基于校园网的网络测量系统设计与实现

2 体系结构的研究与设计

本系统主要通过在不同区域的高校部署客户端测量节点，实现一个分布式可协作的测量系统。其体系结构设计如图1所示。



该系统主要使用主动测量方法，测量节点通过主动测量工具探测网络上的目标节点，主要涉及到的测量参数包括带宽、延时、丢包率、可连通性和节点间的路径等，通过对这些参数的返回值进行分析处理，并把测量结果以图形化的方式显示在客户端Web服务器上。

系统主要分为服务器和客户端两大部分，采用的是B/S结构。服务器节点主要负责客户端节点的注册、管理和监测节点状态，向客户端节点分配测量任务，保存客户端节点返回的测量结果，显示已经部署好的客户端节点拓扑分布图并能够通过服务器端直接访问客户端节点。客户端节点主要完成测量任务，但是，它又不是完全意义上的客户端，当有其他客户端节点请求该节点进行协助测量时，此时该客户端节点又可以转变成为被请求客户端节点的服务器。客户端的主要功能包括：对服务器分配的任务进行测量并且保存和传送测量结果，本地用户的添加、删除、修改等管理操作，协助其他客户端节点完成测量任务，图形化显示出测量结果等。

3 系统主要功能实现方法

根据网络测量系统的体系结构，网络测量系统从功能上又可以划分为通信控制模块、数据收集模块、数据分析和处理模块、数据存储模块和结果的可视化显示模块等。

3.1 通信控制模块

通信控制模块主要完成服务器向客户端分配任务、客户端向服务器发送心跳数据、客户端节点测量结果的传输等。为了保证数据在网络传输过程中的安全性，自定义并设计了通信协议，利用socket通信来完成基于TCP协议的可靠传输。图2所示是客户端和服务器端的通信流程。



3.2 数据收集模块

在数据收集模块中主要使用ping、fping、traceroute等主动测量工具向测量目标节点发送ICMP数据包，利用测量返回值得到性能参数。由于主动测量方法会增加网络的负荷，因此选择数据包较小的ping工具，而且在测量的过程中使用定长的时间间隔（客户端还可以根据需要修改间隔时间，默认的情况下是5 min）进行采样，这样就可以缓解网络中由于负荷过重可能导致的网络阻塞。

3.3 数据分析和处理模块

由于网络中各种因素的影响可能使每次测量的结果偏差较大，为了减少误差，使测量结果能够更好地反映实际情况，对测量结果求均差和方差等一系列分析处理，并把处理后的结果保存到数据文件中。

   

3.4 数据存储模块

服务器端使用mysql数据库来保存节点、用户、测量任务等相关数据。同时，服务器对测量结果的保存采取文件的方式，每个测量节点的测量对象对应有2个文件，其中一个文件保存历史纪录，另一个文件保存最近的一次测量纪录。客户端数据库采用RRD结构形式，优点在于数据的保存与绘图。每个测量对象对应一个RRD文件，保存对应测量结果。RRD文件的结构如下图所示，每一行都是上面一行若干数据的平均值，在记录超出后自动删除旧数据，保持记录数不变，这样只需保存少量的数据，减少日记文件的平均。其结构如图3所示。



3.5 结果的可视化显示模块

使用rrdtool画图工具将保存到文件里面的数据绘制成二维图形，以Web的形式在客户端显示出来。为了更好更全面地反映网络性能，以利于管理者分析和发现网络中的问题，在结果显示模块中将会同时显示每小时、每天、每周和每月的测量结果。

4 测量实验

本系统在清华大学部署了一个服务器节点和一个客户端节点，以下数据均来源于清华大学网络中心部署的1台客户端节点的测量结果。

图4显示的是一周内测量节点到中国银行站点的往返延时和访问中国银行主页需要的下载时间结果。从中可以发现测量结果具有很强的相似性和规律性。图5显示的是一天之内测量中国银行的往返延时和访问中国银行主页需要的下载时间结果。可以看出在白天8点以后下载时间和往返延时明显增加，分析可能到了访问高峰期。



图6显示的是清华大学网络中心到交通银行网站节点的路径，不同深度的灰色代表节点往返延时（RTT）处在不同的时间范围，从最小的深灰色（小于15 ms）到最高的白色（大于120 ms）。可以在图6中直观地看到前面三跳其往返延时较小说明可能在同一个校园网中，紧接着往返延时变大，说明可能跳出校网网络。根据大量路径测量结果可以发现校园网是否存在冗余路径和一些配置问题，进而进行优化改进。



本系统经测试运行良好，其测量结果能够较为客观地反映网络性能，为网络管理者提供一个有效的辅助工具。但是本系统没有考虑到基于IPv6网络相关性能测量，因此下一阶段需要继续完善以能够更好地实现基于IPv4和IPv6同时测量。