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IP网络测量和业务性能研究

作　者: 朱畅华
导　师: 李建东；裴昌幸
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 端到端时延测量 端到端带宽估计 业务性能分析 分布式结构
分类号: TN915.06
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


随着IP网络规模和用户数目的不断扩大，业务种类日趋多样化，加之对服务质量、网络与信息安全的要求越来越高，给其运营、维护和管理提出更高的要求。同时，掌握IP网络的运行规律，对网络设备和协议的研究开发具有重要意义，为此促使了网络测量和业务性能的研究。 本文围绕IP网络测量和业务性能两个方面展开研究，力图构造有效的网络测量基础结构，获得IP网络的性能指标，掌握IP网络的业务性能，理解其运行规律，建立其行为模型，以进一步提高其服务质量，改善安全性，实现高效的运营维护，并为网络新协议的开发奠定基础。本文的主要内容和结果如下： 1．研究了Internet单向时延的测量方法及其动力学特征。提出了一种基于非线性规划的方法估计收发时钟的频差和相对偏差，克服了常用的端到端时延测量方法大多依赖于GPS接收机或采用NTP协议来实现收发端时钟的同步，而GPS接收机价格较高且与接收环境有关、NTP协议的精度不能满足要求的缺点。我们在几条不同的链路上进行了测试，结果表明该方法能有效消除收发时钟不同步对时延测量的影响。此外，通过分析多条链路的测试结果，发现Internet端到端时延具有非线性、非平稳的特征，而且不同链路其自相似性(Self-Similarity)程度不同。通过构造合适的网络结构及泛函神经元函数，利用泛函网络进行系统辨识，准确描述了端到端时延的非线性特征，同时对泛函神经元函数的参数进行自适应修正，适应了时延的非平稳性。对两条不同种类链路实测的端到端时延数据进行验证，结果表明所构造的网络结构以及提出的自适应算法能准确描述Internet端到端时延的动力学特征。 2．研究了端到端瓶颈带宽和可用带宽的测量方法。在分析几种主要的网络瓶颈带宽测量方法及其存在的问题的基础上，提出了一种基于多分组(Multi-Packet)技术、考查分组到达间隔特征(平稳性，标准差与均值之比)的新方法，仿真试验结果表明该方法能有效地克服分组对(Packet Pair)技术无法判断时间压缩和时间扩展造成的误差，相比分组链技术精度得以提高，并且适合于网络重负载的情况。此外，基于自感应拥塞的思想提出一种新的端到端可用带宽测量方法，该方法采用步进式增加探测分组发送速率的方案，还定义了一个判决标准：归一化加权时延增量(NWID)。采用滑动判决方法，一次测量便可得到可用带宽值。仿真试验结果表明：与pathChirp方法相比，适量增加了测量开销，但其测量精度明显提高。 3．研究了802.11WLAN接入点汇聚的业务量特征和WLAN QoS问题。经过仿真实验发现：采用IEEE 802.11协议的无线局域网，其无线接入点(AP)在饱和情况下汇聚的业务量数据具有多分形/多尺度(mul ti一fractal/multi一SCale)特征。利用多分形业务量排队分析的最新结果，研究了无线接入点的业务量丢弃率与缓冲区大小的关系，并进行了仿真验证。此外，针对于少数慢速终端导致整个WLAN性能下降以及兼顾端到端Qos的情况，提出了一种接入控制方法—面向QoS的混合接入控制(QoS一oriented Hybrid Admission Control，QHAC)策略，通过限制慢速终端的分组请求间隔来降低对其它移动台的性能影响。此外，还测量端到端路径的性能，与需要接入的新移动台的服务质量需求进行对比来判决新移动台是否获得竞争权限。仿真结果表明该算法能有效提高工EEE 802.1 1 WLAN的性能。 4.研究了GPRS承载IP业务的性能。在分析GPRS RLC/MAC工作过程的基础上，基于D一BMAP/D/l排队模型分析GPRS数据业务在简化的一步接入模式下RLC/MAC缓冲区队列的平均长度、小分组(Mini一Packet)的平均时延和丢弃率等性能。考虑了不同服务速率、定时器大小和缓冲区容量时的情况。分析结果表明:当定时器TJl:2时间变长时，时延缩短，丢弃率降低;处于空闲状态的移动台产生新会话 (Session)的概率越大，时延越长;缓冲区容量增加，丢弃率明显降低。然而，随着每个Session中分组呼叫数目的变化，时延和丢弃率的变化不显著。本文的特点在于采用了矩母函数和概率母函数理论，运算量大为降低。 5，提出了一种分布式网络测量与分析基础架构(Distributed NetworkMeasurement and AnalysiS Infrastrueture，DNMAI)，采用层次化模型，模块化设计、易扩展。与现有测量框架相比，DNMA工强调了根据用户需求定制测量与分析方案的能力，完善了分析方法和应用场景，可灵活组织单点或分布式多点测量。文中给出其框架模型、功能部件、实现的关键技术和解决方案，并以端到端时延测量与分析需求为例说明了DNMAI的应用。此外，探讨了网络测量在无线网络入侵检测和脆弱性分析方面的应用，给出了一个分布式无线入侵检测和脆弱性分析系统(W工D脚As)模型，作为DN琳工的一个特例。关键词: 网络测量，端到端时延测量，端到端带宽估计，业务性能分析，分布式结构

全文目录


第一章 绪论  13-37
  1．1 IP网络发展现状及研究网络测量的意义  13-17
    1．1．1 IP网络发展现状  13-14
    1．1．2 研究IP网络测量的意义  14-17
  1．2 IP网络测量的指标体系与测量方法概述  17-21
    1．2．1 网络测量的指标体系  18-20
    1．2．2 IP网络测量方法概述  20-21
  1．3 IP网络测量的体系结构及关键技术  21-24
    1．3．1 IP网络测量的体系结构  21-22
    1．3．2 IP网络测量的关键技术  22-24
  1．4 IP Over GPRS  24-25
    1．4．1 GPRS的网络结构  24
    1．4．2 IP Over GPRS  24-25
  1．5 IEEE 802.11无线局域网及其性能  25-28
    1．5．1 IEEE802.11无线局域网工作组  25-27
    1．5．2 IEEE 802.11无线局域网性能分析与服务质量  27-28
  1．6 网络测量与网络行为学  28-31
    1．6．1 网络测量与网络行为学  28-29
    1．6．2 基于测量的Internet业务量行为  29-31
  1．7 IP网络测量研究现状  31-34
  1．8 本文研究的主要内容及章节安排  34-37
    1．8．1 本文的主要研究内容及贡献  34-36
    1．8．2 章节安排  36-37
第二章 IP网络端到端时延测量与动力学研究  37-55
  2．1 IP网络端到端时延测量与分析方法  37-40
    2．1．1 单向时延的测量  37-38
    2．1．2 端到端时延的建模  38-40
  2．2 基于线性规划的端到端时延测量方法  40-47
    2．2．1 端到端时延测量方法基础  40-41
    2．2．2 端到端时延的分析  41-42
    2．2．3 收发时钟不同步影响的消除  42-46
    2．2．4 算法分析  46-47
    2．2．5 测量实例  47
  2．3 基于泛函网络的端到端时延动力学研究  47-54
    2．3．1 端到端时延测量结果的取得  47-49
    2．3．2 时延序列的自相似性考查  49-50
    2．3．3 时延序列的非线性考查  50-51
    2．3．4 基于泛函网络的时延动力学模型  51-53
    2．3．5 辨识示例  53-54
    2．3．6 应用举例  54
  2．4 本章小结  54-55
第三章 IP网络端到端带宽测量研究  55-73
  3．1 Internet端到端带宽测量方法概述  55-61
    3．1．1 IP网络带宽测量研究现状  56
    3．1．2 IP网络瓶颈带宽测量  56-59
    3．1．3 IP网络端到端可用带宽测量  59-61
  3．2 一种改进的瓶颈带宽测量方法研究  61-65
    3．2．1 改进的瓶颈带宽探测方法描述  62-64
    3．2．2 改进的瓶颈带宽探测方法仿真  64-65
  3．3 基于步进式增加探测速率的可用带宽测量方法研究  65-71
    3．3．1 探测分组接收间隔  66
    3．3．2 相邻分组间隔变化图析  66-67
    3．3．3 测量方法描述  67-70
    3．3．4 测量方法实验  70-71
  3．4 本章小结  71-73
第四章 IEEE 802.11无线局域网业务性能与接入控制研究  73-93
  4．1 IEEE 802.11 MAC协议及其性能  73-78
    4．1．1 IEEE 802.11协议的工作模式  74-75
    4．1．2 IEEE 802.11 MAC协议性能分析  75-76
    4．1．3 IEEE 802.11 MAC协议的公平性  76-78
  4．2 IEEE 802.11 WLAN接入点业务量分析  78-83
    4．2．1 无线接入点的业务量仿真  78-79
    4．2．2 无线接入点业务量的多分形检验  79-81
    4．2．3 无线接入点的排队分析  81-82
    4．2．4 数值结果  82-83
  4．3 面向服务质量的混合接入控制策略(QHAC)  83-92
    4．3．1 IEEE 802.11 WLAN服务质量研究  83-85
    4．3．2 IEEE 802.11e研究进展  85-86
    4．3．3 基于端点的接纳控制及802.11 WLAN对接纳控制的需求  86-88
    4．3．4 混合接入控制——QHAC算法  88-89
    4．3．5 QHAC算法仿真及结果分析  89-92
  4．4 本章小结  92-93
第五章 IP Over GPRS数据业务性能分析  93-107
  5．1 数学基础  93-95
    5．1．1 几种随机过程  93-94
    5．1．2 母函数(Generating Function)  94-95
  5．2 GPRS业务量及排队模型  95-98
    5．2．1 业务量模型  95-96
    5．2．2 基于D-BMAP／D／1的GPRS RLC／MAC排队模型  96-98
  5．3 基于D-BMAP／D／1分析GPRS数据业务性能  98-102
    5．3．1 嵌入点的稳态分布  99-100
    5．3．2 任意时隙的稳态分布  100-102
    5．3．3 性能度量  102
  5．4 数值结果及分析  102-106
  5．5 IP Over GPRS性能优化  106
  5．6 本章小结  106-107
第六章 分布式网络测量与分析基础结构及应用  107-119
  6．1 分布式网络测量与分析基础结构(DNMAI)  107-113
    6．1．1 网络测量体系结构概述  107-108
    6．1．2 分布式网络测量和分析基础架构(DNMAI)  108-110
    6．1．3 DNMAI中的关键技术及实现  110-113
    6．1．4 DNMAI应用举例  113
  6．2 分布式无线入侵检测和脆弱性分析系统(WID&VAS)  113-117
    6．2．1 无线网络的安全需求  113-115
    6．2．2 WID&VAS框图  115-116
    6．2．3 WID&VAS中的测量数据  116-117
  6．3 本章小结  117-119
第七章 总结与展望  119-122
  7．1 主要工作与贡献  119-120
  7．2 有待于进一步研究的问题  120-122
致谢  122-123
参考文献  123-138
攻读博士学位期间完成的论文和工作  138-139

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信网 > 一般性问题 > 测试、运行
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