基于校園網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特性的數(shù)據(jù)分析與研究

李業(yè)謙，熊紅云

（1.中山大學(xué)南方學(xué)院，廣州 510970；2.中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，長沙 410083）

0 引言

隨信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)大部分大學(xué)都建立校園網(wǎng)。本文以某目標(biāo)學(xué)校為例，學(xué)校已實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。建校初期主要以有線為主，后來逐漸隨著學(xué)校信息化建設(shè)需求，改為無線網(wǎng)絡(luò)為主。學(xué)校區(qū)域分布明確，主要分為學(xué)生宿舍區(qū)域、教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)域、行政辦公區(qū)域以及其他場館等區(qū)域。

學(xué)校采用目前很多高校采用五層無線網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)，移動(dòng)設(shè)備層、接入層、匯聚層、核心層、出口應(yīng)用層。其中移動(dòng)設(shè)備層主要是移動(dòng)終端，包括個(gè)人電腦、移動(dòng)電話等；接入層主要為移動(dòng)設(shè)備層提供無線網(wǎng)絡(luò)接入，典型設(shè)備如無線路由或AP；匯聚層是樓宇或者片區(qū)的信息匯聚點(diǎn)，為接入層提供數(shù)據(jù)匯聚、傳輸、管理等服務(wù)；核心層主要功能是實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)之間的優(yōu)化傳輸；應(yīng)用層為管理者提供分析與審計(jì)等。

1 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載數(shù)據(jù)的采集

SNMP（Simple Network Management Protocol，簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）運(yùn)行在ISO/OSI參考模型的應(yīng)用層，目前主流的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都支持SNMP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可以使用SNMP對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)管，通過SNMP反饋的狀態(tài)事件信息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的問題并處理。因此為了得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，在匯聚設(shè)備的啟用SNMP協(xié)議，實(shí)時(shí)收集匯聚設(shè)備的狀態(tài)，包括各個(gè)端口的上行和下載的數(shù)據(jù)包數(shù)量，從而進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析。

接入節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的采集的包含SNMP數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)據(jù)包，在SNMP管理系統(tǒng)中規(guī)定了SNMP報(bào)文是由管理站和代理這兩部分進(jìn)行管理信息交換。其中SNMP報(bào)文格式由公共SNMP首部、get/set首部和trap首部與變量綁定三部分組成。同時(shí)將讀取的SNMP數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編號為關(guān)鍵值進(jìn)行存儲，構(gòu)建智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)不同時(shí)間、負(fù)載等信息的數(shù)據(jù)庫。

2 基于大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載建模與算法研究

為了統(tǒng)計(jì)了解各個(gè)樓宇、每層接入的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，在匯聚的端口進(jìn)行了實(shí)時(shí)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，由于學(xué)校內(nèi)主要的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在學(xué)生群體、教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)域和圖書館區(qū)域，本次數(shù)據(jù)主要針對這三部分區(qū)域網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行采集，并分別計(jì)算各個(gè)棟樓宇的網(wǎng)絡(luò)上行和下行的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 校園無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載建模與分析算法設(shè)計(jì)

為了更好說明智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特性，以及簡化模型，提出如下假設(shè)：

（1）整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的主體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對不變；

（2）智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)是不變的；

（3）在特定時(shí)間條件下，每個(gè)用戶只容許接入一個(gè)無線設(shè)備；

（4）在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，用戶的空間位置相對固定；

（5）無線網(wǎng)絡(luò)中的接入節(jié)點(diǎn)可容許接入數(shù)是有上限要求；

（6）在特定時(shí)刻用戶能容許上傳或上傳數(shù)據(jù)；

（7）無線網(wǎng)絡(luò)中的樓宇數(shù)是固定的。

基于上述提出的假設(shè)，下面提出與智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的定義與模型。

記C智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)，于是可以建立加入C的樓宇集合：

其中b?C表示樓宇b屬于網(wǎng)絡(luò)C。不失一般性，設(shè)學(xué)校無線網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)有m棟樓宇，于是無線網(wǎng)絡(luò)樓宇集合可以表示為B={b1,b2,…,bm}。

假設(shè)所有樓宇的層數(shù)相同，部署接入節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相同，可以建立某樓宇bi的接入節(jié)點(diǎn)集合：

設(shè)某個(gè)特定的時(shí)間范圍內(nèi)T（T∈[tstart,tend]），接入節(jié)點(diǎn)需要上傳的數(shù)據(jù)量與下載數(shù)據(jù)量隨時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系分別為q(t),p(t)，于是可以得到該特定事件范圍內(nèi)接入節(jié)點(diǎn)需要上傳與下載總的數(shù)據(jù)量：

定義1：（接入節(jié)點(diǎn)平均負(fù)載，Access Points Aver?age Load）對于某時(shí)間T（T∈[tstart,tend]）接入節(jié)點(diǎn)平均負(fù)載（LAP）即為上傳數(shù)據(jù)量（QAP）與下載數(shù)據(jù)量（PAP）的總和與時(shí)間的比值。其計(jì)算方法：

假設(shè)總用戶在時(shí)間T內(nèi)通過AP需要上傳與下載數(shù)據(jù)量是恒定的，即總用戶上傳與現(xiàn)在的帶寬恒定。不妨記為BWQ,BWP，于是公式（4）可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

定理1：如果每個(gè)用戶的上傳與下載帶寬恒定且相同，則接入節(jié)點(diǎn)平均負(fù)載與接入人數(shù)成正比。

證明：AP節(jié)點(diǎn)接入的總用戶數(shù)按照上傳和下載可以表示為：

其中Nq，Np為上傳用戶總連接數(shù)。

因?yàn)槊總€(gè)用戶的上傳與下載帶寬恒定且相同，不失一般性，記為bw。于是用戶在時(shí)間T內(nèi)通過AP需要的帶寬可以表示為：

將公式（7）代入公式（5）可以得到：

將公式（6）代入公式（8）得到：

證畢。

根據(jù)定義1和上述描述，可以得到樓宇在熱定時(shí)間的平均負(fù)載。

定義2：（樓宇平均負(fù)載，Network Building Average Load）對于某時(shí)間 T（T∈[tstart,tend]）樓宇平均負(fù)載（LB）即為上傳數(shù)據(jù)量（QB與下載數(shù)據(jù)量（PB）的總和與時(shí)間的比值。其計(jì)算方法：

上述對接入節(jié)點(diǎn)與樓宇的平均負(fù)載進(jìn)行了建模，下面針對AP負(fù)載大數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)描述。假設(shè)所有的AP負(fù)載大數(shù)據(jù)為BD={bd1,bd2,…,bdf}其中任意一條數(shù)據(jù)可以描述為：

其中APID,nAP,bAP,trecord,bwAP分別表示AP的編號、接入用戶數(shù)、屬于樓宇編號、時(shí)間、帶寬開銷。

2.2 不同時(shí)間維度無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特性計(jì)算

為了統(tǒng)計(jì)每個(gè)接入節(jié)點(diǎn)、樓宇在不同時(shí)間片段（K）的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，根據(jù)實(shí)際分析時(shí)間片可以分為三種情況：

結(jié)合上述分析，為了減少數(shù)據(jù)檢索過程數(shù)據(jù)的搜索的次數(shù)，基于禁忌搜索算法提出如下算法，具體步驟如下：

Step1：根據(jù)用戶需求輸入需要分析網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的接入節(jié)點(diǎn)與樓宇編號，同時(shí)輸入統(tǒng)計(jì)時(shí)間需求T；

Step2：根據(jù)公式（12）計(jì)算得到，時(shí)間片段的大小，并將分析時(shí)間區(qū)間T劃分為多個(gè)片段；

Step3：循環(huán)逐條讀取大數(shù)據(jù)BD

Step4：判斷信息是否為禁忌表信息，如果是返回第三步，如果不是進(jìn)行下一步操作；

Step5：判斷無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載數(shù)據(jù)bdi是否輸入接入節(jié)點(diǎn)ID一直，如果不一致跳轉(zhuǎn)第三步；如果相同進(jìn)行下一步；

Step6：將當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息中的負(fù)載信息，相對應(yīng)的存入時(shí)間片段內(nèi)；

Step7：根據(jù)bdi相對應(yīng)的樓宇信息，判斷是否為目標(biāo)樓宇接入節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息，如果是則進(jìn)行下一步，如果不是跳轉(zhuǎn)到第9步；

Step8：將相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載計(jì)算存入對應(yīng)目標(biāo)樓宇的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息集合中

Step9：按照公式（9）等公式計(jì)算目標(biāo)接入節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；同時(shí)將該信息存在禁忌表中；

Step10：當(dāng)大數(shù)據(jù)BD數(shù)據(jù)讀取完畢后，輸出目標(biāo)時(shí)間段中目標(biāo)樓宇與接入節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息。

2.3 空間維度無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特性計(jì)算

在學(xué)校里，每棟功能樓宇相對比較獨(dú)立，學(xué)校會設(shè)置不同的區(qū)域，如學(xué)生公寓、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、圖書館等樓宇。因此將校園中無線網(wǎng)絡(luò)樓宇分為多個(gè)子區(qū)，同時(shí)基于接入節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)信息，對接入節(jié)點(diǎn)按照樓宇進(jìn)行分類。接入節(jié)點(diǎn)ap與樓宇b之間的函數(shù)關(guān)系aij(api,bj)的表示：

于是根據(jù)公式（13），以接入節(jié)點(diǎn)為行，樓宇為列構(gòu)建其隸屬關(guān)系矩陣：

為得到特定時(shí)刻t智慧校園的無線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載特性，首先將時(shí)刻t進(jìn)行分辨率細(xì)化，在[t-δ,t+δ]即視為時(shí)刻t；然后結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的框架，以樓宇為目標(biāo)，通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所有樓宇在時(shí)刻t的無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。根據(jù)公式（13）和公式（14）可知設(shè)計(jì)如表1的空間維度無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特性算法。

表1 空間維度無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特性算法

3 基于目標(biāo)校園時(shí)空特征數(shù)據(jù)下的無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載實(shí)驗(yàn)

3.1 基于特定時(shí)間網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)流量采集設(shè)備通過定時(shí)對設(shè)備進(jìn)行流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后計(jì)算出一定時(shí)間的平均流量，形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)流量情況。本文為了更好地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別通過按天、周和年進(jìn)行分析對比。通過流量圖形化界面展示的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中指定端口的帶寬和網(wǎng)絡(luò)線路負(fù)載情況，有利于網(wǎng)絡(luò)管理人員通過查看各個(gè)指定的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的流量和負(fù)載使用情況，便于對節(jié)點(diǎn)作出相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制。為此為了分析和驗(yàn)證結(jié)果，采集了目標(biāo)學(xué)校一年的網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)據(jù)包，用于實(shí)驗(yàn)。

圖1-圖3分別是通過數(shù)據(jù)采樣并進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理得出某關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)流量情況，并按天、周、年的流量數(shù)據(jù)做了可視化展示，其中綠色區(qū)域?yàn)橄滦胸?fù)載，藍(lán)色線下區(qū)域代表是上行負(fù)載情況。根據(jù)按天和周流量圖不難看出此關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)每天網(wǎng)絡(luò)負(fù)載都出現(xiàn)高峰期與低谷期，其中網(wǎng)絡(luò)高峰期集中在 12：00-24：00，且 12：00-14：00 和 17：30-20：00 以及 21：30-24：00 為全天網(wǎng)絡(luò)負(fù)載最高峰，而凌晨00：00-08：00為全天網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相對低，尤其是凌晨3：00-07：00網(wǎng)絡(luò)為全天最低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一所學(xué)校網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)載在學(xué)生宿舍出口區(qū)域，根據(jù)流量的情況可以估算在宿舍區(qū)域上網(wǎng)用戶數(shù)量。從負(fù)載流量圖可以看出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高峰期為學(xué)生集中使用網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間段，從周統(tǒng)計(jì)總負(fù)載流量看出周一至周五的每天有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載三個(gè)高峰期，出現(xiàn)高峰期主因?qū)W生下課在宿舍使用網(wǎng)絡(luò)，而周末也類似，但只有一個(gè)高峰期與低谷期，主要由于學(xué)生在周末白天和晚上均無需上課，所以白天和晚上用網(wǎng)都處于平緩的高峰期。

圖1 按天統(tǒng)計(jì)總負(fù)載流量

圖2 按周統(tǒng)計(jì)總負(fù)載流量

根據(jù)按年的流量負(fù)載圖，可以看出有兩個(gè)明顯的低谷期，分別為7月下旬-8月底和1月下旬-3月初，根據(jù)學(xué)校的慣例都可以判斷出此兩個(gè)時(shí)間段為學(xué)生放寒暑假，學(xué)生基本離校，用網(wǎng)人數(shù)固然很低。但細(xì)心留意不難發(fā)現(xiàn)，1月下旬-3月初流量基本為0，而7月下旬-8月底尚有小量流量，通過分析得出暑假期間尚有部分學(xué)生留校工作和學(xué)習(xí)，而寒假基本都回家過年了。另外在10月初也有一個(gè)明顯的低谷期，這正是學(xué)校放國慶長假，學(xué)生大多放假外出或離校，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載自然下降。

根據(jù)上述的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量情況說明和分析，進(jìn)一步驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)具有特定的時(shí)間性。

3.2 基于空間特征的無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載具有空間特性，通過采集目標(biāo)學(xué)校同一天不同區(qū)域的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行流量負(fù)載進(jìn)行分析驗(yàn)證。為了說明空間區(qū)域特性，本文通過對教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)域、圖書館、學(xué)生宿舍三個(gè)區(qū)域進(jìn)行對比分析。

圖4 目標(biāo)學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)域一天流量圖

圖5 目標(biāo)學(xué)校圖書館區(qū)域一天流量圖

圖6 目標(biāo)學(xué)校某棟學(xué)生宿舍一天流量圖

圖4-圖6為目標(biāo)學(xué)校三個(gè)區(qū)域的負(fù)載情況，顏色的深淺代表當(dāng)前時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，綠色代表當(dāng)前節(jié)點(diǎn)負(fù)載輕，紅色代表當(dāng)前節(jié)點(diǎn)負(fù)載重。從圖可以看出隨時(shí)間的變化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化，且三個(gè)區(qū)域在同一個(gè)時(shí)間段，負(fù)載情況發(fā)生不一致的變化，根據(jù)三區(qū)域的對比分析得到：

（1）每天22：00至次日7點(diǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)域以及圖書館已經(jīng)停止對外服務(wù)，此時(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)域和圖書館網(wǎng)絡(luò)負(fù)載最低；

（2）學(xué)生去圖書館網(wǎng)絡(luò)比去實(shí)驗(yàn)教學(xué)區(qū)域使用網(wǎng)絡(luò)要早，意味著不少學(xué)在7：30前到達(dá)圖書館，而8：00后學(xué)生才開始上課并使用網(wǎng)絡(luò)。

（3）明顯看出當(dāng)教學(xué)和圖書館高峰期時(shí)，學(xué)生宿舍網(wǎng)絡(luò)使用迎來小低谷，而學(xué)生宿舍網(wǎng)絡(luò)高峰期間，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)和圖書館卻是低谷期，學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)有明顯的時(shí)間與空間特性。

（4）學(xué)生離開教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)或圖書館等公共區(qū)域基本一般會回宿舍區(qū)域繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)，一般學(xué)生會在晚上24：00開始就寢，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載所需帶寬開始下降。

（5）一般上午早起的學(xué)生會去圖書館或去上課，若上午沒課安排，一般會稍微晚起些，為此宿舍區(qū)域上午06：00-09：00的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不高且上升比較緩慢。

圖7 目標(biāo)校園區(qū)域上午10-12點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載熱力圖

針對目標(biāo)學(xué)校的無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況進(jìn)一步分析說明校園無線網(wǎng)絡(luò)具有空間特性，為此對目標(biāo)學(xué)校的某天上午 10：00-12：00 以及晚上 21：00-23：00 這兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出，在上午10：00-12：00時(shí)間段，從圖7的熱力圖看出，教學(xué)試驗(yàn)區(qū)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相對于圖書館和學(xué)生宿舍區(qū)域重，而圖書館區(qū)域也比學(xué)生宿舍區(qū)域重，學(xué)生宿舍區(qū)域相對負(fù)載比較輕。而反之在晚上21：00-23：00，從圖8熱力圖看出，學(xué)生宿舍區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)負(fù)載最重，圖書館相對較輕，而教學(xué)試驗(yàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為最輕。

從熱力和流量圖結(jié)果，給網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員或網(wǎng)絡(luò)管理人員作為對不同區(qū)域不同時(shí)間網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)均衡調(diào)整提供有力的參考價(jià)值。

4 結(jié)語

本文針對智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的時(shí)空特性，以學(xué)校五層網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)條件，結(jié)合SNMP協(xié)議設(shè)計(jì)了無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大數(shù)據(jù)采集方法。通過大數(shù)據(jù)的分析，得出了目標(biāo)校園無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載實(shí)際存在的時(shí)空特性，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)學(xué)描述，為下一步實(shí)驗(yàn)的建模提供了重要的依據(jù)。

圖8 目標(biāo)校園區(qū)域晚上21-23點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載熱力圖