IP校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能與方法研究

劉志江

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

IP校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能與方法研究

劉志江

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

隨著高校校園網(wǎng)規(guī)模的逐步擴大和網(wǎng)絡(luò)功能的不斷完善，建成安全、可靠、高效的校園網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為衡量院校辦學(xué)綜合實力的重要指標(biāo)之一。目前，校園網(wǎng)在不斷的應(yīng)用和發(fā)展中面臨網(wǎng)絡(luò)安全性、健壯性、可靠性等多重指標(biāo)的復(fù)合評估。在這種新要求下，校園網(wǎng)必須采用新思路、新方法和新的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行研究。文章通過研究傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)和方法，說明了傳統(tǒng)的排隊論、馬爾科夫鏈、ON/OFF模型已不適用于分組網(wǎng)的研究，并介紹了IP網(wǎng)絡(luò)的度分布、IP網(wǎng)絡(luò)流量概率分布特性、IP網(wǎng)絡(luò)流量H分布、長程依賴性、自相似性等特點，對武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)性能提升和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供有力的理論和數(shù)據(jù)支持。

IP網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)性能；流量

隨著現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，計算機網(wǎng)絡(luò)在極大地改變了人們的生產(chǎn)、生活以及思維和學(xué)習(xí)方式的同時，也給人們的學(xué)習(xí)、工作和生活等方面帶來了巨大的便利。對于高校來說，高校校園網(wǎng)絡(luò)不僅是高校展示自身實力的窗口，而且對高校與外界聯(lián)系起著非常重要的作用，高校校園網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)成為衡量院校辦學(xué)綜合實力以及教育現(xiàn)代化的重要指標(biāo)之一[1]。因此，深入研究校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點，提升網(wǎng)絡(luò)管理能力，加強網(wǎng)絡(luò)測量和分析就顯得至關(guān)重要。

目前，各高校校園網(wǎng)規(guī)模逐步擴大，網(wǎng)絡(luò)功能不斷完善，但是由于基于TCP/IP協(xié)議的IP網(wǎng)絡(luò)具有先天的缺陷，而校園網(wǎng)絡(luò)在不斷的應(yīng)用和發(fā)展中面臨網(wǎng)絡(luò)安全性、健壯性、可靠性等多重指標(biāo)的評估，校園網(wǎng)面臨新技術(shù)、新應(yīng)用的迫切性在急劇提高，網(wǎng)絡(luò)性能和效率也需要被調(diào)整和優(yōu)化。

1 IP校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)和新特性

常見的IP網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)有網(wǎng)絡(luò)時延、網(wǎng)絡(luò)抖動、網(wǎng)絡(luò)丟包率、帶寬利用率等，這些參數(shù)是衡量一個網(wǎng)絡(luò)運行效率的關(guān)鍵，而僅對這些參數(shù)的重復(fù)采樣來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)定性和定量分析在某種情況下具有一定的局限性。隨著研究者對互聯(lián)網(wǎng)研究的不斷深入和細(xì)化，研究者從不同的研究角度和不同的流粒度大小發(fā)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)的新特性，這為IP網(wǎng)絡(luò)研究開啟了新方向和新思路。例如，有研究者在研究大規(guī)模IP網(wǎng)絡(luò)的度分布發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的“小島”現(xiàn)象，對IP網(wǎng)絡(luò)流量分布特性、IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能和優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)流量服從H分布、具有長程依賴性、自相似性等特點[2]，研究者通過一定的方法建模，對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行了很好的擬合，驗證了結(jié)論的正確性。有研究證明傳統(tǒng)的排隊論、馬爾科夫鏈、ON/OFF模型已不適用于目前分組網(wǎng)的研究。因此，以上對互聯(lián)網(wǎng)研究新的成果和結(jié)論可以作為本次項目研究的關(guān)鍵模型和理論基礎(chǔ)。

2 IP網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和問題分析

為了進(jìn)一步提升校園數(shù)字信息化水平，有效管理校園網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源增強網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性和魯棒性而開展的一次有意義的研究課題。武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)被多次分批次改造和優(yōu)化，已經(jīng)肩負(fù)其全校日常的信息處理和傳輸工作。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以標(biāo)準(zhǔn)的三層方式架設(shè)，二層業(yè)務(wù)流量通過VLAN方式進(jìn)行相互隔離，防止廣播風(fēng)暴和網(wǎng)絡(luò)病毒的傳播，網(wǎng)絡(luò)核心層負(fù)責(zé)全網(wǎng)信息的交互和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并建設(shè)鑒權(quán)、認(rèn)證和計費網(wǎng)關(guān)，在出口路由器通過負(fù)載分擔(dān)外網(wǎng)流量。

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性和豐富性，利用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)研究手段和測量方法已經(jīng)不能對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行有效模擬和監(jiān)管，校園網(wǎng)流量呈現(xiàn)出復(fù)雜性和隱蔽性等特點。通過分析，發(fā)現(xiàn)目前網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)處在中度負(fù)載的狀態(tài)下運行，其中75%的數(shù)據(jù)流為P2P流，通過常見的特征值提取方法，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中OICQ，迅雷，skyper流量較多。HTTP，F(xiàn)TP等流量占用率為10.3%。由于網(wǎng)絡(luò)資源管理和調(diào)度系統(tǒng)不具備針對P2P流的有效管控手段和能力，因此，測量和發(fā)現(xiàn)各類P2P流量數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)的流量管控是本次項目研究的一個重點內(nèi)容。其次，隨著智慧校園、平安校園等項目的開展，在學(xué)校構(gòu)建一個全覆蓋視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由于監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)需要原有校園網(wǎng)來承載，因此，對校園網(wǎng)加載語音、數(shù)據(jù)和視頻等多業(yè)務(wù)狀態(tài)下流量之間的相互影響進(jìn)行了研究，通過在OPNET仿真平臺添加背景流量作為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，添加了各類視頻、語音流量進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)視頻、語音業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)影響較小，網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定。這為武威職業(yè)學(xué)院廣泛開展視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)提供了仿真層面的保障和依據(jù)。

3 IP校園網(wǎng)研究思路和關(guān)鍵內(nèi)容

本次研究所采用的關(guān)鍵理論有網(wǎng)絡(luò)測量理論、網(wǎng)絡(luò)仿真理論、網(wǎng)絡(luò)建模和性能分析等。

網(wǎng)絡(luò)測量就是通過在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點和鏈路架設(shè)流量采集設(shè)備，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理和數(shù)據(jù)清理，以便后期的數(shù)據(jù)挖掘使用。網(wǎng)絡(luò)建模理論是目前研究網(wǎng)絡(luò)的一種數(shù)學(xué)模型方法。通常從業(yè)務(wù)量建模、傳輸交換管道階段建模到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣５榷喾矫娑鄬哟芜M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的仿真，不僅可以實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真，也可以針對具體的一類協(xié)議或是一個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域進(jìn)行仿真模擬。網(wǎng)絡(luò)仿真理論采用了目前主流的OPNET，NS2，Omnet等仿真平臺開展仿真研究工作。

本次研究通過最新的數(shù)據(jù)分析技術(shù)和建模方法對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和性能分析。通過對校園網(wǎng)流量的不定期采樣后，將數(shù)據(jù)通過清洗和降維后變成raff格式，并利用weka平臺進(jìn)行了機器學(xué)習(xí)算法，采用監(jiān)督模型或半監(jiān)督聚類算法，對校園網(wǎng)流量進(jìn)行分類，說明了校園網(wǎng)流量已經(jīng)趨于一種大量的P2P流量的網(wǎng)絡(luò)。

校園網(wǎng)流量樣本獲取是網(wǎng)絡(luò)性能定性和定量分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在校園網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)要經(jīng)過篩選、清洗、歸一化處理實現(xiàn)了有效分類后，產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)格式。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真平臺進(jìn)行有效和實時的仿真，得出網(wǎng)絡(luò)性能曲線。通過網(wǎng)絡(luò)流量測量、抓包分析等多層次多角度進(jìn)行全方位的分析，對武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)進(jìn)行定量和定性的評估，以便為后期的網(wǎng)絡(luò)升級、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及新業(yè)務(wù)新技術(shù)的部署和實施提供很好的數(shù)據(jù)和方法參考。在對武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)仿真平臺的搭建和性能分析；提出武威職業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)測量方法和關(guān)鍵區(qū)域的優(yōu)化方法；測試分析武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)多業(yè)務(wù)加載后網(wǎng)絡(luò)性能畸變；從不同層次和角度完成對武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)性能指標(biāo)的分析；對武威職業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用和引入提供數(shù)據(jù)支持和模型參考。在此基礎(chǔ)上又開展了實際的網(wǎng)絡(luò)測量、網(wǎng)絡(luò)建模、網(wǎng)絡(luò)模擬與仿真、網(wǎng)絡(luò)性能定量分析、網(wǎng)絡(luò)抓包分析等。完成了利用OPNET平臺模擬搭建武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)，并針對各類服務(wù)應(yīng)用給出定量分析；從實際出發(fā)，采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)測量和流量提取方法獲取校園網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，以真實的網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)為輸入，進(jìn)行仿真和模擬，發(fā)現(xiàn)潛在問題；加載多業(yè)務(wù)后，對校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能是否發(fā)生畸變進(jìn)行分析，并提出解決的辦法；模擬校園網(wǎng)加載大流量視頻流業(yè)務(wù)后，對校園網(wǎng)整體性能的影響，提出解決的辦法；對武威職業(yè)學(xué)院重點網(wǎng)絡(luò)使用區(qū)域流量的負(fù)載分擔(dān)提出合理化建議并提出措施方案。在后續(xù)開展的IPV6網(wǎng)絡(luò)部署和研究中，可以對關(guān)鍵節(jié)點和設(shè)備進(jìn)行有效的更替；通過網(wǎng)絡(luò)仿真和模擬可以針對性地選取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，對已經(jīng)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)測量方法和網(wǎng)絡(luò)流量模型進(jìn)行二次研究和擴展研究；對網(wǎng)絡(luò)加載多業(yè)務(wù)和P2P流量重負(fù)載情況下的網(wǎng)絡(luò)性能研究開辟了一定的領(lǐng)域[3]。

4 結(jié)語

本文研究是在計算機網(wǎng)絡(luò)理論研究和計算機網(wǎng)絡(luò)工程領(lǐng)域技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過對真實校園網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的不同時期采集而得出的關(guān)鍵有效結(jié)論，項目組成員不僅利用最新的研究結(jié)論進(jìn)行了實證研究，而且對計算機網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性等方面有了新的認(rèn)識。完成的主要內(nèi)容是：首次采用網(wǎng)絡(luò)抓包軟件對武威職業(yè)學(xué)院關(guān)鍵數(shù)據(jù)鏈路和節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)的并歸一化處理；首次利用網(wǎng)絡(luò)的自相似理論、長程重尾性等特性開展武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)研究工作；首次利用OPNET和MATLAB等仿真工具開展網(wǎng)絡(luò)的實證研究，對后期的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和信息化數(shù)字化提升進(jìn)行了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累和有益探索。

[1] 楊大偉.校園網(wǎng)的規(guī)劃與組建的探索[J].科技傳播，2013（8）：214，245.

[2] 閆曉潔.基于OpenFlow的校園網(wǎng)異常流量的識別及管理[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[3] 高彥剛.實用網(wǎng)絡(luò)流量分析技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

Research on network performance and method of IP campus network

Liu Zhijiang
（Wuwei Occupational College, Wuwei 733000, China）

With the gradual expansion of the scale of campus network and the continuous improvement of network function, the establishment of a safe, reliable and ef fi cient campus network has become one of the important indexes to measure the comprehensive strength of colleges and universities. At present, the campus network in the continuous application and development of network security,robustness, reliability and other multiple indicators of the composite assessment. Under this new requirement, the campus network must adopt new ideas, new methods and new network models to study. Based on the study on the performance index and method of traditional IP network, this paper illustrates the traditional queuing theory, Markov chain, ON/OFF model is not applicable to the study of packet network. And introduces the degree distribution of IP network, IP network probability distribution characteristics, IP network traf fi c H distribution, long-range dependency, self-similarity and so on, which provides strong theoretical and data support for the improvement of campus network performance and network optimization in Wuwei Occupational College.

IP network; network performance; traf fi c

武威職業(yè)學(xué)院院級課題項目；項目編號：ZYY201606。

劉志江（1982— ），男，甘肅武威人，講師，碩士；研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)仿真和網(wǎng)絡(luò)流量分類等。