基于校园网的网络测量系统设计与实现

互联网从诞生之日起就受到了人们的青睐。人们希望利用互联网技术来改变其生活方式，事实上，互联网技术经过几十年的长足发展，已经影响并改变了传统的生活、工作和学习等方式。互联网技术的发明可以说是人类发明史最伟大的杰作，随着网络规模的日益扩大、互联网用户数量激增和新的网络应用不断出现，用户对互联网资源的需求也急速增加，这就使得网络经常出现服务质量(QoS)低、网络阻塞严重等现象。尤其对于校园网用户来说，随着校园网络日益规模化和复杂化，其用户数量通常过万，当校园网用户访问公网（中国联通网络、中国移动网络、中国电信网络等）时一般会出现网络阻塞严重甚至会出现访问不可达等现象。在这些情况下，如何提高校园网用户服务质量是网络管理人员面临的重要问题。要有效地解决这些问题，首先就需要对网络进行测量，然后根据测量结果分析、改进网络中存在的问题。

本文所述测量系统主要是基于校园网络，实现一个具有分布式、可扩展性的网络测量平台。利用各种测量方法和测量工具，测量校园网访问公网和其他校园网络各种相关的网络性能参数。从而获得网络的状态信息，掌握和分析校园网络中各种性能参数，研究校园网多出口环境下的网络优化问题，为校园网络的优化提供有价值的参考。

1 网络测量技术

对于网络测量技术的研究始于20世纪70年代，随着网络技术的飞速发展，网络中出现的各种难以预测的问题日益增多，网络测量技术也越来越受到研究人员的关注。对于网络测量，目前没有一个统一的定义，人们只是形象地将网络测量描述为利用一些有效的方法和成熟的技术，通过使用软硬件工具来测试了解网络的运行状态、获得网络性能参数和网络行为指标等一系列活动的总称[3-4]。网络测量技术主要包括以下几个方面：测量方法、测量对象、测量工具和测量结果的可视化等。

1.1 测量方法

由于测量方法分类较多，本文仅介绍几种最基本、最常用的分类方法。根据测量环境中测量节点数目的多少，可以分为基于单点的网络测量和基于多点的网络测量；根据被测者是否知情，可以分为协作式网络测量和非协作式网络测量；根据被测节点的位置，可以分为端到端的网络测量和分布式的网络测量；根据测量的行为方式，可以分为主动式网络测量和被动式网络测量。

主动式网络测量方法是测量源节点向目标链路或者目标节点发送探测数据包，然后根据返回的网络性能参数来研究和分析网络的行为。主动测量方法非常易于在网络测量中实现，而且能以更加直接的方式来分析网络，可以全面掌握整个测量网络的行为特征。但是，主动测量方法也存在一定的缺陷，该方法在测量的过程中需要向网络中注入特定的探测流量，导致了网络中流量的增加。虽然探测流量很小，但是如果控制不当，也会在增加网络负荷的同时对网络性能结果产生一定的影响。

被动式网络测量方法是通过在网络中特定的节点上安装探针和数据采集器等来收集流经该节点的网络流量，然后进行分析，提取业务特征进而获得网络性能数据。被动测量方法主要是通过在一个特殊点观察网络的行为，不会增加和修改网络的数据，对于网络负荷基本上没有影响，能够较为准确地反应网络中的性能。但是，从被动测量方法中捕获得到的包难以甚至不可能包括想要的某些信息，被动测量方法的适用范围较小，并且难以实现对网络整体的理解和网络端到端行为的理解，因此，被动测量方法主要用在带宽测量和流量测量等方面。另一方面，由于被动测量方法可以直接获得该节点上的数据，可能会造成信息泄露等安全方面的问题。

1.2 测量对象

根据网络测量的对象，可以分为网络拓扑发现、网络流量监控、网络性能测量和路由探测等方面。其中，对网络性能的测量最能够反映网络服务质量的高低。网络性能参数主要包括：基于网络层的性能指标（单向延时、往返延时、丢包率、带宽、可连通性等），基于传输层性能指标和基于应用层性能指标。路由探测主要是测量源节点和目的节点链路之间所包含的各路由信息状态。通过分析测量路径，能够发现网络中是否存在故障。例如，可以发现链路中是否出现中断不可达问题、路由器的配置问题、环路问题以及路径的冗余等问题。本系统主要从网络性能和路由探测两方面进行研究设计。

1.3 测量工具

测量工具是测量网络行为特征的重要组成部分。目前，测量工具主要有：基于网络性能的测量工具ping、fping、pathchar、traceroute等，基于流量的测量工具iperf、netperf、netflow、nettramet等，基于拓扑发现的工具skitter、GASP等，基于路由选择的工具traceroute、ASExplorer、RouteRracker等。网络测量工具的选取对于网络测量结果有着重要的影响。本系统主要使用基于网络性能（ping、traceroute）和路由选择（traceroute）两大方面的测量工具。