毕业设计(论文)网络性能管理综述.doc

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1、西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计（论文）工 作 计 划 2003年 3 月 5日 学生 指导老师 职称 副教授 系别 电子与信息工程系 专业 电子信息工程 题目 网络性能管理综述 工作进程 起止时间 工作内容 1 2周 科研训练 5 8周 收集资料.建立设计方案.了解基本概念 9 14周 完成设计要求 15 16周 整理资料.提交论文 主要参考书目(资料) 岑贤道 安常青著网络管理协议及应用开发 清华大学出版社孟洛明等著 现代网络管理技术 北京邮电大学出版社S.Keshav and R.SharmaAchieving Quality of Service through Network P

2、erformance Management主要仪器设备及材料微机一台及相应的仿真平台论文(设计)过程中教师的指导安排每周答疑一次对计划的说明西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计（ 论 文 ） 任 务 书第 号 副教授 系别 电子与信息工程系 专业 电子信息工程 题目 网络性能管理综述 任务与要求:1 根据OSI环境的网络管理构架，明确网络性能管理的功能。2 查阅资料，综述网络性能管理的实现技术工作流程。3 结合故障管理，分析性能管理和故障管理的关系。_开始日期 2003年3月 完成日期 2003年6月 系主任（签字）_ 年 月 日摘 要本文的主要介绍了现代网络管理中的性能管理部分，通过对性能管

3、理概念、功能、实现方法的介绍对性能管理有一个基本的掌握，并分析通过性能管理减少网络故障的途径。整个设计大体分为两部分，第一部分是对网络性能管理及相关概念、功能的具体介绍；第二部分是在第一部分的基础上寻找性能管理与故障管理的结合点。在文章的最后给出了性能指标的仿真结果。关键词：局域网 开放系统互联简单网络管理协议管理信息数据库服务质量 AbstractThis paper mainly introduces the performance management part of the modern times network management, we have an elementary m

4、astery in performance management through the introduction of the performance management in concept. Function and realization, and we analyse the methods to reduce network fault via performance management. The entire project can be generally divided in two parts. The first part can concretely introdu

5、ces the network performance management, and interrelated concept, function; the second part, which based on the former part is in search of the conjoint points between performance management. We offer the emulationed result of the performance target in the end.Keywords: LAN, OSI, SNMP, MIB, QOS目 录摘要

6、.IAbstract.II目录.III前言.1第一章 网络管理功能的定义和网络性能管理的内容.21.1 网络管理功能的定义.21.1.1基于开放系统互连（OSI）的网络管理体系.21.1.2 性能管理与其它功能的关系21.2 网络性能管理的内容.3 1.2.1 网络性能管理的定义3 1.2.2 网络性能管理的流程3 1.2.3 网络性能管理的功能5 1.2.4 网络性能管理的主要方面 .6第二章 性能管理功能的实现.6 2.1 存在的问题.6 2.2 实现功能.72.2.1 性能指标的定义72.2.2 性能监视功能132.2.3 性能控制功能142.3 实现算法.15 2.3.1 排队理论概念

7、16 2.3.2 统计分析概念20第三章 通过性能管理减少网络故障的途径.213.1网络故障.21 3.1.1 故障的定义.21 3.1.2 网络故障管理的定义.21 3.1.3 网络故障管理的功能.22 3.1.4 网络故障管理的流程.23 3.1.5 网络故障管理的分类.243.2远程网络监视功能.243.3监视数据的采集253.4性能管理与故障管理阈值的设定.273.5实现方法.30第四章 对网络性能管理指标的软件仿真.314.1 OPNET网络仿真软件.314.2仿真结果实例.32第五章 总结 .36致谢.39附录：参考文献.40前 言 现代通信数据网络由许多各种各样的组件组成，这些组

8、件必须相互通信并且共享数据和资源。在某些情况下，对一个应用程序的效率来说，关键是将网络通信限定在某一特定的性能之内。网络性能管理就是要保证网络保持在可通过和不拥挤的状态，为用户提供更好的服务。一个计算机网络就像一条公路，信息通过它进行传输。正像高速公路会慢慢变得拥挤一样，用户们日益增长的要求也会使网络公路的容量负担过重，网络设备超负荷运转，LAN和WAN连接饱和，结果导致性能下降，甚至导致故障的发生。研究网络性能的功能和实现方法有助于网管更好的监视和控制网络，有利于用户更有效率的使用网络，并且网络的性能提高了就可以有效的减少和避免网络故障，将性能管理的基本原理结合到故障管理中，使网络的运行维持

9、在一个比较好的水平。本文第一章介绍了网络管理的基本概念及网络性能管理的流程和功能；第二章说明了网络性管理的实现方法，性能管理必须监视许多资源来提供确定网络操作等级的信息，通过采集、分析这些信息，然后使用合成分析作为预设值的反馈；第三章在第二章的基础上结合网络故障，指出了它们之间的结合点，它们都是通过网络监视来向网络管理者反映网络的运行的情况，并通过阈值来限定服务的级别；在最后一章里通过现在流行的仿真软件建立网络模型，模拟出了一些参数的具体仿真图像，为前三章的叙述做了一个生动的补充说明。总之，性能管理的目的就是监视、分析网络的性能，帮助管理人员减少拥挤和不可访问性。提供一个稳定的服务，保证网络的

10、可访问和非拥挤，以便为用户提供可靠的服务。 第一章 网络管理功能的定义及网络性能管理的内容1.1 网络管理功能的定义1.1.1基于开放系统互连（OSI）的网络管理体系 OSI网络管理体系建立在七层模型的基础上，它同样支持着有关的网络管理应用。管理应用在第七层中实现。第一层到第六层，通过对运载的有关网络管理信息提供服务而对网络管理做出贡献。 表1-1列出了ISO定义的网络管理的关键功能。尽管这种功能划分是为OSI环境开发的，但以被标准和非标准的网络管理系统所广泛接受。这种分类为我们对必要条件的讨论提供了一种有用的方法。 表1-1 OSI管理功能分类故障管理 探测、隔离和修正OSI环境下的不正常操

11、作功能 计费管理 建立对被管理对象的使用计费并识别使用被管理对象的功能配置管理 为辅助提供互连服务的连续操作，执行控制、识别、从被管理对象采集数据以及向被管理对象提供数据的功能性能管理 对被管理对象的行为和通信活动的效率进行评价所需要的功能安全管理 正确操作OSI网络管理和保护管理对象等基本的OSI安全方面的功能 除此之外，其他的管理功能域（非OSI管理功能）也非常重要，例如：规划管理、资产管理、人员管理等。1.1.2性能管理与其他功能的关系 性能管理从网络管理者得到当前网络运行指标；从用户得到对与之有关的网络性能的查询要求；从计费管理得到用户使用网络的详细记录；利用收集的统计数据和故障管理检

12、测的故障情况（故障管理从性能管理得到当前的运行分析结果），计算网络性能参数。其数据将作为规划管理的素材，发现危险的状态条件则向故障管理告警，用户关心的性能数据将向用户报告，全网运行性能将提交网络管理当局。（图1-1）用户故障管理计费管理数据库性能管理管理者规划管理运行数据状态数据可用性数据运行指标运行报告标用户使用记录性能查询查询结果 图1-1 性能管理与其它功能的关系1.2 网络性能管理的内容 1.2.1 网络性能管理的定义 性能管理是指对被管理对象的行为和通信活动的效率进行评价所需要的功能。性能管理评价被管对象行为和通信活动的有效性。通过收集统计数据来分析网络运行的趋势，得到网络的长期评价

13、，并将网络性能控制在一个可接受的水平。1.2.2网络性能管理的流程（网络性能管理的流程见图1-2）当预期的服务等级不能满足，或者在性能评估的正面活动已经起始要求进行性能分析时，就发生对分析和性能改善的需求。这一过程从规定数据和话音两种计量开始，连续监视网中各段，或者接着自性能数据库提取信息。然而，在多数情况下，其详细等级不能够满足需要。数据库被当作门坎和性能报告的基础。历史上出现的数据库的经验文件很少有机会可以帮助识别和过去相类似的问题。一旦方案已经形成，造价结果和技术可行性应逐步检查，以排除不经济和不可行的服务等级违背带有目标和时间帧的请求正面活动性能评估 定义性能计量监视网络和/或访问性能

14、数据库性能数据库门坎和例外报告性能问题？报告返回到请求者问题已知？方案可行？试实现性能改善？永久实现 yes no yes no yes no yes图1-2 网络性能管理的流程图 方案。通常技术和经济性能评估是通过建模技术支持的。在实现以后，测量应检验和保证性能得到改善。在不可行或没有足够改善的情况下，补充的方案应该做出。如果仍不能满足，就应请求能力计划活动。为了支持性能管理成功，需要一下信息：l 主要需求真实配置生成的配置实时或近实时的性能指示，包括响应时间、拥挤通路、门坎以上资源的利用选定设施和设备的性能历史选定的厂商数据运行程序l 辅助需求 更详细的设施和设备属性性能指示器上更详细数据

15、各通信形式，诸如数据、话音、图形和视频的详细业务量预期的工作负荷量故障管理过程中详细的消息报告流简单的说，性能管理包括下面四个步骤：1 收集网络设备和连接的当前使用数据；2 分析相关数据，辨别使用趋势；3 设置利用率阈值；4 使用模拟确定如何调整网络达到最佳性能。1.2.3 网络性能管理的功能性能管理包含了运行上的业务量管理功能、管理上的网络和业务量管理功能和维护上的性能监视功能。性能管理的目的是为了把服务质量（QOS）维持在经济、有效的状态，首间进行网络特性表述，接着进行性能指标的设定和测量，然后通过对网络参数的控制来改进服务的性能。性能管理包括测量对象和方式的选择、收集和分析统计数据、根据

16、上述统计和分析调整，以控制网络性能、提供有用的网络性能报告（实时/脱机）等。为了管理的有效性，网络管理系统必须监视特定事件的影响、措施的效果和资源的性能，为网络管理者提供选择监视对象、监视频度和监视时间长度、设置和修改测量门限的手段；当性能不理想时，通过对各种资源的调整来改善网络的性能；根据管理当局的要求定期提供多种反映当前/历史/局部/整体性能的数据集各种关系曲线。1.2.4 性能管理的主要方面性能管理提供评估和报告电信设备的使用情况以及网络或网元的有效性的各种功能。性能管理主要有两方面：监视和控制。性能监视包括连续采集与网元性能的有关数据，基本功能是跟踪系统、网络或业务情况，为判别性能而收

17、集合适的数据，及时发现网络出现拥塞或性能恶化情况。性能控制包括指导或支持网络管理功能的信息管理，以及为帮助网络管理而应用或修正业务量控制等。 第二章 性能管理功能的实现 2.1 当前存在的问题l 尽管性能管理建立在实时或近于实时测量数据的基础上，但仍不是实时活动，从而也无能力针对性能做出改善。l 对于话音和数据网络还没有标准程序分析性能数据，从而造成过多的重复工作。l 没有建立和保持经验文档，开发和实现专家系统是极其困难的。l 对于进一步分析的统计历史数据，以销售厂商专用格式自动或半自动的存储与数据库或文件内。l 生成过多报告却很少利用联机、实施询问能力去显示数据库。l 在综合多种网络有关的性

18、能指示中，端用户服务登记的分析要求使用多种仪器，对于出于各种源的相关信息仍然缺少强有力的技术。总之，缺乏实时或近于实时的性能分析与各种仪器的良好结合，似乎成为改善性能管理效率的障碍。2.2实现功能2.2.1性能指标的定义管理一个通信网络的先决条件是度量网络性能的能力，或性能监视（performance monitoring）。除非可以监视其性能，否则不可能管理和控制一个系统的活动，网络管理面临的困难就是选择使用合适的指标来衡量网络的性能。当没有可能测量有效的网络性能指示时,通信网就不能被管理，每个建网环境都要使用性能参数，可能出现的问题有以下一些：l 使用了过多的指标，大多数指标的意义还不够明

19、确。l 有些指标是由一些供应商提出的，而只有那些供应商才会支持这些指标。l 大多数指标不适于相互比较。l 指标经常能被精确的测量而不被精确的解释。l 在大多数情况下，指标的计算占用太多时间，而最终结果很难用于控制该环境。本小节提出一些可用于网络管理的指标类型的一般性概念。这些指标可以分为两大类：面向服务的度量标准和面向效率的度量标准，表2-1给出了每一类指标的详细分类，判断一个网络是否合乎要求的基本途径就是看用户的具体服务等级能否维持用户满意的程度。因此，面向服务的指标的优先级要高。同时管理员也关心以最小的费用来满足这种需求，这就产生了面向效率的度量标准。 表2-1 网络性能指标 面 向 服

20、务可用性 用户可用网络系统，组件或应用程序的时间百分比 响应时间 从用户要求到响应出现在用户终端上之间所需要的时间精确度 在信息传送和发送中无错误发生的时间百分比 面 向 效 率吞吐量 面向对象事件（例如消息处理、文件传输）发生的速度利用率 资源（例如多路复用线路、传输线路、交换机）理想容量的使用百分比 1.可用性可用性（availability）可以用用户可用网络系统、组件或应用程序的时间百分比来表示。可用性依赖于应用程序，好的可用性是非常显著的。例如在火车订票网络中，一分钟的故障可能产生5000元的损失；而在银行网络中，一小时的故障可能产生数以百万计的损失。可用性基于网络中单个组件的可靠性

21、。可靠性指一个组件在特定条件特定时间内执行其特定功能的概率。组件故障通常用MTBF(Mean Time Between Failures)平均无故障时间 来表示。可用性A可表示为： 其中MTTR是发生故障后的平均修复时间（Mean Time To Repair）。系统可用性取决于该系统的组件和系统组织。例如，某些组件可能是冗余的，这样该组件的故障并不影响系统操作，否则配置可能使组件故障导致容量下降,但系统仍能工作。图2-1显示了两种简单配置。在图2-1（a）部分，两个组件顺序连接，要想使一个功能正常，两个组件的功能必须都正常。例如，两个组件可能是通信连接两端的两个调制解调器。当两个组件按照这种

22、方式连接时，如果每个组件的可用性都是A，则这种组合的可用性是 。因此，如果每个调制解调器的可用行为0.98，则按这种方式连接的两个调制解调器的可用性是0.980.980.96。图2-1（b）显示了并进行连接的两个设备。例如，这可能是主机与终端之间的两个连接，如果其中一个出现故障，另外一个便自动用作备用。在这种情况下，双连接只有在两个连接都不可用时才不可用。如果每一个连接的可用性是0.98，则每个连接的不可用概率是10.980.02，二者都不可用的概率是0.020.020.0004，则这种组合单元的可用性是10.00040.9996。AAAA(a)串行(b) 并 行图2-1 串行和并行连接的可用

23、性 2响应时间响应时间(response time)是指系统对给定输入做出反应所需要的时间。在交互式的处理中，可能定义为用户最后一次击键和开始在计算机上显示结果之间的时间间隔。对不同的应用程序，可能需要稍有不同的意义。一般来说，响应的时间指系统响应请求并执行特定任务所花费的时间。为测量响应时间，需要检测许多元素。特别需要指出的是，虽然能直接测量一个给定的网络环境的总响应时间，但数字本身对问题的修正和网络的扩充都是没有什么用处的。为达到这些目的，需要详尽的分解响应时间来找出瓶颈和潜在的瓶颈。CPUWOSOTOSI 服务器TI 网络接口（例如网桥）RTTIWISICPUWOSOTO图2-2显示了一

24、种典型的网络环境，并指出了七种大多数交互式应用程序共有的响应时间元素。每一个元素都是通信配置中的整个路径的一步，每一个元素都占用整体响应时间的一部分。 工作站 WI RT响应时间 CPUCPU处理器延时 TI入站终端延时 WO出站队列时间 WI入站队列时间 SO出站服务时间 SI入站服务时间 TO出站终端延时图2-2 响应时间元素l 入站终端延时 (inbound terminal delay)：从终端到通信线路之间的查询延时，在终端本身基本上没有显著的延时，该延时直接由从终端到控制器之间的传输速度决定。例如，如果线路上数据传输速率是2400位/秒300字符1秒，则延时为1/3003.33毫秒

25、1字符。如果消息的平均长度为100字符，延时就是0.33秒。l 入站队列时间 (inbound queuing time)：控制器或PAD设备处理多需要的时间。控制器处理许多从终端及网络传来的输入，并把它们送往终端。这样，传来的消息需要保存在缓冲中，然后依次进行处理。控制器越忙，处理所需要的延时就越长。l 入站服务时间 (inbound service time)：从控制器设备到主机的前端处理器传播通信连接网络或其它通信设备信息所需要的时间。该元素本身由组成大量基于通信工具结构的元素组成。然而如果是专用网络（广域网或局域网）、专线或其他用户配置的工具，该元素需要为网络控制和计划做出详细的分类。

26、l 处理器延时 (processor delay)：前端处理器、主机处理器、磁盘驱动器等在计算机中心准备查询应答所需要的时间。该元素往往超出了网络管理员的控制范围。l 出站队列时间 (outbound queuing time)：应答在前端处理器的某一端口等待分派到网络或通信线路上所需要的时间。和控制器一样，前端处理器有一个需要服务的应答队列，该延时随着应答等待数目的增加而增加。l 出站服务时间 (outbound service time)：从主机的前端处理器传输通信工具到控制器所需要的时间。l 出站终端延时 (outbound terminal delay)：在终端本身的延时，同样也取决于

27、线路速度。响应时间相对来说易于测量，也是网络管理所需要的最重要的一类信息。 3精确度在用户和主机之间或者主机之间的数据的准确传输对于任何网络都是非常重要的。由于协议（例如数据连接和传输协议）中的内建错误修正机制，用户一般对此并不关心。然而，监视必须修正的错误比率是很有用的，它能指出必须纠正的间歇故障线路、噪声或干扰源的出现迹象。由于在源和目的节点间通路上的干扰，信息的投交或许会受影响：l 接收到有错的信息字符l 发送了字符但未投交l 接受到未发送的字符l 以重复形式投交字符 残留差错率作为精度的计算，可以按下式计算： CECUCNCD ER（差错率） CT 其中 CE差错的信息字符数目 CU发

28、送了字符但未投交的数目 CN未为源发送但接受到的字符数目 CD重叠投交的字符数目 CT发送的总字符数目 在这一等级，引起不精确原因未作任何进一步研究。尽管所有成分在理论上能够测量，但通常只能用这些数据来建立公式。 4吞吐量吞吐量是服务器能力统计计量的一个目标，是面向应用程序的测量标准，包含有：l 在一段时间内给定处理类型的数量。l 给定应用程序在一段时间内的用户会话数量。l 在电路切换环境中请求的数目l 远程批量环境中，由源节点提供的作业数目为既定目标或可能会发现性能问题而随时跟踪这些度量标准是有用处的。 5利用率利用率(utilization)是比吞吐量更精确的度量标准.利用率是指在给定时间

29、段内资源利用的百分比。利用率是资源动态的计量，它提供运行环境下吞吐量具体限制方面的信息。利用率最大的用途在于查找潜在的瓶颈或阻塞区域。这一点是很重要的，因为响应时间随资源的利用率成幂指数的增长（队列理论）。由于幂指数的作用，如果不及时发现并处理阻塞的话，阻塞会马上失去控制。配置文件定义了在给定时间内使用那些资源，那些资源是空闲的。通过察看配置文件，分析员就可以现哪些资源使用而哪些资源利用不足，从而可以相应的调整网络。考虑下面非常简单但在评估网络效率时非常有效的技术实例。这种技术在评估统一网络中不同通信连接的容量时是非常有用的，基本思想就是观测网络中各种通信连接在计划负载和实际负载中的差别。计划

30、负载由每个连接的性能、bps来反映。而实际负载当然是这些单个连接所得的平均流量，也用bps来表示通过费用技术(cost accounting technique)作对比，就可以看出公司内部每个部门实际花费和计划花费之间的比率。部门之间的显著差别可能产生有用的信息，因为他们可能对每个部门精确度的预算程序提出质疑。考虑如图2-3(a)中简单的网络配置的例子。可以用网络中单个通道流量负载占整个流量的百分比来表示其负载。表2-2包含了数值结果，图2-3(b)给出了图形化的解释。可以看出，该网络的性能为网络的总流量提供了足够的冗余，当然也没有一个连接的负载超过其性能。然而，通过察看相对性能和相对负载，可

31、以看到有些连接的负载比其比例要大，而有些连接要小，这就表明了不合理的资源分配。通过调整这些比率流量重定量或改变各连接的相对数据速率即可得到与计划负载非常接近的实际负载，减少了总共所需要的总容量，从而更有效的使用资源。 图2-3 简单的效率分析 (a)网络布局 (b)容量和负载的比例 表2-2 图2-3 (a)中的网络负载和容量分析 连接1 连接2 连接3 连接4 连接5 总计负载 (kbps) 30 30 50 40 50 200 容量 (kpbs) 40 40 60 80 180 400 总负载百分数 15 15 25 20 25 100 总容量百分数 10 10 15 20 45 100

32、比例 1.5 1.5 1.67 1.0 0.55 -2.2.2 性能监视功能1. 监视原理监视原理：在数据的原始点（就对其）进行提取、解释和压缩，然后传送到管理实体，这才是我们的最终目标。性能监视包含三个组件：性能测量(performance measurement)真正采集关于网络流量和时间分配的统计信息；性能分析(performance analysis)包含有减少和表达数据的软件；综合流量生成(synthetic traffic generation)允许在控制流量的情况下对网络进行观测。性能测量经常由网络中设备（主机、路由器、网桥等）内建的代理模块实现。这些代理用来观测节点的进出流量，

33、连接的数目（网络别的、传输级别的、应用程序级别的）和每个连接的流量，以及其它用来描述该节点行为的量度标准。当然，所有这些度量方法都要占用该节点的处理器资源。在共享网络中，例如LAN，许多需要的信息都可以由一台外部或者远程的机器来采集，它只是简单的观测网络上的流量。这种布局很大程度上减轻了用于专用系统的操作节点对处理器的要求。2门坎和例外报告门坎和例外报告意味着为鉴别变化而分析存储的性能信息。它允许管理者根据设置的门坎对性能变化做出鉴别、分析和反映并生成报告。有关性数据假定存储于性能数据库或MIB的特定段中。性能管理也保持该数据库或MIB段。广义上的维护活动包括：l 指示器的定义，将包含于数据库

34、内。l 为性能数据广泛使用的产品和数据库的选择。l 确定指示器保存的频度，以及监视器和数据库之间的接口。这些接口可以按多个步骤来定义，首先在网络元素和管理系统之间定义，其次在各自管理系统和综合器之间定义。l 对每一个指示器特定门坎的定义，应考虑为产生报告而减少基于纸张报告的总量。l 特定数据更新的周期及数据压缩，制造厂商会提供周期和同步的指南。设计报告系统时，若干步骤必须考虑：1 确定信息的领域和指示器。信息领域决定了收集和存储数据的范围，例如：通信形式（话音、数据、字、图像）；应用；用户事务所设备（处理器、LAN、交换机等）；本地交换承载设备（MAN、骨干LAN、复接器等）。包含复接器、集中

35、器、干线、及电路的网络。2 设计分配矩阵，报告系统必须服务于所有网络管理的组织单元。根据接收者的任务、目标和责任，可以有完全不同的报告详细程度、周期、表示和形式（表示的形式有：图形、表格、部分图、相关表、以及符合情况的清单）。3 做出报告，反映性能指示器的有效数据。流行的报告包括有关可用性、响应时间、工作负荷量、资源利用率、事件、呼叫统计、阻塞情况等的统计数据。2.2.3性能控制功能 1. 分析与协调任何异常都会导致分析项目的开始。通常，在网络管理数据库中请求的数据是可用的，它们可以用来迅速帮助识别和过去相类似的问题。一旦拟定的改善假设成为基础，造价效果和技术可行性将逐步被测试，以便排除不经济和不可行的方案。实现以后，应当测量以检验看系统是否对性能做出了改善。在无足够改善的情况下，补充的假定应当做出。如果协调方案仍不满足，则要请求能力计划的活动。其步骤为：1 分析问题以断定性能分析是面向任务协调，还是面向运行控制的支持活动。2 数据必须自现有文件或数据库中提取。3 利用各种监视器和测试设备收集有关数据信息。4 在信息是按希望的细节和格式而可用之后，就在这一步中以假定方案为基础开始分析。在多数情况下，性能分析是与服务和面向资源利用的指示器之间关系相联系的。假定方案可以包括：扩大带宽、重新安排通路分配、改变设备（施）、采用增值服务、