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摘要針對目前缺乏有效的方法來對網絡安全設備進行性能分析評價的現狀,結合一些安全設備自身的優缺點,根據網絡系統性能分析研究確定的指標參數,介紹網絡系統性能分析研究的幾種數學方法。

關鍵詞網絡系統性能評價測試分析

網絡的開放性、共享性是其得以迅速發展的重要原因，但開放帶來的負面效應就是安全上的威脅。黑客可以通過各種手段進入到局域網內部，獲得某些公開信息或者進行一些破壞，為了保護內部網絡，保護合法用戶的私有信息，一般在網絡上引入一些安全設備，如防火墻、加密機等都比較常用。

當今通信網的用戶要求網絡具有100％的可用性，能顯示出良好的性能(即最終對用戶是透明的)，有很強的連通性，并能平穩地擴充，以便能盡量容納新的用戶、業務、應用和技術改進。因此對網絡系統的性能進行分析評價，分析其中影響網絡性能的各種因素，采取相應的改進措施，關系到整個網絡性能的改善提高。對計算機網絡系統進行性能方面的測量、分析、預測是保證網絡高性能、高可靠性和高實用性的基本手段。

對于實際運行中的網絡應用系統，系統管理員需要對其運行效率進行監控和性能分析，對網絡進行有效管理以得到最佳服務；對于待建的網絡應用系統，網絡設計者要驗證其設計方案的可行性，也要分析評價某種方案時網絡的性能，以有限投資建立最優化的網絡環境。1網絡系統性能分析與研究的現狀

隨著通信網絡系統的日益復雜，對網絡系統的性能分析都趨于使用一定的網絡分析技術。目前針對網絡系統的性能分析評價技術和方法有很多，而且越來越成熟。例如，對網絡系統的測試工具最典型、最重要的一種就是網絡協議分析儀。網絡協議分析儀一般有專用的硬件設備和專門的軟件。這類協議分析儀典型的功能是數據包的捕捉、協議的解碼、統計分析和流量的產生，用協議分析儀我們可以捕捉網上的實際流量、提取流量的特征，在此基礎上對網絡系統的流量進行模型化和特征化。

但網絡測試是一項技術難度很高的工作，它主要包括有測試方法、測試工具、測試經驗等。目前我國網絡測試還處于起步階段，各個方面與國外的差距都比較大，從網絡設備測試到網絡系統測試都相當薄弱。不過，現在從網絡產品生產廠家、系統集成商、網絡服務供應商直到終端用戶都開始越來越重視網絡測試，與此同時，學術界也逐漸重視對網絡測試技術的研究，中國計算機學會容錯計算專業委員會在1999年專門成立了通信網絡學組，中國科學院計算所也在1999年初建立了網絡測試實驗室，專門從事網絡測試理論和關鍵技術的研究工作,為包括網絡規劃設計的模擬與仿真、網絡系統的測試與評價、網絡流量的模型化和特征化、網絡協議的分析和測試、網絡產品的測試與評價等多種不同的網絡測試目標提供先進的測試手段、技術支特和測試服務。

科學、系統、嚴格的分析評價是保證網絡設備和網絡系統高性能、高可靠性、高實用性的基本手段，測試能力代表著技術水準和整體實力。目前在國內非常急需發展一個領域，建立相應的測試環境，加速培養相關的測試人才，努力縮短與發達國家的差距，以適應國際信息網絡迅速發展的需要。

2網絡系統性能分析與研究的指標

所謂網絡系統的性能分析評價，是對制定的一個網絡系統或一類網絡系統求出其性能指標的方法。例如，網絡安全設備是網絡的一個組成部分，對其性能的分析評價完全可以參照對網絡的性能分析評價方法來進行，所以在進行網絡系統性能分析與研究時，要將網絡合可分，分可合。

一般評價一個網絡系統性能好壞的技術包括吞吐量、報文平均延遲時間、系統的平均響應時間、系統的報文平均隊長、最大工作站數、網絡吞吐量的最大距離和可靠性等。從應用系統的設計和網絡系統的維護、管理角度來看，用戶關心的技術指標是：網絡吞吐率（S）、介質利用率（U）和延遲時間（D）。

網絡吞吐率（S）（有時也稱吞吐量）是指單位時間內通信信道的信息量，或一定時間內某臺計算機或設備所能完成的通信總量，亦稱通過量。這是一個廣義的解釋，實際上在不同的應用場合，吞吐量的計算方法和具體含義不盡一致。

介質利用率（U）表示信道傳送信息的時間與信道總可用時間之比。這里的時間不包括傳輸沖突、調節周期等各種形式的花費。

延遲時間（D）是指網絡發收的一個完整報文或一段信息的時間，即特指某個報文的延遲。一般網絡的延遲都是指其統計平均值，這個值隨網絡系統的負載變化而變化，而延遲對負載率的變化可以說明某個網絡延遲性能的好壞。

但在討論和評價網絡系統性能好壞時最重要的兩個技術指標應該是網絡吞吐量和延遲時間。3網絡系統性能分析與研究的一般方法

性能分析評價方法有多種，包括物理模型法、理論分析法、程序模擬法、綜合分析法等等，下面就引入數學研究思想介紹幾種分析評價方法：

3.1數學解析法

解析法是一種在于公式的通信系統性能評價技術方法。主要是運用數理、排隊論等數學工具來研究網絡的性能，并把各種性能指標歸納為一個個公式，通過這些公式來求網絡的各項性能指標。比如，通常資源的平均占用時間和用戶使用的頻次用來計算網絡的負載，預期性能的度量標準可由網絡負載和模型迅速地計算出來。

解析模型的最大優點是速度快，能得到性能參數的公式解，它可在性能參數和系統輸入參數間建立起明晰關系，從而有助于更深入地了解系統的特性。

有多種數學工具可以幫助建立模型進行必要的分析研究，比如排隊論、Petri網的運用等。

3.1.1基于排隊論的建模分析法

排隊論的建模方法在研究一個系統對一群體提供某種服務時很有用，在實際建模中，可以對網絡負載的性質及網絡的運行做了一系列假定后，對系統進行很多的簡化。用解析法分析網絡大多基于獨立性假設條件，各個節點的工作都是獨立的，互不相關的，報文的到達時間和報文長度也是不相關的。解析法適用于具有單級排隊系統的網絡，可以進行一些靜態的分析，如果對于復雜的、隊列比較多且隊列之間交互比較復雜的網絡來說，用解析法來分析網絡并得出公式比較復雜。

3.1.2基于Petri網的建模分析法

Petri網是一種系統模擬與系統分析的有力工具，它可以比較方便地描述和研究具有異步、并行、頻率和具有非確定性信息的系統。隨機Petri網是在保留了基本Petri網模型結構和表示方法的基礎上，通過引入時間的概念而逐步發展起來的，其目標是將形式化的描述、正確性驗證和性能評價集成起來，是計算機網絡性能評價中具有吸引力和改進性的數學工具。

3.2模擬仿真法

網絡仿真就是編制一個程序對所要研究網絡的全部或部分行為進行仿真，然后運行該程序，在程序的運行過程中采集數據，最后對該程序的運行結果進行統計分析，但對于網絡仿真，如果對所研究的網絡系統行為有一個詳細的仿真，那將會得到一個比用分析法更為精確的數值，而且網絡仿真可以檢測到不同的因素對性能的影響。當然，和現實相比仍會有一定的誤差，更何況網絡仿真是通過模擬網絡系統的行為來評價性能的，因此，可以評價網絡系統的瞬間行為。但仿真方法的計算量太大，沒有解析法簡單明了，如果仿真模型不正確，那么得出的結果和現實將大相徑庭。在分析研究網絡系統性能上使用模擬仿真法，首要的是必須對仿真模型進行仔細的推理和驗證，確定是完全正確后方能繼續進行分析。

3.3測試監控法

所謂測試監控法就是直接對實際運行中的網絡系統的各種性能指標或與之相關的量進行直接的測試，從而對網絡系統的性能進行評價的方法。為了使測試值具有代表性，可以選擇網絡系統在比較接近條件的正常運行期間進行測試，例如要測試定重負載條件下的性能，就應該選擇在每天網絡使用最繁忙的時間內進行測試。

在測試監控過程，要注意以下幾點：

（1）必須根據研究的目的決定要測試的參數設置；

（2）選擇合適的測試方式和工具。測試的方式有兩種:一種稱為采樣方式或外驅動方式，每個一定時間間隔△t，就對網絡的一些參數進行一次測試；另一種稱為事件跟蹤方式或內驅動方式,就是先規定一些事件，以后每當網絡中出現這些事件時就進行一次測試。常用的測試工具又可分為硬件測試工具、軟件測試工具以及混合型測試工具。選擇測試工具時要注意工具本身的干擾性，因為用測試工具去測試系統時，一般會給系統的運行帶來影響，造成系統性能的下降和測試結果的不精確，這一點對于軟件測試工具特別重要。

（3）整個測試工作的實驗設計、數據收集和處理方案以及整個工作所需經費的估計。如果測試結果能真正反映系統的真實情況，實現的實驗設計和事后的數據處理以及解釋都將非常重要。

測試監控法是在網絡建立好之后才可以進行，絕大多數情況下，這不是一種切實可行的方法，因為有的網絡太大、花費昂貴，不可能先建立起網絡再確定其性能。

以上幾種網絡系統性能分析研究方法都具有客觀性和實用性，有很強的應用價值,但網絡系統性能評價是一個大工程，需要在實踐中不斷進行補充和改進。

參考文獻

1何誠等．計算機局部網絡結構與性能分析［M］．北京：中國科學技術出版社，1989

2［美］J·L·哈蒙德等著．鐘嘉強譯.計算機局域網性能分析［M］．北京：人民郵電出版社，1991

3袁崇義．Petri網原理［M］．北京：電子工業出版社，1998