網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測儀中丟包檢測算法及其實現(xiàn)的關鍵問題研究.pdf

1、20世紀70年代以來，計算機網(wǎng)絡在社會各行業(yè)中得到了廣泛應用，起到了極其重要的作用。對計算機網(wǎng)絡運行狀態(tài)的深入觀測方法也受到學術界和工業(yè)界的密切關注，很多專家、學者相繼提出了大量的新算法。網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測儀是一種具備觀測內部網(wǎng)絡運行狀態(tài)功能的儀器。該儀器使用被動檢測方法對截獲的網(wǎng)絡包記錄進行分析，提取其包含的丟包率、延遲時間等特征信息。其中，準確的對內部網(wǎng)絡中存在的丟包現(xiàn)象進行推斷是實現(xiàn)該儀器的一個重點和難點。本文針對內部網(wǎng)絡丟包檢測算法進

2、行了深入探討，提出了兩種基于本地網(wǎng)絡往返時間的丟包檢測算法，并討論了在網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測儀中實現(xiàn)丟包檢測算法的方案。本文的主要研究工作如下：
　　1.在基于數(shù)據(jù)包重傳機制和基于確認包分析的丟包檢測算法的基礎上，針對接收數(shù)據(jù)流中發(fā)生本地網(wǎng)絡丟包的各種情況進行分析，提出了基于本地網(wǎng)絡往返時間的丟包檢測算法，并利用本地網(wǎng)絡往返時間的極限值對數(shù)據(jù)包丟失進行判斷。從理論分析和實驗結果出發(fā)，論證該算法在發(fā)生虛假快速重傳、虛假超時重傳、批量丟包和重傳

3、過程中丟包等事件時都能正確推斷丟失包。
　　2.針對該丟包檢測算法對本地網(wǎng)絡往返時間極限值過于敏感的特點，本文通過對TCP協(xié)議確認包發(fā)送機制的分析，建立了本地網(wǎng)絡往返時間的解析模型，將其樣本集劃分為由四類事件觸發(fā)的子集，討論了這些樣本子集中最重要的三類樣本的分布模型及其對應的極值計算方法，提出了基于該本地往返時間模型的丟包檢測算法，進一步細化不同事件發(fā)生時該檢測算法的處理方案。通過討論得出如下結論：在該檢測算法中設置本地網(wǎng)絡往返時

4、間的極限值為立即確認極值（即數(shù)據(jù)包與其到達TCP連接收端主機后立即觸發(fā)的確認包到達監(jiān)聽設備的時間差極限值）可以保證算法的穩(wěn)定性；引入超時規(guī)則可對網(wǎng)絡中出現(xiàn)的超時重傳現(xiàn)象進行檢測擴大算法的檢測范圍。
　　3.針對處理網(wǎng)絡截獲記錄需要計算能力大，而中央處理芯片能力相對薄弱的問題，設計了基于狀態(tài)機的包頭提取方法，將大量的網(wǎng)絡包解析工作放在硬件電路中實現(xiàn)，并提供了相應的協(xié)議擴展機制。該包頭提取方法具備處理網(wǎng)絡嵌套協(xié)議的能力，具有解析帶寬大

5、（高達44Gbps），占用資源少的特點，可廣泛應用于網(wǎng)絡檢測、網(wǎng)絡安全等對網(wǎng)絡協(xié)議支持較多、處理能力要求較高的領域。使用雙層緩存結構的媒介訪問控制器設計方法在不影響性能的前提下，對傳統(tǒng)媒介訪問控制器進行了改進，在軟、硬件上解決了包頭提取方法與網(wǎng)絡媒介訪問控制器之間存在的接口差異問題，滿足網(wǎng)絡監(jiān)測儀的設計需求。
　　4.在網(wǎng)絡仿真環(huán)境和實際截獲記錄中對基于本地網(wǎng)絡丟包檢測算法及其改進算法進行了驗證，證明這些算法在多種配置的網(wǎng)絡環(huán)境下