随着Internet重要性的日益提高和网络结构的日益复杂, 越来越有必要对网络的整体拓扑结构和网络行为进行深入的了解、分析, 以利于发现网络瓶颈[1], 优化网络配置, 并进一步发现网络中可能存在的潜在危险为此需要对大规模网络结构进行动态描述, 并根据网络流量的变化分析网络的性能, 为加强网络管理、提高网络利用率、防范大规模网络攻击提供技术平台。
网络仿真[2]是使用计算机技术构造网络拓扑、实现网络协议的模拟网络行为。它能获取特定的网络特性参数, 进而可对网络性能进行研究和分析, 达到改善网络运行状况的目的。它包括网络拓扑仿真、协议仿真和通信量仿真, 模拟网络流量在实际网络中传输、交换等的过程。目前, 知名的网络仿真软件主要有Seawind ,OPNET和免费软件NS 等。
其中NS[3] 以它对有线和无线(本地或卫星)网络、局域网和广域网、网络分层模型各协议的丰富支持、强大的二次开发能力以及可扩展、易配置和编程的事件驱动特性, 在国际网络研究界得到了广泛的应用。NS 是一个面向对象的仿真工具,既能进行现有网络元素的仿真分析, 又是一个开发新协议、新方案的强大工具, 尤其是它具有进行各种网络性能仿真的能力同时又是免费的软件,对广大国内网络研究人员的意义是显而易见的。
网络测量与分析主要分为3个研究领域:
(1) 测量。精确地捕捉定量的因特网及其活动的测量数据。通常,网络测量的主要参数包括RTT、路径数据、带宽、延迟、瓶颈、突发业务量的频率、拥塞程度、动态瓶颈、站点的可达性、吞吐量、带宽利用率、丢包率、服务器和网络设备的响应时间、最大的网络流量、网络服务质量QoS[4](包括图像、数据、语音等服务的质量)等。需要指出的是,在网络层次的测量中,需要测量的一类属性是网络固有的,如它的拓扑、连接容量、延迟;另一类属性反映了网络的当前状态,如排队延迟、连接可用性、路由的动态性。
(2) 模型化[5]。这是性能评价的核心问题——建立正式的网络描述与模拟。这种模型的有效应用可实现对未来网络行为的预测。
(3) 控制。利用从测量和模型化得到的知识,实现因特网资源的合理配置与使用。
网络性能分析[6]的研究主要是性能测试分析和性能规划分析。性能测试分析根据一定的测试序列测量现有网络设施的性能参数，主要是通过局部状况去分析或者推断整个网络的性能。性能规划分析是结合被研究网络的拓扑结构[7]和各部分的物理参数，根据网络的基木原理，利用数学分析或计算机模拟的方法综合评价整个网络系统的性能，从而得出各种性能参数的期望值。网络特性分析无论对电信运营商，还是对学校校园网的管理者而言，在网络系统的划、设计、配置、操作和维护方面都有重大的指导意义的。自上世纪90年代以来。网络特性分析己经得到越来越多的国内外学者的重视，并取得了不少成果。University of Maryland，CollcgePark的研究成果最为显著，他们开展了一个称为“Netcalliper Project”的特别项目，以INTERNET为主要实例，探索网络的动态特征，寻求适合的计算机网络设计与运行技术，其中NctDyn是他们研制和使用的核心工具，它能获取网络长期和短期的详细资。然后再用这些资料建立反映网络实际特征的具体模型[8][9]。波士顿大学、加州大学圣塔克鲁兹分析、康奈尔大学、德克萨斯大学奥斯汀分校也都有专门的实验室来进行网络性能分析与研究，取得了一系列的成果。他们的研究表明，合理的设计网络和对当前网络进行改造都需要综合虑影响网络性能的各种参数，这样才能给出最优的解决方案[10]。 互联网性能总量和分析[11]（lntcrnet Pcrformance Measurement and Analysis,IPMA)项目是由Michigan大学电子工程与计算机科学系和Merit网络公司合作实施的，主要是帮助构建互联网数据采集和统计分析的基础设施，其主要成果之一是对美国的主要公共互联网交换结点的主干路由信息进行深入研究。在我国，计算机网络尤其是校园网的设计工作目前还主要依靠专业技术人员凭经脸来完成，网络建设实施前很少进行性能分析和优化设计，网络建成后对性能进行试和评价也比较少。近年来，一些专家在网络设计与性能分析方面做过不少工作，国内主要的研究方法有基于数据挖掘的网络性能分析算法、基于SNMP网络管理的网络性能分析方法和基于流量工程的网络性能分析方法等。
网络拓扑主要为IP拓扑测量和AS拓扑测量。IP 拓扑测量主要测量方法分为两类:基于SNMP 协议、基于ICMP 协议。前者主要通过访问MIB 库进行拓扑关系的获取,由于权限的关系,适合于在具有管辖权的网络范围内进行测量,所以难以推广应用。后者通过Tracert 实现,可用于Internet 上的大规模网络测量,但当网络上安装有防火墙软件时,则无法进行测量。AS拓扑测量总的来说,生成AS级拓扑图的方法可归结为基于BGP 路由信息的AS图、基于Traceroute的AS 图以及基于某些特性采用拓扑生成器合成(synthesizing)的AS 级拓扑图三类[12]。其中,第1 种方法较为普遍。该方法有被动测量和主动测量两种测量方式可供选择。前者在关键路由节点获取BGP 数据包,再采用有限状态自动机技术,对捕获的BGP update 报文进行处理;后者自备一台路由器,运行BGP 协议,通过与ISP 协商,与相应的路由器建立BGP 对等连接,只接收路由更新报文,不转发用户数据,这需要对等双方对相应路由器的正确配置。在大量测量数据的基础上,生成AS 拓扑连接图。通过AS 拓扑连接图,可以直观地了解各AS 连接关系,分析出哪些AS 起重要作用,不仅可以为新AS 的接入提供指导,而且还可以为将来信息战中的计算机攻防提供指导依据。
网络性能测量与分析基于TCP/IP 协议[13]。为了考察网络的稳定性、可达性、可靠性及网络服务质量[14],需周期性、连续测量的性能参数包括丢包率、RTT、流量、路径的平均跳数等;在此基础上,以时间为主线分析各路径上各项指标的动态变化,以空间为主线统计分析某一时刻整个网络的整体态势,如处于不同量级时延的节点总体数量分布等,分析端到端路由变化(或跳数的路由变化)等[15] 。
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