传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第9章（2）
9.3 面向网络应用的测量,随着网络技术的发展，网络应用领域越来越宽广，目前应用范围包括：工业控制、辅助决策、管理信息系统、远程教育、数字图书馆、情报搜索与信息查询、电子商务、电视会议、视频点播等。这些业务的测量即为网络应用测量，虽然应用测量也是网络测量，却属于应用层次，与网络层测量既有联系，又有区别，具体关系在9.1.2 中已有论述。限于篇幅，本节就 P2P 业务测量和网络控制业务测量进行讨论。,9.3.1 P2P业务测量,P2P（peer-to-peer）业务是一种对等的分布式网络技术应用，它打破了传统的客户/服务器模式，应用的参与者既拥有自己的资源，又分享其它参与者提供的资源，也就是它们既是资源（服务与内容）的提供者（server），又是资源的使用者（client）。P2P技术以其不依赖单一的中心节点、具有良好的扩展性、鲁棒性等特点，在过去的几年，得到了迅速的发展和应用，从早期的文件共享，逐步发展到计算资源共享、协同工作、即时通信、流媒体应用和分布式存储等多个方面。,1P2P 技术特点,与传统的客户/ 服务器 (client/server，C/S) 模式相比，P2P在结构上有较大差异，两者的对比见图9-4。不仅如此，P2P还有其显著的技术特点，概括起来表现在以下几个方面： （1）非中心化：P2P在结构上是一种非中心模式，网络上每个物理节点在逻辑上具有相同的地位，每个节点既充当服务器，也享受其它节点提供的服务，信息的传输和服务直,接在节点之间进行。,（2）扩展的灵活性：由于不依赖中心，新节点可以随意加入，而不影响其他节点的运行。随着新用户的加入，不仅服务的需求增加了，而且系统的资源和服务内容也扩充了。 （3）鲁棒性：非中心的互联构架使得P2P具有很强的容错能力和抗攻击能力，加上各项服务分散在各节点之间进行，部分节点被破坏或撤离，对整个网络影响很小，无关大局。,（4）负载均衡：由于每个节点具有自己的存储空间和CPU资源，减少了传统 C/S模式中对服务器的依赖，消除了瓶颈问题，实现了负载均衡，使系统的可靠性提高。,图9-4 传统C/S结构和P2P结构,（1）传统CS结构,（2）P2P系统结构,2P2P 网络模式,P2P技术发展到今天，先后诞生了三种不同的网络模式，它们分别是：集中目录模式、纯 P2P 网络模式和混合型网络模式。它们各有特点，相互借鉴，不断发展。 （1）集中目录模式,这是最早出现的 P2P 应用形式，由于它保留有中心化的结构形式，故被称作非线性的P2P 结构。用于共享 MP3 音乐文件的 Napster 是典型代表之一，其结构如图9-5所示。这里的用户注册和文件检索过程类似于传统的 C/S 模式，不同在于，所有资料文件并不存在服务器节点上，而是存储于各终端节点中。请求服务节点根据网络流量和延迟等信息选择合适的服务节点直接建立连接，无需经过中央服务器。,图 9-5 P2P集中目录式结构,纯P2P模式也被称作广播模式，其特点是取消了集中式中央服务器，用户随机接入网络，与相邻的节点直接连接，形成一个在逻辑上全覆盖的网络，如图9-6。各节点是对等的关系，内容查询和资源共享是直接通过相邻节点广播式接力传递，同时，每个节点记录搜索轨迹，防止形成搜索环路。Gnutella是迄今为止应用最广泛的纯P2P拓扑结构模型之一，它除去了网络结构中心,化，具有扩展性和容错性好的特点。但是，它的搜索算法是泛洪方式，不仅消耗了大量带宽资源，而且容易造成网络拥塞。网络结构的随意性和不合理性容易导致网络被分片，因而某些局部网点的利用率低。,（2）纯P2P模式,图9-6 纯P2P网络模式结构,（3）混合型模式,混合型网络模式是在纯P2P模式基础上，引入超级节点，并综合了集中目录式快速查找信息的优点建立起来的一种P2P形式，Kazaa是其典型代表，如图 9-7所示。Kazaa模式将节点按能力不同（如计算、存储等），将网络节点区分为超级节点和普通节点，各普通节点挂接在附近的一个超级节点上，形成一个相对固定的自治簇群，簇群内的超级节点与普通节点采用集中目录结构形式，而整个P2P网络由各个簇群之间通过类似纯 P2P 结构模式构成。,文件搜索先在本地簇群内进行，当查询结果不满足时，再通过超级节点之间进行有限泛洪。于是，有效地避免了纯 P2P 模式使用泛洪算法带来的网络拥塞和搜索延迟等问题。另外，由于每个簇群中的超级节点监控普通节点的行为活动，某些恶意攻击行为在局部网,络就能得以控制，从而提高了网络的安全性。,3P2P 测量类型,图9-7 P2P混合网络结构,对 P2P 业务进行检测，需根据其特点，以灵活的方式获得信息。原则上说，根据获得P2P 应用测量数据的不同，可将 P2P 测量方法大致上分为三种类型：,（1）基于客户端的测量 通过客户端测量可以获得的信息主要有：网络节点的状态、节点间的连接关系，节点间的通信信息，节点提供了哪些资源、对哪些具有资源的节点发出了请求等。要获得这些信息，需要针对不同的 P2P 应用开发专用的客户端，并针对测量目的进行设计和修改，使其能探测、记录所需的节点信息。,测量方式可以通过发送查询请求，以获得网络中节点的信息，也可以被动地参与P2P的协作，获得需要的信息。一种被称作“网络爬行器”的测量客户端为了在短时间内获得较全面的 P2P 网络快照，主动发送大量查询信息，有目的地获得 P2P 系统运行的快照视图。比如，Napster 系统中，向集中服务器发送大量查询请求，然后根据返回的共享节点信息推断系统的用户规模；Gnutella 系统中，向已知节点发送 Ping 消息，根据返回的Pong消息获得节点地址和共享文件信息，并将新发现的节点加入到已知节点集合中进行迭代，从而获得系统的网络拓扑。,（2）基于流量监听的测量 这是一种被动测量方法，该方法通过在网络上部署流量采集设备，捕捉流过的流量信息，对 P2P 网络中的流量分布、资源调动、用户行为等网络活动进行统计分析，获得P2P业务特征。 P2P网络的通信主要有两类，一是中心服务器、超级节点、节点之间的控制平面消息，它担负着网络发现、组织、资源管理与检索，以及通信协调等任务；二是对等节点之间的数据平面传输信息，如传送文件，资源共享等，这些产生的流量占P2P流量的大部分。所以，被动测量需对这两类通信能加以识别，分别处理。,基于流量监听的测量方法的优点是：被动收集流量信息，不对网络构成额外负担，也不会对 P2P 网络中的节点造成影响，并且该方法具有较好的通用性；缺点是：被动测量法擅长从数据层面对 P2P 节点的行为进行分析，难以对节点之间的交互信息进行深入分析，另外该方法仅能在部分网络节点设置，获得的信息是局部的。随着网络速度和流量的迅速增长，以及网络规模的扩大，准确高效的 P2P 流量识别将变得越来越不容易。,（3）基于中心服务器日志分析的测量 有时候为了便于工作，在一些P2P网络中设置了负责协调的中心服务器，它的作用就是维护所有节点信息，向相关节点提供查询资源信息，节点利用这些信息建立对等连接。所以，在服务器的日志里记载了具体的节点活动内容，通过对其进行分析，可以获得节点的活动特征与规律。例如，BitTorrent、Napster就属于这一类。 总的来说，P2P系统的分布式结构形式、自主的工作方式，以及无边界的特点，决定了它不论采用哪种测量方式，均不能获得整个系统完备而准确的信息。为此，人们在实践中常常采用各种测量手段，获得尽可能多的信息。例如，通过主动测量和流量监听的协同工作，达到比单项测量方法更高效、更准确的信息。,4P2P应用测量举例,Kazaa 在2003年开发了一款叫做Skype 的软件，这是一种基于P2P技术的IP电话软件，将其用在因特网上，可以进行语音和文本传输。清晰的语音通话效果和加密的端到端的安全措施，使它具有较强的吸引力。,（1）Skype 的网络结构 Skype 网络结构如图 9-8 所示，图中粗线为持续连接线，细线为瞬间连接线（供网络实体加入网络时进行传输认证、版本更新等之用）。该网络主要由用户节点（user node）、超级节点（super node）、登录服务器（login server）和事件服务器（event server）组成。,用户节点：即为普通用户客户端，可执行一般语音呼叫、即时消息和文件传送等操作；,超级节点：普通用户节点的连接点，接受并受理用户节点的行为请求、与其它超级节点交互信息，且具有普通用户端的功能；,图9-8 Skype 网络结构,登录服务器：为网络中的集中服务器，存储用户信息、认证用户身份等； 事件服务器：也属集中服务器，每次用户登录或客户端程序退出时，通知事件服务器，存储相关的日志信息。 （2）工作机制 与其它大多数P2P软件一样，Skype使用随机动态端口，客户端第一次连接时，随机产生一个本地端口，用于对外连接用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP)，并一直侦听该端口的TCP连接，且开放本地80和443作为备用TCP端口。工作机制包括登录和文件传输两个过程。,新安装的Skype客户端首次运行登录过程是： 开放侦听端端口：生成一个随机端口作本地客户端端口，并尝试开放该端口连接，开放成功后继续开放本地80 和443 作为TCP备用侦听端口； 连接信息UDP协商：开放侦听端口后，客户端利用本地开放UDP端口，通过UDP数据与超级节点列表中的某些主机进行连接信息协商，若协商不成，则利用备用的80 和443 端口，通过TCP进行连接协商，并最终与某超级节点建立TCP连接； 认证、版本更新与事件信息交互：一旦成功接入Skype网络，需与登录服务器进行连接，并进行用户认证，与ui.skype.com 连接，以获得版本更新信息，与事件服务器连接进行日志及事件信息交互。与这三类服务器的连接是瞬态的，完成各自信息交互后立即断开连接。,文件传输过程见图9-9。当客户端A和B均为网络地址转换（network address translation, NAT）用户时，为了穿越 NAT，客户端A向客户端B发送文件的传输过程如下：, A发送TCP连接请求，并利用TCP和UDP进行传输协商信息交互，确定传输效率最高的一条公网传输路由； A利用UDP向中转接点传送文件数据； 中转接点利用UDP将文件数据转发给； 收到经中转节点转发的数据之后，利用UDP向A发送接收确认信息。,（3）Skype 流量测量,对 Skype 进行流量测量时，关键是提取数据包中的特征，并据此进行流量识别、监测和统计分析。通过对大量Skype数据包进行解码和统计分析发现，TCP数据包没有明显净荷特征，但是UDP数据包却含有一定的特征，这对于Skype应用识别及其流量测量有意义.,图9-9 文件传输流程图, 登录过程中TCP连接未建立时的净荷特征：Skype进行网络连接时，利用UDP与超级节点进行连接信息协商，满足连接条件后，与超级节点建立TCP连接。连接前，不同的UDP协商数据包有不同净荷（长度）特征。 Skype登录后其它操作的UDP净荷特征：登录成功后UDP数据包仍含有一些净荷特征，如：客户端与超级节点进行数据传输前通过UDP进行的信息协商、文件传输和搜索客户等。,9.3.2 控制应用测量,根据上面谈到的P2P概念，网络化控制，不论是开环控制系统还是闭环控制系统，也可以说属于P2P应用类别。控制业务测量就是控制应用测量，测量内容主要是反映控制质量的性能指标，虽然可以用原控制系统的检测方法来获得具体的指标，但是，由于网络控,制系统是通过网络将不同的控制单元连在一起构成的系统，最后获得的控制结果，既有控制本身的作用，又有网络层的影响。像网络诱导时延、丢包、链路阻塞等这类网络行为无疑会影响，甚至恶化控制性能，并通过指标反映出来。由此可见，进行网络控制应用测量时，除了考虑控制本身的机制之外，还应当重视网络行为。,控制性能和行为的测量在这里属于一种网络应用测量，它反映对被控对象的控制质量。如前所述，控制业
