基于流量特性的校园网网络性能分析与研究.pdf

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1、广西大学硕士学位论文基于流量特性的校园网网络性能分析与研究姓名：王璐申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：梁京章20080530基于流量特性的校园网网络性能分析与研究摘要网络性能分析是网络规划的重要工具，它对提高网络服务质量和改善网络运行效率，为网络提供优质的管理方面都起到了比较重要的作用。校园网络因其使用群体层次高、频度大、范围广，因而更加需要高质量的网络性能，因此有针对性的进行校园网络性能分析，将成为提高高校网络管理质量的新思路。并且针对目前校园网流量特性的分析，对于掌握和预测校园网络运行状态，进行校园网的优化也有着重要意义。本文从研究校园网流量特性入手，以广西大学校园网为研

2、究平台。通过对校园网实际情况的分析，建立相关的流量采集理论，并对流量中的自相似性，突发性，协议特性等给校园网性能带来的影响进行了深入探讨与研究，提出了基于流量特性的校园网性能分析的实现思路和方法。此外，本文还就校园网性能分析的结果建立了流量预测模型，并通过实验验证了该预测模型的可行性；提出了异常流量预警机制，以期及时发现流量异常情况并排除网络故障；校园网的性能优化方案则分别通过校园网的流量优化和校园网的协议优化两方面进行阐述。关键词：网络性能分析校园网流量特性自相似性突发性C A M P U SN E T W O R KP E I 之F O R A 乱气N C EA N AI。Y S I SA

3、 N DR E S E A R C HB A S E DO NT H EN A T U R EO FT R A F F I CA b s t r a c tN e t w o r kp e r f o r m a n c ea n a l y s i si Sa ni m p o r t a n tt o o li nt h eN e t w o r kP l a n n i n g I tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n gt h eq u a l i t yo ft h ei n t e m e t,i m p r

4、 o v i n gn e t w o r ke f f i c i e n c ya n dp r o v i d i n gO u t s t a n d i n gQ u a l i t ym a n a g e m e n tf o ri n t e m e t B e c a u s et h et a r g e tu s e r so fc a m p u sn e t w o r ka r ew i t hh i 曲i n t e l l e c ta n dt h eu s eo fi ti so fh i g hf r e q u e n c ya n dw i d er

5、a n g e，ah i g h-q u a l i t yn e t w o r kp e r f o r m a n c ei Sn e e d e d,S Ot h ec a m p u sn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n a l y s i sw i t hc l e a rt a r g e to ro b je c t i v ew i Hb e c o m et h en e wi d e a so fc a m p u sn e t w o r ki m p r o v e m e n t B e s i d e s，t h en a

6、t u r eo fc a m p u sn e t w o r kt r a 伍Ca n a l y s i sa l s oh a sa l li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nu n d e r s t a n d i n ga n df o r e c a s t i n go p e r a t i o n sf o rt h ec a m p u sn e t w o r k S t a r t i n gw i t ht h en a t u r eo ft h ec a m p u sn e t w o r kt r a 佑C

7、。t h i sp a p e rt a k e sG u a n g X iU n i v e r s i t yc a m p u sn e t w o r ka sr e s e a r c hp l a t f o r m T h r o u g ht h ea n a l y s i so fn l es t a t u so fc a m p u sn e t w o r k,t h i sp a p e rc o n s t r u c t sr e l a t e dt r a f f i cc a p t u r et h e o r y,f u r t h e rd i s

8、 c u s s e sa n dr e s e a r c h e st h ei m p a c to ft h es e l f-s i m i l a r i t y,b u r s t,a 铲e e m e mf e a t u r e se t c o ft h et r a f f i c，a n dp u t sf o r w a r dt h ei d e aa n dm e t h o do fr e a l i z i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i sb a s e do nt h en a t u r eo ft r a f

9、 f i c I na d d i t i o n,b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sr e s u l t s，t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h ef o r e c a s tm o d e lo ft r a 伍C，w h o s ef e a s i b i l i t yh a sa l r e a d yb e e np r o v e db ye x p e r i m e n t,a n dt h e ne s t a b l i s h e st h ew

10、a r n i n gm e c h a n i s mo fa b n o r m a lt r a 伍C，w h i c he x p e c t st od e t e c ta b n o r m a lt r a f f i ci nt i m ea n df i xn e t w o r kb r e a k d o w n，a n dp u tf o r w a r d st h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so fc a m p u sn e t w o r k,w h i c hi Si l

11、 l u s t r a t e df r o mo p t i m i z a t i o no ft r a 伍Ca n da g r e e m e n to fc a m p u sn e t w o r k nK E YW O R D S：n e t w o r kp e r f o r m a n c ea n a l y s i s；c a m p u sn e t w o r k；t h en a t u r eo fn e t w o r kt r a 衔c；s e l f-s i m i l a rn a t u r e；b u r s tn a t u r e；m广西大学

12、学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第。署名单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。论文作者签名：乏参2 卯2 年多月2 6 日学位论文使用授权说明本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供胃录检索与阅览服

13、务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间：啪口时发布口解密后发布(保密论文需注明，并在解密后遵守此规定_)哼一。鼍弼彤日基亏吃乞l-特性的校园网网络性能分析与研究第一章绪论1 1 问题的提出随着全球信息化进程的加快，网络尤其是国际互联网作为现代信息社会最重要的基础设施之一，它已渗透到社会的各个领域，成为国家发展和社会进步的基本需求，是未来知识经济的基础载体和支撑环境。根据中国互连网信息中心(洲C)的调查报告显示，截止2 0 0 3 年6 月底，我国网络用户人数已达6 8 0 0 万，仅次于美国。到2 0

14、 0 5 年，中国已超过美国而成为世界上互连网用户数最多的国家【l】。同时随着网络规模不断的扩大，网络用户不断的增加要求网络安全、可靠。近一段时间由于计算机病毒爆发网络安全危机等因素，网络设备超负荷运转，从而导致网络性能不断下降。这些都要求人们对网络流量的运行状况和行为特性有一个深入的了解。因此，采集网络真实流量数据进行流量特性分析，了解目前网络性能的状态与特征，分析其网络性能及其影响因素，从而制定、调整互连网发展策略，以使其健康稳定的成长，就显得越来越重要。1 1 1 网络性能分析的概念及其分类网络性能分析是指对特定对象的行为和通信活动的效率进行分析评价。即性能分析评价被管对象行为和通信活动

15、的有效性【2】。具体措施是通过收集统计数据来分析网络运行的趋势，得到网络的长期评价，并将网络性能控制在一个可接受的水平上。目前网络性能分析主要有两个分支：性能测试分析和性能规划分析D I。性能测试分析是对于现有网络设施根据一定的测试序列去测定网络的性能参数。它有一个错误覆盖率的问题，只能从各个局部去分析或者推断整个网络的性能。而性能规划分析是从网络的基本原理出发，结合被研究网络的实际拓扑结构和各个组成部分的实际物理参数，利用数学分析或者计算机模拟的方法综合评价整个网络系统的性能，得出各种性能参数的期望值。这些性能参数的期望值可以用来优化网络设计方案和通过将其跟性能测试得到的结果的比较找出网络所

16、存在的问题，给出网络改造方案和优化网络配置。1 1 2 网络性能分析的重要性当前随着网络技术的高速发展和I n t e m e t 服务的普遍深入，I n t e r n e t 的规模日益庞大，其提供的服务和用户的服务需求也更加多样化和复杂化，同时也对网络性能和网络服务质量不断提出新的要求。由于互联网络体系结构的庞大和异构性、复杂性、动态性，使得网络的运行机制和行为错综复杂，这使得网络的控制难以实施 4 1。因此网络性能分析能够帮助网络管理人员更好地理解互联网内部的动态行为及其相关因素，建立有效的模型用于分析和预测网络性能，从而更好地完成网络协议设计，网络规划，网络性能优化基号鼍窥量特性的校

17、园网网络性能分析与研究和服务质量保证。随着校园网的不断发展，校园网也成为研究的热点，高校校园网可以看作是整个I n t e m e t 的一个缩影，随着网络传输速率的提高和各种新型应用的积极的发展，校园网络的复杂度也同时发生变化。新的网络传递技术、新的网络环境和新型的网络应用的产生，使得定量研究校园网中主要物理现象的规律，从而为校园网络技术的改进提供可靠的理论依据，已经成为一个急待解决的问题【5 J。1 1 3 基于流量特性的网络性能分析随着计算机网络的迅速发展，网络应用日益丰富，已经由传统的W w W、F T P、T E L N E T 等服务转向更加丰富的应用，如视频点播、网络视频游戏、口

18、电话等实时应用，这些应用的出现，都对网络流量的构成和行为特征产生了新的影响1 6】。早期的网络流量分析也应当进行新的研究。而网络流量的组成特征和分布特征，对网络性能将产生很大的影响。对网络流量特征的描述是网络性能分析的重要研究内容，它是网络规划、设计和管理的基本依据，同时对网络运行的Q o s 保证和网络安全也有很大的影响1 7 。对网络流量特征的研究现在己经成为热点，通过分析和研究网络上所运载的流量特性，可以提供一条有效地探索网络内部运行机制的途径。同时网络流量直接影响网络性能的好坏。如果网络所接受的流量超过了它的实际运载能力，就会引起网络性能的下降【嚣】。为了使网络性能进一步改善，必须要对

19、网络流量特征进行研究，从中抽取能够刻画网络流量特征的参数，从而通过对网络流量建模模拟和性能分析，寻找可调控的性能参数，对流量实施有效的控制，进而改进和优化网络性能。对校园网而言，校园网络流量的测量和对其特性的分析也是我们了解目前网络不合理之处、为未来的校园网的建设提供良好建议的重要手段。1 2 研究现状1 2 1 网络性能分析的研究现状网络性能分析是对一系列对于运营商有意义的，并可用于系统设计、配置、操作和维护的参数进行测量所得到的结果进行分析。自2 0 世纪9 0 年代以来，国外和国内的许多学者对网络性能的分析研究工作的重视程度越来越高，已经开展了不少卓有成效的研究工作。1 国外研究现状U

20、n i v e r s i t yo fM a r y l a n d,C o l l e g eP a r k 的研究成果最为显著，他们开展了一个称为“N e t c a l l i p e rP r o j e c t”的特别项目，以I n t e r n e t 为主要实例，探讨网络的动态特征，理解和寻求适合的计算机网络设计和运行的现有技术和未来新技术。其中N e t D y n 是他2广西大掌硕士学位论文基亏鼍茏H 分性的校园网网络性能分析与研究们研制和使用的核心工具，它能获取网络近期和长期的详细行为资料，然后再用这些资料建立反映网络真实特征的具有确定性和统计性的模型【9】。此外，B

21、o s t o nu I l i v e r S i 坝U m v e r s i 够o fC f l i 觚aa tS a n t aC r u z,C o m e UU m v e r s i 够和U n i V e r S i 够o fT e x a Sa lA u s t i l l也都有专门的实验室来进行网络性能分析的研究，取得了一系列的成果。他们的研究实践表明，合理设计网络和对当前网络进行改造都需要综合考虑影响网络性能的各种参数，在此基础上才能给出最优的解决方案1 1 0 1。C a i d a(C 鲇D 丸也eC o o p e m f i v e 舡s o c i 撕o nf

22、o rh 嬲m e tD a mA n a l y s i s)组织的C l a f f yK等人利用了多种工具对计算机互联网进行分析，展示出了这一庞大复杂巨系统的概貌。他们用一种称为s H t 魄的工具对网络的拓扑结构和数据包的传输路径和网络路由策略和行为等内容进行了分析，并且绘制了如不同自治网络间的连接关系等反映网络行为的示意刚1 1 1。2 国内研究现状在我国，当前条件下计算机网络的设计还主要是依靠具有网络经验的专业技术人员手工完成，网络实施前一般未进行仿真性能分析和优化设计研究，网络建成后也很少对系统性能进行评价与测试。其主要原因是尚无这方面的手段和工具，在这方面可以说尚属空白。近些年

23、来，虽然有一些专家在网络设计与性能分析方面做过不少工作，但尚未作为产品问世。因此，跟踪世界先进技术，研究开发符合我国国情的性能分析系统势在必行。下面列举一些国内学者研究的主要的网络性能分析方法：1)基于数据挖掘的网络性能分析算法将数据挖掘算法(D M)和网络性能分析(N P A)相结合，一方面D M 能够挖掘出的各种有价值的网络性能模式，另一方面利用这些模式N P A 能对当前网络作出准确率高的判断以及预测，也就大大减少了人工参与。基于数据挖掘的网络性能分析系统(D 蛐a s e dN P A S。简称D M N P A S)的主要设计思想是：在D M N P A S 应用环境中。可以按照用户

24、要求将一个大型网络划分成多个子域。在此基础上又把这些子域附属于一个高层域。整个系统由一个管理点，一个高层域。多个子域，一个智能决策机。多个规则库组成1 1 2】。与其他的N P A S 相比，在结构方面D M N P A S 最大的特点是：就地分析加全局分析。性能分析任务首先分散给多个子域自治处理；对于涉及多个子域的性能问题，才传给上层去处理。这样就减轻了分析器的处理能力要求，还大大减少了网络性能数据的传递，从而降低了网络开销和时延。2)基于S N M P 网络管理的网络性能分析方法在1 9 9 1 年公布的R M O NM【B(R e m o t eN 咖o r kM o 蛐g，R F D

25、l 2 7 1)是对原标准的扩展，它定义了管理远程网络监控设备的对象，而不是仅仅管理网络上的某一个设备【l 引。支持R M O NM I B 的监控设备要求能够独立的、连续不断的对所在子网进行诊断和网络统计信息的收集，并将这些信息方便高效的传送给网络管理工作站。R M o N 标准为复杂的网络故障诊断、配置规划和性能评价提供了大量的数据。它规定了1 0 组管理对象组：统计、3基于流H 寺性的校园网网络性能分析与研究历史、告警、主机、h o s tt o pN、矩阵、过滤器、报文捕获和事件。其中第十组专为T o k e nR i n g 而定。3)基于流量工程的网络性能分析方法流量工程，就是指一

26、种能将业务流映射到实际物理链路上，同时又可以自动优化网络资源，以实现特定应用程序服务性能要求的具有宏观调节和微观控制能力的网络工程技术【1 4 1。进行流量工程的关键目的就是能够准确的把握网络的运行状态和特征，优化网络性能和资源配置，平衡网络拓扑中链路负载，以增加网络的效能、操作的可靠性、资源的利用率。流量工程是网络工程的一个方面，用来处理所运行网络的性能评价和性能优化等方面的问题，也就是为了优化资源利用和网络性能，如何控制流经网络的数据流，包括运用科学的原则和技术对网络流量进行测量、描述、建立模型和控制。目前，国内的九五国家重点科技攻关项目中，已经列出网络设计、模拟与性能分析的课题【1 5】

27、。该课题主要包括第二代I n t e m e t 计划中的S u r v e y o r 工程，N S F(N a t i o n a lS c i e n c eF o u n d a t i o n)资助的A M P(A c t i v eM e a s u r eP r o j e c t)资助的A M P(A c t i v eM e a s u r eP r o j e c t)I 程和N I M I C N a t i o n a lI n t e m e tM e a s u r e m e n tI n f r a s t r u c t u r e)I 程、W m d m i

28、 l l 工程等。主要成果有S u r v e y o r 软件系统，可以分析端到端的单程延迟，C o r a V O C X m o n 性能监测分析平台等。1 2 2 基于流量特性分析的研究现状由于网络流量在网络体系结构中的地位，越来越多的研究者转向网络流量的研究，流量理论也越来越受到重视，2 0 0 1 年网络领域的十大研究热点，其中就包括网络流量的测量和分析【1 6 1。有关网络业务流量的研究主要涉及两个方面：网络流量特性分析和网络流量建模预测。在网络流量研究的早期，流量建模主要以泊松分布和马尔可夫过程为基础，借鉴公共交换电话网络(P S T N)的流量模型，使用P o i s s o

29、 n 模型来描述流量数据u 5】。随着网络技术的发展和网络业务的增多，L e l a n d,K l i v a n s k y 等人相继发现了普遍存在于各种网络业务流中的自相似特性。由于自相似特性对网络的影响很大，因而备受研究人员的关注并建立了多种自相似模型来描述和仿真流量特性，如分形布朗运动模型、多分形小波模型等等1 1 7 1。此外，加拿大国家研究机构使用p e r ts c r i p tI 具跟踪对T R I U M F 感兴趣的节点，每l O 分钟检测一次丢包率，每天收集4 次t r a c e r t 数据并生成网络的可视化图来分析流量特性【1 铂。近些年，随着网络测量技术的发展

30、和业务流量特性研究的深入，人们在对I n t e r n e t流量的分析中也发现了分形、周期性、混沌性等特性，并开始应用分形、多重分形、时间序列分析、小波分析、神经网络、混沌学等理论和技术来分析、描述网络流量的精细特性【1 9 1。流量预测模型不但要描述复杂业务的长、短相关特性，还要体现流量的其他特性。因此，对复杂的网络流量使用单一的流量模型已经不能很好的描述其真实的特性，4广西大掣蝎页士掌位论文基于流H 争性的校园网网络性能分析与研究为了更精确和全面的描述流量特性并预测流量，需要根据网络业务流量的多个特性建立混合的流量预测模型，而这方面的研究才刚刚开始。在我国，也有很多人在从事关于网络流量

31、的分析研究工作t z o J，例如，中国科学院软件研究所的项目“信息网前沿技术研究：通信网络动态仿真 中对科技网流量进行分析，验证广域网流量的长程依赖性，并将广域网流量的长程依赖特性应用于千兆交换路由器的缓存控制。哈工大也实现了一个大规模网络拓扑测量的原型系统，能够针对大规模网络进行路由I P 拓扑结构的自动发现并进行可视化显示来分析流量特性。这些都从不同角度研究了网络流量的规律，但是针对具体的校园网络流量特征、业务特征还研究甚少。1 3 课题的研究意义目前对校园网而言，大多数高校在网络的规划设计方面仍然按照传统的经验设计方法，哪里发生拥塞，就在哪里增加带宽，增强处理能力。这样做尽管简化了设计

32、，但是这只能局部的解决问题，不能满足对网络性能日益增高的要求。在网络流量管理方面，往往停留在用流量统计分析工具对网络通信设备进行流量监测和记录日志，对流量行为的规律没有进行深入分析。并且由于以太网和其它高速网络技术的发展，对流量分组进行全测量几乎不可能，同时，大量的流量日志也使流量行为分析相当困难。因此，深入研究网络流量行为特征规律，建立符合网络流量特征的模型成为现代校园网络研究中要解决的主要问题之一。网络流量特征是网络设计和性能分析中所必须考虑的一个重要因素，网络流量数据的特性反映了网络间的相互作用和影响，对网络流量过程特性的分析是研究新一代网络设计、流量控制机制和提高网络性能的有效方法。针

33、对上述种种问题，“基于流量特性的校园网网络性能分析与研究 以广西大学校园网为基础进行了一系列的研究工作。基于网络流量的行为特征，运用相关的统计分析方法，以进出校园网端口的流量为对象进行分析，有效的概括出若干个模型，从而获取网络的重要性能指标，全面的描述校园网的网络运行状况，为网络设计提供可靠的依据，并验证实际方案的优劣，有利于缩短网络建设周期，提高网络设计的科学性，降低网络投资的风险。总之，本课题希望通过对校园网网络流量特性的测量和分析，为整个校园网的管理提供决策支持。1 4 论文的主要工作和组织情况1 4 1 论文的主要工作本课题在对校园网情况以及基于流量的网络性能分析技术的具体内容调研后，

34、结合广西大学校园网的实际状况，从本质上理解网络业务流量的运行规律，针对网络流量行5基于流哺争性的校园网网络性能分析与研究为特性进行分析和研究，并结合其特性建立流量预测模型，旨在优化网络性能和提供更好的服务质量。研究的主要内容如下：1 研究平台的搭建研究校园网拓扑结构，建立校园网络性能分析模型，提出了模型总体结构及研究方法。：2 流量数据的采集整理建立校园网流量采集模型，采集校园网公网出口的网络流量数据，研究了主动和被动测量方法以及流量抽样方法，确定了用于性能分析的参数指标，为下一步的网络流量性能分析作好准备。3 基于流量特性的校园网性能分析对采集到的流量样本进行统计分析，利用流量的不同特性研究

35、了整个校园网网络应用的时间、地理、协议分布情况，从中发现校园网的使用规律。并把分析的结果汇总，为网络管理者提供决策支持。4 流量预测，预警，优化方案运用时间序列分析理论分析流量数据，建立了流量季节比例预测模型，并应用到当日流量的预测，将预测结果与实际流量进行比较。并通过该预测模型建立相关的网络流量预警模型，最后根据整体的流量分析结果提出未来校园网的建设优化方案。1 4 2 论文的组织情况第一章介绍了基于流量特性的网络性能分析的相关知识。第二章介绍了基于流量特性的网络性能分析的相关技术。主要介绍了网络流量的测量方法与作用，流量采集的常用工具，并且详细叙述了常见的一些网络流量特性。第三章具体阐述整

36、个流量采集模型的设计思想，提出了流量采集模型的体系结构。并详细描述了流量特性分析的整个过程，以校园网为平台，对流量特性进行验证以及成因分析，最后通过实验结果分析流量特性对网络性能的影响。第四章汇总实验结果，流量预测模型的建立和实际应用，同时为流量预警，优化作好准备，并加以验证分析。第五章总结了本课题的研究成果，并对下一步的研究工作进行了展望。6广。西大掌硕士学位论文j 基号咤乞量特性的校园网网络性能分析与研究第二章基于流量特性的网络性能分析技术2 1 网络性能分析方法的确定目前对网络性能进行分析、评价的方法很多。简单地分为定性分析与定量分析两种。所谓定性分析，指的是技术人员根据自己的经验对一个

37、已有或待建的网络进行大致的性能估计，判断网络配置能否满足用户的需要【2 1 1。这种方法显然是不准确的，常常要在安装或使用过程中动态地做出一些调整，以满足用户的需求。定量分析就是运用数学工具或测量方法找出反映网络性能的定量指标间的数值关系以及某个或某些指标变化时对网络性能的影响 2 2 1。相比定性分析，定量分析更精确地反映了网络性能的实际情况，为技术人员设计和规划网络提供了更准确、详细的依据，使决策更科学。常用的定量分析方法有实际测量法，模型法及综合评价法三种。1)测量法通过一定的测量设备或一定的测量程序可以直接从计算机网络测得各项性能指标或与之相关的度量，然后由它们经过一些运算求出相应的性

38、能指标，这是最直接也是最基本的方法，其他一些方法在一定程度上也要依赖它。这种方法适用于已经存在的系统，其中测量方法和手段是关键。测量方法的优点是准确性高，因为网络系统的实际情况比如响应时间、吞吐量等都能从使用现场得到。这种方法对于评价和分析一个已经存在的网络是非常合适的2)模型法首先对要评价和分析的计算机网络建立一个适当的模型，然后求出模型的性能指标，以便对系统进行评价。模型中般包括很多参数，这些参数的确定往往依赖于对实际系统的测量结果或对系统参数的估计。模型方法又分为模拟方法和分析方法两种。模拟方法是用一个程序动态地模拟一个系统及负载，一般首先是用一个模拟语言来为系统建立模型，然后在模拟时，

39、通过用负载驱动系统模型从而得出模型的性能指标。模拟方法可以详细地刻画系统，得出较精确的性能指标，但构造和使用模型时的费用较高。分析方法则是应用数学理论与方法来研究和描述性能与系统、负载之间关系。为了数学上描述与计算的方便，往往要对系统模型进行一些简化和假设，因而这种模型刻画系统的详细程度较低，得出的性能指标精度也较低。但是这种方法理论基础强，可以明显地刻画各种因素之间的关系，而且构造和使用模型的费用也较低。3)综合分析法随着计算机网络的不断发展，系统的庞大和复杂化使得系统性能评价和流量分析问题变得越来越复杂，仅仅依靠单一的方法很难有效的解决问题。因此，综合分析法即指7基亏咭怒量特性的校园网网络

40、性能分析与研究综合采用以上两种方法，通过提供有效的数学理论工具、直观的模型描述方法和有效的模型分析方法以及使用的分析软件和测量工具，可以较好的解决流量分析和评价问题。结合校园网的实际情况，现拟采用对网络流量进行实际测量的网络性能分析方法，因为校园网早已存在，而这种方法对于评价和鉴定一个己经存在并且正常使用的网络是非常合适的，而且准确性较高。2 2 网络流量的基本特征网络流量特征化是十分困难的，特别是不同的网络应用具有不同的流量特征。例如W e b 流的特点是连接时间短促，突发性强，主要由相对适中的数据包组成，只有像视频点播之类的情况才会出现较大的数据流量。F T P 流的特点是连接时间长，数据

41、包较大，而像T e l n e t 流虽然连接时间也较长，但数据流量非常小。W W W、F T P、V o D、V o I P 等流量特征和Q o S 需求的差异以及不同比例流量迭加，使得网络性能的分析更加复杂。因此，我们在分析网络流量之前应该先了解流量的几种主要特性，有利于以后有针对性的对流量数据进行统计和分析，进一步找出流量特性间的内在规律。下面详细介绍目前网络流量已知存在的几种特性：(1)流量自相似性自从L e l a n d 等人在9 0 年代初第一次明确的提出了网络流量中存在着自相似现象以来，各国研究人员开始对世界上现有的一些网络进行了测量和分析，发现不论网络的拓扑和业务如何，网络流

42、量中都能检测到自相似特性，自相似业务成为近年来网络业务模型的研究中的一个热点。著名美籍法国数学家B e n o i tB M a n d e l b r o t 在曾这样描述自相似现象：“当每个部分的形状不和整体形状是几何相似时，这种形状和产生这种形状的格状物都被称为是自相似的【硎。1 9 9 3 年美国B e l l 实验室的研究人员在经过了三年(1 9 8 9 1 9 9 2)的对高速以太网业务的测量和分析后，发现其业务具有统计上的自相似特性。他们用分形的思想研究了网络上的真实业务，证明了聚集的网络业务是具有H u r s t 参数H O 5 的自相似过程，从而是长相关的，即S=，而个别的

43、源发出的业务有N o a h 效应(具有无穷方差的重尾分布)【2 4】。此后国外研究人员对局域网、V B R、F T P、W W W 以及大型数据库等不同网络业务的传输进行了研究，发现这些业务都具有自相似特性。自相似过程与传统业务模型相比具有许多不同的统计性质，其中最主要的一点是它能够反映业务流量在任意时间范围内的长相关特性【2 5 1。大量的针对E t h e r n e t，w e b 等业务的测量表明：这些实际的网络业务普遍存在着在统计意义上的长时相关性或自相似性，具体表现在业务上大的时间尺度上呈现出相似的突发性。这与传统的电话网中服从泊松过程的短时相关业务假设有着很大的不同，在这种业务

44、特性下，网络研究中的业务建模和性能分析都产生了许多新的问题。8基亏鼍豪H 争性的校园网网f a t-i t 能分析与研究(2)流量突发性网络业务流量出现突发性是由于网络为某些大数据量的活动用户提供了足够的带宽，使其在很短时间内发送大量数据所导致的 2 6 1。局域网或任何计算机通信网的主要任务是为用户设备和进程提供通信路径。用户设备所提供的业务量即流量的性质是决定网络性能的主要因素。不幸的是，业务量的变化极大并受很多因素的影响。S t u c k 列出了大约二十多种局域网的业务及其典型的数据率的峰值变化范围由告警系统的1 0 0 b s 到无压缩形视频的3 0 M b s，即使撇开这两个业务量

45、的极端值也不会减小速率的范围。文件服务器块传送的速率为2 0 M b s，而光学字符读出器的速率为2 4 k b s。这两种设备是未来有可能与局域网相连接的典型用户设备。倘若由一个有1 0 0 个节点构成的局域网与典型用户设备相连接，则可以设想网络业务量交化之大。任何一个设备有可能长时间不工作，然后要求在一瞬间内提供很高的数据率，最高和最低数据率之间的差别己经在前面指出了。昼夜之间肯定会出现差别，在不同间隔时间内，如几周、几天、几小时或几秒钟之内的业务量平均值都会有很大差别。因此定义典型网络业务量的稳态分布是一个难题。面对业务量在某一时刻或某一段时间内变化悬殊的事实，要想根据某一特定的业务量模

46、式来设计网络是困难的【2 7】。但突发式业务量的模式却颇具代表性，因此网络通常是根据它的要求而设计的。(3)流量周期性周期性交化特性反映的是网络流量时间序列随着时间变化而表现出来一种季节性的变化规律网。这种周期性通常以天、周、月、年为单位。如1 9 9 4 年N a n c y 和G e o r g e对长达近5 年的N S F N E T 主干网络流量记录文件进行分析，发现流量序列具有以年为周期的性质，2 0 0 0 年东南大学网络中心在对C E R N E T 华东(北)地区网的研究中也发现了流量序列具有以日为周期的性质。由于影响网络流量行为长期变化的因素比较多，如果时间周期较长，那么这些

47、周期性流量特性就可能被淹没在大量流量信息中而不被发现。因此在日和年周期行为之间，网络流量还可能存在其它的非严格周期行为，这些周期是统计与模糊概念上的周期，不能像日周期和年周期行为可以直观地从流量时间序列图得出冽。但是流量的变化呈现一定的周期性现象是客观存在的，因此，我们必须在流量建模和预测的过程中加以考虑，这样才能全面掌握网络的运行状况。(4)流量中的协议特性网络流量中协议的组成对局域网的性能影响很大，不同的协议各有优缺点。网络流量的协议组成一直都是T C P 疋协议，在如今协议越来越多元化的发展趋势下，T C P I P的协议组成一直都维持稳定。本课题进行的网络流量分析要求熟悉组成网络流量数

48、据包的T C P I P 协议特性和其具体的高层协议。1 T C P I P 简介9基于流4 1 特性的校园网网络性能分析与研究传输控制协议互联网协议(T C P P)是7 0 年代中期美国国防部以其A R P A N E T 广域网(即现在的D A R P A)开发的网络体系结构和协议标准【3 0 1。虽然O S I 是最早提出的理论上的标准，但是在实际中我们多是采用T C P I P 协议分层标准。T C P I P 通常被认为是一组不同的协议组合在一起构成的一个四层协议系统。其体系结构如下图所示：图2 1T c P I P 体系结构图F i g2 1s m l c t u r eg r

49、a p ho f T C P I P下面是对T C P 口各层应用的具体介绍：1)应用层应用层是网络应用程序和它们的应用层协议存在的地方。应用层程序设计在现实生活中应用最广泛，因为它是直接面向用户的。I n t e m e t 应用层包含许多协议，如H 1 甲协议(W e b 文档的请求和传输)、F T P 协议(文件传输协议一控制)，B O O T P协议(自引导协议)，P O P 3 协议(邮政办公协议)，N E T B I O S 协议(网络基本输入输出系统)等。以及一些特定的网络功能，如映射主机名到它们的网络地址的D N S(域名服务器)也在此层完成。2)传输层I n t e m e

50、t 的传输层在应用程序的客户和服务器之间传递应用层消息，在这里定义了两个点对点的传输协议，T C P(传输控制协议)和U D P(用户数据报协议)。T C P 是一个可靠的面向连接的协议，它允许源于一个机器的字节流被无错误地传输到I n t e m e t 上的任何其他机器。T C P 也处理流控制，以确保一个快的发送者不会发送太多的封包而淹没接收者。U D P 是一个不可靠的，无连接的协议，它为应用层提供了一种非常简单的数据传输服务，它是为那些不需要T C P 的序列号管理和流控制，而想自己提供这些功能的应用程序设计的f 3。3)网络层1 0广西大掌硕士掌位论文基亏鼍疲H 孥性的校园网网络性