如何从trace文件分析网络性能[精华]

如何从trace文件分析网络性能

    网络上有不少awk程序是讲如何分析网络性能的（主要是时延，吞吐量，丢包率和时延抖动），但是都没有详细的说明，我在此作一些示例，添加了一些必要的说明注释。
以下的内容是针对NS2仿真的结果trace文件进行网络性能分析，看本篇前需要先行了解的的内容有：awk语言的基础，包括语法和结构等；在Linux下如何使用xgraph和gnuplot。
因为只是想简单介绍如何用gwak和xgraph/gnuplot处理trace文件得出分析结果，所以并没有写专门的tcl脚本，分析用的tcl脚本和trace文件是一个三节点的无线网络的例子，随篇附后。
本篇主要想介绍如何得到网络的数据传输延迟（delay）、丢包率（drop）、延时抖动（Jitter）和网络的吞吐量（throughtput），下文的四个awk程序所使用的模型主要来自《網路模擬軟體NS2來做網路效能分析需看的文章》一文，除了第四个外程序没有做很大的改动，只是对封包的处理有所不同，同时第一个程序增加了比较详细的注释，方便初学者学习。因为只是想抛砖引玉，所以分析用的数学模型没有刻意去研究，有待大家一起讨论。
一，延时分析。包的延时就是指包的接收时间与包的发送时间差。下面给出awk程序，相关的说明看程序里面的注释。
#BEGIN表明这是程序开头执行的一段语句，且只执行一次。
BEGIN {
        #程序初始化，设定一变量以记录目前处理的封包的最大ID号码。在awk环境下变量的使用不需要声明，直接赋值。
       highest_uid = 0;
}
#下面大括号里面的内容会针对要进行处理的记录（也就是我们的trace文件）的每一行都重复执行一次
{
       event = $1;     #$1表示一行的第一栏，是事件的动作。每一栏默认是以空格分隔的。下同。
       time = $2;       #事件发生的时间
       node_nb = $3;        #发生事件的节点号（但是两边夹着“_”，下面一句代码将“_”处理掉）
       node_nb=substr(node_nb,2,1);     #第三栏的内容是形如_0_的节点号码，我只要得出中间的节点号码0，所以要对字符串_0_进行处理。
       trace_type = $4;     #trace文件跟踪事件的层次（指在路由层或mac层等等）
       flag = $5;              #
       uid = $6;        #包的uid号码（普通包头的uid）
       pkt_type = $7;              #包的类型（是信令或是数据）
       pkt_size = $8;       #包的大小（byte）

         #下面的代码记录目前最高的CBR流的packet ID，本来的延迟分析是针对所有的包的（包括信令），这里作了简化，只针对CBR封包，以后大家做延时分析可以做相应的改动即可。
       if ( event=="s" && node_nb==0 && pkt_type=="cbr" && uid > highest_uid )
       {#if判断句的前三个判断条件就不说了，第四个是说每个包的记录次数不超过1
              highest_uid = uid;
       }
       #记录封包的传送时间
       if ( event=="s" && node_nb==0 && pkt_type=="cbr" && uid==highest_uid )
              start_time[uid] = time;    # start_time[]表明这是一个数组

    #记录封包的接收时间
       if ( event=="r" && node_nb ==2 && pkt_type=="cbr" && uid==highest_uid )
              end_time[uid] = time;
}
#END表明这是程序结束前执行的语句，也只执行一次
END {
       #当每行资料都读取完毕后，开始计算有效封包的端到端延迟时间。
       for ( packet_id = 0; packet_id <= highest_uid; packet_id++ )
       {
              start = start_time[packet_id];
              end = end_time[packet_id];
              packet_duration = end - start;
              #只把接收时间大于传送时间的记录打印出来
              if ( start < end ) printf("%d %f\n", packet_id, packet_duration);
       }     
}
       要注意的是上面的awk程序只是在一个层上进行处理的（我是用的mac层），在生成trace文件时把其他层关闭，只留一个层，否则判断条件要多加一个层的判断。下面的其他三个程序也是一样的。
程序写好以后用一个文档保存为pkt_delay和trace文件放于同一文件夹下，然后在终端进入该文件夹，执行：
$：gwak –f delay trace > p
然后在文件p中就保存了两列数据：封包的序号和该封包的传送时间。

二，丢包率分析。
BEGIN {
         #程序初始化，设定变量记录传输以及被丢弃的包的数目
       fsDrops = 0;   #被丢弃的包的数目
       numfs0 = 0;   #0节点发送的CBR封包的数目
       numfs2 = 0;   #2节点接收的CBR封包的数目
}
{
       event = $1;
       time = $2;
       node_nb = $3;
       trace_type = $4;
       flag = $5;
       uid = $6
       pkt_type = $7;
       pkt_size = $8;

       node_nb=substr(node_nb,2,1);

       #统计节点0发送的CBR封包
       if (node_nb==0 && event== "s" && trace_type== "MAC" && pkt_type== "cbr")
              numfs0++;
       #统计节点2丢弃的CBR封包
       if (node_nb==2 && event== "r" && trace_type== "MAC" && pkt_type== "cbr")
              numfs2++;
}

END {
       average=0;   #average用于记录丢包率
       fsDrops = numfs0-numfs2;    #丢包数目
       average=fsDrops/numfs0;     #丢包率
       printf("number of packets sent:%d lost_rate:%d\n", numfs0, average);  #打印发送封包数目和丢包率
}
程序写好以后用一个文档保存为drop和trace文件放于同一文件夹下，然后在终端进入该文件夹，执行：
$：gwak –f drop trace > d
文件d中记录了两个数据：发送封包数目和丢包率。

三，延时抖动分析
在这里特别提一下，所用的延时抖动分析的模型是：（封包n2的延时－封包n1的延时）/（n2的包序号－n1的包序号）。
BEGIN {
        #程序初始化，设定一变量以记录目前处理过的最高封包序号。
       highest_uid = 0;
}
{
       event = $1;
       time = $2;
       node_nb = $3;
       node_nb=substr(node_nb,2,1);
       trace_type = $4;
       flag = $5;
       uid = $6
       pkt_type = $7;
       pkt_size = $8;

         #记录目前最高的CBR封包的ID
       if ( event=="s" && node_nb==0 && pkt_type=="cbr" && uid > highest_uid )
       {
              highest_uid = uid;
       }
       #记录CBR封包的发送时间
       if ( event=="s" && node_nb==0 && pkt_type=="cbr" && uid==highest_uid )
              start_time[uid] = time;

        #记录CBR封包的接收时间
       if ( event=="r" && node_nb ==2 && pkt_type=="cbr" && uid==highest_uid )
              end_time[uid] = time;
}

END {
        # 初始化抖动延时所需的变量
       last_seqno = 0;
       last_delay = 0;
       seqno_diff = 0;
        #当资料行全部读取后，开始计算有效封包的端到端延迟时间
       for ( packet_id = 0; packet_id <= highest_uid; packet_id++ )
       {
              start = start_time[packet_id];
              end = end_time[packet_id];
              packet_duration =end - start;
              #只把接收时间大于发送时间的记录列出来
              if ( start < end )
              {
                      # 得到了delay值(packet_duration)后计算jitter
                     seqno_diff = packet_id - last_seqno;
                     delay_diff = packet_duration - last_delay;
                     if (seqno_diff == 0)
                     {
                            jitter =0;
                     }
                     else
                     {
                            jitter = delay_diff/seqno_diff;
                     }
            #将有效封包序号以及延时抖动打印出来
                     printf("%d %f\n", packet_id, jitter);
                     last_seqno = packet_id;
                     last_delay = packet_duration;
              }
       }
}
程序写好以后用一个文档保存为jitter和trace文件放于同一文件夹下，然后在终端进入该文件夹，执行：
$：gwak –f jitter trace > j
文件j中记录了有效封包序号以及延时抖动的情况。

四，网络吞吐量分析
网络的吞吐量是网络性能的一个重要参数，是指在不丢包的情况下单位时间内通过的数据包数量，单位是字节每秒或比特每秒。计算其吞吐量是一件复杂的事情，这里的模型是从第一个包发送后，每个包都叠加累算。可能模型不够精准，只是大概的反映，目的只是想让大家了解如何写awk的网络吞吐量分析程序。大家切勿借用本模型在要发表的论文上做分析。
BEGIN {
       init=0;
       i=0;
}
{
       event = $1;
       time = $2;
       node_nb = $3;
       node_nb=substr(node_nb,2,1);
       trace_type = $4;
       flag = $5;
       uid = $6
       pkt_type = $7;
       pkt_size = $8;

       if(event=="r" && node_nb==2 && pkt_type=="cbr" )
       {
              pkt_byte_sum[i+1]=pkt_byte_sum+ pkt_size;
              if(init==0)
              {
                     start_time = time;
                     init = 1;
              }
              end_time = time;
              i = i+1;
       }
}
END {
          #为了画图方便，把第一笔记录的throughput设为零，以表示传输开始
       printf("%.2f\t%.2f\n", end_time[0], 0);
       for(j=1 ; j       {
              th = pkt_byte_sum[j] / (end_time[j] - start_time)*8/1000;
              printf("%.2f\t%.2f\n", end_time[j], th);
       }
          #看图方便，把最后一笔记录的throughput设置为零，以表示传输
       printf("%.2f\t%.2f\n", end_time[i-1], 0);
}
程序写好以后用一个文档保存为throughtput和trace文件放于同一文件夹下，然后在终端进入该文件夹，执行：
$：gwak –f throughtput trace > t
文件t中记录了包的接收时间以及吞吐量的情况。
接下来，就是对已经分析得到的结果用图描绘出来。可以用xgraph或者gnuplot。这种绘图工具可以将两列数据中的第一列作横轴，第二列作纵轴用曲线描绘出来。若把数据文件名保存为file，则用xgraph绘图的指令是$：xgraph file；用gnuplot绘图的指令是$：gnuplot，进入gnuplot环境后，可以设置标题，横轴和纵轴的label等：
>set title “titlename”
>set xlabel “xlabelname”
>set ylabel “ylabelname”
然后绘图：
    >plot “file” with lines（用连线方式，gnuplot有九种绘图方式）
下面用gnuplot描绘延时，延时抖动以及吞吐量的图形：
1，  包的延时：
>set title “pkt_delay-pkt_id”
>set xlabel “packet_id”
>set ylabel “packet_delay”
>plot “p” with lines

2，  延时抖动：
>set title “jitter-packet”
>set xlabel “packet_id”
>set ylabel “jitter”
>plot “j” with lines

3，  吞吐量：
>set title “throughtput-time”
>set xlabel “time”
>set ylabel “throughtput”
>plot “t” with lines
    最后需要说明的是：直接拷贝粘贴word文档内的awk程序编译时一般是通不过的，里面有很多空格键需要去掉，相关的格式对齐用Tab键，否则这些格式问题在Linux下会像小虫一样令你头痛不已。

前面有朋友是要用awk程序和gnuplot分析网络性能的，这是我整理修改的一片文章，希望能为大家提供参考。
trace文件就不上传了，传三个图片。