基于多线程的网络性能测量系统的与应用

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【摘 要】目前针对园区网的网络性能测量和分析仍然属于一个新型的研究领域,本文从园区网网络的运营角度及园区网网络性能的基本指标带宽,时延等角度出发,结合长春工业大学校园网网络的实际,提出了一种网络性能测量系统.之后提炼测量方案,利用现有的几种性能测量的方法对长春工业大学校园网进行了网络性能的测量,通过对测量结果的统计分析和数学建模,总结出各项性能参数和规律,通过分析比较找到误差率最低的测量方法,为后续提出的改进的网络性能测量方法提供强大的依据.

【关 键 词】园区网,网络性能,带宽,时延,性能测量系统

1.系统设计

系统框架设计：

该系统主要包括用户界面管理模块,业务处理模块,数据包的发送模块,数据包的捕获模块,协议解析模块,存储模块等六大模块.其系统设计结构图如图1所示.

图1系统设计结构图

下面对各组成模块做如下简要说明：

（1）用户界面管理模块

该模块的主要功能是能让用户手动输入内容并将查询的内容呈现给用户.

（2）业务处理模块

该模块的主要功能是以业务边界为限制,进行业务类的封装.

（3）数据包的发送模块

该模块的主要功能是利用用户界面管理模块对各种协议的数据包进行封装,还可以进行网络性能探测数据包的封装,构造完成后进行数据包的发送.

（4）数据包的捕获模块

该模块的主要功能是捕获到所有经过网卡的数据包,还可以根据过滤条件捕获特定的网络探测数据包.

（5）协议解析模块.该模块的主要功能是对捕获的数据包进行解析,对特定的探测数据包进行数据的分析和统计并且计算网络的带宽和延迟.

（6）存储模块

该模块的主要功能是存储接收端接收到的网络探测数据包并且对接收端计算的网络带宽和延迟也进行存储,以便用户对数据库中的网络带宽的变化情况进行实时的跟踪和了解.

2.系统功能介绍

对网络协议发生器而言,该系统主要的操作对象是用户,它们的操作主要包括协议构造管理,数据包发送管理,数据包捕获管理,数据包分析管理和存储模块这五大功能模块.

2.1协议构造管理模块

本软件系统要求用户可以构造不同协议的数据包,还可以构造能够探测网络性能的网络探测数据包,用户可以设置要发送的数据包各层协议首部的内容.

2.2数据包发送模块

数据包发送模块包括两个部分,一部分是用户可以任意构造不同协议的数据包.另一部分是用户必须严格按照网络探测数据包的格式构造数据包.

2.3数据包捕获模块

数据包捕获模块也包括两个部分,一部分是用户可以捕获所有经过本网卡的数据包.另一部分是用户可以筛选出满足过滤条件的网络探测数据包.

2.4数据包分析模块

数据包分析模块也包括两部分功能：一部分是可以对经过网卡的所有数据包进行分析,按照TCP/IP协议栈的原理,对捕获的数据包进行解析,从数据链路层开始.首先分析数据链路层的协议,如以太网协议等.其次在根据以太网的分析结果在分析网络层的协议,如IP协议.分析了网络层协议以后,就可以对应用层上的协议如TCP,UDP进行分析了.最后分析应用层的协议.

2.5存储模块

存储模块的功能也包括如下两个部分：一部分是用来存储主机在某个时刻的流量信息（包括总的流量,上传流量,下载流量）.另一部分用来存储捕获的网络探测数据包的相关信息（包括：源IP地址,目的IP地址,数据包的类型,大小,发送的时间戳和接收的时间戳,计算的某段时间的网络的带宽和延迟等信息）,形成图表的形式以方便用户查看某一时刻网络的性能和主机的流量信息.

3.系统流程图设计

数据包发送和捕获技术是网络协议发生器的关键技术,如果在一个繁忙的网络上进行数据包的发送和截获,而不设置过滤器,那得到的数据包会非常多,导致我们的应用程序响应失败,因此对于网络协议发生器进行必要的性能优化,考虑到用多线程来进行数据包的发送和数据包的捕获操作,于是在程序中使用了两个线程：一个线程是构造数据包和数据包的发送线程.

另一个线程是过滤数据包和数据包的捕获线程.考虑到能高速的发送数据包,我们应该将数据包发送线程的优先级设置为高优先级.下面通过流程图来介绍我们的网络协议发生器：

图2多线程系统流程图

4.网络性能测量系统的应用

我们利用这个网络性能测量系统对现有的性能测量方法进行了实验与数据分析,实验的内容由以下几小节进行简要的说明

4.1VPS逐跳带宽测量方法的实现

4.1.1实验平台

图3网络拓扑结构

搭建如图所示的网络拓扑结构,计算机2号是背景流的发送端,计算机4号是背景流量的接收端,计算机1号是网络探测数据包的发送端,计算机3号是网络探测数据包的接收端.每段链路的带宽如图所示都为10Mb.

4.1.2背景流下的精度分析

本实验采用的是局域网流量产生器,通过设置产生数据包的大小和传输的速率来控制路径的背景流量的大小,我们让它的背景流量分别为0Mb,1Mb,3Mb,5Mb,7Mb,9Mb.即背景流占链路带宽容量的0%,10%,30%,50%,70%,90%.

VPS算法：

针对每次测量实验中获得的可用带宽值的大小,分别计算出在各速率的背景流下的可用带宽的大小（见表1）.

4.2基于探测报文间隔模型的可用带宽测量方法的实现

4.2.1实验平台

图4网络拓扑结构搭建如图4所示的网络拓扑结构,计算机2号是背景流的发送端,计算机4号是背景流量的接收端,计算机1号是网络探测数据包的发送端,计算机3号是网络探测数据包的接收端.计算机4号和计算机3号与路由器之间的带宽为10Mb,既是紧链路又是瓶颈链路即窄链路,因为此算法在测量之前必须保证紧链路和窄链路是同一条路径.背景流量的控制与VPS算法的是一致的.

4.2.2Spruce算法

针对每次测量实验中获得的可用带宽值的大小,分别计算出在各速率的背景流下的可用带宽的大小（见表2）.

4.3基于自拥塞模型的可用带宽测量方法的实现

4.3.1实验平台

图5

图6

背景流量的控制与VPS算法的是一致的.

4.3.2PathLoad算法

针对每次测量实验中获得的可用带宽值的大小,分别计算出在各速率的背景流下的可用带宽的大小见表3.其中可用带宽范围的中间值即为测量的带宽.通过上述的测量结果,我们经过统计分析出这3种带宽测量算法的误差比如图6所示.

5.结论

随着网络应用的不断普及和网络技术的不断发展,新的协议层出不穷,为了让学生更好的了解各种协议的组成部分并且深入理解TCP/IP协议栈,本文除了深入研究网络数据包构造技术,数据包捕获技术以及各类网络协议分析方法以外,根据需求还设计出了一个网络性能测量系统,该网络性能测量系统的创新之处在于：

（1）研究了以太网帧的帧格式以及基于TCP/IP协议族的数据报文格式,为深入理解协议分析的原理以及过程奠定坚实的理论基础.

（2）该软件界面简洁,方便用户操作,并且可以根据需要手动添加网络协议,达到了很好的扩展性.

（3）可以通过发送探测数据包,实时了解网络的动态,对于发现网络故障,提高网络的服务质量提供了很好的帮助.

（4）基于多线程的网络性能测量系统,可以模拟多个会话,从而可以提高系统的性能,提高程序的运行效率,更好的为用户服务.

（5）利用这个网络性能测量软件,我们对现有的算法进行实际测量,通过对数据进行比较分析,找出测量误差最小的算法,为下一步改进该算法奠定基础.