一种基于端到端测量构造网络性能拓扑的方法.doc
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1、一种基于端到端测量构造网络性能拓扑的方法中图法分类号:TP393.06文献标识码:A 传统的分布式计算平台(如集群)具有高性能网络连接和可靠性保证。而在异构、层次性的大规模分布式网络中,网络性能成为分布式应用的一个重要瓶颈。分布式应用系统,通常具有特殊的通信模式,其性能在很大程度上依赖于网络的结构特性。因此,对于分布式应用,不仅需要获得节点对之间的带宽、时延、丢包率等性能参数,还需要知道各个节点之间的相互连接关系。获得这些信息,可以预测节点集合之间的通信性能,使得应用在调度决策中不会作出错误的决定,如将通信频繁地应用部署到节点之间网络性能良好的节点集合中去,优化服务的部署。常用的网络拓扑测量方
2、法是分析来自网络内部资源的数据(BGP路由表、ICMP), 生成网络拓扑或性能的报告1。这种方法是基于路由器或路由器协作的,它适合于在大时间尺度上进行宏观分析,但不适合小时间粒度的场合。目前端到端拓扑探测的研究2主要针对连接一个发送者与多个接收者之间的树型拓扑,利用终端节点之间性能相关性(时延/丢包相关性)来推测与某种性能(如时延、丢包率)相关的逻辑拓扑。本文的目的在于通过端到端的测量方法探测对分布式应用产生重要影响的网络性能拓扑结构。 1 性能拓扑结构探测 分布式应用所需要的网络信息主要突出以下两点:性能测量值,如带宽、时延和丢包率(端到端的),反映分布式应用通信效率问题;拓扑结构,能够展示
3、资源之间的相互连接关系,也能够反映出数据传输是否具有共享路径的问题。 网络性能划分方法的一个基本原则是,要使划分到同一个集合中的边缘节点具有相同的特性,包括集合成员之间的带宽特性一致和集合成员对外带宽特性一致。与此同时,集合成员之间的连接关系也必须进行探测,因为在多数据传输时,共享路径也明显影响着应用系统的性能。 利用端到端的网络测量探测性能拓扑结构是较为实用的方法。端到端的性能测量可以使用现有的各种成熟的测量方法和测量工具,而不需要特殊的配置和权限。文献3中研究各种性能测量工具时显示,选择正确测量工具有利于提高测量精度;文献4的研究也指出在应用层能够对有效带宽进行准确建模。 网络性能的分布通
4、常具有相对集中性。各个学校、部门等内部网络性能相对较高(如带宽、丢包率、时延),而区域与区域之间的网络性能相对较差。网络性能也往往具有相关性,如端到端时延等于各路径时延之和,是随路径单调递增(至少不减)的函数。在本文中,首先利用对瓶颈带宽的测量高效地将一个一般网络划分成若干个子集合,并且满足某些最优目标,如测量点最少;然后再通过性能相关性探测各个子集合,构造出完整网络性能拓扑结构。 1.1 测量瓶颈链路分组划分 尽早自动对集合进行划分,有利于减少测量次数提高探测准确度。当一个集合外节点与集合内节点之间带宽性能小于集合内带宽性能时,就可以将这个节点排出划分到该集合之内;当一个集合外节点与某一个集
5、合内节点之间的带宽性能大于集合内带宽性能时,就可以将该集合内节点脱离该集合。 网络测量工作组织5(Network Measurements Working Group,NMWG)参考文档显示,端到端网络带宽相关的几个常用特性为吞吐量、批量数据传输能力、带宽容量和有效带宽。从这些特性中派生出两个最常用的网络特性,即瓶颈带宽和带宽利用率。瓶颈带宽与端到端带宽容量是等价的,而带宽利用率为已用带宽与带宽容量的比值。它们之间的关系进一步表示如下:设H为路径P上的跳数(链路数),Ci为链路i的带宽容量,C0为发送者的传输能力,那么该路径的带宽容量为 批量数据传输能力(Bulk-Transfer Capab
6、ility,BTC)为网络在一定时间内,持续TCP传输的吞吐量。实验显示,BTC测量结果会比实际有效带宽高出20%30%。但是,BTC反映的是应用在实际运行过程中所能获得的最大带宽,它能够最大程度地反映分布式应用在实际运行过程中网络的性能情况。利用端到端的分布式测量判断多条路径中存在瓶颈带宽6。具体过程如图1所示,三个节点由路由器相连,选择其中两个(S1,S2)为数据源,一个数据接收者D。两个数据源到数据接收者的路径上存在共享路径。在测量和推论中使用如下两个规则: 规则1 如果S1D路径上的带宽大于S2D路径上的带宽,S2D之间的瓶颈链路必须在非共享部分。 规则2 两条路径的带宽相同。最大的可
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