CN100361438C

CN100361438C - 用于数据网的性能分析的方法和设备

Info

Publication number: CN100361438C
Application number: CNB008166722A
Authority: CN
Inventors: A·-S·斯莫格拉夫
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: DE10085248T1; AU1742501A; US6615261B1; CN1408155A; NO315100B1; WO2001041361A1; NO995974D0; NO995974L

Abstract

本发明涉及用于数据网的性能分析的方法，其中数据是从各个网络单元在异步采样时间间隔作为测量样本被收集的，并且将该数据存储在性能数据库。所述数据库由性能本地代理保持，它把收集的数据存储在数据库，根据来自客户的请求从数据库检索数据，对数据进行处理，以及将数据提供给客户观看。按照本发明，测量样本通过内插进行归一化，以便将其作为在完全相同的采样时间采样的样本呈现。

Description

用于数据网的性能分析的方法和设备

技术领域

本发明涉及数据网性能分析。

技术背景

引言

为了监督网络性能，网络管理者需要监视网络的虚拟参量。他需要知道在任何时间网络的任何部分是否拥塞，或在最近的将来是否要对一部分网络中的业务增长采取必要的行动，以便增加容量，重新构建网络或修改路由，从而避免网络运行中将来的扰乱。如果部分网络容量是被过分供应的，则他希望减小某个链路的容量，以便降低网络运营成本。

性能数据可被使用来检测在网络运行期间发生的问题，或检测网络中的趋势，以使得在问题发展之前采取正确的行动。

从网络收集的数据可由运营商以人工方式利用，或者由报告产生器和相关工具利用，并且甚至可以由这样的系统自动利用，该系统通过有效地进行重新配置以解决检测到的问题，从而能够自动对网络中的异常现象作出响应。

问题的范围

网络单元维护着一些可被用来获取在网络中的特定点的业务情况、误码率等等。这样的计数器的数值可以以各种方式被检索，这要取决于网络单元的能力以及它支持的管理功能(协议)的种类。

最普通的数据通信管理协议是SNMP(简单网络管理协议)。这个协议支持以询问/回答方式从网络单元检索特定的数据目标。其它可替换的协议是FTP或Telnet(远程通信网)。

常常希望把数学函数应用到从网络单元中检到的数据目标上，或以某种方式比较这些数据目标的数值。这只是在参加计算(或比较)的数值是同时被采样时才是有意义的。

作为这样计算的一个例子，假设我们对于特定的半双工接口从网络单元检索目标ifOutOctets(在接口处发送的八位位组的数目)、ifInOctets(在接口处接收的八位位组的数目)、和ifSpeed(接口传输速率，以每秒比特计)，以及我们希望计算带宽利用率(BU)作为业务(ifOutOctets+ifInOctets)与可提供的带宽(ifSpeed)的比值。

BU＝(ifOutOctets+ifInOctets)*8/ifSpeed

特别地，因为大量数据检索是通过使用询问/回答范例完成的，我们不能假设对于几个数据目标的样本能够同时从网络单元被检索。如果在以上的表示式中被用于ifOutOctets和ifInOctets的数值不是同时被采样，则结果会是很错误的。

为什么我们不能假设可以同时检索多个目标，这有几个原因。首先，这会导致数据检索群围绕在特定的时间范围。计算机可能没有这个能力以可接受的延时处理这么大的量的数据，以及网络业务的这些突发会导致业务延时，甚至网络拥塞。另一方面，网络单元需要实际上瞬时地应答所有的询问，它需要一个应当能被使用于网络单元主要任务(即转发数据)的足够量的处理功率。

我们实际上想要做的是规定在特定的时间、以特定的采样频率开始的测量。然而，通过这样做，我们将得到采样集群，业务大量测量将不可避免地被规定在一小时后的同一瞬间以同一个采样频率开始。所以，最好在某个合理的时间间隔内随机地开始测量。

由于不能同时读出和复位定时器(除非当这个功能由定时器硬件支持时)以及多个定时器是用软件仿真的，在每个周期内实际的测量时间间隔在时间上将偏移几分之一秒。

另一个必须解决的问题是，人们可能想要比较在不同的时间间隔采样的数据目标。

已知的解决方案

HP OpenView网络节点管理器是一种能以图形格式提供对网络的深入看法的网络管理工具。该工具揭露网络设备以及提供网络图。该图表示哪些设备和网络分段是健康的，以及哪些区域需要加以关注，例如，如果设备故障，则网络节点管理器就会去评估事件流和正确地指出故障的原因。网络节点管理器也包括SNMP数据收集器，它可被配置成在特定的时间间隔内从网络单元检索数据，以及提供用于浏览老的数据以及实时地浏览进入的数据的图形功用。

然而，据我们所知，HP Openview snmpcollect/xnmgraph并没有执行如本文件中描述的时间归一化。

国际专利申请WO 99/45468涉及用于监视IT基础结构(例如网络)的性能的系统。来自每个网络单元的测量值被存储在数据库。所谓的数据提取技术被使用来从被存储在数据库中的数据自动地产生系统的性能模型。分析的结果在它们被存储在数据库和被分配给从中得出它们的数据组的意义上被时间归一化。这意味着，历史结果可在以后被检索。在此，完全没有提到需要对来自各个不同的网络单元的样本进行时间归一化。

在美国专利5,561,769中，描述了保持网络节点中信息数据库的代理。该代理分析数据库中的数据，把结果呈现给客户。通过“封装处理过程”，使命令和数据在代理与管理器之间以SNMPv1进行输送。这个文件根本不涉及测量样本的时间归一化的问题。

在Hoogenbom T.等的“Computer Systems Performance ProblemDetection Using Time Series Models(通过使用时间序列模型的计算机系统性能问题检测)”，PROCEEDINGS OF THE USENIX SUMMER1993，21-25 June 1993，pp.1-15，描述一种通过使用时间序列检测计算机系统中的问题的系统。时间序列被使用来找到代表计算机系统的正常性能的门限值。如果业务测量值超过这个门限值，则系统被看作为处于异常条件。它描述内插技术对于专家系统收集的业务数据的使用。然而，所述内插技术没有被用于业务数据中测量样本的时间归一化。

Oetiker T：“MRTG-The Multi Router Traffic Grapher(多路由器业务自动记录器)”PROCEEDINGS OF THE TWELTH SYSTEMSADMINISTRATION CONFERENCE(LISA′98)，6-11 December 1998，pp.141-147，Boston，MA，描述了一种循环数据库，它连同工具一起被使用来收集来自网络的数据，以便给出平均网络使用的概况。在这个系统中，当数据被存储在数据库中之前，可通过线性内插来将数据进行时间归一化。这将在基本数据中引入近似(误差)，它阻止用户接入所收集的(原始的、无错误的)数据。在这个文件中描述的数据重新采样处理过程将排除通过随机附加采样收集来自网络的数据的现代方法。

发明内容

本文件中给出的基本想法是使用线性内插来计算任意时间的测量值，而与测量开始的时间以及采样频率无关。这个处理过程是我们所谓的时间归一化。这是通过按照所附的权利要求1的用于数据网络性能分析的方法而达到的。

我们给出一组计算阶段和技术，把从网络收集的适合于进一步分析的性能数据或从网络收集的数据中计算得出的数据提供给性能分析工具。这是在按照所附的权利要求6的工具中达到的。

附图说明

现在参照附图进一步描述本发明，其中：

图1显示本发明中使用的数据收集和分析处理过程。

图2显示在数据收集系统中使用的性能本地代理的分层。

图3是显示计数器卷绕和相应的作为测量样本之间的差值计算的测量值的图。

图4显示在采样时间间隔期间成为未检测的多个卷绕(Wrap-around)。

图5显示未检测的循环的另一个例子。

图6显示采样时间间隔的归一化。

图7是显示在采样时间与归一化的采样时间之间的关系的时间序列。

图8是按照本发明的处理过程。

具体实施方式

图1显示数据收集和分析处理过程。数据是通过使用适当的方法从网络收集的，这取决于网络单元能力或优选的收集方法。所述网络单元包括用来计数误码率的事件计数器，和/或用来测量瞬时资源使用的计量仪器。收集的样本被存储在性能数据库(PDB)，以用于进一步检索。在性能系统客户中间，我们将能找到从简单的图形工具到能够生成关于网络健康的报表的复杂的分析软件的范围内的各种工具，或甚至将能在没有操作员交互作用的情形下采取正确的行动。

导出目标

导出目标是其数值被规定为从网络单元收集的真实目标的数学函数。

导出目标将被规定为在网络单元型配置文件中的所有其它目标。需要被包括在导出目标定义中的信息是：

·导出目标的名称

·导出目标的说明

·单位，例如“％”

·数学表示式

从外部看来，导出目标应当呈现为正好是像一个真实的目标，即，在网络单元上可提供的目标。

为了简化描述导出目标的表示式的分析和解释，我们建议使用算术后缀表示法。通过使用一个从MIB2接口组中取出的目标的示例的表示式，

\frac{ifOutOctets * 8}{ifSpeed} * 100,

所述后缀表示式将是：

ifOutOctets 8*ifSpeed/100*

ifOutOctets 8 100 ifSpeed/**

使用后缀表示法的优点在于，其结合性是隐含的，语法可以由LL(1)分析程序分析。算法包含把所有的符号推入堆栈，直至遇到操作员为止，此后，两个运算数从堆栈中弹出，于是计算出结果，然后把它推回堆栈。算法重复进行直至分析程序把表示式串都运行完毕，或者直至堆栈是空的为止。如果二者同时出现，则该表示式是正确的。

不方便性在于，该表示式对于未经训练的人们不是直观明显的。

性能本地代理(PLA)

PLA是数据收集系统的外部接口。PLA的任务是把新的工作存储在性能数据库(PDB)中，以及检索来自客户的请求的数据。数据库接入是通过PDB接口(PDBI)完成的。

除了只检索来自PDB的数据和把它传递到提出请求的客户以外，PLA也能够完成数据的附加处理。因此PLA能够检索导出目标的数值，通过内插在PDB中的样本数据而计算在精确的时间间隔的目标的数值，由此，提供数据的抽象的概况给客户。

为了比较起见，客户必须能够检索在精确地相同的时间采样的一对数据目标的数值。另外，为了计算导出目标，必须得到在精确地相同的时间采样的、参与导出目标表示式的目标的数值。

因为我们不相信有可能得到在精确地相同的时间的测量目标的样本，所以我们必须对样本数据执行某些计算，以便来计算我们需要样本在精确的时间的中间的数值。

另一个相关的问题是，我们在收集时感兴趣的大量目标是计数器。我们规定计数器为这样一种寄存器，它的数值单调地增加，直至该寄存器溢出为止，在这种情形下，它被复位到零加上溢值，这与给出某个参量的瞬时值的计量仪器(例如，CPU负荷)相反。对于某些数据，性能数据收集器可以使用一个外部数据收集器来进行数据收集工作本身，以及只分析随后被存储在PDB的收集的数据。在这种情形下，外部数据收集器负责处理寄存器的卷绕，以及所报告的数值是两个接着发生的样本之间的差值。

性能管理器必须处理未由外部收集器收集的数据，如果在某个点必须执行上述的功能(即差值计算)的话。

计算可以实时地进行，即，在数据实际上从网络单元接收的时间时进行，并且计算的数据连同真实目标数值一起被存储在数据库，但这可能对执行数据收集的系统的容量有严重的影响，以及将增加数据库事务处理速率。导出目标的数值的计算也取决于一些真实目标数值，这些数值必须在计算导出目标数值之前在时间上被归一化。

所以，最佳解决方案是在一个客户应用正在请求数据的时候进行计算。

无论如何，性能管理器将需要知道如何按照它们是计数器数据还是计量值来处理数据。

呈现层

PLA呈现层的任务是把相对于时间被归一化的测量值传递到以上的层。

测量的样本是从网络单元检索到的寄存器的内容，它不用由性能管理系统进一步处理，这与一个作为对相应的测量样本施加某种功能而得到的结果的测量值不同。

时间归一化处理过程包含在特定的时间(通常由起始时间和增量值来规定)计算性能参量的测量值。

符号表示法

我们把采样时间(即样本被收集的时间)表示为t₁(对于i≥0)，以及把归一化的时间表示为T_i＝T₀+i*□T(对于i＞0)。

对于在时间t的测量样本的数值，我们将使用符号s(t)和v(t)(对于相应的测量值)。

计算测量值

在图3上，第一个图形显示计数器的进展情况(evolution)，包括在时间t₁与时间t₂之间的卷绕。第二个图形显示通过计算测量样本之间的差值确定的相应的测量值。

在大多数情形下，测量值可被表示为v(t_i)＝s(t_i)-s(t_i-1)，对于i＞0。然而，如果计数器卷绕被检测(通过s(t_i)＜s(t_i-1)的事实)，则必须计算v(t_i)＝s_max+s(t_i-1)-s(t_i)+1，其中s_max是计数器可包含的最大整数。

在采样时间间隔期间多次计数器卷绕的情形下，如图4所示，计算将产生错误的数值。不幸地这是无法避免的，因为无法告知在采样时间间隔期间计数器被卷绕多少次。

可能出现的另一个异常现象是在卷绕后计数器的快速增长，如图5所示。在这种情形下，我们将完全不能检测任何卷绕，以及计算的数值将显著地小于真实值。

克服这两个问题的唯一的方法是在合理的极限范围内提高采样频率，或增加网络单元中寄存器的数目。

测量时间间隔的归一化

如前所述，特别是在导出目标计算的情形下，我们需要在精确的时间下传递数值。为了达到这一点，我们将假设计数器的增长在采样时间间隔内是线性的。

在图6上，v(T₃)是由平均值和采样时间界定的区域的和值。

令t_k，k∈[0，→＞是采样时间，以及T_k，k∈[0，→＞是归一化采样时间。假设t_i是在T_j-1后的第一采样时间，以及t_n是在T_j后的第一采样时间，如图7所示。

在时间T_j的测量值可被表示为：

v (T_{j}) = \frac{v (t_{i}) * (t_{i} - T_{j - 1})}{t_{i} - t_{i + 1}} + Σ_{k = i + 1}^{n - 1} v (t_{k}) + \frac{v (t_{n}) * (T_{j} - t_{n - 1})}{t_{n} - t_{n - 1}}

在采样时间间隔＜t_i-1，t_i]期间，平均测量值是v(t_i)与时间间隔长度的比值。通过把这个平均值与消逝的时间相乘，我们得到在该时间间隔内两个中间的时间之间的累积值。

计算层

计算层的作用是从呈现层检索需要的数据，如果必要的话(即，如果请求的目标是导出目标的话)，对这些数据执行适当的计算，以及返回用于请求的目标的数据。

如果请求的目标是导出目标，则计算层必须请求出现在导出目标公式中的每个真实测量目标的归一化的测量值，把这个公式应用到数据，以及返回最后结果的数据组。

否则，计算层从呈现层中检索对于请求的测量目标的数值。不需要时间归一化，因为时间归一化的主要目的是得到对不同目标的、可比较的测量值。

优点

·收集的样本的时间归一化，使得当数据没有被同时收集或在不同的时间间隔内被收集时，能够通过人工地分析数据的图形表示或通过性能分析工具来进行性能数据值的比较和相关。

·我们提供规定导出目标的可能性并且把它们的数值透明地提供给客户，正好像它们是(从网络单元收集的)真实目标那样。

结论

我们给出了用于把从网络单元收集的数据目标以及所谓的导出目标呈现给性能分析和报告工具的整个框架结构。我们具体地解决了传递在实际上精确的时间上采样的数据的问题，其中所述时间是由第一样本的时间和固定的采样频率确定的，从而将瞬时网络图象提供给进一步的处理阶段。虽然这是一个其精确度取决于采样频率的近似情况，但它是在给定用来从网络单元收集样本的技术的情况下我们可得到的最好结果。

施加到处理过程的输入是在一个时间间隔内的一个或多个样本流；按时间次序，对于从网络单元收集的每个数据目标具有一个样本流。每个样本流然后由呈现层处理，其输出是一个与输入相同的样本流，但是其中流动的数据已被重新安排，以使得每个数据流具有在特定的时间内以特定的频率并且仍旧按时间次序的一个数据点，如图8所示。

处理过程的最后阶段包含导出目标的计算，该计算导致产生单个数据流。

处理过程的结果可被使用来生成人们可读的报告，以便用于网络规划或故障维修、正确确定网络容量的大小、分析和监视服务级别协定(SLA)、选择基于业务的路由、以及对网络中错误条件的自动校正。

Claims

1.用于数据网的性能分析的方法，其中数据是从各个网络单元在异步采样时间间隔作为测量样本v(t)被收集的，该数据被存储在性能数据库中，其中，由性能本地代理维护所述数据库，该性能本地代理将收集的数据存储在该数据库中，根据客户的请求从该数据库中检索数据，将所述测量样本v(t)归一化从而表现为在精确地相同的时间采样的归一化的测量值v(T)，将该数据处理成为能指示该网络性能的值，以及向客户提供最终得到的性能数值的概况，而且其中所述测量样本按照统计估值或线性内插方法进行归一化，以及其中采样的测量值v(t)按照下式被归一化：

v (T_{j}) = \frac{v (t_{i}) * (t_{i} - T_{j - 1})}{t_{i} - t_{i + 1}} + Σ_{k = i + 1}^{n - 1} v (t_{k}) + \frac{v (t_{n}) * (T_{j} - t_{n - 1})}{t_{n} - t_{n - 1}}

其中t_k表示实际的采样时间，T_k表示归一化的采样时间，k∈[0，→＞，T_j是取一个测量值的时间，t_i是T_j-1之后的第一个采样时间，而t_n是T_j之后的第一个采样时间。

2.权利要求1中要求的方法，

其中，所述网络单元包括用来对网络单元中的业务或误码率进行计数的事件计数器，和用来测量瞬时资源使用的计量仪器。

3.权利要求2中要求的方法，

其中，所述测量样本是通过使用SNMP(简单网络管理协议)、FTP或Telnet从每个网络单元被检索的。

4.用于数据网的性能分析的设备，其中数据是从各个网络单元在异步采样时间间隔作为测量样本被收集的，该数据被存储在性能数据库中，其中，由性能本地代理维护所述数据库，该性能本地代理包括性能数据库的接口、呈现层和计算层，所述性能本地代理用来通过所述性能数据库接口存储和检索所述数据库中的数据以用于呈现给客户，其中所述数据是对于每个单元作为测量样本流被检索的，在所述呈现层中把所述测量样本流进行时间归一化，使其成为相应的同步样本流，并且所述计算层用来从所述同步样本流计算所导出的目标的数值，以及把其结果作为单个数值流输出，该目标指示在网络中的运行条件以及向客户提供目标的概况，并且其中按照统计估值或线性内插方法对所述测量值v(t)进行归一化，以及其中所述样本v(t)按照下式被归一化：

v (T_{j}) = \frac{v (t_{i}) * (t_{i} - T_{j - 1})}{t_{i} - t_{i + 1}} + Σ_{k = i + 1}^{n - 1} v (t_{k}) + \frac{v (t_{n}) * (T_{j} - t_{n - 1})}{t_{n} - t_{n - 1}}

5.权利要求4中要求的设备，其中所述网络单元包括用来对网络单元中的业务或误码率进行计数的事件计数器，和用来测量瞬时资源使用的计量仪器。

6.权利要求5中要求的设备，其中样本是通过使用SNMP(简单网络管理协议)、FTP或Telnet从每个网络单元被检索的。