量方法，識別對目標(biāo)位姿估計精度影響最大的關(guān)鍵幾何特征點集，以此為依據(jù)確定光電傳感器在目標(biāo)上設(shè)置。以信息增益為依據(jù)，研究目標(biāo)移動中發(fā)射機(jī)自適應(yīng)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(wǎng)絡(luò)測量為網(wǎng)絡(luò)和各種應(yīng)用的管理、優(yōu)化和控制提供有效支撐，是下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必備要求。隨著網(wǎng)絡(luò)線速和業(yè)務(wù)流數(shù)目的增加，物理存儲器件在容量和速度方面的限制成為網(wǎng)絡(luò)測量的巨大挑戰(zhàn)，本課題研究網(wǎng)絡(luò)測量當(dāng)前迫切需要解決的基礎(chǔ)性科學(xué)問題，探索高速網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù)的普適在線壓縮統(tǒng)計理論與方法，通過數(shù)學(xué)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(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)調(diào)整測量時間間隔進(jìn)一步降低測量信息傳輸?shù)膸捳加谩１卷椖垦芯康母咚倬W(wǎng)絡(luò)測量的普適在線壓縮統(tǒng)計理論與方法對下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其是對高速網(wǎng)絡(luò)測量的實現(xiàn)具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。