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边界路由器在线时延性能测量方法研究与分析

作　者: 王宇科
导　师: 张大方；张光胜
学　校: 湖南大学
专　业: 软件工程
关键词: 网络测量单跳测量时延丢包率自相似性
分类号: TN915.06
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

网络测量对于网络研究和网络管理十分重要。对网络中某个路由器的测量即为单跳测量。网络单跳的测量所要测量和分析的是网络中某一节点所表现出的网络性能,其所体现的是和节点直接相连的网络或链路的网络服务质量等指标,具有十分重要的研究意义。时延是衡量网络性能的关键参数。单跳时延是指数据包进入某个路由器到离开这个路由器所经过的时间。由于局域网内外网带宽的不一致性,导致在网络边界路由器的出口链路形成网络传输的瓶颈,因此对边界路由器的单跳时延进行测量是网络优化的前提。现有的路由器单跳时延测量采用被动测量方法,存在测量开销大、测量设备昂贵等问题,并且受到硬件处理能力以及包捕获机制的制约。本文针对上述问题,利用现有测量条件,基于数据包对的测量技术,设计了一种新的主动测量与被动测量相结合的边界路由器单跳时延测量方法。该测量方法具有实现简单、测量开销小、测量成本低、测量灵活的特点。通过对测量误差的分析以及与被动测量方法时延测量数据的对比,证明了该方法具有较高的测量精度和较小的测量开销,适合对路由器的单跳时延进行长时间的测量。将该测量方法运用于湖南大学校园网边界路由器的单跳时延测量,通过长时间的测量并对大量的测量数据进行统计,分析了数据包经过路由器的最小时延、处理时延以及排队时延,并根据分析结果给出了边界路由器的时延模型;同时根据对测量数据的统计分析,对数据包的时延分布与背景流量的关系以及包丢失率与时延分布的关系进行了研究。本文还对校园网出口流量的自相似性问题进行了研究。采用方差时间图估计法对校园网出口流量的自相似系数Hurst进行了估计,分析了Hurst系数与校园网出口流量的大小、协议分布、时延抖动、丢包率等性能参数的关系,并对造成特定情况下自相似系数的不规则性的原因进行了分析。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-14
第1章绪论  14-20
  1.1 网络测量概述  14-16
  1.2 国内外的研究现状  16-17
    1.2.1 国外的研究状况  16
    1.2.2 国内的研究状况  16-17
  1.3 研究的意义  17-18
  1.4 本文所作的主要工作  18
  1.5 本文的组织结构  18-20
第2章网络测量方法及测量指标研究  20-28
  2.1 网络测量方法  20-23
    2.1.1 主动和被动以及基于监控的测量  20-22
    2.1.2 单向测量和往返测量  22-23
    2.1.3 多点测量和单点测量  23
  2.2 网络性能测量指标  23-25
    2.2.1 时延  24
    2.2.2 丢包率  24-25
    2.2.3 带宽  25
  2.3 网络单跳性能测量  25-27
    2.3.1 网络单跳性能测量概念及测量意义  25-26
    2.3.2 现有网络单跳性能的测量方法  26-27
    2.3.3 网络单跳性能测量的指标  27
  2.4 小结  27-28
第3章网络单跳时延测量方法的改进及误差分析  28-44
  3.1 现有的网络单跳性能测量的局限性  28-29
    3.1.1 基于测量设备的测量方法的局限性  28
    3.1.2 基于简单网络管理协议的测量方法的局限性  28
    3.1.3 基于被动抓包的测量方法的局限性  28-29
  3.2 单跳时延测量方法的改进  29-32
  3.3 测量方法的误差分析  32-42
    3.3.1 传播时延带来的误差  33
    3.3.2 传输时延带来的误差  33
    3.3.3 交换机交换时延带来的误差  33-38
    3.3.4 测量主机本身产生的时延误差  38-39
    3.3.5 测量方法对比分析  39-42
  3.4 小结  42-44
第4章校园网边界路由器的测量及数据分析  44-62
  4.1 测量的背景以及测量的软硬件环境  44-46
    4.1.1 测量的背景  44
    4.1.2 测量的软硬件环境  44-46
  4.2 交换式路由器体系结构分析  46-48
  4.3 边界路由器的单跳时延分析  48-58
    4.3.1 数据包的单跳时延与网络流量分析  48-50
    4.3.2 数据包的单跳时延分布与流量关系  50-52
    4.3.3 最小时延分析  52-53
    4.3.4 路由器处理时延分析  53-54
    4.3.5 数据包排队时延分析  54-56
    4.3.6 边界路由器时延模型  56-58
  4.4 丢包分析  58-61
    4.4.1 丢包产生的原因  58
    4.4.2 单跳丢包与网络流量的关系  58-59
    4.4.3 包丢失率与包单跳时延分布关系  59-61
  4.5 小结  61-62
第5章校园网出口流量自相似性研究  62-70
  5.1 网络自相似过程的研究背景  62
  5.2 网络自相似性过程的定义  62-63
    5.2.1 连续时间序列  62-63
    5.2.2 离散时间序列  63
  5.3 自相似性的性质  63-64
    5.3.1 长相关性  63-64
    5.3.2 Hurst 效应  64
    5.3.3 慢衰减方差  64
    5.3.4 谱密度在原点附近服从幂律变化  64
  5.4 自相似性流量参数的估计  64-66
    5.4.1 方差时间图法  65
    5.4.2 R/S 分析法  65
    5.4.3 周期图法  65-66
  5.5 校园网出口流量自相似参数估计值的计算  66-67
  5.6 校园网出口流量自相似性分析  67-69
  5.7 小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-76
附录 A 攻读学位期间发表论文目录  76-78
致谢  78

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