网络延时测试实验及分析

俞海

摘 要：网络延时是网络性能的重要指标。网络延时的测试实验与分析，有助于提高学生计算机网络综合实验能力，对计算机网络性能有更加深入细致的理解。但网络性能实验涉及到的硬件平台与定量分析方法较为复杂。因此，利用NMAP时间模板命令设计了FTP文件下载延时实验。通过网络分析软件Wireshark捕获相关数据包，分析网络延时，简化了实验过程及分析方法。实验结果表明：NMAP扫描的FTP文件下载速率降低，网络延时显著增加。

关键词：NMAP；网络延时；VMware；Wireshark

DOIDOI：10.11907/rjdk.172258

中图分类号：TP393

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0192-03

0 引言

网络技术为计算机专业学生必备素质。计算机网络理论抽象，实验教学与实践环节成为理论教学的必要深化，对培养学生综合运用所学知识解决实际问题能力起着非常重要的作用[1-2]。计算机网络实验分为基础验证型实验和综合设计型实验。基础验证型实验主要包括网络基本概念、Web、DHCP、DNS、FTP、活动目录AD服务器的配置以及网络体系结构、局域网连接等内容；综合设计型实验主要包括交换机和路由器的配置、子网划分、广域网接入设计等[3-4]。

计算机网络性能方面的实验非常欠缺，主要原因在于网络性能实验涉及到的硬件平台较为复杂、网络性能实验涉及到的网络拓扑结构形式多样、网络性能实验技术整合度要求较高、网络性能的实验分析特别是定量分析较为繁杂[5-8]。本文以网络性能中的网络延时测试实验为例，利用虚拟机VMware[9-10]+网络分析软件Wireshark进行计算机网络延时测试实验，通过捕获相关数据包给出计算机网络延时的定量分析，以此增强对计算机网络性能的理解。

1 计算机网络性能主要指标

1.1 吞吐量

吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受到网络带宽或网络额定速率的限制。

1.2 延时

延时（delay）指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。延时是一个非常重要的性能指标，也称为延迟或者迟延。网络中的延时由以下几部分组成：

1.2.1 发送延时

发送延时是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需时间。发送延时也称为传输延时。发送延时=数据帧长度（b）/发送速率（b/s）。对于一定的网络，发送延时并非固定不变，而是与发送的帧长成正比，与发送速率成反比。

1.2.2 传播延时

传播延时是电磁波在信道中传播一定距离所花费的时间。

传播延时=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播数率（m/s）

1.2.3 处理延时

主机或路由器在收到分组时需要花费一定的时间处理，对分组首部分析、从分组中提取数据、进行差错检验、查到适当路由等。

1.2.4 排队延时

分组进入路由器要在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发，于是产生排队延时。排队延时通常取决于网络当时的通信量。

总延时=发送延时+传播延时+处理延时+排队延时

对于高速网络链路，提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。信息在通信线路上的传播速率与数据的发送速率并无关系，提高数据的发送速率只是减小了数据的发送延时。

1.3 延时抖动

延时抖动（delay variation）指网络中分组延迟的变化程度。

2 NMAP的网络延时技术参数

NMAP调整扫描时间的命令参数[8]有：

--scan-delay。調整探测报文的时间间隔。这个选项用于NMAP控制，针对一个主机发送探测报文的等待时间（ms），--scan-delay设为1 000，使NMAP低速运行并相应地调整网络扫描的延迟。

-T（设置时间模板）。NMAP设有6个时间模板，使用时采用-T选项及数字（0-5）。可根据需要选择不同的模板，由NMAP负责选择实际的时间值。模板也会针对其它的优化控制选项进行速度微调。例如，-T4针对TCP端口扫描延迟超过10ms，-T5对应的值为5ms。

3 实验设计及分析

基于NMAP的网络延时测试实验设计主要内容：利用虚拟机VMware作为网络延时测试实验环境，选用NMAP的时间模板选项-T获得网络延时效果，利用网络协议分析软件Wireshark捕获NMAP扫描FTP服务器的数据包比对延时大小。实验步骤如下：

（1）实验拓扑结构。实验环境以Windows 7为宿主机（设为计算机C），IP地址设为：192.168.100.4，子网掩码设为：255.255.255.0。在宿主机上安装虚拟机软件VMware并分别启动2台虚拟计算机。虚拟计算机A：Windows Server 2003，IP地址为：192.168.100.2，子网掩码设为：255.255.255.0，将虚拟机A配置为FTP服务器。虚拟计算机B：Windows XP，IP地址设为：192.168.100.3，子网掩码设为：255.255.255.0。

（2）在计算机B上安装协议分析软件Wireshark，捕获流经计算机B的数据包，数据包捕获条件设置为：host 192.168.100.3，并使Wireshark处于监听状态，如图1所示。

（3）在宿主计算机C上对虚拟计算机A进行NMAP扫描，NMAP命令为：NMAP-T2 192.168.100.2，如图2所示，其中NMAP命令选项-T及数字（0-5）是可供选择的扫描速度，这里选择“-T2”选项。endprint

（4）虚拟计算机B从虚拟计算机A（FTP服务器）下载文件，如图3所示。

这时计算机B上的协议分析软件Wireshark捕获了FTP下载文件的数据包，如图4所示。

（5）对Wireshark捕获的FTP数据包进行分析。任选一个“FTP-DATA”数据包，依次点击Wireshark的菜单项：“statistics”→“IO Graphs”，可以生成FTP文件下载速率统计图。对于同一个FTP文件，正常下载与NMAP扫描时下载所生成的速率统计图分别如图5、图6所示，图中的横轴表示FTP文件下载时间（单位：s），纵轴表示FTP文件下载过程中的数据包（单位：packets/s），曲线表示每秒传输数据包的数量。从图5、图6可以看出，对于同一个FTP文件下载，NMAP扫描时下载文件所需时间从30s左右增加到100s以上，传输速率降低，网络延时显著增加。

两种情况下的平均传输速率如表1所示，NMAP扫描时的FTP文件下载平均速率只有正常FTP文件下载速率的53.85%（449 204.980/834 209.329）～55.83%（400.063/716.539）。

4 结语

本文利用虚拟机VMware作为网络延时测试实验环境，选用NMAP的时间模板选项-T来获得网络延时效果。实验利用网络协议分析软件Wireshark捕获NMAP扫描FTP服务器的数据包来比对延时大小。通过对计算机网络延时的定量分析，使学生对计算机网络性能有了更加细致的理解，提升了学生的计算机网络综合实验能力。

参考文献：

[1] 边胜琴，王建萍，崔晓龙.计算机网络实验室建设与实验教学改革[J].实验室研究与探索，2017，36（2）：259-262.

[2] 朱立才，耿珍，黄津津.网络工程专业计算机网络实验教学的设计与实施[J].实验技术与管理，2017，34（5）：161-164.

[3] 张兰芳，年梅，李芳.向应用型转型的新疆高校计算机网络实验教学研究[J].计算机教育，2016（12）：149-154.

[4] 張倩.应用技术型计算机网络实验教学研究[J].福建电脑，2017（5）：163-164.

[5] 胡治国，田春岐，杜亮，等.IP网络性能测量研究现状和进展[J].软件学报，2017，28（1）：105-134.

[6] 尹浩，李峰.互联网性能测量技术发展研究[J].计算机研究与发展，2016，53（1）：3-14.

[7] 吕承民，谢永强，黄琦，等.网络性能测量关键技术[J].计算机与数字工程，2015，43（7）：1311-1314.

[8] FYODOR.Nmap Reference Guide[EB/OL].http：//www.insecure.org/Nmap.

[9] 陈小勇，张丽.基于虚拟机技术的实验平台研究[J].实验技术与管理，2017，34（2）：124-126.

[10] 何凯，刘伟.基于虚拟机的网络管理与维护实验教学探索[J].实验技术与管理，2016，33（1）：201-204.endprint