基于校園網絡負載特性的數據分析與研究

李業謙，熊紅云

（1.中山大學南方學院，廣州 510970；2.中南大學自動化學院，長沙 410083）

0 引言

隨信息技術的發展，現大部分大學都建立校園網。本文以某目標學校為例，學校已實現有線網絡與無線網絡全覆蓋。建校初期主要以有線為主，后來逐漸隨著學校信息化建設需求，改為無線網絡為主。學校區域分布明確，主要分為學生宿舍區域、教學實驗區域、行政辦公區域以及其他場館等區域。

學校采用目前很多高校采用五層無線網絡框架結構，移動設備層、接入層、匯聚層、核心層、出口應用層。其中移動設備層主要是移動終端，包括個人電腦、移動電話等；接入層主要為移動設備層提供無線網絡接入，典型設備如無線路由或AP；匯聚層是樓宇或者片區的信息匯聚點，為接入層提供數據匯聚、傳輸、管理等服務；核心層主要功能是實現骨干網絡之間的優化傳輸；應用層為管理者提供分析與審計等。

1 網絡負載數據的采集

SNMP（Simple Network Management Protocol，簡單網絡管理協議）運行在ISO/OSI參考模型的應用層，目前主流的網絡設備都支持SNMP協議。網絡技術人員可以使用SNMP對網絡設備的運行情況進行監管，通過SNMP反饋的狀態事件信息，能及時發現網絡中存在的問題并處理。因此為了得到精準的數據，在匯聚設備的啟用SNMP協議，實時收集匯聚設備的狀態，包括各個端口的上行和下載的數據包數量，從而進行統計計算分析。

接入節點網絡負載的采集的包含SNMP數據報文的數據包，在SNMP管理系統中規定了SNMP報文是由管理站和代理這兩部分進行管理信息交換。其中SNMP報文格式由公共SNMP首部、get/set首部和trap首部與變量綁定三部分組成。同時將讀取的SNMP數據包進行解析，按照網絡節點編號為關鍵值進行存儲，構建智慧校園無線網絡接入節點不同時間、負載等信息的數據庫。

2 基于大數據的網絡負載建模與算法研究

為了統計了解各個樓宇、每層接入的網絡負載情況，在匯聚的端口進行了實時狀態統計，由于學校內主要的網絡負載在學生群體、教學實驗區域和圖書館區域，本次數據主要針對這三部分區域網絡負載進行采集，并分別計算各個棟樓宇的網絡上行和下行的數據包數據進行統計分析。

2.1 校園無線網絡負載建模與分析算法設計

為了更好說明智慧校園無線網絡負載特性，以及簡化模型，提出如下假設：

（1）整個無線網絡的主體拓撲結構相對不變；

（2）智慧校園無線網絡中的用戶數是不變的；

（3）在特定時間條件下，每個用戶只容許接入一個無線設備；

（4）在一定的時間范圍內，用戶的空間位置相對固定；

（5）無線網絡中的接入節點可容許接入數是有上限要求；

（6）在特定時刻用戶能容許上傳或上傳數據；

（7）無線網絡中的樓宇數是固定的。

基于上述提出的假設，下面提出與智慧校園無線網絡相關的定義與模型。

記C智慧校園無線網絡，于是可以建立加入C的樓宇集合：

其中b?C表示樓宇b屬于網絡C。不失一般性，設學校無線網絡中內有m棟樓宇，于是無線網絡樓宇集合可以表示為B={b1,b2,…,bm}。

假設所有樓宇的層數相同，部署接入節點個數相同，可以建立某樓宇bi的接入節點集合：

設某個特定的時間范圍內T（T∈[tstart,tend]），接入節點需要上傳的數據量與下載數據量隨時間之間的函數關系分別為q(t),p(t)，于是可以得到該特定事件范圍內接入節點需要上傳與下載總的數據量：

定義1：（接入節點平均負載，Access Points Aver?age Load）對于某時間T（T∈[tstart,tend]）接入節點平均負載（LAP）即為上傳數據量（QAP）與下載數據量（PAP）的總和與時間的比值。其計算方法：

假設總用戶在時間T內通過AP需要上傳與下載數據量是恒定的，即總用戶上傳與現在的帶寬恒定。不妨記為BWQ,BWP，于是公式（4）可以進一步轉化為：

定理1：如果每個用戶的上傳與下載帶寬恒定且相同，則接入節點平均負載與接入人數成正比。

證明：AP節點接入的總用戶數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。

因為每個用戶的上傳與下載帶寬恒定且相同，不失一般性，記為bw。于是用戶在時間T內通過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。

根據定義1和上述描述，可以得到樓宇在熱定時間的平均負載。

定義2：（樓宇平均負載，Network Building Average Load）對于某時間 T（T∈[tstart,tend]）樓宇平均負載（LB）即為上傳數據量（QB與下載數據量（PB）的總和與時間的比值。其計算方法：

上述對接入節點與樓宇的平均負載進行了建模，下面針對AP負載大數據數學描述。假設所有的AP負載大數據為BD={bd1,bd2,…,bdf}其中任意一條數據可以描述為：

其中APID,nAP,bAP,trecord,bwAP分別表示AP的編號、接入用戶數、屬于樓宇編號、時間、帶寬開銷。

2.2 不同時間維度無線網絡負載特性計算

為了統計每個接入節點、樓宇在不同時間片段（K）的網絡負載，根據實際分析時間片可以分為三種情況：

結合上述分析，為了減少數據檢索過程數據的搜索的次數，基于禁忌搜索算法提出如下算法，具體步驟如下：

Step1：根據用戶需求輸入需要分析網絡負載的接入節點與樓宇編號，同時輸入統計時間需求T；

Step2：根據公式（12）計算得到，時間片段的大小，并將分析時間區間T劃分為多個片段；

Step3：循環逐條讀取大數據BD

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

Step5：判斷無線網絡負載數據bdi是否輸入接入節點ID一直，如果不一致跳轉第三步；如果相同進行下一步；

Step6：將當前無線網絡節點信息中的負載信息，相對應的存入時間片段內；

Step7：根據bdi相對應的樓宇信息，判斷是否為目標樓宇接入節點的網絡負載信息，如果是則進行下一步，如果不是跳轉到第9步；

Step8：將相應的網絡負載計算存入對應目標樓宇的網絡負載信息集合中

Step9：按照公式（9）等公式計算目標接入節點的網絡負載；同時將該信息存在禁忌表中；

Step10：當大數據BD數據讀取完畢后，輸出目標時間段中目標樓宇與接入節點的網絡負載信息。

2.3 空間維度無線網絡負載特性計算

在學校里，每棟功能樓宇相對比較獨立，學校會設置不同的區域，如學生公寓、實驗教學、圖書館等樓宇。因此將校園中無線網絡樓宇分為多個子區，同時基于接入節點網絡信息，對接入節點按照樓宇進行分類。接入節點ap與樓宇b之間的函數關系aij(api,bj)的表示：

于是根據公式（13），以接入節點為行，樓宇為列構建其隸屬關系矩陣：

為得到特定時刻t智慧校園的無線網絡的負載特性，首先將時刻t進行分辨率細化，在[t-δ,t+δ]即視為時刻t；然后結合網絡實施的框架，以樓宇為目標，通過大數據統計所有樓宇在時刻t的無線網絡負載。根據公式（13）和公式（14）可知設計如表1的空間維度無線網絡負載特性算法。

表1 空間維度無線網絡負載特性算法

3 基于目標校園時空特征數據下的無線網絡負載實驗

3.1 基于特定時間網絡流量實驗結果分析

網絡流量采集設備通過定時對設備進行流量數據進行采集，然后計算出一定時間的平均流量，形成網絡設備節點流量情況。本文為了更好地展現實驗結果，分別通過按天、周和年進行分析對比。通過流量圖形化界面展示的節點網絡中指定端口的帶寬和網絡線路負載情況，有利于網絡管理人員通過查看各個指定的關鍵節點的流量和負載使用情況，便于對節點作出相應的預警機制。為此為了分析和驗證結果，采集了目標學校一年的網絡用戶數據包，用于實驗。

圖1-圖3分別是通過數據采樣并進行數據可視化處理得出某關鍵節點流量情況，并按天、周、年的流量數據做了可視化展示，其中綠色區域為下行負載，藍色線下區域代表是上行負載情況。根據按天和周流量圖不難看出此關鍵節點每天網絡負載都出現高峰期與低谷期，其中網絡高峰期集中在 12：00-24：00，且 12：00-14：00 和 17：30-20：00 以及 21：30-24：00 為全天網絡負載最高峰，而凌晨00：00-08：00為全天網絡負載相對低，尤其是凌晨3：00-07：00網絡為全天最低。根據經驗，一所學校網絡主要負載在學生宿舍出口區域，根據流量的情況可以估算在宿舍區域上網用戶數量。從負載流量圖可以看出網絡負載高峰期為學生集中使用網絡的時間段，從周統計總負載流量看出周一至周五的每天有網絡負載三個高峰期，出現高峰期主因學生下課在宿舍使用網絡，而周末也類似，但只有一個高峰期與低谷期，主要由于學生在周末白天和晚上均無需上課，所以白天和晚上用網都處于平緩的高峰期。

圖1 按天統計總負載流量

圖2 按周統計總負載流量

根據按年的流量負載圖，可以看出有兩個明顯的低谷期，分別為7月下旬-8月底和1月下旬-3月初，根據學校的慣例都可以判斷出此兩個時間段為學生放寒暑假，學生基本離校，用網人數固然很低。但細心留意不難發現，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生留校工作和學習，而寒假基本都回家過年了。另外在10月初也有一個明顯的低谷期，這正是學校放國慶長假，學生大多放假外出或離校，網絡負載自然下降。

根據上述的網絡負載流量情況說明和分析，進一步驗證網絡具有特定的時間性。

3.2 基于空間特征的無線網絡負載的實驗分析

為了驗證無線網絡負載具有空間特性，通過采集目標學校同一天不同區域的大量數據進行流量負載進行分析驗證。為了說明空間區域特性，本文通過對教學實驗區域、圖書館、學生宿舍三個區域進行對比分析。

圖4 目標學校教學實驗區域一天流量圖

圖5 目標學校圖書館區域一天流量圖

圖6 目標學校某棟學生宿舍一天流量圖

圖4-圖6為目標學校三個區域的負載情況，顏色的深淺代表當前時間的網絡負載情況，綠色代表當前節點負載輕，紅色代表當前節點負載重。從圖可以看出隨時間的變化網絡負載變化，且三個區域在同一個時間段，負載情況發生不一致的變化，根據三區域的對比分析得到：

（1）每天22：00至次日7點教學實驗區域以及圖書館已經停止對外服務，此時教學實驗區域和圖書館網絡負載最低；

（2）學生去圖書館網絡比去實驗教學區域使用網絡要早，意味著不少學在7：30前到達圖書館，而8：00后學生才開始上課并使用網絡。

（3）明顯看出當教學和圖書館高峰期時，學生宿舍網絡使用迎來小低谷，而學生宿舍網絡高峰期間，在教學實驗和圖書館卻是低谷期，學生使用網絡有明顯的時間與空間特性。

（4）學生離開教學實驗區或圖書館等公共區域基本一般會回宿舍區域繼續網絡，一般學生會在晚上24：00開始就寢，網絡負載所需帶寬開始下降。

（5）一般上午早起的學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，為此宿舍區域上午06：00-09：00的網絡負載不高且上升比較緩慢。

圖7 目標校園區域上午10-12點網絡負載熱力圖

針對目標學校的無線網絡負載情況進一步分析說明校園無線網絡具有空間特性，為此對目標學校的某天上午 10：00-12：00 以及晚上 21：00-23：00 這兩個時間段進行數據分析得出，在上午10：00-12：00時間段，從圖7的熱力圖看出，教學試驗區網絡負載相對于圖書館和學生宿舍區域重，而圖書館區域也比學生宿舍區域重，學生宿舍區域相對負載比較輕。而反之在晚上21：00-23：00，從圖8熱力圖看出，學生宿舍區域為網絡負載最重，圖書館相對較輕，而教學試驗區域網絡負載為最輕。

從熱力和流量圖結果，給網絡技術人員或網絡管理人員作為對不同區域不同時間網絡負載情況進行網絡均衡調整提供有力的參考價值。

4 結語

本文針對智慧校園無線網絡負載的時空特性，以學校五層網絡框架結構為基礎條件，結合SNMP協議設計了無線網絡負載的大數據采集方法。通過大數據的分析，得出了目標校園無線網絡負載實際存在的時空特性，并進行相關的數學描述，為下一步實驗的建模提供了重要的依據。

圖8 目標校園區域晚上21-23點網絡負載熱力圖