IP網性能分析與考評指標

2019-11-03 09:02:05

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供稿：網友

林嘯

　　摘要本文較為系統地介紹了有關ip網性能參數和指標，并結合作者的實際工作體會，對目前國內互聯網運維管理中還有待提高的性能考評方法作出初步探討，以供相關部門參考。

　　關鍵詞業務質量（QoS）網絡性能（NP） SLA 性能參數指標

0 概述

　　從1987年，錢天白先生發出“越過長城，通向世界”的第一封電子郵件，向世界宣告中國互聯網事業開端的一刻起，互聯網便在中華大地飛速發展。至本世紀初，隨著中國成功加入WTO和中國電信的改革，互聯網正改變著人們的工作和生活方式，互聯網已成為信息溝通的主要紐帶之一。

　　隨著用戶數量呈幾何級數地遞增，中國互聯網的網上業務流量發生了質的飛躍。網上業務量爆炸性增長使網絡負荷越來越重，致使服務質量嚴重下降，影響了國內用戶對互聯網業務的正常使用。中國互聯網絡信息中心CNNIC的歷次調查結果顯示，上網速度太慢是用戶對互聯網最為失望的因素，到1999年初，有92％的上網用戶對速度的限制表示遺憾，網絡瓶頸限制了業務的正常開展。

　　對這一點，我國互聯網運營商已有充分認識，1998年起中國國內互聯網的骨干層帶寬和國際出口帶寬都進行了較大規模的擴容（1998年底國際出口帶寬總合為143M，2003年底就達到了27G，增長了近200倍）。而且國內大規模寬帶IP城域網的建設，也促進了用戶上網速度的提升。

　　但由于中國國內互聯網接入服務提供商紛繁復雜的網絡狀況、用戶端瓶頸、相對薄弱的網絡管理和控制等因素，用戶仍無法享受足夠滿意的服務。根據CNNIC的調查，2003年，網速仍是影響互聯網業務用戶滿意度的首要因素之一，有30％的用戶對此表示了不同程度的遺憾。

圖1 中國互聯網國際出口帶寬擴容情況（Mbps）

　　從對現有網絡的調查中可發現，以傳統電信網的觀點分析現有互聯網骨干網資源的占用情況，還是比較充足的，網絡資源的利用率還存在上漲空間。

　　另外，IP網運營商為更有效地吸引大客戶，往往與其簽署業務等級協議（SLA），而簽署SLA的關鍵前提就是要清楚地掌握自己網絡的實際運行性能。因此，對現有互聯網性能進行準確到位的分析，是目前國內外各家互聯網運營商普遍關心的問題。

1 業務質量與網絡性能

　　1.1 業務質量與網絡性能的定義

　　要更為客觀地評估IP網絡性能，首先應明確兩個目前在業界時常被混淆的概念：業務質量和網絡性能。

　　——業務質量（QoS）

　　今天的電信業，QoS一詞使用的頻率非常高，但沒有給出一個QoS準確的定義，或往往闡述得不夠全面、準確，甚至在一些ITU-T文獻或建議中也時常出現這種狀況。

　　業務質量QoS全稱Quality of Service，根據ISO9000的定義，“質量是指滿足特定需求的一系列固有特性的程度”。

　　而在電信領域，ITU-T在E.800建議中明確定義QoS為“能夠決定用戶使用該種業務滿意程度的業務性能的綜合結果”。

　　——網絡性能（NP）

　　所謂網絡性能，從業務提供者的觀點而言，是指一個網路可被定義、被測量及被控制以達到滿意的業務質量的特征。

　　1.2 業務質量與網絡性能的關系

　　從兩者的定義可看出，業務質量和網絡性能是兩個角度的概念，業務質量從用戶對業務的實際使用感受出發，描述業務的使用性能。而網絡性能是從Operator角度制定的衡量網絡實際運行狀況的參數指標體系。

　　·網絡性能反映網絡元素的本質狀況，而業務質量是網絡運行狀況的外在表象；

　　·網絡性能可描述整個網絡端到端的特性，也可描述特定網段的特性，而業務質量只是描述從業務接入點得到的用戶感受；

　　·網絡性能對業務質量有很大影響，互聯網用戶在使用互聯網業務時所穿越的不同網絡的網絡性能組合及其在時間上的分布規律，在很大程度上決定了該業務的質量；

　　·可以通過測量具體的網絡性能指標對網絡進行評估，而業務質量除依靠指標進行衡量外，往往還依賴于用戶的主觀感受。

2 IP網性能參數

　　2.1 IP網常用性能參數

　　·IP包傳輸時延(IPTD)

　　定義為IP包穿過一個基本段或網絡段集合所經歷的時間，與該包傳送成功與否無關。

　　——平均IP包傳輸時延(Mean IPTD)：指一個數據流中所有IP包傳送時延的算術平均值。

　　·IP包時延變化(IPDV)

　　兩點間IP包時延變化有3種定義：

　　——原定義：端到端兩點間IP包時延變化(vk)是IP包K通過源節點SRC(MP1)和目的節點DST(MP2)的實際時延(xk)與通過相同節點間定義的參考IP包傳送時延(d1，2)的差，即：vk=xk-d1,2。

　　——替代定義1：在一段較短的測量時間間隔內，最大IPTD與最小IPTD的差值。

　　IPDV=IPTDmax－IPTDmin

　　——替代定義2：

　　IPDV=IPTDupper－IPTDmin

　　其中：

　　——IPTDupper是評估間隔內IPTD的1-10-3百分位值

　　——IPTDmin是評估間隔內IPTD的最小值

　　IP包時延變化參數非常重要。在數據包傳送應用中，利用IP包時延變化范圍的信息可以避免出現節點緩沖的溢出和讀空；IP包時延變化會引起TCP層重傳定時器門限的增高，也可能引起數據包重傳的時延或造成沒有必要的數據包重傳。

　　·IP包誤差率(IPER)

　　是錯誤IP包傳送結果與成功IP包傳送加錯誤IP包傳送結果之和的比值。

　　·IP包丟失率(IPLR)

　　是丟失的IP包傳送結果與所有IP包的比值。

　　·虛假IP包率(SPR)

　　一個出口節點的虛假IP包率指在一個特定時間間隔內在該節點上觀測到的虛假IP包數量除以該時間間隔。

　　·IP網絡的流量參數(Flow Related Parameters－FRP)

　　——IP包吞吐量(IPPT)

　　出口節點的IP包吞吐量等于一個特定時間間隔內在該節點上觀測到的所有成功IP包數量除以該時間間隔。

　　——基于字節的IP包吞吐量(IPOT)

　　出口節點的基于字節IP包吞吐量等于一個特定時間間隔內在該節點上觀測到的成功IP包中所有字節數量除以該時間間隔。

　　2.2 IP網性能指標

　　·QoS等級說明

　　一定范圍的IP網性能參數組合構成一種QoS等級。用戶的QoS等級與用戶IP包的傳送距離和網絡的復雜度有關。根據不同業務和應用的需要，用戶可以請求和得到不同QoS等級的服務。

　　IP業務的QoS等級按應用、節點機制和網絡技術可劃分為6大類。

　　不同的QoS等級，對于IP網NP參數的指標要求也各有差異。

　　·IP網的端到端性能參數目標參考值

　　以測量點為邊界的端到端（不包含用戶駐地網）IP網絡性能指標見表2。實際用戶享受到的服務性能一般會優于表2的規定。

　　注：1.表中規定的所有值都是臨時的，今后將根據實際運營經驗調整這些指標；

　　

　　2．某些應用（如MPEG-2）要求IPLR < 5 x 10-5。

　　表2是ITU-T所定義的參考指標，而各個運營商往往是根據自己網絡所開展的主要業務等因素，制定適合自己的網絡性能指標，其指標往往高于以上指標的要求，因此用戶能夠得到更為優質的服務。

　　2.3 IP網性能指標與網絡結構的關系

　　正如上文所述，IP網網絡性能可以是端到端的指標，也可以是某個特定網段的指標。由于IP網絡是由眾多的區域性網絡互聯而成的，而這些網絡可能是由不同的運營商進行維護和管理的，端到端的網絡特性往往不能很好地加以控制和約束，因此需要相應的指標對這些網絡分別進行評估。

　　目前國內互聯網上的業務包括國際業務，國內網間業務和運營商網內業務。針對不同的應用，其端到端的網絡性能指標會被分配到不同的網段上。網段包含單運營商網絡、網間鏈路、接入鏈路。甚至在全國性運營商網內，也可按骨干網、省網、本地網等進行劃分。

　　實際上，運營商不必嚴格按照ITU-T建議的網絡模型分配端到端指標，重要的是對自己網上主要業務的跨網情況、流向特性作出正確判斷。

　　另外，在計算具體參數指標時，必須考慮鏈路的物理距離，通常運營商可將實際長度適度放大，以提高網絡的實際使用性能。放大幅度自己掌握，一般距離越短，倍數越大。

　　2.4 國外運營商IP網絡性能指標

　　·性能參數

　　國外IP運營商建設經營IP網絡較早，其運維經驗較中國同行更豐富些，因此有許多可借鑒的地方。表3是國外IP網絡運營商選取的網絡性能參數及其測量的方法。

　　可見，不同的運營商由于其業務重點不同、用戶群差異，所以心的網絡性能的側重面和細節也有所不同，致使它們采用不同的網絡性能考評體系來評估網絡的運行質量。

　·SLA指標

　　在對于自己網絡充分了解的基礎上，各個運營商制定了與大客戶的SLA指標，參見表4。從表4可看出，國外用戶作為關心的網絡指標是時延、丟包率和可用性，從另一個側面也反映出互聯網運營商所關注并能適時加以控制的指標也主要是這三項。

3 IP網網絡性能考評

　　3.1 性能參數的選取

　　上面羅列的多種NP參數并非都是互聯網運營商必須準確關注的。運營商網絡性能參數的選取應考慮幾方面的因素：

　　① 定義網絡參數的真正出發點是通過觀察和控制指標，滿足用戶對業務的需求，因此所選參數必須能和用戶業務的QoS相聯系，反映用戶業務的使用效果和感受；

　?、?所選參數必須能通過一定的技術手段觀測和控制，并且不能過于復雜，否則會加大維護工作的難度和工作量；

　?、?所選參數應能夠從整體上反映網絡的實際運行效果，而不是僅反映某個特定階段或特定網段的性能。

　　國內的互聯網運營商可以從以下三個方面對IP網絡的運行狀況進行考評：網絡的連接性、網絡流量特性、網絡可用性。

　　·網絡連接性參數

　　在表述連接性網絡性能參數中，非常關鍵的是時間透明性參數和語意透明性參數。

　　——時間透明性參數

　　最為可取的時間參數包括網絡時延（單向時延和雙向時延）參數和時延抖動參數。

　　這里的網絡時延（區別與業務時延）是指IP包經過特定網段所經歷的時長，而由于互聯網業務選路的特性，決定了IP包往返所經過的實際路由往往有所不同，因此雙向網絡時延更能夠反映交互性較強的業務使用效果，而單向時延對數據傳送等單向互聯網業務有一定的反映。

　　時延抖動對于某些特定的業務是比時延參數更為重要的指標，其定義見IPDV。

　　——語意透明性參數

　　網絡的語意透明性在一定程度上反映了許多業務的可用性，因此考核網絡性能一定要選取適當的語意透明性參數。最重要的語意透明性參數應為丟包率。

　　·網絡流量參數

　　網絡流量參數直接與網絡建設、擴容、調整相關聯，因此也是大多數電信互聯網運營商長期用于網絡運維的參數。

　　大多數互聯網運營商往往基于其電信網的維護經驗來選取參數，而忽略了互聯網的特點，沒有抓住IP業務的本質特征，造成了建設和維護上的失誤。

　　下面推薦幾種可采用的網絡流量參數：

　　——流量流向參數

　　描述特定鏈路上峰值/平均業務流量情況，以矩陣形式表示全網的業務流量流向。

　　——流量特征參數

　　描述全網/網段/鏈路上業務流量的特征，可取的參數包括：峰值持續時長、峰值周期、峰平比。

　　——利用率參數

　　利用率是最為直接地指導網絡擴容的參數，目前國內運營商常用的是平均忙時利用率，而用戶則更注重忙時的業務質量。

　　因此對忙時利用率及其持續時長的監控是分析網絡性能的非常關鍵的手段。

　　除此之外，可以定義平均利用率、利用率的峰平比等參數，這些參數也是非常有用的網絡考核指標。

　　·網絡可用性參數

　　IP網絡業務可用性用于描述網段段和端到端的IP網絡業務。把IP網絡業務的全部持續時間分為可用時間和不可用時間。

　　——IP網絡業務可用性功能

　　IP網絡業務可用性功能的基礎是IP包丟失率（IPLR）性能的門限值。如果一個端到端IP網絡業務的IPLR低于下表中的門限值c1，則該端到端IP網絡業務是可用的，否則是不可用的。

　　門限值c1僅被用來確定何時IP網絡的資源不能支持特定的IP包傳送業務，不能當作適合各種應用的IPLR性能指標。因此當運營商IP網絡支持多種QoS時，適當的方法是用不同的c1值來對應不同的業務。

　　——IP網絡業務可用性參數

　　IP網絡業務可用性參數有兩個，一個是IP業務不可用百分數（PIU），另一個是IP業務可用百分數（PIA）。并且：

　　PIU=100-PIA

　　－IP業務不可用百分數(PIU)

　　不能應用IP業務可用性功能的時間間隔占IP業務全部時間間隔的百分數。

　?。璉P業務可用百分數(PLA)

　　能夠應用IP業務可用性功能的時間間隔占IP業務全部時間間隔的百分數。

　　3.2 指標的確定

　　以上給出的ITU-T對網絡性能參數指標，只是針對不同業務和應用提出的參考，而實際在網絡上運行的業務多種多樣，因此需要考慮的問題也更為復雜。用戶考慮更多的是業務的可用性和使用效果，即對QoS更為關注，而網絡運營商最關心網絡總體運行狀況，通過對網絡指標的觀察和控制，使用戶獲得更為滿意的服務。因此，運營商網絡性能指標的確定必須和業務的QoS建立一定程度的映射關系。這種映射關系的確立可通過以下三種方式進行。

　　·基于SLA的QoS

　　一些大用戶在與IP網絡運營商簽訂服務合同時會明確定義業務等級協議（SLA），對業務的時延、丟包率等特性提出明確的需求，其實質是提出了業務的QoS。對這種具有量化指標的QoS要求，運營商可以對應選取網絡性能參數，確定網絡的考核指標。

　　·基于特定應用的QoS

　　互聯網上的部分特定業務或應用對網絡性能有較高的求，雖然用戶不會直接定義業務的QoS參量，但如果某些參數降低到一定程度就會影響該業務的開通效果。因此，對應特定的業務，運營商可選取相應的性能參數進行考察，并確定相應的考核指標。

　　·傳統IP的QoS

　　目前互聯網上大多數業務還是基于Best effort的傳統IP業務，對于QoS并沒有具體的要求。因此，對這類業務，運營商主要應關注自身網絡的整體性能，根據總體需求選取參數，制定考核指標。

　　實際上，上述各種情況在現有網絡上同時存在，因此IP網絡運營商在制定網絡考核指標時需兼顧各種情況，以滿足絕大多數網上業務和應用的順利開通和正常運行。

　　3.3 指標的測量與分析

　　除了需求合適的指標外，指標的采集方法、采集制度及分析體系也很重要。

　　·采集方法

　　目前IP網絡性能參數的測量方式有兩種：主動測量和被動測量。

　　主動方式是插入測試包測試網絡。這在一定程度上增加了網絡負擔，當網絡發生擁塞時易加重擁塞，網絡流量過低時又易造成數據采集不準確，測試結果往往受測試包長度和類型的影響。故在實際測試時，應慎重選取測試時間和IP包類型、長度，或者考慮多種測試包同時采用。

　　被動方式采用MIB監測的方式采集性能參數指標，這種方式可得到更為準確有效的測試結果。需要注意的是，采集時應對數據進行分析，建議只統計設備端口的IP數據包，這樣采集的數據將更為真實。但對一些跨網業務來說，這種測試往往不能實現。

　　表5顯示了對以上性能參數指標建議采用的測試方法。

　　按照參數采集手段，參數的收集又可分為手工采集和自動采集。手工采集由網絡管理員按照一定的工作流程和命令行收集網絡性能的各項參數指標；自動采集則借助于專用工具（測試儀表、嵌入式程序等）對網絡參數進行偵測。

　　·采集制度

　　指標采集最好能形成一定的制度，明確測量周期，形成日/周/月/年報制度。并且最好能夠定期對每日不同時段的指標進行跟蹤（如以5分鐘為周期）。

　　·分析體系

　　運營商需要明確的分析體系，針對不同的關注點，以若干指標的集合分析某種特定的網絡特性以及滿足特定需求的能力。

　　科學合理的指標分析體系能夠準確地反映網絡的實際運行狀況，正確指導網絡的建設和管理。

　　另外，指標間統計口徑的一致性、采集的同步性也會影響到分析的正確程度。

　　3.4 網絡性能與建設成本

　　由于國內互聯網用戶規模非常大，如全都明確QoS指標，運營商就必須為此頻繁擴容和調整網絡，而另一方面，實際網絡的運行效率會非常低，反映在利用率等指標的下降。對于運營商而言，工作量和承受的壓力將過大，并且付出的成本代價也非常大。

　　因此，網絡性能的考評和指標的確定應基于滿足全網絕大多數用戶和絕大多數業務的前提下進行，而不必苛刻地要求所有性能參數都十分理想，并且還應在質量指標和效率指標間尋求一定的平衡。

　　3.5 網絡性能與用戶體驗

　　實際上，目前國內商業用戶和住宅用戶并沒有明確的QoS要求。由于網上缺乏真正的寬帶應用，大多數用戶僅僅要求“感覺上”的高速，即僅對時延敏感，而對丟包率、時延變動等不太關心。

　　雖然網絡的性能指標能夠影響用戶業務的使用效果，但實際上還是存在一定程度上的不一致性，這就要求網絡性能參數指標的選取和觀測方法更為貼近實際用戶的感受，這一領域的研究還有待進一步加深。

4 結束語

　　雖然國內互聯網的建設和運行已經有十余年了，但隨著IP網絡向電信網的演進，用戶對業務質量的要求也愈加嚴格。因此對網絡的性能進行管理，滿足寬帶多媒體業務需求，是演進過程中必須考慮的。而國內大型IP網絡運營商往往兼具電信運營經驗，對于電信網的管理經驗十足。但其實IP網基于其技術特點，和傳統電信網還是有很大區別的，因此，在IP網向IP電信網演進的過程中，網絡的性能管理和控制還是有大量研究工作急待摸索完成的。

參考文獻：

　　1．ITU-T E.800、E.600等建議

　　2．ITU-T M.2301、Y.1540、Y.1541等建議

　　3．ITU-T G.1000建議

　　4．ISO 9000標準

　　5．中華人民共和國通信行業標準YDT 1171-2001

　　6．信息產業部電信規劃研究院相關研究報告

　　7．信息產業部電信規劃研究院相關模擬試驗報告

摘自　泰爾網

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