主被动结合的网络测量技术研究

原文作者：王阿领，刘渊，王晓峰

原文标题：主被动结合的网络测量技术研究

原文链接：

https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKibYlV5Vjs7i8oRR1PAr7RxjuAJk4dHXorwRjITWb1NcbGucqanfxW-rNutyfAkl5Zo6jfQ7k0L9&uniplatform=NZKPT

原文来源：知网、计算机工程与应用. 2020, 56(21)

笔记作者：朝朝欢喜

1. What

文中所采用的数据集均来自混合模式下的本地校园网络。

将数据通过OpenFlow交换机转发，处理器处理，经被动检测设备检测以及内核处理。目的是清洗过滤出冗余的测量数据，匹配筛选出真实有效的测量数据。

测量周期为20天，采集源端和目标网络往返数据报文信息，以方便查看其往返数据包收发情况，测量数据情况见图1。

图1 往返数据包测量结果

2. Why

传统网络测量方式有主动测量和被动测量。主动测量会向网络中注入探测流量包，导致测量有偏差；被动测量方式可扩展性不强，难以对端到端网络行为进行整体地理解和分析。由于网络丢包率能够较直观地反映网络性能和网络结构，因此采用主被动结合的方式可以更准确地获得网络丢包率和路由信息测量结果。该方式可以兼顾主动测量和被动测量各自的优点，使得测量结果能够更好地反映网络的真实情况，也能达到简化网络运维、增强网络鲁棒性的目的。

3. How

3.1 主被动结合的网络测量技术

文中提出的主被动结合的网络测量技术分为三个模块：（1）目标网络（2）数据转发（3）被动监测以及控制中心。目标网络来源于真实的校园网网络。数据转发和被动监测控制的主要功能就是控制被动监测数据的转发以及主动探测数据包的传送。控制中心主要包括数据采集模块、数据存储和管理模块、数据匹配和筛选模块、丢包和路由测量模块。连接目标网络和控制中心的依次是OpenFlow交换机、网络控制器以及被动监测设备NetFlow。主被动结合的网络测量技术体系架构，见图2。

图2 主被动结合的网络测量技术体系架构

3.2 基于正则表达式的数据信息处理

数据信息的匹配和筛选策略：建立一个实时更新的动态采集数据存储数据库和一个动态调用的匹配规则库。针对聚合日志中的每条数据进行细粒度的匹配、筛选、过滤和分类。探测数据的匹配和筛选算法遵循正则表达式，匹配的内容主要包括本地IP地址、目标IP地址、端口以及数据包类型等信息。数据的筛选基于哈希函数并根据筛选条件对特定的数据流信息按照指定的字段依次过滤、筛选掉与测量无关的冗余数据，以达到降低数据耦合度的目的。正则表达式匹配和筛选过程，见图3。

图3 数据信息的匹配和筛选过程

3.3 基于周期动态调整的丢包率测量

文中采用了周期动态调整的主动发包测量方式、根据网络是否处于突发时段来适度调整主动发包的测量周期。

假设丢包测试实验进行了N次测量任务，探测时延结果序列为：{T₁,T₂,...,T_N}。其中，d_i表示每次发包后探测得到的平均时延。如果发送第i次探测包产生丢包，则设置T_i的值为0，否则T_i的值不变。只判断T_i的值是无法判断当前测量阶段是否属于丢包突发时段，此时，根据排队时延定义一个丢包突发指标P_T，丢包突发指标公式如下：

其中，T_min是第一次测量得到的往返时延最小值，T_pre表示所探测到的前一个丢包事件中时延的平均值。公式(1)中的指标函数可视为判断当前时延信息是否发生丢包突发时段。设测量时间周期为△T_i，引入两个周期动态调整参量β₁、β₂，其中，β₁∈(0,1)，β₁∈(1,2)。若当前测量连续产生丢包事件，下一个测量周期调整为△T_i₊₁=△T_i×β₁，以提高测量精度。

依据上面方法的链路丢包情况，对发包周期做出动态调整，采用泊松分布的丢包采样方式，采集实际测量的链路丢包率。

3.4 多路径动态路由测量

该方法结合了Nmap SYN主动发送探测包的方式，通过pOf日志捕获的方式跟踪其路由路径跳数。每次发包前均需按照不同协议的数据类型构造不同类型的探测数据包。探测数据包的预设信息主要包括源节点、目标节点、测量协议、端口等信息。在对数据包中的目标节点与探测节点进行匹配时，将节点的信息进行入栈操作。每一条探测路径在探测时均需要打印遍历节点，并记录单条路径的路径跳数。若单条路径的路径条数没有超过预设值且请求超时，则路径跳数TTL的值减1进入下一路径，对于已探测的节点不再重复发送探测包，并重复以上整个过程。直到发送的数据包中的探测节点与目标网络节点匹配成功时，则表示路由探测跟踪成功，输出其路径跳数。同时将TTL的值重新置为0，开始测量下一个目标网络节点。如果在规定时间阈值内或者超过最大路径跳数，则表示探测失败，开始测量下一个目标。多路径动态路由测量方式探测寻路的执行过程，见图4。

图4多路径动态路由探测寻路过程

4. Conclusion

（1）文献提出了主被动结合的网络测量方式。此方式兼顾了主动测量和被动测量的优点，并使得测量结果能更好地反映网络的真实情况。

（2）提出了一种基于正则表达式的数据匹配和筛选算法，将采集到的无效和冗余的数据信息筛选过滤掉，保留有效的测量数据信息。与传统的数据信息挖掘方式相比，该方法实现方式相对方便，降低了其执行过程中的时间复杂度。

（3）提出了一种周期动态调整的主动发包方式测量链路丢包率，根据网络是否发生突发来适当调整探测包的发包时间周期。相较于减半或者倍增的几何形式的发包调整策略，动态参量随机值的调整策略测量误差抖动较小，相对来说比较稳定。

随后对测量的丢包率数据采用泊松分布的采样方式进行采样，获取采样样本周期内的真实丢包率测量数据，降低因网络突发导致的测量误差。相比较一般的周期采样方式，采样样本的准确率较高。

（4）提出一种多路径动态路由测量方法，该方法得到的路由路径跳数平均值较小，且跟踪成功的平均路由探测时间较少，从总体上看，该方法可以在减少提升路由测量准确率的同时，减少了算法复杂度。

5. Review

传统的网络测量方式有主动测量和被动测量，然而单一的主动测量或被动测量难以对网络信息进行精准而有效的测量，因此文中提出了主被动结合的网络测量技术，可以在提升网络测量的精度的同时，减少时间复杂度。

文中采用周期动态调整的发包策略，可以降低网络突发情况下持续丢包对测量结果产生的影响。相较于传统发包策略，文中提出的发包方式误差更小，稳定性和准确性更高。

文中提出的多路径动态路由测量算法，可以减少寻路探测跟踪时间，提升探测的效率。

文中提出的主被动结合算法、基于周期动态调整的发包策略以及多路径动态路由测量算法，可以在提升测量精度的同时降低网络测量的时间复杂度，达到简化网络运维、增强网络鲁棒性的目的。