为提升大规模网络的整体运行性能，对网络的运行质量需要进行有效的测量，可以使用大量的分布式探针来监测网络各个节点的数据。主流的网络测量标准分为主动式和被动式测量。为了监测大规模网络的性能，单点测量所关注的数据远远不够，往往需要在网络的关键节点处部署探针进行多点测量。树莓派功能强大、设备小巧、可整合丰富的Linux类软件，可以方便的在节点作为探针发起主动的TCP\UDP网络性能测试。使用树莓派网络探针可以测量内容包括吞吐量、延迟、丢包率，并作网络可靠性、稳定性、 可达性等方面的分析，保障网络服务质量。树莓派网络探针的网络性能测量指标主要关注如下内容：

    （1）可用性（Availability）

    通过采用ICMP协议发送测试包测试样本测试点是否可达，根据ICMP测试的回显数据分析，从而监测网络的可用性。通过ICMP测试时，可以根据需要发送包的数量和包的大小。

    （2）网络时延（Network Delay）

     监测端到端的网络时延是监测网络质量的一个重要指标，可以综合监测数据包的正向时延、反向时延、往返时延来分析评估。

    （3）丢包率（Packet Loss Rate）

    网络丢包率是数据包丢失部分与所传数据包总数的比值。正常传输时网络丢包率应该控制在一定范围内。丢包率与数据包长度以及包发送频率相关。通常情况下，千兆网络丢包率应小于万分之五；百兆网络丢包率应小于万分之一。

    （4）网络吞吐量（Network Throughput）

网络吞吐量是指在某个时刻，在网络中的端到端之间，实际可用的有效带宽。网络吞吐量非常依赖于当前的网络负载情况，必须综合多个情况的综合吞吐量测试，才能测量出相对准确的网络吞吐量。

   （5）网络抖动（Jitter）

    网络抖动用于描述包在网络中的传输延时的变化，抖动越小，说明网络质量越稳定越好。抖动是评价一个网络性能好坏的较为重要的因素。

       为了综合的测得网络整体的性能指标需要，需要采用易于部署的测试设备分布在网络的各个节点进行测量，从而整体的监测全网数据，树莓派是成熟的嵌入式ARM开发平台，适合承担这个任务。

2树莓派及其开发环境

树莓派Raspberry PI是一个采用ARM架构的开放式嵌入式系统，外形小巧，却具有强大的系统功能和接口资源。它是以ARM11处理器为核心的单板计算机，拥有256MB、 512MB甚至1G的内存，具有USB接口、快速以太网接口、SD插槽、HDMI输出接口。树莓派小巧玲珑，能提供 1080p 全高清影像输出。在搭载基于ARM的Debian和Arch等Linux的发行版后，便可使用大量现有的软件库，使用大量的开源软件，也便于实行开发扩展。

树莓派支持多种语言进行应用开发，包括C语言和Python脚本等。树莓派预装了Python运行环境，由于Python语言的简单易用，使得Python开发在树莓派上非常流行。Python是一门解释型语言，这意味着代码运行前不需要编译，即程序直接执行而不需要编译为机器语言，Python用在树莓派上进行编程开发就非常方便。Python语言发展多年，有着成熟而广泛的开发者社区，使得树莓派上的Python开发者具备了强大的社区支持。

3 Netperf网络测量

       Netperf是著名的网络性能测试工具，支持测试TCP和UDP应用的网络性能。Netperf工具以客户机/服务器（client/server）模式工作。Netperf服务器端运行netserver守护进程，用来侦听来自Netperf客户端的连接。Netperf客户端向Netperf服务器端发起各种模式的网络测试。客户端发起测试后，首先和服务器端建立一个控制连接，初始化连接的网络测试基本信息。初始化控制连接成功后，Netperf客户端向Netperf服务器端之间会再建立一个具体的网络性能测试连接，进行预设置测试流量模式的测试网络数据数据传输，以测试网络的性能并返回测试结果的各项信息。Netperf可以模拟Client/Server长连接或短连接场景，因此能更接近实际网络的使用环境进行测试和评估

       Netperf根据应用的不同，可以进行不同模式的网络性能测试，即批量数据传输（bulk data transfer）模式和请求/应答（request/reponse）模式。

Netperf支持如下模式的TCP流量性能测试：

（1）单个TCP连接，批量传输大量单TCP连接；

（2）单个TCP连接，客户端请求/服务器应答的TCP连接；

（3）多个TCP连接，每个连接支持请求/应答处理。

Netperf支持如下模式的UDP流量测试：

（1）UDP客户端/服务器模式的单向批量传输；

（2）请求/应答模式的UDP处理。

     在进行Netperf网络测试，可以设置基本的TCP_STREAM和UDP_STREAM模式的网络流进行测试，也可以设置TCP_RR、TCP_CRR、UDP_RR的请求\应答网络流来进行测试。TCP_RR方式的支持多次同一TCP连接的TCP request和response的交互测试，各类数据库应用场景基本是这个模式，可以基于这种模式对数据库类TCP应用进行网络性能测试。TCP_CRR方式的支持多次新建TCP连接的TCP request和response的交互测试，各类无会话的TCP应用场景基本是这个模式，可以基于这种模式对无须会话保持的TCP应用（比如HTTP应用）进行网络性能测试。

4基于树莓派的网络探针

       在树莓派上安装Netperf作为网络探针测试各个节点的网络性能，是一个较为便捷且方便的解决方案。在树莓派的Raspian系统上安装Netperf客户端，并执行Netperf客户端向专门部署的Netperf服务器发起测试，并检测综合测试的网络性能数据。

       安装Raspian操作系统，在网站http://raspbian.org下载基于Debian的Raspian系统发行版压缩包。将压缩包解压缩后得到的映像文件，通过镜像写入工具Win32DiskImager将映像文件写入树莓派的SD卡。镜像写入成功后，将SD卡插入到树莓派的SD 卡插槽中，加电启动。第一次启动树莓派，要对进Raspian操作系统进行必要的配置。

（1）在树莓派下安装Netperf：

可以到Netperf官网（ftp://ftp.netperf.org/netperf/）下载当前最新版的netperf-2.7.0.tar.gz手动编译安装，或者直接通过Raspian软件库安装。

通过SSH客户端工具登录树莓派后，执行如下步骤通过Raspian软件库安装完成Netperf客户端的安装：

sudo apt-get update

sudo apt-get install netperf

（2）使用树莓派作为网络探针测试网络性能：

       以下测试使用8字节的请求包/512字节的应答包进行模拟测试。使用测试参数-r设置请求包大小\应答包大小参数来进行测试。

       测试截图如图1所示

图1树莓派TCP_RR测试

    以下测试模拟大量新建连接的TCP测试，树莓派模拟客户端向目标TCP服务器发起大量的TCP新建连接请求，具体测试结果如图2所示：

图2树莓派TCP_CRR测试

5结语

       树莓派是一个优秀的ARM嵌入式平台，基于树莓派灵活的体系架构可方便灵活的部署网络测试软件，树莓派和功能强大的Netperf网络测试工具结合后，就可以灵活方便的在网络节点中部署网络探针监测网络性能，有助于大规模网络提升网络运行质量。

参考文献

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[2]徐武平,晏蒲柳,夏德麟,等.主动网络中基于多代理系统的流量均衡[J].计算机应用研究, 2005( 5):227232.

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[4]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[J].北京:清华大学出版社, 2005.

[5]汪鑫,彭丽薇.基于树莓派的网络监控系统的研究与发现[J]. Silicon Valley,2014,14(5):23－26.

作者简介

解攀科（1981-） 男  华中师范大学 工程师 研究方向：物联网，教育信息化和数字化学习

郭伟秀（1980-） 女  华中师范大学一附中 工程师  研究方向：数字化学习