CN110086688A - 一种多监测任务多目标高效ip端性能监测调度方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法及系统，在linux操作系统环境基于测量服务的高效多监测任务多目标IP端性能监测调度方法，可以在单个监测主机上实现多监测任务多目标设备的自动周期性测量，能够解决测量耗时问题、资源耗费问题、网络侵扰问题、测量误差问题。
Description
技术领域
本发明属于网络运行维护技术领域，特别涉及一种多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法及系统。
背景技术
在IP网络的运行维护中，通常需要部署一些监测系统，以周期性地获取多个目标的时延、丢包、时延抖动等IP端性能数据，用于图形化呈现或统计分析。这些监测系统需要部署监测软件在某监测主机(或探针)上，为了实现监测功能开发、部署的灵活性，通常将用户监测需求生成界面功能与监测实现功能划分成两种不同的组件，分别采用相同或不同的开发平台进行开发，再进行集成。
这两种组件可以部署在同一主机(集成中式监测)或不同主机上(分布式监测)。每种监测需求被定义为一个任务，可以实现按同一监测策略获取一组目标设备的IP端性能数据，任务信息由界面组件按指定接口方式通知监测实现组件，用户可能产生多个监测任务，因此监测主机(或探针)需要支持多个监测任务的调度管理。
现有技术采用以下方案进行检测：
方案一：多线程方式多任务调度：该方案采用多线程方法，为每个任务创建一个任务线程，其主进程流程如下：
1)初始化监测模块及任务接收模块；
2)检查是否收到新监测任务，若有新任务则创建一个新任务线程(每个任务线程对应一个监测任务，在线程中实现该任务监测功能)，跳转到3)；若无新的监测任务，则直接跳转到3)；
3)检查主进程是否收到退出信号，若收到退出信号则跳转到4)；若没收到退出信号，则时延1毫秒，再跳转到2)；
4)主进程结束处理。
该方案有如下缺点：
1)采用多线程方案，每个任务线程对应一个监测任务，若每个任务再创建子线程，将增加程序复杂性，增加资源占用率。
2)每个任务线程负责实现多个目标监测，每轮测量耗时较大，效率不高。
3)当线程数增加到一定数值(如线程数>50)，会产生的端性能误差较大。
4)多线程并行发包，会增加对网络的侵扰。
方案二：多子进程方式多任务调度：中国专利201510360110.3一种串并结合的高效多目标IP端性能监测调度方法，可以在一定程序上实现高效的测量，其主进程流程如下：
1)初始化监测模块及任务接收模块；
2)检查是否收到新监测任务，若有新任务则创建任务子进程(每个子进程对应一个监测任务，在子进程中实现该任务监测功能)，跳转到3)；若无新的监测任务，则直接跳转到3)；
3)检查主进程是否收到退出信号，若收到退出信号则跳转到4)；若没收到退出信号，则时延1毫秒，再跳转到2)；
4)主进程结束处理。
该方案有如下缺点：
1)每个任务对应一个任务进程，当进程数增多时(如进程数>50)，会导致每个任务的得到的端性能数据产生较大误差。
2)多进程并行发包，会增加对网络的侵扰。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法及系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法，包括以下步骤：
步骤1：接收本地或远程的端性能监测任务；
步骤2：为收到的每一个监测任务创建一个端性能任务解析进程；
步骤3：解析任务策略文件，根据监测策略，一次性或周期性地发送一组设备的端性能测量请求，测量请求封装在linux消息中；
步骤4：在内存中创建一张全局测量请求链表，将收到的测量请求加入全局请求链表，并循环扫描此链表，根据链表中的请求执行一轮测量，统计并上报测量结果。
进一步的，步骤3中监测策略包括短包数、短包长度、长包数、长包长度、任务标识、上报IP、设备数量和每个目标设备标识。
进一步的，步骤4的监测调度采用以下步骤：
建立两个线程，一个是发包线程，只负责发包及统计每轮测量的结果；另一个是收包线程，只负责接收响应包，根据收到的响应包修改RTT测量值动态数组中对应设备、相应序号包的 RTT值；
发包线程与收包线程并行运行；在发包线程内发包是串行工作模式，并在连续两个包之间加入时延；
发包线程循环根据请求链表建立当前需要测量任务目标设备的RTT测量值动态数组，开始一轮测量，测量完毕，直接根据RTT测量值动态数组计算端性能数据，并上报测量结果，删除动态数组。
进一步的，发包线程执行过程如下：
步骤3.1：检查全局测量请求链表内是否有测量请求，若有进入步骤3.2，若没有进入步骤3.5；
步骤3.2：创建设备RTT测量值动态数组，根据动态数组执行一轮发包；
步骤3.3：休眠200ms；
步骤3.4：统计设备测量结果后上报本轮测量结果；
步骤3.5：检测是否有结束信号，若没有，休眠1ms后返回步骤3.1，若有进入步骤3.6；
步骤3.6：结束处理。
进一步的，收包线程执行过程如下：
步骤4.1：创建ICMP接收原生套接字；
步骤4.2：等待收包，超时为200ms，如果收到设备的响应报文，进入步骤4.3，如果没有收到则进入步骤4.5；
步骤4.3：记录响应报文的接收时间tr，检查响应报文设备索引、包序号信息，并验证是否是合法的响应报文，如果是进入步骤4.4，如果不是返回步骤4.2；
步骤4.4：根据响应报文中的发送时间ts、设备号i、包序号信息k，根据式1计算设备i的第 k个包的RTT值：
Device[i].RTT[k]＝tr-ts (1)
并填写设备RTT测量值动态数组对应项的RTT值，返回步骤4.2；
步骤4.5：检测是否有结束信号，若没有，返回步骤4.2，若有进入步骤4.6；
步骤4.6：结束处理。
进一步的，RTT测量值动态数组中，每项存储的信息包括：任务标识、上报IP、短包数、短包长度、长包数、长包长度、目标设备标识、目标设备IP和目标设备RTT数组，所述目标设备RTT数组用于存放发往该设备每个包的往返时延。
一种多监测任务多目标高效IP端性能监测调度系统，包括：监测主控模块、端性能任务解析模块和端性能测量服务模块；
所述监测主控模块用于接收端性能监测任务，根据每一个任务创建一个子进程加载于端性能任务解析模块，并管理所创建的端性能任务解析子进程，向界面系统或监测中心报告当前活动的监测任务信息；
所述端性能任务解析模块用于解析任务策略文件，根据监测策略，一次性或周期性地向端性能测量服务模块发送一组设备的端性能测量请求，测量请求封装在linux消息中；
所述端性能测量服务模块用于循环接收端性能任务解析模块的测量请求，将测量请求加入全局请求链表，根据链表执行一轮测量，统计并上报测量结果。
进一步的，端性能测量服务模块包括主模块、请求接收线程模块、发包线程模块和收包线程模块；
其中所述主模块用于初始化运行环境，并控制请求接收线程模块、发包线程模块和收包线程模块的启动和结束；
所述请求接收线程模块用于接收多个监测任务解析模块发来的测量请求，将测量请求加入全局请求链表；
发包线程模块用于循环检查全局请求链表，根据请求链表创建设备RTT信息数组，按数组执行一轮发包，等待响应超时，统计测量结果后上报测量结果；
所述收包线程模块用于接收响应报文，根据响应报文中的信息填写指定设备、指定发包对应的单个RTT值。
进一步的，测量结果包括平均往返时延、时延抖动和丢包率。
进一步的，响应报文中的信息包括设备索引、包序号。
本专利存在如下几个关键技术：
1)基于监测服务的多监测任务多目标IP端性能监测调度技术，避免采用多线程或多进程解决多监测任务需求时的系统资源消耗，如CPU资源、内存资源、套接字资源；
2)串并结合的高效多目标IP端性能测量调度技术，避免传统并发测量造成的网络侵扰，也避免了传统串行测量的低效；
3)低耗时、低资源耗费、低网络侵扰的多监测任务多目标IP端性能测量调度技术，易于编程实现，可应用到那些追求低成本的监测设备上。例如在需要大量部署监测探针的分布式监测系统中，探针的成本和性能将影响整个系统的成本和性能，采用本专利技术将产生明显的经济效益。
与专利201510360110.3相比，本申请的主要技术区别及优点在于：
1)解决问题场景不同，本申请的技术主要解决在多监测任务场景下高效获取多个目标端性能，而专利201510360110.3的主要技术是解决单监测任务内高效获取多个目标的端性能；
2)进程并发处理方法不同，本申请采用的多解析进程、单测量服务进程的方式实现并发，而专利201510360110.3是在单进程内实现的双线程并发，若要实现多任务，则必须创建多个测量进程；
3)网络侵扰不同，本申请只有一个进程内的一个线程在发包，产生的网络侵扰少，而专利201510360110.3中，若要实现多任务测量，则会创建多个测量进程，每个进程可能同时发包，因此可能对网络产生更多的侵扰；
4)测量误差不同，本申请只有一个进程内的一个线程在发包，得到的测量结果误差小，而专利201510360110.3中，若要实现多任务测量，则会创建多个测量进程，每个进程可能同时发包，在局域网内，由于操作系统对多个进程、网络套接字的调度会使测量结果产生更大的误差；
5)网络资源占用不同，本申请中，每个任务对应一个解析进程，但解析进程不进行发包收包，占用较少的套接字资源，而专利201510360110.3中，若要实现多任务测量，则会创建多个测量进程，每个进程可能同时发包及收包，会占用更多的套接字资源；
6)本申请是针对专利201510360110.3的不足而提出的改进版。
本专利中的方法和现有技术的方案相比，存在资源占用少、网络侵扰少、测量误差小三方面的优点。本发明技术可以应用到linux、windows平台操作系统下的监测系统中，尤其那些硬件性能要求低的监测系统或设备上，如嵌入式设备，这将显著提高其监测效率，并降低系统或设备成本。
附图说明
图1是实施例监测程序模块组成及协作关系图。
图2是实施例监测主控程序工作流程图。
图3是实施例监测任务解析工作流程图。
图4是实施例监测服务程序模块组成图。
图5是实施例监测服务程序主模块工作流程图。
图6是实施例监测服务程序请求接收线程流程图。
图7是实施例监测服务程序发包线程流程图。
图8是实施例监测服务程序收包线程流程。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
一种多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法，该方法的思路如下：
(1)每个任务的监测指标相同，都是周期性地获取一组指定目标设备的端性能(往返时延、丢包率、时延抖动)数据，这些指标可通过统一的软件模块来实现。任务信息封装在一个规定的XML文件中。
(2)实现一个端性能测量服务程序，该程序独立运行，在监测主机启动时加载运行，端性能测量服务程序循环接收测量解析子进程的测量请求。
(3)监测主控程序每收到一个测量任务时，创建一个任务测量解析子进程，任务测量解析子进程不做具体的测量，只是按策略周期性将单次测量请求(包括短包数、短包长度、长包数、长包长度、任务标识、上报IP、设备数量、目标设备标识等信息)发送给端性能测量服务程序。
(4)端性能测量服务程序在内存中建立一张全局测量请求链表，用于存放各任务测量解析子进程发来的测量请求，重复的测量请求将被丢弃。
(5)端性能测量服务程序建立两个线程，一个是发包线程，只负责发包及统计每轮测量的结果；另一个是收包线程，只负责接收响应包，根据收到的响应包修改动态数组中对应设备、相应序号包的RTT值。
(6)端性能测量服务程序发包线程与收包线程并行运行，互不干扰，更不需要协调同步；在发包线程内发包是串行工作模式，并在连续两个包之间加入时延，对网络的侵扰可以忽略不计。
(7)端性能测量服务程序发包线程循环根据请求链表建立当前需要测量的任务目标RTT 测量值动态数组，开始一轮测量，测量完毕，直接根据RTT测量值动态数组计算端性能数据 (往返时延、丢包率、时延抖动)，并上报测量结果，删除动态数组。动态数组中，每项存储的信息包括：任务标识、上报IP、短包数、短包长度、长包数、长包长度、目标设备标识、目标设备IP、RTT数组等，RTT数组用于存放发往该设备每个包的往返时延。
采用以下步骤：
步骤1：监测设备接收本地或远程的端性能监测任务；
步骤2：监测设备为收到的每一个监测任务创建一个端性能任务解析进程；
步骤3：端性能任务解析进程解析任务策略文件，根据监测策略，一次性或周期性地发送一组设备的端性能测量请求给端性能监测服务进程，测量请求封装在linux消息中；
步骤4：端性能监测服务进程在内存中创建一张全局测量请求链表，将收到的测量请求加入全局请求链表，并循环扫描此链表，根据链表中的请求执行一轮测量，统计并上报测量结果。
数据结构
为实现以上思路，需要定义如下数据结构：
(1)任务XML文件
任务XML文件用于描述一个任务的监测策略、目标设备信息等，由端性能任务子进程负责解析和使用。
(2)测量请求消息
测量请求消息用于描述任务子进程向测量服务程序发送的单次测量请求信息。
(3)目标设备RTT测量信息数组
该数组用于存放每轮测量时动态建立的目标设备RTT信息，数组元素结构如下：
监测调度程序模块组成
本专利中通过三个独立的程序模块共同协作运行的方式实现监测任务调度，完成所需的端性能指标获取功能。这三个程序包括：监测主控程序、端性能任务解析程序、端性能测量服务程序。其中监测主控程序和端性能测量服务程序都只运行一个实例，在系统启动时加载运行，端性能任务解析程序由监测主控程序根据收到的任务，动态创建子进程，加载运行，监测程序模块组成及协作关系如图1所示。
4、监测调度流程
监测主控程序主要负责端性能监测任务的接收、创建子进程加载端性能任务解析程序，管理创建的端性能任务解析子进程，向界面系统或监测中心报告当前活动的监测任务信息。其工作流程如图2所示。
监测任务解析程序由监测主控程序动态创建子进程加载运行，每个任务启动一个子进程，其主要工作是解析任务策略文件，根据监测策略，一次性或周期性地向端性能测量服务程序发送一组设备的端性能测量请求，测量请求封装在linux消息中。监测任务解析程序工作流程如图3所示。
端性能测量服务程序是独立运行程序，循环接收测量请求，将测量请求加入全局链表，根据链表执行一轮测量，统计测量结果，上报测量结果。该程序由下列四个模块组成，如图 4所示。
主模块：负责运行环境初始化、创建请求接收线程、发包线程和收包线程，其工作流程如图5所示。
请求接收线程：负责接收多个监测任务解析进程发来的测量请求，将测量请求加入全局请求链表，其工作流程如图6所示。
发包线程：循环检查全局请求链表，根据请求链表创建设备RTT信息数组，按数组执行一轮发包，等待响应超时，统计测量结果(平均往返时延、时延抖动、丢包率)、上报测量结果。其工作流程如图7所示。
收包线程：负责接收响应报文，根据响应报文中的设备索引、包序号等信息填写指定设备、指定发包对应的单个RTT值。其工作流程如图8所示。
技术效果
本专利中的方案与前两种方案相比，存在资源占用少、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
设任务策略参数统一为：短包数KS＝10，短包长度Ls＝100，长包数KL＝10，长包长度 LL＝1000，发送间隔D＝1毫秒，网卡速率W＝1000Mbps，设备数N，最大测量耗时为T秒，等待响应超时R＝200毫秒，则：
短包发送时延为Ts，长包发送时延为TL，
Ts＝(Ls*8*1000)/(W*1000000)
Ts＝(100*8*1000)/(1000*1000000)＝0.0008毫秒
TL＝(LL*8*1000)/(W*1000000)
TL＝(1000*8*1000)/(1000*1000000)＝0.008毫秒
T＝N*(Ks*(Ts+D)+KL*(TL+D))+R ＝N*(10*(0.0008+1)+10*(0.008+1))+200 ＝N*20.088+200毫秒 (式1)
根据式1，可以得出几种典型设备数与测量耗时的对应关系，如表1所示。
表1设备数量与测量耗时对应关系
2、资源占用分析
本专利方案中，为实现高效的测量调度，增加了一个监测服务进程，服务进程定义了三个线程，占用CPU资源较少，内存资源占用与设备数相关。总体来说主机资源占用不高于其他方案。
3、网络侵扰分析
由于只有一个线程发包，并且是顺序发包，在连续两个包之间引入了时延(发包间隔1ms)，在千兆网络环境中，单个包发送时延≤0.008ms，因此，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
在本专利方案中，采用一个监测服务程序实现端性能的测量，监测服务程序在初始化时创建三个线程，在测量程序退出时删除线程，避免了频繁创建/删除线程，而且发包线程与收包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，因此在发送探测包与接收响应方面没有增加明显的程序复杂性。
本专利需要在任务解析进程与监测服务进程之间进行消息通信，会增加少量复杂性。
5、测量误差分析
在本专利方案中，为实现端性能的测量，只采用一个发包线程和一个收包线程，没有明显增加使用网络资源的进程或线程，当设备数增加时，不会产生操作系统对线程及网络资源的调度管理产生的时延误差。
本专利存在的替代方案：将监测服务程序的功能转移到监测主控程序中实现。
替代方案存在明显的两个缺点：
1)增加监测主控程序的复杂性。
2)监测主控程序不仅需要对所有端性能任务解析进程进行管理，还要管理其他类型的测量任务进程，将端性能监测服务转移到主控程序中，不利于系统功能模块的划分和独立实现。
上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：接收本地或远程的端性能监测任务；
步骤2：为收到的每一个监测任务创建一个端性能任务解析进程；
步骤3：解析任务策略文件，根据监测策略，一次性或周期性地发送一组设备的端性能测量请求，测量请求封装在linux消息中；
步骤4：在内存中创建一张全局测量请求链表，将收到的测量请求加入全局请求链表，并循环扫描此链表，根据链表中的请求执行一轮测量，统计并上报测量结果。
2.根据权利要求1所述的多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法，其特征在于：所述步骤3中监测策略包括短包数、短包长度、长包数、长包长度、任务标识、上报IP、设备数量和每个目标设备标识。
3.根据权利要求1所述的多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法，其特征在于：所述步骤4的监测调度采用以下步骤：
建立两个线程，一个是发包线程，只负责发包及统计每轮测量的结果；另一个是收包线程，只负责接收响应包，根据收到的响应包修改RTT测量值动态数组中对应设备、相应序号包的RTT值；
发包线程与收包线程并行运行；在发包线程内发包是串行工作模式，并在连续两个包之间加入时延；
发包线程循环根据请求链表建立当前需要测量任务目标设备的RTT测量值动态数组，开始一轮测量，测量完毕，直接根据RTT测量值动态数组计算端性能数据，并上报测量结果，删除动态数组。
4.根据权利要求3所述的多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法，其特征在于：所述发包线程执行过程如下：
步骤3.1：检查全局测量请求链表内是否有测量请求，若有进入步骤3.2，若没有进入步骤3.5；
步骤3.2：创建设备RTT测量值动态数组，根据动态数组执行一轮发包；
步骤3.3：休眠200ms；
步骤3.4：统计设备测量结果后上报本轮测量结果；
步骤3.5：检测是否有结束信号，若没有，休眠1ms后返回步骤3.1，若有进入步骤3.6；
步骤3.6：结束处理。
5.根据权利要求3所述的多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法，其特征在于：所述收包线程执行过程如下：
步骤4.1：创建ICMP接收原生套接字；
步骤4.2：等待收包，超时为200ms，如果收到设备的响应报文，进入步骤4.3，如果没有收到则进入步骤4.5；
步骤4.3：记录响应报文的接收时间tr，检查响应报文设备索引、包序号信息，并验证是否是合法的响应报文，如果是进入步骤4.4，如果不是返回步骤4.2；
步骤4.4：根据响应报文中的发送时间ts、设备号i、包序号信息k，根据式1计算设备i的第k个包的RTT值：
Device[i].RTT[k]＝tr-ts (1)
并填写设备RTT测量值动态数组对应项的RTT值，返回步骤4.2；
步骤4.5：检测是否有结束信号，若没有，返回步骤4.2，若有进入步骤4.6；
步骤4.6：结束处理。
6.根据权利要求3所述的多监测任务多目标高效IP端性能监测调度方法，其特征在于：所述RTT测量值动态数组中，每项存储的信息包括：任务标识、上报IP、短包数、短包长度、长包数、长包长度、目标设备标识、目标设备IP和目标设备RTT数组，所述目标设备RTT数组用于存放发往该设备每个包的往返时延。
7.一种多监测任务多目标高效IP端性能监测调度系统，其特征在于包括：监测主控模块、端性能任务解析模块和端性能测量服务模块；
所述监测主控模块用于接收端性能监测任务，根据每一个任务创建一个子进程加载于端性能任务解析模块，并管理所创建的端性能任务解析子进程，向界面系统或监测中心报告当前活动的监测任务信息；
所述端性能任务解析模块用于解析任务策略文件，根据监测策略，一次性或周期性地向端性能测量服务模块发送一组设备的端性能测量请求，测量请求封装在linux消息中；
所述端性能测量服务模块用于循环接收端性能任务解析模块的测量请求，将测量请求加入全局请求链表，根据链表执行一轮测量，统计并上报测量结果。
8.根据权利要求7所述的多监测任务多目标高效IP端性能监测调度系统，其特征在于：所述端性能测量服务模块包括主模块、请求接收线程模块、发包线程模块和收包线程模块；
其中所述主模块用于初始化运行环境，并控制请求接收线程模块、发包线程模块和收包线程模块的启动和结束；
所述请求接收线程模块用于接收多个监测任务解析模块发来的测量请求，将测量请求加入全局请求链表；
发包线程模块用于循环检查全局请求链表，根据请求链表创建设备RTT信息数组，按数组执行一轮发包，等待响应超时，统计测量结果后上报测量结果；
所述收包线程模块用于接收响应报文，根据响应报文中的信息填写指定设备、指定发包对应的单个RTT值。
9.根据权利要求8所述的多监测任务多目标高效IP端性能监测调度系统，其特征在于：所述测量结果包括平均往返时延、时延抖动和丢包率。
10.根据权利要求8所述的多监测任务多目标高效IP端性能监测调度系统，其特征在于：所述响应报文中的信息包括设备索引、包序号。
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