CN104980319A

CN104980319A - 一种串并结合的高效多目标ip端性能监测调度方法

Info

Publication number: CN104980319A
Application number: CN201510360110.3A
Authority: CN
Inventors: 李兵; 张国敏; 许博; 陈鸣; 胡超; 兰飞
Original assignee: PLA University of Science and Technology
Current assignee: PLA University of Science and Technology
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2035-06-25
Also published as: CN104980319B

Abstract

本发明公开了一种串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，在内存中建立一张存储全局设备信息数组的二维表；建立两个线程，一个是发送线程，用于负责发包及统计每轮测量的结果；另一个是接收线程，用于负责接收响应包，根据收到的响应包修改对应设备信息数组中相应序号包的RTT值；发送线程与接收线程并行运行；发送线程按指定测量间隔进行周期性测量，每轮测量开始按指定策略依次向每个目标设备发包，发包完毕后，等待最后一个包的响应超时，统计每个设备该轮测量的平均往返时延与丢包率。本发明可以在单个测量主机上实现多目标的自动周期性测量，既能解决测量耗时问题，也能解决资源耗费及对网络的侵扰问题。

Description

一种串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法

技术领域

本发明涉及一种串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，属于IP网络的运行维护技术领域。

背景技术

在IP网络的运行维护中，通常需要在某监测主机运行一些软件工具或系统，用于周期性获取多个目标的时延、丢包等IP端性能数据。目前主要有以下三种典型技术方案来实现所需监测调度功能。

(一)方案一通过ping工具以手工方式获取IP端性能

1、现有技术的方案简述

该方案通过手工运行系统自带的ping程序实现对多个目标的性能监测，如图1所示。

ping命令示例：ping dest_ip-n 10-l 1000

以上命令运行时，可对目标设备(dest_ip)发起测量，发包数10，包长为1000字节，测量完成可得平均往返时延、丢包率。

2、现有技术的客观缺点

该方案有如下缺点：

1)依赖手工操作太多，需要创建命令，人工读取不同设备的测量结果。

2)同时监测目标数有限，因为人工操作同时兼顾的目标设备数有限，同时显示多个目标窗口会使屏幕显得杂乱，当目标设备数为10个以上时就难于管理。

3)测量结果不能自动收集、统一存储管理和使用。虽然可通过简单的Shell编程或批处理编程，但仍然需要较多人工操作来处理测量结果。

4)不能结合长包和短包进行自动测量，也不方便进行周期性测量。

5)测量结果不能及时展现或统一展现，也不易于进行统计分析。

(二)方案二通过编程以串行方式获取多目标IP端性能

1、现有技术的方案简述

该方案通过编程实现周期性串行测量，在每轮测量中，以串行方式依次对每个目标进行测量，并自动收集每个目标的测量结果，对这些结果统一存储或进行及时展现，以后也便于进行统计分析。对每个目标的测量可通过原生套接字发包、收包实现，也可通过加载ping程序实现，测量调度流程如图2所示。

2、现有技术的客观缺点

该方案有如下缺点：

1)测量调度效率较低，每轮测量耗时较多。设：短包数S＝10，长包数L＝10，忽略包发送时延，接收响应包的超时V＝1000ms，包往返时延R＝10ms，设备数n，计算测量耗时T，则在最好(无阻断)下、平均(一半阻断)、最差(全部阻断)三种情况下的测量耗时计算如方法如图3所示，测量耗时分布情况如图4所示。其中，最好情况下，10个设备测量耗时2秒，100个设备测量耗时20秒。

2)测量时间不统一，前后相差太大，不利于按时间统计分析，或按时间对设备端性能进行对比分析。

3)若发生阻断的设备较多，则可能使测量调度程序始终处于忙碌状态，造成系统资源消耗，也不能按预想的测量调度间隔进行测量。

(三)方案三通过编程以并行方式获取多目标IP端性能

1、现有技术的方案简述

该方案通过编程实现周期性并行测量，在每轮测量中，以并行方式同时对每个目标进行测量，并自动收集每个目标的测量结果，对这些结果统一存储或进行及时展现，以后也便于进行统计分析。开始测量时，为每个目标创建一个线程或子进程，实现并行测量。在单个线程或子进程中，可通过原生套接字发包、收包实现对单个目标的测量，也可通过加载ping程序实现，测量调度流程如图5所示。

该方案每轮测量耗时要比方案二中的测量耗时少。因为是并行测量，所以总测量耗时与设备数无关，只与有无阻断有关，若按方案二中的假设值，则测量耗时以单个设备的最大耗时为准，计算方法如图6所示。

当然还可对本方案中进行局部修改，即在单个设备的测量线程中增加发包收包并行度，可使图6中的(S+L)用k代替(1<k<20)，具体实现方法不在此详细描述。

2、现有技术的客观缺点

本方案虽然针对方案二中的缺点进行了改进，达到了减少测量耗时的目的，但同时也存在如下缺点：

1)增加了系统耗费，因为每一个设备需要建立一个相应的线程或子进程测量，增大了系统开销(包括CPU、内存、网络等开销)，所以同时测量的目标设备数受系统可用资源的限制。

2)增加了网络干扰流量，因为每个线程或子进程独立发包，可能在某时刻同时发包，造成网络侵扰。

3)增大测量误差，因为每个线程或子进程都要创建套接字，操作系统在调度管理多个线程或进程，管理多个套接字，控制其发包收包行为时存在时延，这会造成因测量主机自身原因引起的时延与丢包，并不能反映网络真实端性能。

发明内容

发明目的：针对前述三种方案的缺点，本专利提出了一种串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，可以在单个测量主机上实现多目标的自动周期性测量，既能解决测量耗时问题，也能解决资源耗费及对网络的侵扰问题。

技术方案：一种串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，该方法思路如下：

1)在内存中建立一张存储全局设备信息数组的二维表，每个设备占一项，每项信息包括设备IP地址及一个RTT数组，RTT数组用于存放发往该设备每个包的往返时延。

2)建立两个线程，一个是发送线程，只负责发包及统计每轮测量的结果；另一个是接收线程，只负责接收响应包，根据收到的响应包修改对应设备信息数组中相应序号包的RTT值。

3)发送线程与接收线程并行运行，互不干扰，更不需要协调同步；在发送线程内发包是串行工作模式，可在连续两个包之间加入时延，大大减少了对网络的侵扰。

4)发送线程按周期性测量间隔进行测量，每轮测量开始按固定策略依次向每个目标设备发包，发包完毕后，等待最后一个包的响应超时，统计每个设备该轮测量的平均往返时延与丢包率，并统一对测量结果进行存储、展现或其他处理。

附图说明

图1为现有技术中通过ping工具手工获取多个目标IP端性能结果图；

图2为现有技术中多目标串行测量调度流程图；

图3为现有技术中串行测量调度测量耗时计算方法；

图4为现有技术中串行测量调度测量耗时情况；

图5为现有技术中多目标并行测量调度流程图；

图6为现有技术中并行测量调度测量耗时计算方法；

图7为本发明实施例中设备数组与两个线程的访问关系图；

图8为本发明实施例中串并结合测量调度主线程流程图；

图9为本发明实施例中串并结合测量调度发送线程流程图；

图10为本发明实施例中串并结合测量调度接收线程流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

(一)一种串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，该方法思路如下：

2)建立两个线程，一个是发送线程，只负责发包及统计每轮测量的结果(平均往返时延和丢包率)；另一个是接收线程，只负责接收响应包，根据收到的响应包修改对应设备信息数组中相应序号包的RTT值。

4)发送线程按监测策略指定的测量间隔(>5秒)进行测量，每轮测量开始按策略指定的短包数、短包长、长包数、长包长依次向每个目标设备发包，发包完毕后，等待最后一个包的响应超时，统计每个设备该轮测量的平均往返时延与丢包率，并统一对测量结果进行存储、展现或传输上报。

2、数据结构

为实现以上思路，需要定义如下数据结构：

1)监测策略

监测策略是监测系统用户为实现对网络多个目标的IP端性能监测，通过界面定制的监测参数，这些参数以策略串的形式发布给监测主机。策略串格式举例如下：

SPN＝10；SPL＝100；LPN＝10；LPL＝1000；INTERVAL＝10；TARGET＝192.9.201.1,192.9.201.2；…

以上策略串对应含义为：短包数＝10；短包长＝100字节；长包数＝10；长包长＝1000字节；测量间隔＝10秒；测量目标＝192.9.201.1,192.9.201.2；…

2)设备RTT信息

_DeviceRtt结构用于记录单个设备的IP及每个发包的RTT信息，设单个设备总的发包数不超256。

3)设备数组

struct_DeviceRtt*g_device_rtt_array；//动态分配的设备数组。

设备数组的存储结构就是一个二维表，如图7所示，其中每行代表一个设备，每列代表一个设备的每个发包对应的RTT值。发送线程发包时按数组设备号(0～n-1)顺序，每个设备按包序号(0～m-1)的顺序依次进行发包，接收线程根据设备号i和包序号k直接将每个包的rtt值赋值到相应位置。

4)数据结构的初始化

int gi_SPN； //短包数>0，从监测策略中获取

int gi_LPN； //长包数>0，从监测策略中获取，设(短包数+长包数)<＝256

int gi_DeviceCount；//设备数>0，从监测策略中获取

定义初始化过程：

3、测量调度流程

本专利中实现测量调度的程序主要由三个主要模块组成，分别是主线程模块、发送线程模块和接收线程模块。

主线程模块对应的流程图如图8所示。其执行过程如下：

⑴初始化运行环境及设备数组，进入⑵；

⑵创建发送线程和接收线程，进入⑶；

⑶等待结束测量信号，若有结束信号则进入⑷；若无结束信号则休眠100ms，重复⑶；

⑷结束处理。

发送线程对应的流程图如图9所示。其执行过程如下：

⑴创建发送原生套接字(协议类型ICMP)，进入⑵；

⑵检查是否进行新一轮测量，若是则进入⑶；若不是，则跳转到⑽；

⑶准备新一轮测量，置所有设备RTT数组所有项初值为-1，置设备号i＝0；进入⑷；

⑷检查设备号i是否小于设备数，若是则进入⑸；否则跳转到⑼；

⑸准备向设备i发包，置包序号k＝0，进入⑹；

⑹设置包长为短包长，若短包已发完，则设置包长为长包长，进入⑺；

⑺生成发送包，在包中填入发送时间、进程号pid、设备号i、包序号k,按包长填充包数据，向设备i发送第k个包，休眠1ms，进入⑻；

⑻检查向设备i发送的所有包是否已发完，若是则置i＝i+1，跳转到⑷；否则置k＝k+1，跳转到⑹；

⑼等待响应超时1000ms，根据设备RTT数组计算本轮测量中每个设备平均RTT和丢包率，并统一处理测量结果，进入⑽；

⑽检查是否有结束信号，若有则进入⑾；若无则休眠10ms，重复⑵；

⑾结束处理。

接收线程模块对应的流程图如图10所示。其执行过程如下：

⑴创建接收原生套接字(协议类型ICMP)，进入⑵；

⑵等待收包(超时为1000ms)，若收到包则进入⑶；若无则跳转到⑻；

⑶记录接收时间t_r，检查是否是发给本主机的ICMP ECHOREPLY报文，若是则进入⑷；若不是则跳转到⑻；

⑷从接收包中取发送时间t_s、进程号pid、设备号i、包序号k，检查进程号pid、设备号i是否皆正确，若是则进入⑸；若不是则跳转到⑻；

⑸检查接收包中源IP是否与设备i的IP相同，若是则进入⑹；否则跳转到⑻；

⑹检查接收包中序号k是否正确，若是则进入⑺；否则跳转到⑻；

⑺置设备i的rtt[k]＝t_r–t_s；进入⑻；

⑻检查是否有结束信号，若有则进入⑼；若无则重复⑵；

⑼结束处理。

(二)技术效果

本专利中的方案与前三种方案相比，存在测量耗时少、资源占用少、网络侵扰少、测量误差小等明显的优点，下面分别进行描述。

1、测量耗时分析

参照方案二中的参数，设：短包数S＝10，长包数L＝10，包发送时延P＝0.01ms(按1000M网卡，包长1500Byte计算)，发发送间隔D＝1ms，接收响应包的超时V＝1000ms，包往返时延R＝10ms，设备数n，测量耗时T，则在各种情况下，不管是否有阻断发生，都可用式1来计算测量耗时：

T＝n*(S+L)*(D+P)+V

＝n*(10+10)*(1+0.01)+1000

＝n*20.2+1000ms (式1)

根据式1，本方案的测量耗时远低于方案二(串行测量)的测量耗时；当设备数n<940时，T<20秒，也低于方案三(并行测量)中有阻断发生的测量耗时。

2、资源占用分析

本方案中测量程序只增加了两个线程，而方案三(并行测量)中需要为每个设备创建1个线程，因此资源占用情况要优于方案三。

3、网络侵扰分析

由于发包是顺序发包，且在连续两个包之间引入了时延(发包间隔1ms)，单个包发送时延≤0.01ms，因此，在千兆网中，由监测主机发包引起的网络侵扰可以忽略不计。

4、程序复杂性分析

在方案三(并行测量)中，由于是多线程测量，动态创建的线程需要管理，线程之间需要协作，增加了程序的复杂性。在本专利方案中，只在初始化时创建两个线程，在测量程序退出时删除线程，避免了频繁创建/删除线程，而且发送线程与接收线程不会同时操作全局设备表的同一个RTT区域，不需要线程间的同步互斥操作，程序复杂性远低于方案三(并行测量)。

5、测量误差分析

在本专利方案中，由于只有一个发送线程和一个接收线程使用网络资源，操作系统对线程及网络资源的调度管理产生的时延可以忽略不计，在方案三(并行测量)中，线程资源数、套接字资源数与设备数成正比，当设备数达一定数量时，操作系统调度管理的时延会反映到某些线程的测量结果中，造成测量误差。本专利方案不存在因设备数增加而引起的测量误差。

上述技术方案的替代方案

本专利存在的替代方案是，采用双子进程替代本专利方案中的双线程，其实现方法描述如下：

建立两个子进程，一个发送子进程，只负责发包及统计每轮测量的结果；另一个是接收子进程，只负责接收响应包，根据收到的响应包修改对应设备信息数组中相应序号包的RTT值。

在替代方案中，需要将监测设备信息及策略信息告诉发送子进程，接收子进程需要将每个包的RTT值告诉发送子进程。进程间通信可以采用消息机制，如在linux系统下，可定义如下消息结构：

替代方案用到的其他数据结构及调度流程与本专利方案类似，不在此详细描述。

在替代方案中，由于需进行进程间通信，增加了程序的复杂性。

本发明的关键技术点

本专利存在如下几个关键技术：

1)基于双线程的IP端性能测量调度技术；

2)串并结合的高效IP端性能测量调度技术；

3)低耗时、低资源耗费、低网络侵扰的多目标IP端性能测量调度技术；

4)无同步互斥的线程协作技术。

Claims

1.一种串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，其特征在于，包括：

1)在内存中建立一张存储全局设备信息数组的二维表，每个设备占一项，每项信息包括设备IP地址及一个RTT数组，RTT数组用于存放发往该设备每个包的往返时延；

2)建立两个线程，一个是发送线程，用于负责发包及统计每轮测量的结果；另一个是接收线程，用于负责接收响应包，根据收到的响应包修改对应设备信息数组中相应序号包的RTT值；

3)发送线程与接收线程并行运行；在发送线程内发包是串行工作模式，可在连续两个包之间加入时延；

4)发送线程按指定测量间隔进行周期性测量，每轮测量开始按指定策略依次向每个目标设备发包，发包完毕后，等待最后一个包的响应超时，统计每个设备该轮测量的平均往返时延与丢包率，并统一对测量结果进行存储、展现。

2.如权利要求1所述的串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，其特征在于，发送线程执行过程如下：

⑴创建发送原生套接字，进入⑵；

⑸准备向设备i发包，置包序号k＝0，进入⑹；

⑺生成发送包，在包中填入发送时间、进程号pid、设备号i、包序号k,按包长填充包数据，向设备i发送第k个包，休眠预设时间，进入⑻；

⑼等待响应超时预设时间，根据设备RTT数组计算本轮测量中每个设备平均RTT和丢包率，并统一处理测量结果，进入⑽；

⑽检查是否有结束信号，若有则进入⑾；若无则休眠预设时间，重复⑵；

⑾结束处理。

3.如权利要求1所述的串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，其特征在于，接收线程执行过程如下：

⑴创建接收原生套接字，进入⑵；

⑵等待收包(超时为预设时间)，若收到包则进入⑶；若无则跳转到⑻；

⑸检查接收包中源IP是否与设备i的IP相同，若是则进入⑹；否则跳转到⑧；

⑺置设备i的rtt[k]＝t_r–t_s；进入⑻；

⑻检查是否有结束信号，若有则进入⑼；若无则重复⑵；

⑼结束处理。