陳 陽

（中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京 100041）

引言

無論是10Gpbs的5G移動網絡，還是引起熱烈關注的SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡），其目的都不是為了獲得更寬的通路或更高的數據傳輸速度，而是為了具有更好的可用性和更具復原能力與一致性，同時更加關注用戶感受。網絡設備對用戶來說是透明的，用戶的感受可以用“網絡任務”的成功來衡量。這些問題就需要網絡可靠性研究來解決，而網絡可靠性試驗是一種最具說服力的評價網絡可靠性的方法。

傳統(tǒng)可靠性試驗中，工作應力為電、液壓和氣壓等應力，對于網絡來說，其可靠性試驗中的工作應力表現在網絡流量上，即用戶使用情況反映在網絡流量上。因此，與網絡可靠性試驗流量生成相關的研究集中在可靠性試驗剖面的構建與網絡性能測試的流量生成技術兩方面。

文獻[1]對美軍標中的自組織網絡任務剖面進行了描述，該任務剖面僅包含執(zhí)行任務時間段及可能發(fā)生的語音、數據、視頻等業(yè)務。文獻[2]僅將通信網絡任務剖面描述為一個三元組，包括執(zhí)行任務階段、各階段業(yè)務類型、及業(yè)務時序關系，沒有考慮空間分布與應用層的軟件和用戶使用行為。對于網絡可靠性試驗來說，試驗剖面中任務的分解是用戶對網絡需求的分解，分解結果反映在網絡系統(tǒng)中是流量的生成過程。

傳統(tǒng)電信理論研究中，流量到達符合泊松分布或使用馬爾科夫過程模型描述，屬于短相關模型。實際網絡中的流量具有強烈突發(fā)性，鏈接的建立尚可使用泊松過程描述，而數據的傳輸過程則需要使用自相似模型進行研究。這是從統(tǒng)計的角度反映網絡整體狀況，無法描述作戰(zhàn)任務，需要綜合考慮任務剖面與網絡整體流量。

流量生成工具按照生成流量的網絡層級劃分，包括應用級、流級、分組級，以及閉環(huán)和多層流量生成工具[3-6]。單一的流量生成工具往往無法滿足可靠性試驗的要求，且對流的描述參數有限，一般適用于網絡的壓力測試。

1 業(yè)務與混合流量模型

本文提出業(yè)務的概念，它是指網絡中利用應用軟件完成一系列功能的活動，包含流程的概念。一個網絡可以是一個大系統(tǒng)業(yè)務，業(yè)務也可以是具有層次的，其粒度與網絡可靠性評價結果的使用者有關。不同業(yè)務中，流程和用戶使用情況直接決定流量大小與時空分布狀況。在假設不考慮環(huán)境應力的前提下，工作應力就是網絡剖面的表現，即網絡流量。本文中基于業(yè)務的網絡可靠性試驗流量生成模型如圖1所示。

對網絡流量的衡量一般使用三種方法[7-9]：端到端流（end-to-end traffic flows），鏈路利用率（link utilizations），以及應用數據包（application packet traces）。定義前兩種流量為背景流量，應用數據包定義為前景流量。前景流量的生成基于對業(yè)務的描述模型，是一個模擬業(yè)務行為的過程，是可靠性試驗評價的對象；背景流量是基于統(tǒng)計的重新過程，不是評價的對象，作為工作環(huán)境存在。兩種類型流量對網絡可靠性的影響各不相同，可以通過混合模型中各個參數的修改來適應不同網絡可靠性試驗中想定任務的需求。在模擬網絡流量時，同時考慮前景與背景流量，即使用混合流量模型，對業(yè)務與流量分別進行描述。

2 多端業(yè)務生成

在網絡業(yè)務內涵定義的基礎上，在生成前景業(yè)務流量時，需要在應用層上考慮：業(yè)務端 IP、業(yè)務請求類型、業(yè)務流程行為、多端服務/思考時間、循環(huán)次數（持續(xù)時間）以及鏈路的背景流量。對一個多端網絡服務的解析模型進行簡化，得到描述多端業(yè)務流量生成的模型，如圖2所示。

圖2中一個 Tier表示的是一個端，對應的 1到 m 個狀態(tài)分別是Q1、Q2、Q3和Qm，狀態(tài) Q 之間的箭頭表示狀態(tài)轉移。用戶行為基于會話，每一個會話都可以產生多個請求，每個請求之間的時間間隔定義為管理者思考時間 MTT（manager think time）。對于想定任務，返回隊列的概率和前進到下一個隊列的概率是固定的（或者服從一定分布），可通過統(tǒng)計得到，或假設多端業(yè)務中可以確定隊列的轉移行為。對于用戶思考時間 UTT （user think time）來說，在第一個端 Tier1之前存在，可以將其他之后發(fā)生的隊列中的服務時間看作是在“服務器”端的管理者的思考時間，處于思考時間的狀態(tài)用Qt表示。

圖1 網絡可靠性試驗混合流量生成模型

圖2 多端業(yè)務流量生成模型

多端之間的轉移過程實際上就是端到端之間的信息傳輸過程，對應網絡不同應用協(xié)議的調用。該模型明確表明了業(yè)務流程特性，輸入參數包括發(fā)送數據量、轉移概率和思考時間分布。對于想定任務，轉移概率與發(fā)送數據量可以確定；思考時間分布，可根據系統(tǒng)性能測試中對思考時間的統(tǒng)計數據進行擬合后確定。通過一個軍事裝備的物流與維修系統(tǒng)提供的統(tǒng)計數據，可以發(fā)現，大部分由用戶操作引起的思考時間都是服從參數不同的正態(tài)分布或者多個正態(tài)分布的疊加的。

通過前景流量模型的建立，可以得到該模型的參數元素組合：

AppTraffici表示網絡中第i個前景的多端業(yè)務，TierAddrj表示 m個端中某個端的 IP 地址，AppType代表每個端到端上的應用類型， Transfer表示該多端業(yè)務中信息流的轉移，MTT 與 UTT 為每個端上的服務/用戶思考時間，Time 表示業(yè)務持續(xù)時間（或循環(huán)次數），BackTraffic 表示每個端到端的背景流量（加入后成為混合模型，否則為前景業(yè)務流量模型）。

3 流量生產工具實現

前景流量：使用已有的應用層測試軟件工具，對業(yè)務流程描述進行改進，使其符合網絡可靠性試驗的要求。在目前網絡測試領域廣泛應用的應用層測試軟件 IxChariot 可從應用層行為的角度來模擬用戶，屬于端到端的網絡吞吐量測試工具，但缺乏業(yè)務的完整生成能力。在 IxChariot 中，使用應用組（Application Group）功能描述一個想定的業(yè)務流程，在應用腳本中加入事件（EVENT）完成順序執(zhí)行的功能，對于思考時間模型，在每個腳本執(zhí)行之前加入休眠（Sleep）時間，通過對時間分布的配置完成思考時間添加。

背景流量：基于ON/OFF源模型與R/S 估計算法生成背景流量。通過對開源軟件D-ITG（Distributed Internet Traffic Generator）[10]在WINDOWS上的移植實現了基于自相似原理的背景流量生成。

4 案例研究

以戰(zhàn)術互聯(lián)網中的一部分單兵網絡為依據，使用已有的作戰(zhàn)任務，構建網絡可靠性試驗案例。網絡拓撲如圖3所示。

該網絡對象包括三級網絡，六個實體節(jié)點：節(jié)點2可使用增加相應鏈路上流量的方法進行模擬，藍色節(jié)點為固定中繼，紅色節(jié)點（節(jié)點4）為簇首。不同的網絡級別、簇首節(jié)點和其他節(jié)點的關系、固定中繼的使用通過多網段設置，以及有線無線網絡相結合的方式模擬實現。

在節(jié)點 1、2、3、4、5、6均部署 IxChariot 軟件和D-ITG可執(zhí)行程序作為流量產生工具。在節(jié)點 4、5、6均部署網絡流量捕獲軟件 Wireshark，捕獲試驗數據。

案例中想定任務為維和行動任務[11]，該任務由加拿大、荷蘭和瑞典聯(lián)合執(zhí)行。維和部隊包圍一個建筑物，并將該區(qū)域控制，直到聯(lián)合國武器部隊到達后解散。在任務的第一個階段，網絡中的節(jié)點 5 上安裝有紅外攝像頭、氣體傳感器和無線通信鏈路，可以遠程獲得監(jiān)視信息。這些信息通過安全鏈路發(fā)送到節(jié)點 6處，節(jié)點6處的執(zhí)行官員確認任務目標。

任務的第二個階段，單兵網絡中的節(jié)點開始移動，并執(zhí)行維和任務。單兵手中配備通信終端，可以獲得廣播信息，并及時反映自身的位置、狀態(tài)和距離信息，同時可以隨時獲得上級的指揮控制 C2 信息。

圖3 網絡拓撲圖

最后一個任務階段，單兵網絡中所有節(jié)點執(zhí)行解散任務，聽取上級指揮控制信息。

試驗證明該網絡流量具有明顯的自相似形狀。以 10秒為單位統(tǒng)計數據量，使用Matlab編程R/S 估計算法，對該處網絡流量進行自相似分析，計算得到 H值：

理論值為0.7。

由于 R/S 對樣本量的要求較高，這里僅適用 10 秒為單位進行統(tǒng)計，如果時間尺度變小，則結果會更接近理論值（見圖4）。

由此證實了該方法的有效性，可適用于網絡可靠性試驗流量生成?？梢詼蚀_描述前景網絡流量，可靈活配置，適應新業(yè)務；能夠重現整網流量，作為應力環(huán)境存在。

5 結論

本文基于業(yè)務的解釋，借鑒經濟學模型，提出網絡可靠性試驗中流量的生成模型，更有利于可靠性試驗的開展。同時可看到，由于SDN網絡的不斷發(fā)展[12]，對業(yè)務流程的分解更加容易，可直接通過網絡控制器采集可靠性試驗所需數據。但由于基于軟件的可靠性試驗流量生成工具在數據速率提高后，其生成效率成為了瓶頸。下一步需要對業(yè)務描述的通用性，以及基于硬件的流量生成工具上進行深入研究。

表1 網絡可靠性試驗任務信息表

圖4 R/S計算H值結果

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