IP 网络综合性能评估模型

李改河

【摘 要】提出一种IP网络综合性能评估模型，结合网络健康度和路由器健康度的概念，通过测量收集网络基本性能数据，对网络作出整体评价。基于该模型开发了NHES系统，对中国移动CNGI示范网进行性能测量，实验数据很好地反映了CNGI的运行状况，为诊断网络性能问题提供了有用信息。

【关键词】网络健康度；路由器健康度；综合性能评估；性能测量

0.概述

随着 Internet 技术的不断发展，人们对其依赖程度也日渐增加。网络运营商和用户必须对其性能深入了解，才能保证网络正常运行。但是Internet的结构日趋复杂，使其性能的可知性越来越低，因此，对网络性能测量的研究变得越来越重要。

目前，国际上有关性能测量的研究项目主要有：NIMI，AM，CAIDA和Surveyor。IETF也提出了若干RFCs以制定一系列框架指标来规范对Internet的测量。此外，还有许多其他网络测量体系，如MOAT， IEPM，NWS，PPNCG等[1]。虽然这些项目在关键技术上取得了很大进展，但还存在一些问题：（1）在测量系统模型化方面做的工作比较少，缺乏宏观的体系结构模型；（2）普遍采用指标体系评价法，虽能从多个角度对事物进行评价，但不利于对事物的综合评估、统一比较[2]。本文提出的IP网络综合性能评估模型采用综合多指标的评价方法，把反映网络性能的多个指标信息综合起来，映射成一个指标，由此来反映网络整体的性能状况。通过这一综合性指标，使网管人员可从宏观的角度来评测与监控网络。

1.评估模型

节点是构成计算机网络的基本元素之一，网络中的任何节点都会对网络性能在一定范围内造成影响，这种影响反映在端到端（路径）性能上，一般认为，计算网络总体性能指数只须测量出端到端的性能数据加以分析总结即可[2]。但是，当网络规模较大时，对端到端的测量在实现上不可能也没必要覆盖网络中所有的路径，因此，也不能保证覆盖所有节点；另外，对网络中运行着的各路由器的综合性能进行评估，对网管人员更全面深入地了解网络性能情况也很有帮助，例如把路由器综合性能信息实时呈现在拓扑图上，可以为网管人员及时准确地定位瓶颈提供辅助信息。因此，在评估模型中加入对节点的综合性能评估是非常有用的。

2.路由器综合性能评估

路由器性能相关指标非常多，其中吞吐量、路由计算能力、路由表能力、系统恢复时间和系统复位时间都是固定型指标，而时延、丢包率、包转发率、年龄、CPU利用率和内存利用率则是动态型指标。固定型指标即设备固有的静态参数，体现其能力能达到什么程度，跟具体网络环境无关，可用特定软硬件设备测出；动态型指标是实际运行时的量，其变化跟环境有关，可在实际运行的网络上实时监测得出。

3.端到端综合性能评估

关于网络层的端到端性能测量，IETF的IPPM工作组定义了一个指标注册框架IPPM Metrics Registry[3]，给出了管理规则，注册指标的模板，用此模板列出了已注册的全部33个指标，给出每个指标的基本属性，包括：名字，参数（测量环境等），具体定义，单位，测量方法，误差等。

这些指标可以分为2类：基本指标和衍生指标。基本指标指可以直接测量得出的指标，而衍生指标则是建立在若干基本指标之上，可以是基本指标的采样序列，也可以是采样序列的统计特征。最基本的原子性指标有4个：时延（delay），丢包率（loss），重包率（duplication）和重排序率（reordering）[4]。

只知道某个时刻上这些原子指标的值是没有意义的，普遍的方法论是在这些原子性指标的基础之上，作时间上的扩展，形成序列，再研究这些序列的统计特征平均值、最小值、中值、百分分布等。

4.网络综合性能评估

网络的综合性能评估方法与路由器一样， 用 0～100打分，称为健康度。网络健康度与端到端的总体评价系数和路由器健康度紧密关联，算法如下：

health=0；

for every path do

health=health+path.eval；

health=round（health×100/ num）；

for every router do

if （router.health<60）

health=health×0.9

其中，num 为实际测量的路径的数目；round 为取整函数。

5.实现根据这个评估模型，开发出网络健康度评估工具（Network Health Evaluation System，NHES）

NHES 分为3层：

（1）数据采集层。包括路由器数据采集和端到端数据采集2部分。其中，路由器采集部分利用SNMP 协议来收集路由器各端口的输入输出总包数、包丢弃数、入口带宽、CPU利用率等数据，由此计算出路由器各指标值；端到端采集部分利用Ping命令收集路径的双向延时和双向丢包率，由此计算出延时的最小值、方差和平均值。

（2）评估层。从数据库中取出采集层输出的数据，以其作为输入，按照上面所述评估模型，逐层计算评估出网络中各个路由器、各条路经以及整个网络的综合性能，把评估出的数据写回数据库。

（3）呈现层。负责把评估层输出的数据呈现给用户，分为实时呈现和历史呈现。实时呈现是指把路由器健康度和网络健康度在网络拓扑图上实时显示出来，而历史呈现则是根据用户的需求从数据库里调出数据，以报表的形式显示。在中国移动CNGI示范网上运行NHES，把 NHES部署在与其中一个边缘路由器相连的主机上，选取其中的3条路径进行测量，并对所有支持SNMP的路由器进行采集，网管人员在 NHES上输入各路由器地址、端口、口令、OID、目的端地址等信息，系统即可运行。这些信息被写入配置文件中，用户无须每次登录都输入。除此之外，路由器指标权值、正常值、采集间隔以及计算健康度的周期等参数也都可由用户配置。在拓扑图上每隔一个健康度评估周期自动更新一次路由器和整个网络的健康度，路径的综合性能则可在历史记录中查询。

在不同时刻采集到的中国移动CNGI示范网的部分路由器性能数据，以这些数据为输入，根据模型计算得出网络综合性能。可以看出，CNGI示范网在10月26日无论是路由器的表现还是端到端的性能比24日都有所下降：网络健康度从90下降到71。路由器（H）无论在网络整体性能较好还是较差的时候其健康度均只有 66，事实上查看历史记录可知它在连续一个星期的测量中整体性能表现一直不佳，健康度在60上下浮动，与其他路由器较佳的平均表现形成鲜明对比，影响了网络的整体性能。因此，为了提高综合性能，网管人员应首先考虑替换路由器（H）或将其移至较为不重要的位置。

6.结束语

本文从当前网络管理的需求出发，提出路由器健康度和网络健康度的概念，采用模块化技术，对已有的一些网络综合评估方法进行了比较，建立一种IP 网络综合性能评估模型，使网络管理者无须仔细研究各个指标，即可了解网络性能表现，并且方便了不同节点、路径以及网络之间在时间和空间上的比较。通过中国移动CNGI示范网的的测量评估证明，该模型能够有效帮助网管人员了解并分析网络运行状况，具有较强的实用性。 [科]