CN101056218A - 一种网络性能测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网络性能测量方法，以解决现有技术中因网络地址转换而导致在转换设备两侧不能定位同一被测流，无法对网络性能进行被动测量的问题；该方法从用于在两个测量点之间转换网络地址的装置获取被测流的网络地址绑定关系，并将被测流的流描述和所述网络地址绑定关系配置到测量点；测量点按流描述或按流描述和网络地址绑定关系提取属于被测流的目标报文，并且利用所述网络地址绑定关系使不同测量点对同一报文生成一致的报文标识，以及根据流标识和报文标识生成报文摘要数据并上报；根据测量点上报的报文摘要数据计算相应的网络性能指标。本发明还同时公开了一种网络系统。

Description

一种网络性能测量方法及系统
技术领域
本发明涉及通信领域的测量技术，尤其涉及一种网络性能测量方法及系统。
背景技术
随着因特网(Internet)技术和网络业务的飞速发展，用户对网络资源的需求空前增长，网络也变得越来越复杂。不断增加的网络用户和应用，导致网络负担沉重，网络设备超负荷运转，从而引起网络性能下降。这就需要对网络的性能指标进行提取与分析，对网络性能进行改善和提高。因此网络性能测量便应运而生。发现网络瓶颈，优化网络配置，并进一步发现网络中可能存在的潜在危险，更加有效地进行网络性能管理，提供网络服务质量的验证和控制，对服务提供商的服务质量指标进行量化、比较和验证，是网络性能测量的主要目的。
最常见的IP网络性能测量方法有两类：主动测量和被动测量。主动测量是在选定的测量点上利用测量工具有目的地主动产生测量流量，注入网络，并根据测量数据流的传送情况来分析网络的性能。被动测量是指在链路或设备(如路由器，交换机等)上利用测量设备对网络进行监测，而不需要产生多余流量的测量方法。
性能测量从方向上来划分，还可以分为单向网络性能测量和往返网络性能测量。单向网络性能测量就是测量从一个测量点A到另一个测量点B一个方向的网络性能指标。往返网络性能测量是测量从一个测量点A到另一个测量点B再返回测量点A的网络性能指标。对于两点之间的通信，在往返两个方向上可能经过不同的路径，或者同一个路径往返两个方向的业务质量(QoS)是不相同的，因此单向网络性能并不等于简单的将往返时延除以二(在后续如非特别指出，网络性能测量均为单向网络性能测量)。
对于目前普遍使用IPv4的网络来说，为了解决IP地址资源不够的问题，网络地址转换/网络地址端口转换(NAT/NAPT)的部署是比较普遍的现象。对于被动测量来说，通过在测量点捕获被测流并附加时间戳信息，通过比较两个测量点捕获的数据进行对比，确定单个报文在两点之间的时延以及判断该报文是否丢失，并根据这些指标推导出在一定计算间隔(Evaluation Interval)的网络性能指标，如平均时延、最大时延、最小时延、时延抖动、丢包率和网络不可用性等。在端到端的路径上如果存在NAPT/NAT，那么就存在一个问题：NAT/NAPT设备会修改报文头中IP地址、端口号，标识一个流的五元组发生了变化。分别位于内部网络和外部网络的测量点就无法通过五元组的方法来确定被测流，进而无法进行网络性能测量。如果要进行性能测量，两个测量点必须通过某种方式获取被测流的信息。为了进行端到端的性能测量，在被动测量方案中就必须解决NAPT/NAT穿越问题。
在IPv4和IPv6混合组网的环境下，如果采用NAT-PT技术进行IPv4网络和IPv6网络的互通，同样存在NAT-PT设备上进行IPv4地址和IPv6地址进行映射，对于网络性能测量来说面临同NAT/NAPT同样的问题。
发明内容
本发明提供一种网络性能测量方法及系统，以解决现有技术中因网络地址转换而导致在转换设备两侧不能定位同一被测流，无法对网络性能进行被动测量的问题。
本发明提供以下技术方案：
一种网络性能测量方法，包括如下步骤：
从用于在两个测量点之间转换网络地址的装置获取被测流的网络地址绑定关系，并将被测流的流描述和所述网络地址绑定关系配置到测量点；
至少其中一个测量点按流描述和网络地址绑定关系提取属于被测流的目标报文，并且利用所述网络地址绑定关系使不同测量点对同一报文生成一致的报文标识，以及根据流标识和报文标识生成报文摘要数据并上报；
根据测量点上报的报文摘要数据计算相应的网络性能指标。
根据上述方法：
将网络地址绑定关系配置到其中一个测量点，该测量点按流描述和网络地址绑定关系提取属于被测流的目标报文，另一测量点则根据流描述提取属于被测流的目标报文。或者，将网络地址绑定关系分别配置到所述两个测量点，该两个测量点分别按流描述和网络地址绑定关系提取属于被测流的目标报文。
获得网络地址绑定关系的测量点将报文中的地址进行映射后，与另一个测量点采用相同的方式生成报文标识。
获得网络地址绑定关系的测量点根据提取的报文和所述网络地址绑定关系生成对应的被测流的标识，使同一被测流在两个测量点生成的流标识一致。或者，为被测流分配一个能够有效识别该流的流标识并配置到测量点，测量点将该流标识携带在上报的报文摘要数据中。
所述两个测量点分别位于私网内和公网内；或者，所述两个测量点分别位于IPv6网络中和IPv4网络中。
一种网络系统，包括：
网络地址转换设备，用于转换网络地址并保存网络地址绑定关系；
测量控制器，用于配置测量点，从所述网络设备获取被测流的网络地址绑定关系并下发到测量点，以及根据接收到的报文摘要数据计算网络性能指标；
第一、第二设备，用于根据流描述或根据流描述和网络地址绑定关系提取被测流的目标报文和生成报文标识，以及生成报文摘要数据并上报所述测量控制器。
本发明有益效果如下：
本发明通过从网络地址转换设备获取网络地址绑定关系并发送给测量点，使分别位于网络地址转换设备两侧的测量点可以获取同一被测流，从而能够进行网络性能测量。由于测量点具有网络地址绑定关系，因此，本发明不仅支持对从私网到公网的流进行被动测量，同样支持对分别位于IPv6网络和IPv4网络中两个测量点之间的流进行被动测量。由于所有被测流的报文都是经过网络地址转换设备进行地址转换，因此，本发明充分考虑了NAPT/NAT进行地址转换对网络性能的冲击。
附图说明
图1为现有技术中NAT应用的参考模型；
图2为本发明实施例中在NAT/NATP环境下端到端的测量示意图；
图3为本发明实施例中在NAT/NATP环境下测量网络性能的流程图；
图4为本发明实施例中在测量点A与B之间测量网络性能的示意图。
实施方式
本发明中的网络地址转换设备包括用于私网和公网之间互通的网络地址转换/网络地址端口转换(NAT/NAPT)设备，以及用于IPv4网络和IPv6网络互通的网络地址翻译-协议翻译(NAT-PT)设备。本实施例以在具有NAT设备的私网和公网络环境中进行网络性能被动测量为例对本发明进行详细说明。
NAT设备用于将内部网络中使用的内部IP地址翻译成合法的外部IP地址，在Internet上使用。NAT有三种类型：静态NAT(staticNAT)、NAT池(pooledNAT，也叫动态NAT)和NAPT。静态NAT设置起来最为简单，内部网络中的每个主机都被永久映射成外部网络中的某个合法的地址；NAT池则是在外部网络中定义了一系列的合法地址，采用动态分配的方法映射到内部网络；NAPT则是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上。NAPT可以把内部的TCP/IP映射到外部一个注册IP地址的多个端口上。NAPT可以支持64500个连接。
参阅图1所示，在网络中，NAT/NAPT设备将网络划分成两个部分：内部网络和外部网络。内部网络采用私有IP地址规划，外部网络采用公有IP地址规划，内部网络和外部网络通过NAT/NAPT设备通信。如果采用静态NAT的方案，外部网络可以首先发起通信会话，直接访问内部网络。动态NAT和NAPT一般情况先由内部网络发起通信请求，在NAT/NAPT上动态建立NAT地址映射表，然后才能进行正常的通信。
从图1中可以看出，对于一个指定的流，如果需要穿越NAT设备，这个流的IP地址要发生改变。对于从内部网络到外部网络的方向，源IP地址发生了变化(NAT功能使用公有IP地址替换私有IP地址)；对于从外部网络到内部网络的方向，目的IP地址发生了变化(使用私有IP地址替换公有IP地址)。因为IP地址发生了变化，分别部署在内部网络和外部网络的网络性能测量设备就无法定位这个流，从而无法进行网络性能的测量。
在本实施例中，为了满足被动测量穿越NAT/NAPT网络环境的网络性能测量要求，通过获取网络地址绑定关系并将其发送给外部网络中的测量点，使外部网络中的测量点能够根据所述网络地址绑定关系，与内部网络中的测量点获取同一被测流。
参阅图2所示，网络系统包括：测量控制器(Controller)，位于内部网络中测量点A的装置A，位于公网中测量点B的装置B，以及在测量点A与测量点B之间用于转换网络地址的转换装置。
网络转换装置用于转换网络地址，即将装置A发送给装置B的数据包中的私网IP地址(源地址)替换为对外的公网IP地址，将装置B发送给装置A的数据包中的对外的公网IP地址(目的地址)替换为私网IP地址。
测量控制器用于发起和终端一个网络测量任务，配置测量点，收集测量数据和计算性能指标，向用户报告网络性能测量指标，以及从转换设备上获取被测流的网络地址绑定关系，即内部网络IP地址、端口号和外部网络地址、端口号的映射关系。如：测量点可以通过简单网络管理协议(SNMP)从网络地址转换管理信息库(NAT-MIB)获得相关信息或者通过其他协议接口。配置测量点包括下发被测流描述(五元组)，采样频率、采样算法(如：Possion泊松分布)。
装置A用于从测量控制器接受被测流的流描述和网络地址绑定关系，根据流描述，或者根据流描述和网络地址绑定关系提取被测流和依据报文生成报文标识(Packet ID)和流标识(Flow ID)，以及根据报文标识和流标识等信息生成报文摘要数据并上报测量控制器。所述报文摘要数据除了包含报文标识和流标识外，还可进一步包含报文中的部分或全部内容。
装置B用于从测量控制器接受被测流的流描述和网络地址绑定关系，根据流描述和网络地址绑定关系提取被测流，依据报文内容生成一个可以唯一标识该报文的报文标识(Packet ID)和流标识(Flow ID)，以及根据报文标识和流标识等信息生成报文摘要数据并上报测量控制器。所述报文摘要数据除了包含报文标识和流标识外，还可进一步包含报文中的部分或全部内容。
装置A、装置B在生成报文标识和流标识时，如果网络地址转换装置对报文中的地址进行了转换，则需要根据内部网络和外部网络的IP地址、端口号映射关系进行替换，以保证装置A和装置B对同一被测流生成的流标识一致，以及对于同一流的同一报文生成的报文标识一致。
对于流标识，也可以由测量控制器生成并通知装置A和装置B。
进一步的，装置A和装置B在提取的报文中附着时间戳信息并携带在报文摘要数据中，测量控制器将装置A和装置B上报的同一个被测流的报文信息中的报文标识Packet ID进行比较以确定在两个测量点A和测量点B的同一个报文，根据时间戳信息就可以得到每一个报文的时延指标；如果上游测量点存在的Packet ID在下游测量点没有与之对应的Packet ID，那么就判断该报文丢失，进而可以得到丢包率。具体的网络性能测量系统计算网络性能指标时可能存在多种不同的具体实现方式，本发明无意去定义这些方式。
以对测量点A到测量点B方向的单向网络性能进行测量为例，参阅图2与图3所示，其实现过程如下：
步骤300、测量控制器接受到一个测量请求。该测量请求中应当包括：被测量的流描述，该流是跨越NAT/NAPT边界的流，测量控制器会收到一个由私有IP地址和公有IP地址混合组成的五元组。
步骤310、测量控制器根据测量请求，定位需要参与测量的测量点，即测量点A的装置A和测量点B的装置B。
步骤320、测量控制器从NAT/NAPT设备上请求被测流对应的网络地址绑定关系。
步骤330、NAT/NAPT设备响应测量控制器的请求，将所请求的网络地址绑定关系发送给测量控制器。
步骤340、测量控制器将网络地址绑定关系发送至测量点B的装置B。
步骤350、测量控制器将被测流描述发送至测量点A、测量点B。
步骤360、测量点A的装置A根据被测流描述提取被测流的报文，根据报文内容生成流标识、报文标识和附着时间戳信息，以及将这些相关的信息上报测量控制器。
步骤370、测量点B的装置B根据被测流描述和网络地址绑定关系，将流描述中的源地址信息映射为转换后的地址信息，得到转换后的流描述，按照该流描述提取被测流的报文，并将转换后的地址映射为转换前的地址后根据报文内容生成报文标识，以及附着时间戳信息。
步骤380、装置A、装置B将提取的被测流报文发送到测量控制器，由测量控制器完成网络性能指标的计算。测量控制器根据流标识和报文标识确定测量点A和测量点B上报的同一被测流的同一报文，然后根据时间戳信息等来计算网络性能指标。
当到达设定的测量时间，或者完成测量任务，或者出现异常情况，测量控制器终止测量任务。
对于从测量点B到测量点A的被测流，不同之处在于，装置B根据网络地址绑定关系将流描述中的目的地址信息映射为转换后的地址信息，得到转换后的流描述，按照该流描述提取被测流的报文，其余处理与上述同理，不再赘述。
以图4为例对测量点A与测量点B获取同一被测流的报文作进一步说明：
测量点A的IP地址为：10.1.1.1，NAT设备对外的公网IP地址为：200.1.1.1，测量点B的IP地址为：100.1.1.1。
A、对于从测量点A到测量点B的被测流
被测流的五元组描述为：源IP地址：10.1.1.1，源端口：1000，目标IP：100.1.1.1，目标端口：80，协议为TCP。
在NAT设备中，被测流的网络地址绑定关系：内部IP地址10.1.1.1和端口号1000对应外部IP地址200.1.1.1和端口2000。
测量控制器接收到测量请求后，从NAT设备中获取上述的网络地址绑定关系并发送给测量点B；同时将被测的五元组描述发送给测量点A和测量点B。
测量点A按流描述提取被测流的报文；测点B根据网络地址绑定关系将流描述中的源IP地址和端口映射为转换后的IP地址和端口，得到相应的流描述：源IP地址：200.1.1.1和端口2000，目标IP地址：100.1.1.1，目标端口：80，协议为TCP；然后按该流描述提取报文，这样即可保证测量点A和测量点B提取同一被测流的报文。测量点B在生成报文标识时，将报文中的源IP地址200.1.1.1和端口2000映射为IP地址：10.1.1.1和端口：1000后，采用与测量点A相同的方式生成报文标识，这样保证同一个流的同一报文在测量点A和测量点B生成的报文标识相同，以保证测量控制器能够从测量点A和测量点B上报的信息中确定被测流的同一报文。
B、对于从测量点B到测量点A的被测流
被测流的五元组描述为：源IP地址：100.1.1.1，源端口：80，目标IP：10.1.1.1，目标端口：1000，协议为TCP。
在NAT设备中，被测流的网络地址绑定关系：内部IP地址10.1.1.1和端口号1000对应外部IP地址200.1.1.1和端口2000。
测量控制器接收到测量请求后，从NAT设备中获取上述的网络地址绑定关系并发送给测量点B；同时将被测的五元组描述发送给测量点A和测量点B。
测量点A按流描述提取被测流的报文；测点B根据网络地址绑定关系将流描述中的目的IP地址和端口映射为转换前的IP地址，得到相应的流描述：源IP地址：100.1.1.1，源端口：80，目标IP地址：200.1.1.1，目标端口：2000，协议为TCP；然后按该流描述提取报文，这样即可保证测量点A和测量点B提取同一被测流的报文。测量点B在生成报文标识时，将报文中的源IP地址200.1.1.1和端口2000映射为IP地址：10.1.1.1和端口：1000后，采用与测量点A相同的方式生成报文标识，这样保证同一个流的同一报文在测量点A和测量点B生成的报文标识相同，以保证测量控制器能够从测量点A和测量点B上报的信息中确定被测流的同一报文。
上述针对测量点A和测量点位于IPv4网络的情况进行了说明，当一个性能测量任务跨越了IPv4网络和IPv6网络，并且IPv4和IPv6之间采用网络地址转换-协议转换(NAT-PT)设备互通时，那么一个从IPv4网络到IPv6网络的报文在经过NAT-PT设备时，该报文的头部的IPv4网络地址(源IP地址、目的IP地址)均会被NAT-PT设备替换为IPv6网络地址；对于从IPv6到IPv4网络的报文，NAT-PT执行相反的操作。因此，在这种环境中，测量控制器将网络地址绑定关系分别配置到两个测量点，分别位于IPv4网络和IPv6网络中的测量点的装置根据被测流描述和地址绑定关系提取属于被测流的目标报文，并利用网络地址绑定关系对同一报文生成一致的报文标识，以及根据流标识和报文标识生成报文摘要数据并上报。其处理过程与上述同理，不再赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1、一种网络性能测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
从用于在两个测量点之间转换网络地址的装置获取被测流的网络地址绑定关系，并将被测流的流描述和所述网络地址绑定关系配置到测量点；
至少其中一个测量点按流描述和网络地址绑定关系提取属于被测流的目标报文，并且利用所述网络地址绑定关系使不同测量点对同一报文生成一致的报文标识，以及根据流标识和报文标识生成报文摘要数据并上报；
根据测量点上报的报文摘要数据计算相应的网络性能指标。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量点进一步在提取的报文中附着时间戳信息，并携带在上报的报文摘要数据中。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，将网络地址绑定关系配置到其中一个测量点，该测量点按流描述和网络地址绑定关系提取属于被测流的目标报文，另一测量点则根据流描述提取属于被测流的目标报文。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，将网络地址绑定关系分别配置到所述两个测量点，该两个测量点分别按流描述和网络地址绑定关系提取属于被测流的目标报文。
5、如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，获得网络地址绑定关系的测量点将报文中的地址进行映射后，与另一个测量点采用相同的方式生成报文标识。
6、如权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，获得网络地址绑定关系的测量点根据提取的报文和所述网络地址绑定关系生成对应的被测流的标识，使同一被测流在两个测量点生成的流标识一致。
7、如权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，为被测流分配一个能够有效识别该流的流标识并配置到测量点，测量点将该流标识携带在上报的报文摘要数据中。
8、如权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，所述两个测量点分别位于私网内和公网内；或者，所述两个测量点分别位于IPv6网络中和IPv4网络中。
9、一种网络系统，其特征在于，包括：
网络地址转换设备，用于转换网络地址并保存网络地址绑定关系；
测量控制器，用于配置测量点，从所述网络设备获取被测流的网络地址绑定关系并下发到测量点，以及根据接收到的报文摘要数据计算网络性能指标；
第一、第二设备，用于根据流描述或根据流描述和网络地址绑定关系提取被测流的目标报文和生成报文标识，以及生成报文摘要数据并上报所述测量控制器。
10、如权利要求9所述的网络系统，其特征在于，所述第一设备和第二设备在提取报文后进一步附着时间戳，并携带在报文摘要数据中。
11、如权利要求9所述的网络系统，其特征在于，所述第一设备和/或第二设备根据所述网络地址绑定关系将报文中的地址进行映射后生成报文标识。
12、如权利要求9、10或11所述的网络系统，其特征在于，所述第一、第二设备分别位于私网和公网内；或者，所述第一、第二设备分别位于IPv6网络和IPv4网络中。
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