主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)性能自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法＊

溫圣軍,韓春曉,袁 剛,豐 蘇

（國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局 信息中心，北京 100820）

1 引言

政務(wù)信息化網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越復(fù)雜[1-2]，業(yè)務(wù)服務(wù)越來(lái)越多樣化，網(wǎng)絡(luò)的承載能力和管理能力受到挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)故障也隨之經(jīng)常出現(xiàn)[3-7]。

當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，缺乏問(wèn)題溯源的電子證據(jù)，無(wú)法給服務(wù)提供方定界定責(zé)，且網(wǎng)絡(luò)維護(hù)時(shí)間投入成本高，日常運(yùn)維分析效率低。對(duì)此，較多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，例如陳興蜀等[8]研究基于會(huì)話流聚合的隱蔽性通信行為檢測(cè)方法；孫宇嫣等[9]研究基于深度學(xué)習(xí)的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷與定位方法，提升對(duì)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)能力，但均無(wú)法對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的監(jiān)控。

因此，本文設(shè)計(jì)基于時(shí)間域的主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)性能自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)對(duì)影響主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間域相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，完成網(wǎng)絡(luò)性能的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2 主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)性能自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)性能自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

構(gòu)建基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)三類節(jié)點(diǎn)形成監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，分別為監(jiān)控目的、分布式監(jiān)控以及集中控制節(jié)點(diǎn)。通過(guò)圖1描述監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的整體框架。

圖1中，通過(guò)節(jié)點(diǎn)部署單元實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的引入與刪除；用戶指令單元實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移與交換用戶指令；監(jiān)測(cè)配置設(shè)定單元主要對(duì)監(jiān)測(cè)工具的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收單元獲取各監(jiān)測(cè)單元處理后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步操作；通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集以及監(jiān)測(cè)報(bào)文響應(yīng)獲取數(shù)據(jù)，并選取吞吐率、傳輸時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)、丟包率為影響主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)性能的時(shí)間域指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算，完成時(shí)間域內(nèi)的主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)性能自動(dòng)監(jiān)測(cè)，采用日志或報(bào)表的形式，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)匯集給用戶。

2.2 網(wǎng)絡(luò)的吞吐率計(jì)算

通過(guò)以下公式(1)表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中，流量與時(shí)延的關(guān)聯(lián)狀況：

公式(1)中，流量由Uj描述；時(shí)延由Tj描述。當(dāng)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)操作(其中包括采集、曲線擬合以及平均等)發(fā)送過(guò)程中與流量存在關(guān)聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)由f描述。

若丟包狀態(tài)未出現(xiàn)在主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)中，且網(wǎng)絡(luò)吞吐量Sj中包含現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)的流量，則不會(huì)出現(xiàn)較大變化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延Tj，且該時(shí)延通過(guò)近似線性情況關(guān)聯(lián)流量。若主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)丟包事件，即出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞，因此會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)明顯延遲。若吞吐率中包含流量時(shí)，則通過(guò)公式(2)表示：

若網(wǎng)絡(luò)吞吐率收到流量，出現(xiàn)堵塞情況時(shí)，則通過(guò)公式(3)表示：

依據(jù)|C(Uj)|≤c，可以得出現(xiàn)階段主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)中，能夠接受的最大流量為U'j，因此，U'j即能夠表示網(wǎng)絡(luò)中正常情況下的吞吐率，并通過(guò)公式(4)表示：

2.3 傳輸時(shí)延以及時(shí)延抖動(dòng)

在吞吐率區(qū)域內(nèi)，通過(guò)n個(gè)區(qū)域劃分流量Uj，并分別對(duì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)的流量Uij相應(yīng)時(shí)延Tji的幾率pi進(jìn)行計(jì)算，因此，通過(guò)公式(5)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的均衡傳送時(shí)延ETj：

在公式(5)中，pi=；在區(qū)間i中，流量Uji的時(shí)間由ti表示；全部測(cè)量時(shí)間由ts表示。測(cè)量報(bào)的絕對(duì)傳送時(shí)延與時(shí)延基準(zhǔn)值的差，即為時(shí)延抖動(dòng)，并通過(guò)表示。在現(xiàn)實(shí)計(jì)算過(guò)程中，時(shí)延抖動(dòng)的均值即能夠代表其基準(zhǔn)值，并通過(guò)公式(6)計(jì)算：

2.4 丟包率監(jiān)測(cè)EM-MLE算法

通過(guò)似然函數(shù)形式解決推導(dǎo)問(wèn)題，并通過(guò)公式(8)表示：

并且可通過(guò)公式(10)描述似然函數(shù)：

依據(jù)上述公式，可得出似然函數(shù)的最大值計(jì)算過(guò)程，并通過(guò)公式(11)表示：

公式(11)中，現(xiàn)實(shí)測(cè)量下的數(shù)據(jù)為nk，k=por kR，R表示葉節(jié)點(diǎn)，RV；該算法通過(guò)迭代形式與近似值接近，并使用完全對(duì)數(shù)似然函數(shù)。通過(guò)以下過(guò)程，實(shí)現(xiàn)該算法的計(jì)算：

(3) M-step。通過(guò)公式(13)對(duì)條件期望值的最高值極位置進(jìn)行分析：

通過(guò)上述公式(11)能夠得出最大極值點(diǎn)，在公式(13)中，將nk調(diào)整為條件期望值。

(4) 迭代。對(duì)步驟(2)～步驟(3)進(jìn)行迭代，當(dāng)能夠達(dá)到結(jié)束條件時(shí)，完成迭代。設(shè)l 為進(jìn)行迭代的數(shù)目，并通過(guò)表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的丟包率。

(1) 有限值L是L(xR；a)最終收斂結(jié)果。

(3) 若存在單峰的L(xR；a)，則最終收斂的結(jié)果為為全局最大值，對(duì)每條鏈路的丟包率進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)分析

某政府部門(mén)在北京有2 個(gè)業(yè)務(wù)主節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)，其中以A為主節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建至全國(guó)32個(gè)省級(jí)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)主干網(wǎng)，以B為主節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建至全國(guó)32個(gè)省級(jí)節(jié)點(diǎn)的視頻會(huì)議專網(wǎng)。支撐總部全國(guó)企業(yè)信用信息公示系統(tǒng)、部門(mén)官網(wǎng)及相關(guān)政務(wù)服務(wù)信息系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)需求，以及全國(guó)電話服務(wù)系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)等信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)歸集交互，以及全國(guó)部門(mén)視頻會(huì)議系統(tǒng)的開(kāi)展，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，覆蓋廣，業(yè)務(wù)承載多樣化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理要求較高。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和新型智能網(wǎng)管系統(tǒng)的架構(gòu)，在主節(jié)點(diǎn)A 部署探針系統(tǒng)和分析平臺(tái)，采用新型主動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)提供全面的監(jiān)測(cè)分析服務(wù)。將本文方法應(yīng)用至該網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，分析本文方法的監(jiān)測(cè)性能。

對(duì)2020年某日的該網(wǎng)絡(luò)吞吐率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)到的吞吐率變化情況并與實(shí)際吞吐率變化進(jìn)行對(duì)比，分析本文方法的吞吐率監(jiān)測(cè)能力，分析結(jié)果如圖2表示。

根據(jù)圖2可知，本文方法的吞吐率監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際吞吐率變化并未發(fā)生較大差距，波動(dòng)情況十分相似，因此，本文方法具有較高的吞吐率監(jiān)測(cè)能力，可精準(zhǔn)衡量網(wǎng)絡(luò)通信性能。

分析不同方法對(duì)丟包率的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，本文方法在鏈路1 與鏈路3 的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際丟包率完全一致，鏈路2、4、5、6的監(jiān)測(cè)丟包率與實(shí)際丟包率僅相差0．01%，因此，本文方法對(duì)丟包率的監(jiān)測(cè)較為精準(zhǔn)，可通過(guò)丟包率監(jiān)測(cè)結(jié)果監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)性能。

分析不同方法在所監(jiān)測(cè)當(dāng)日的時(shí)延變化情況，依據(jù)實(shí)際時(shí)延情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，本文方法所監(jiān)測(cè)的時(shí)延始終與現(xiàn)實(shí)情況較為接近，最大誤差也未超過(guò)2 ms，因此，本文方法能夠較好地監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，衡量網(wǎng)絡(luò)通信性能。

選取2020年中前六個(gè)月的網(wǎng)絡(luò)鏈路可用率與優(yōu)良率變化狀態(tài)，分析通過(guò)本文方法檢測(cè)后的鏈路可用率與優(yōu)良率情況，分析結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，在所監(jiān)測(cè)的每個(gè)月中，其優(yōu)良率與可用率并不一致，但依據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際利用率與優(yōu)良率，對(duì)比本文監(jiān)測(cè)結(jié)果，監(jiān)測(cè)所得值非常接近，因此，通過(guò)本文方法能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)鏈路可用率與優(yōu)良率精確監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)基于時(shí)間域的主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)性能自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，通過(guò)丟包率、時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)以及吞吐率等衡量主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)性能的時(shí)間域指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算完成主動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)性能的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。