網(wǎng)絡(luò)測(cè)量研究方向

(1) IP 拓?fù)錅y(cè)量.主要測(cè)量方法分為兩類(lèi):基于SNMP 協(xié)議、基于ICMP 協(xié)議.前者主要通過(guò)訪問(wèn)MIB 庫(kù)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(cè)量,所以難以推廣應(yīng)用.后者通過(guò)Tracert 實(shí)現(xiàn),可用于Internet 上的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)測(cè)量,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上安裝有防火墻軟件時(shí),則無(wú)法進(jìn)行測(cè)量.

過(guò)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(gè)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(duì)某一網(wǎng)絡(luò)的所有IP 地址進(jìn)行路由追蹤,就會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)的:首先以TTL=1 向目的IP 地址的一個(gè)不可達(dá)端口(通常是10 000以上的端口)發(fā)一個(gè)udp 包,這個(gè)包在經(jīng)過(guò)第1 個(gè)路由器以后,將被路由器丟棄,同時(shí)路由器將向源主機(jī)發(fā)送一個(gè)ICMP包通知該包丟失,通過(guò)解開(kāi)這個(gè)ICMP包,就可以得到該路由器的IP 地址.

然后,我們?cè)僖訲TL=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(lèi)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(guò)的路由器IP 地址.所有的路由器都支持這種實(shí)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(cè)量.總的來(lái)說(shuō),生成AS級(jí)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(jí)拓?fù)鋱D三類(lèi).其中,第1 種方法較為普遍.該方法有被動(dòng)測(cè)量和主動(dòng)測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方式可供選擇.前者在關(guān)鍵路由節(jié)點(diǎn)獲取BGP 數(shù)據(jù)包,再采用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)技術(shù),對(duì)捕獲的BGP update 報(bào)文進(jìn)行處理;后者自備一臺(tái)路由器,運(yùn)行BGP 協(xié)議,通過(guò)與ISP 協(xié)商,與相應(yīng)的路由器建立BGP 對(duì)等連接,只接收路由更新報(bào)文,不轉(zhuǎn)發(fā)用戶(hù)數(shù)據(jù),這需要對(duì)等雙方對(duì)相應(yīng)路由器的正確配置.在大量測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,生成AS 拓?fù)溥B接圖.通過(guò)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(lái)信息戰(zhàn)中的計(jì)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(cè)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(cè)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(shí)間為主線分析各路徑上各項(xiàng)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化,以空間為主線統(tǒng)計(jì)分析某一時(shí)刻整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體態(tài)勢(shì),如處于不同量級(jí)時(shí)延的節(jié)點(diǎn)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(duì)探測(cè)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(duì)論)研究其自相似特征.由于對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求較高,所以探測(cè)頻率往往很大,但必須保證不要由此對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成較大的額外負(fù)荷,同時(shí)注意隱藏探測(cè)蹤跡.

(4) 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行態(tài)勢(shì)綜合分析.基于多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),在不同時(shí)段收集的測(cè)量數(shù)據(jù),生成被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的綜合態(tài)勢(shì)戰(zhàn)略圖,真正實(shí)現(xiàn)“運(yùn)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(shí)播放功能以外,還可以通過(guò)顏色標(biāo)注、聲音提示等進(jìn)行流量異常、故障報(bào)警,為防范大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)攻擊提供預(yù)警手段,同時(shí),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(cè)量方法.另外,進(jìn)行綜合分析,為用戶(hù)提供QoS 指數(shù)、病態(tài)路由報(bào)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(cè)量與分析結(jié)果的可視化.網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與分析結(jié)果的可視化是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).通過(guò)研究,采用圖形用戶(hù)界面GUI、電子地圖的任意縮放、拖動(dòng)、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(bào)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(duì)態(tài)勢(shì)圖進(jìn)行層次化、可拖動(dòng)、交互式分級(jí)顯示,直觀、形象地表示出測(cè)量分析結(jié)果.折衷點(diǎn)在于,既要全面而客觀地顯示庫(kù)中的數(shù)據(jù),又要具有良好的視覺(jué)效果.

(6) 網(wǎng)絡(luò)行為建模、網(wǎng)絡(luò)仿真、網(wǎng)絡(luò)趨勢(shì)預(yù)測(cè).網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和測(cè)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(cè)量是整個(gè)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(duì)論、Petri 網(wǎng)、馬爾可夫鏈、Poisson 過(guò)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(cè)量的體系結(jié)構(gòu).隨著時(shí)間的推移,網(wǎng)絡(luò)測(cè)量將不斷擴(kuò)展升級(jí),所以在設(shè)計(jì)實(shí)施之初,就要充分考慮測(cè)量體系的可擴(kuò)展性、可裁剪性及兼容性、容錯(cuò)性.2100433B

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

在主動(dòng)測(cè)量方式中,通過(guò)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(shí)間來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)的行為.主動(dòng)測(cè)量向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送實(shí)際的業(yè)務(wù)量,利用這些業(yè)務(wù)量測(cè)量反映網(wǎng)絡(luò)提供給其他用戶(hù)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(xiàng)目都涉及到主動(dòng)測(cè)量.

在被動(dòng)測(cè)量方式中,記錄網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)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(diǎn)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(cè)量點(diǎn)的數(shù)量來(lái)講,網(wǎng)絡(luò)測(cè)量分為單點(diǎn)和多點(diǎn)測(cè)量.在研究初期,許多工作都屬于單點(diǎn)測(cè)量,但因?yàn)闇y(cè)量能力有限,搜集的信息不全面,分布式多點(diǎn)測(cè)量應(yīng)運(yùn)而生,尤其是多點(diǎn)主動(dòng)測(cè)量,利用多個(gè)探測(cè)點(diǎn)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(diǎn)所得不到的交叉路由信息.

單點(diǎn)測(cè)試的典型例子是貝爾實(shí)驗(yàn)室的InternetMapping 項(xiàng)目,這是一個(gè)非合作測(cè)量.該項(xiàng)目成功地描述了科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)期間南斯拉夫和科索沃兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓闆r,這表明在IP 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量中,單點(diǎn)非合作測(cè)量具有相當(dāng)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)探測(cè)能力.這也是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用的典范.

在拓?fù)錅y(cè)量方面,多數(shù)項(xiàng)目顯示的是邏輯拓?fù)潢P(guān)系圖.隨著測(cè)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(shí),人們往往希望與實(shí)際地域位置相對(duì)應(yīng),也就是具有地理信息的拓?fù)鋱D.Skitter(CAIDA)針對(duì)從幾個(gè)源點(diǎn)到成千上萬(wàn)個(gè)目標(biāo)點(diǎn)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(kāi)展了AS 的地理信息圖方面的研究.

在性能測(cè)量方面,相關(guān)項(xiàng)目開(kāi)展得較多,測(cè)量?jī)?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(duì)一個(gè)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(bào)網(wǎng)絡(luò)性能,如NPACI’s Network Weather Service[5]每隔一定的時(shí)間間隔,周期性地監(jiān)視、動(dòng)態(tài)地預(yù)報(bào)(各種網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算資源)網(wǎng)絡(luò)性能.收集某一時(shí)刻的數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)值模型預(yù)測(cè)下一時(shí)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(jì)算的調(diào)度.

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與分析主要分為 3 個(gè)研究領(lǐng)域:

(1) 測(cè)量.精確地捕捉定量的因特網(wǎng)及其活動(dòng)的測(cè)量數(shù)據(jù).通常,網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(dòng)態(tài)瓶頸、站點(diǎn)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(shí)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(yǔ)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(cè)量中,需要測(cè)量的一類(lèi)屬性是網(wǎng)絡(luò)固有的,如它的拓?fù)?、連接容量、延遲;另一類(lèi)屬性反映了網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài),如排隊(duì)延遲、連接可用性、路由的動(dòng)態(tài)性.

(2) 模型化.這是性能評(píng)價(jià)的核心問(wèn)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(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)行為的預(yù)測(cè).

(3) 控制.利用從測(cè)量和模型化得到的知識(shí),實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)資源的合理配置與使用.測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)效率和

行為作出評(píng)價(jià)至少具有以下幾方面的應(yīng)用:

(1) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視.包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(shí)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(bào)告,作出相應(yīng)的評(píng)價(jià).

(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(zhǎng)期觀察的路由數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)為信息攻擊對(duì)抗提供必要的網(wǎng)絡(luò)測(cè)繪和流量分析.通過(guò)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(guó)家對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理更具宏觀控制力.

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

(5) 為仿真模擬Internet 環(huán)境、協(xié)議設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)以及動(dòng)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(yàn)證平臺(tái).

1、測(cè)量客體，即測(cè)量對(duì)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(hào)來(lái)進(jìn)行表達(dá)、解釋和說(shuō)明的對(duì)象。

2、測(cè)量?jī)?nèi)容，即測(cè)量客體的某種屬性或特征。實(shí)際上，在任何一種測(cè)量中，我們所測(cè)量的對(duì)象雖然是某一客體，但所測(cè)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(cè)量法則，即用數(shù)字和符號(hào)表達(dá)事物各種屬性或特征的操作規(guī)則。也可以說(shuō)，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(hào)，即用來(lái)表示測(cè)量結(jié)果的工具。比如120cm，350元。

測(cè)量是按照某種規(guī)律，用數(shù)據(jù)來(lái)描述觀察到的現(xiàn)象，即對(duì)事物作出量化描述。測(cè)量是對(duì)非量化實(shí)物的量化過(guò)程。

針對(duì)大型裝備制造、裝配過(guò)程需要解決的大范圍目標(biāo)位姿估計(jì)問(wèn)題，本項(xiàng)目旨在研究探索基于空間角度交會(huì)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)位姿測(cè)量理論與測(cè)量精度評(píng)價(jià)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(huì)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)測(cè)量原理，研究光電傳感器幾何結(jié)構(gòu)與光電信號(hào)峰值特征時(shí)間的轉(zhuǎn)換，以及發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(huì)測(cè)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(lèi)型測(cè)量模型、非線性擬合、空間坐標(biāo)變換過(guò)程中合成、傳遞規(guī)律，建立測(cè)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(duì)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(wèn)題。研究目標(biāo)位姿信息度量方法，識(shí)別對(duì)目標(biāo)位姿估計(jì)精度影響最大的關(guān)鍵幾何特征點(diǎn)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(dòng)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(cè)量方法。

網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(chǔ)器件在容量和速度方面的限制成為網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的巨大挑戰(zhàn)，本課題研究網(wǎng)絡(luò)測(cè)量當(dāng)前迫切需要解決的基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題，探索高速網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)的普適在線壓縮統(tǒng)計(jì)理論與方法，通過(guò)數(shù)學(xué)模型抽象和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的手段，采用理論求證、軟件仿真和實(shí)驗(yàn)床搭建等方法，力圖從三個(gè)方面尋求對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)的突破和創(chuàng)新：1)在保證測(cè)量精度的前提下在線壓縮測(cè)量信息，滿(mǎn)足至少20 Gbps鏈路的測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和查詢(xún)；2)從理論上提供一種相對(duì)普遍適用于各種網(wǎng)絡(luò)測(cè)量統(tǒng)計(jì)量特點(diǎn)的在線壓縮方法，滿(mǎn)足不同統(tǒng)計(jì)量的測(cè)量要求；3)通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整測(cè)量時(shí)間間隔進(jìn)一步降低測(cè)量信息傳輸?shù)膸捳加?。本?xiàng)目研究的高速網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的普適在線壓縮統(tǒng)計(jì)理論與方法對(duì)下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其是對(duì)高速網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。