用戶行為合理度對校園網(wǎng)流量的影響及流量控制策略構(gòu)建

張 昕，馬 龍，劉建華

（西安郵電大學 信息中心，西安710121）

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，校園網(wǎng)所承載的業(yè)務(wù)也呈現(xiàn)多元化和復(fù)雜化.另一方面，由于資源、經(jīng)費等方面的限制，校園網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)接入帶寬有限，如何實施有效的流量控制策略，高效的利用互聯(lián)網(wǎng)接入帶寬，成為校園網(wǎng)日常運行維護管理中需要解決的問題.文獻［1］分析了校園網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用流量，實現(xiàn)了一個面向應(yīng)用的校園網(wǎng)流量管理與控制策略，提出通過對用戶行為進行規(guī)范來控制網(wǎng)絡(luò)流量的突發(fā)性，對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用資源按需分配、按需管理，以保障核心業(yè)務(wù)、優(yōu)化帶寬利用率.文獻［2］基于一種改進的K－means聚類算法，以校園網(wǎng)用戶的行為特征為對象進行聚類，為優(yōu)化用戶計費策略和合理的分配出口帶寬提供數(shù)據(jù)依據(jù)，提示通過流量計費策略的調(diào)整來達到調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)流量的目的.文獻［3］在一個中等規(guī)模的校園網(wǎng)絡(luò)上對用戶進行了分類，并進行了網(wǎng)絡(luò)流量控制策略的實施，提出對網(wǎng)絡(luò)長期流量數(shù)據(jù)進行挖掘分析，對網(wǎng)絡(luò)流控策略進行優(yōu)化.文獻［4］基于高性能流控設(shè)備在校園網(wǎng)中進行分級流量控制部署，通過不同區(qū)域不同策略的彈性管理控制，增強流量控制的應(yīng)用效果.在管理實踐中，網(wǎng)管人員基本都是憑經(jīng)驗進行流量控制策略的實施［5－6］，雖然在一定程度上能滿足需求，但其策略的合理性受主觀影響較大，缺乏客觀的依據(jù).文中通過對校園網(wǎng)各類用戶行為的分析，構(gòu)建用戶網(wǎng)絡(luò)使用合理度計算模型，建立多層合理度計算體系，通過計算各因素權(quán)重，最終得出用戶的業(yè)務(wù)使用合理度這一指標，并根據(jù)這一指標對用戶進行分級，以期有效實施相應(yīng)的流量控制策略.

1 行為合理度的基本模型

通過對網(wǎng)絡(luò)出口流量的分析，校園網(wǎng)流量在時間分布上有明顯的高峰和低谷期；流量產(chǎn)生的來源也因考察時間的不同表現(xiàn)為分別以辦公區(qū)、教學區(qū)與公寓區(qū)為主；從網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的角度考察，網(wǎng)絡(luò)流量主要由基于Web的業(yè)務(wù)、P2P業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲及視頻流量等構(gòu)成.

用戶行為主要是指用戶在使用網(wǎng)絡(luò)資源時所呈現(xiàn)出來的規(guī)律，可以用某些特征量的統(tǒng)計特征或特征量的關(guān)聯(lián)關(guān)系定量或定性的表示［7］.由于高校的開放性，其網(wǎng)絡(luò)用戶群體接納新鮮事物的能力都比較強，各種應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)使得用戶的行為日益多樣，相應(yīng)產(chǎn)生不同類型的網(wǎng)絡(luò)流量.伴隨著一些新奇應(yīng)用的使用出現(xiàn)了帶寬使用不合理、占用大量的網(wǎng)絡(luò)空間和網(wǎng)絡(luò)流量的現(xiàn)象，干擾了教學和科研工作的正常進行.從這一角度出發(fā)，文中用戶行為合理度是指根據(jù)用戶應(yīng)用行為與教學、科研和日常工作的關(guān)聯(lián)性，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量特征的表現(xiàn)對用戶的行為進行分析評價得到的量化結(jié)果.

根據(jù)對校園網(wǎng)絡(luò)流量特性及表現(xiàn)形式的分析，文 中 以 層 次 分 析 法［8］（Analytic Hierarchy Process，AHP）為指導，提出一種用戶行為合理度的評價模型，利用四層因素綜合地評價校園網(wǎng)用戶網(wǎng)絡(luò)行為的合理性.模型中各個層次的指標因素直接影響合理度計算結(jié)果，因此，指標因素的選擇不能單一，需要根據(jù)校園網(wǎng)的特性以及用戶的日常網(wǎng)絡(luò)行為活動過程來定義各層指標，根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境考慮用戶的行為特點和業(yè)務(wù)流量的構(gòu)成情況.同時，各層指標還要具有可測性，可以對其進行量化，方便計算.文中模型中總指標為合理度，第二層指標的選擇反映校園網(wǎng)流量的總體特性，可以概括為業(yè)務(wù)特性、時間特性及空間特性.

表1 四層合理度指標因素Tab.1Four layer factors of Reasonable degree

第三層指標則是對第二層指標進行展開，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的分類和呈現(xiàn)的特點，例如時間特性展開后的第三層指標為流量高峰期、流量低峰期等.第四層指標指明了用戶的具體行為，如用戶使用的是哪類業(yè)務(wù)、是否在高峰期下載電影等.這四層指標從宏觀表現(xiàn)到個體現(xiàn)象對校園網(wǎng)中用戶的行為進行了描述，根據(jù)這些指標，能夠分析計算出用戶是否在合適的地點，時間，有著合適的行為，亦即用戶的行為合理度如何.文中選擇的指標因素見表1.

2 判定矩陣及權(quán)重向量

根據(jù)用戶的基本網(wǎng)絡(luò)行為構(gòu)建了四層合理度遞階層次關(guān)系后，各層次之間指標因素的隸屬關(guān)系也隨之確定，按照遞階層次關(guān)系，以上一層元素為準則，對下層的各個指標因素就其重要程度進行兩兩比較，構(gòu)造出判定矩陣，再根據(jù)判定矩陣確定出重要性的權(quán)重.

2.1 構(gòu)造判定矩陣

判定矩陣是對同層不同指標之間相對重要性的一個描述，他能夠反映出各個指標的重要性差異.在進行網(wǎng)絡(luò)行為合理度計算時，需要對每層指標因素進行判定，生成判定矩陣，如判定矩陣PA、判定矩陣PB1等.判定矩陣的構(gòu)造是根據(jù)美國薩迪教授提出的1－9標度法確定的，根據(jù)兩兩比較的指標重要性不同，賦予不同的標度，1－9標度法具體見表2.

表2 薩迪1－9標度法Tab.2 Saaty scale method

2.2 權(quán)重的確定

根據(jù)構(gòu)造的判定矩陣，求出每個指標因素對于上層指標因素的權(quán)重值，構(gòu)造判定矩陣的歸一化權(quán)重向量W＝（W1，W2，W3，…，Wn）T，n是構(gòu)成判定矩陣的指標因素數(shù).

文中采用和法［8］，既n個列向量的算術(shù)平均為權(quán)重向量，即

其中aij為判定矩陣的第i行j列元素.

計算步驟為①將判定矩陣的元素按列歸一化；②將歸一化的元素按列相加；③將相加后的元素取平均值即為所得權(quán)重向量.

2.3 一致性驗證

為避免出現(xiàn)類似“指標B1較指標B2極為重要，指標B2較指標B3極為重要，而指標B3較指標B1極為重要”這樣的邏輯錯誤，需要對判定矩陣進行一致性驗證，步驟為

①確定一致性指標CI

式中：λmax為判定矩陣的最大特征根；n為矩陣的階數(shù).

②查表獲得平均隨機一致性指標RI.

③計算隨機一致性比CR

若計算出CR＜0.1，則認為矩陣滿足整體一致性.

3 合理度計算

行為合理度計算體系可用模型（U，V）表示，其中U為指標因素集、V為評價集.根據(jù)前文構(gòu)建的合理度模型，指標因素集U＝｛U1，U2，U3｝，其中二層指標因素子集U1＝｛U11，U12｝，U2＝｛U21，U22｝，U3＝｛U31，U32，U33｝；第三層指標因素子集U11＝｛B111，B112，B113，B114｝，U12＝｛B121，B122，B123，B124｝，U21＝｛B211，B212，B213，B214｝，U22＝｛B221，B222，B223，B224｝，U31＝｛B311，B312，B313，B314｝，U32＝｛B321，B322，B323，B324｝，U33＝｛B331，B332，B333，B334｝.評價集為V＝｛V1，V2，V3，V4，V5｝＝｛合理，較合理，一般，較差，差｝，對應(yīng)分數(shù)集C＝｛100，80，60，40，20｝.

3.1 評價矩陣

由專家對第三層指標因素子集中的元素依據(jù)評價集進行評價，統(tǒng)計各個指標在相應(yīng)評價等級上的數(shù)量，生成矩陣并做歸一化處理后得到評價矩陣Rij，i，j的取值為相應(yīng)第三層指標因素子集下標.

評價矩陣Rij的元素為

式中：k＝1，2，3，4；m＝1，2，3，4，5；ckm為指標因素；Bijk得到相應(yīng)評價Vm的總數(shù)量；n為專家總數(shù).

3.2 計算合理度

依據(jù)以上得到的判定矩陣權(quán)重向量和評價矩陣，通過以下三步計算得到相應(yīng)的合理度值.

①定義

式中：i，j的取值為相應(yīng)第三層指標因素子集下標，對Lij進行歸一化處理.然后定義

其中分數(shù)向量C＝［100 80 60 40 20］T.

② 生成向量 Mi＝［Di1，Di2，……，Dij］，i，j根據(jù)對應(yīng)的指標因素取值.定義

③ 生成向量D＝［D1，D2，D3］，定義合理度值A(chǔ)為

從以上計算結(jié)果可得用戶的行為合理度值A(chǔ).在制定流量控制策略時，可根據(jù)此數(shù)值給用戶分配不同的帶寬.

4 流量控制策略

常用的流量控制策略是按時間段基于用戶IP地址和應(yīng)用類型進行帶寬控制.由于根據(jù)IP地址能夠確定不同用戶，文中以基于IP地址的帶寬控制為實現(xiàn)方法，將網(wǎng)絡(luò)用戶分為服務(wù)器組、辦公用戶、實驗室用戶、學生公寓用戶等類別，對其進行網(wǎng)絡(luò)行為合理度的計算，依據(jù)計算出的合理度值進行用戶分級，分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)出口帶寬.

4.1 流量控制策略的設(shè)計

根據(jù)前述模型，用戶合理度的取值區(qū)間在0～100分，以20分單位劃分級別，將合理度分為五個級別.五級對應(yīng)合理度值最高級別，需進行重點保障；一級為最低級別，也包含被感染病毒或被惡意使用但不能中斷網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)的機器，進行最低級別的速率保障.對校園網(wǎng)用戶按類別計算其行為合理度，根據(jù)所得分值將用戶劃分到相應(yīng)級別，結(jié)合基于IP地址的流量控制策略，進行流量控制策略實施.具體策略見表3.

文中所用策略從時間角度分工作時間和其他時間兩個類型，合理度值較低的用戶在工作時間分配較低的帶寬，在非工作時間對各級別用戶分配相同帶寬；由于網(wǎng)絡(luò)流量上下行的不對稱性，不同級別用戶的帶寬分配區(qū)別主要在下行速率上體現(xiàn)，上行速率設(shè)置差別不大；另外，服務(wù)器組由于其提供公共服務(wù)的特殊性，需要其上行速率重點保障，在文中的流量控制策略中將不進行討論.

4.2 實施與效果分析

通過邀請20位專家分別對辦公、實驗室及學生公寓這三大類用戶按照上述的指標因素進行評價，計算得到辦公用戶的合理度分值為78.479 9，實驗室用戶的合理度分值為83.328 7，學生公寓用戶的分值為54.112 9，相應(yīng)的確定辦公用戶的級別為四級，實驗室用戶的級別為五級，學生公寓用戶的級別為三級.

表3 流量控制策略（Mbps）Tab.3 The strategy of traffic control（Mbps）

依據(jù)上述用戶評級，按照對應(yīng)的流量控制策略在網(wǎng)絡(luò)流量控制設(shè)備上進行實施.圖1為未實施流量控制策略前某天網(wǎng)絡(luò)出口速率情況.圖2為實施流量控制策略后某天網(wǎng)絡(luò)出口速率情況.

通過圖1和圖2的對比，整體而言，流量控制策略實施后網(wǎng)絡(luò)出口的平均速率在每天8：00～23：00之間稍有增加，但變化不明顯，這主要是由于網(wǎng)絡(luò)出口的實際帶寬只有700Mbps，相對于在線的網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)略顯不足，導致在上述用網(wǎng)高峰時段帶寬利用率很高，網(wǎng)絡(luò)出口幾乎是滿負荷運行.

但策略實施后出口速率的波動較小，相對于實施前出口速率的震蕩起伏有明顯改善.其原因是策略實施前，個別用戶應(yīng)用可能占用較大的帶寬，當其應(yīng)用結(jié)束時會導致出口速率下降；策略實施后，由于每個用戶占用帶寬有限，有效避免了類似情況的發(fā)生.

圖1 流控實施前出口速率Fig.1 Export rate before the implementation

圖2 流控實施后出口速率Fig.2 Export rate after the implementation

圖3 為網(wǎng)絡(luò)總吞吐量在策略實施前后24h的對比.

圖3 網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比Fig.3 Comparison of throughput

由圖3可以看出，策略實施前后網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量變化不大，這依然與網(wǎng)絡(luò)出口利用率較高有關(guān).通過在流量控制設(shè)備上對吞吐量數(shù)據(jù)進一步分析，發(fā)現(xiàn)，下行數(shù)據(jù)量排前50名的用戶在策略實施前總計的下行數(shù)據(jù)量占到網(wǎng)絡(luò)下行總量的約15%，而策略實施后這一比例下降到8%左右.這說明流量控制策略的實施，有效地限制了少數(shù)用戶對網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的無節(jié)制使用，提高了用戶的帶寬資源使用的公平性.

流量控制策略實施前后，主要應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)流量中的占比情況見表4.

從表4中可以看出，流量控制策略實施前，主要用于休閑娛樂的P2P類應(yīng)用（包含下載和影音）和在線視頻應(yīng)用流量占到網(wǎng)絡(luò)總流量的62%，Web應(yīng)用流量占網(wǎng)絡(luò)總流量的14%；通過流量控制策略的實施，P2P類應(yīng)用和在線視頻應(yīng)用的流量占比下降到52%，Web應(yīng)用的流量占比上升到21%，說明流量控制策略的實施對消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬資源較大的P2P類應(yīng)用和在線視頻應(yīng)用進行了適當?shù)南拗疲Ｕ狭艘孕畔鬟f為主的Web應(yīng)用等其他類型的業(yè)務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)出口帶寬的有效利用.

表4 業(yè)務(wù)流量對比Tab.4 Comparison of traffic type

5 結(jié) 論

采用層次分析法，對用戶行為的不同指標因素進行了標度，提出了基于用戶行為的合理度計算體系，并根據(jù)用戶合理度值對用戶進行分級，構(gòu)建了基于用戶行為合理度的網(wǎng)絡(luò)流量控制策略.控制策略實施效果表明，在網(wǎng)絡(luò)出口帶寬有限的情況下，依據(jù)基于用戶行為合理度的網(wǎng)絡(luò)流量控制策略有效滿足了重點用戶和業(yè)務(wù)應(yīng)用的帶寬需求，保證了用戶對網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的公平使用，顯著提高了出口帶寬的有效利用率.

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