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)。本文以某目標學(xué)校為例，學(xué)校已實現(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)實驗區(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)，移動設(shè)備層、接入層、匯聚層、核心層、出口應(yīng)用層。其中移動設(shè)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(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，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等。

1 網(wǎng)絡(luò)負載數(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)備的運行情況進行監(jiān)管，通過SNMP反饋的狀態(tài)事件信息，能及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的問題并處理。因此為了得到精準的數(shù)據(jù)，在匯聚設(shè)備的啟用SNMP協(xié)議，實時收集匯聚設(shè)備的狀態(tài)，包括各個端口的上行和下載的數(shù)據(jù)包數(shù)量，從而進行統(tǒng)計計算分析。

接入節(jié)點網(wǎng)絡(luò)負載的采集的包含SNMP數(shù)據(jù)報文的數(shù)據(jù)包，在SNMP管理系統(tǒng)中規(guī)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(shù)據(jù)包進行解析，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編號為關(guān)鍵值進行存儲，構(gòu)建智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點不同時間、負載等信息的數(shù)據(jù)庫。

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

為了統(tǒng)計了解各個樓宇、每層接入的網(wǎng)絡(luò)負載情況，在匯聚的端口進行了實時狀態(tài)統(tǒng)計，由于學(xué)校內(nèi)主要的網(wǎng)絡(luò)負載在學(xué)生群體、教學(xué)實驗區(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)負載進行采集，并分別計算各個棟樓宇的網(wǎng)絡(luò)上行和下行的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2.1 校園無線網(wǎng)絡(luò)負載建模與分析算法設(shè)計

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

（1）整個無線網(wǎng)絡(luò)的主體拓撲結(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）在特定時間條件下，每個用戶只容許接入一個無線設(shè)備；

（4）在一定的時間范圍內(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)點可容許接入數(shù)是有上限要求；

（6）在特定時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)點個數(shù)相同，可以建立某樓宇bi的接入節(jié)點集合：

設(shè)某個特定的時間范圍內(nèi)T（T∈[tstart,tend]），接入節(jié)點需要上傳的數(shù)據(jù)量與下載數(shù)據(jù)量隨時間之間的函數(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)點需要上傳與下載總的數(shù)據(jù)量：

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

假設(shè)總用戶在時間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）可以進一步轉(zhuǎn)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(jié)點平均負載與接入人數(shù)成正比。

證明：AP節(jié)點接入的總用戶數(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(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(shù)據(jù)量（QB與下載數(shù)據(jù)量（PB）的總和與時間的比值。其計算方法：

上述對接入節(jié)點與樓宇的平均負載進行了建模，下面針對AP負載大數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)描述。假設(shè)所有的AP負載大數(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、時間、帶寬開銷。

2.2 不同時間維度無線網(wǎng)絡(luò)負載特性計算

為了統(tǒng)計每個接入節(jié)點、樓宇在不同時間片段（K）的網(wǎng)絡(luò)負載，根據(jù)實際分析時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)負載的接入節(jié)點與樓宇編號，同時輸入統(tǒng)計時間需求T；

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

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，如果不是進行下一步操作；

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

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

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

Step8：將相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)負載計算存入對應(yīng)目標樓宇的網(wǎng)絡(luò)負載信息集合中

Step9：按照公式（9）等公式計算目標接入節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)負載；同時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，輸出目標時間段中目標樓宇與接入節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)負載信息。

2.3 空間維度無線網(wǎng)絡(luò)負載特性計算

在學(xué)校里，每棟功能樓宇相對比較獨立，學(xué)校會設(shè)置不同的區(qū)域，如學(xué)生公寓、實驗教學(xué)、圖書館等樓宇。因此將校園中無線網(wǎng)絡(luò)樓宇分為多個子區(qū)，同時基于接入節(jié)點網(wǎng)絡(luò)信息，對接入節(jié)點按照樓宇進行分類。接入節(jié)點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)點為行，樓宇為列構(gòu)建其隸屬關(guān)系矩陣：

為得到特定時刻t智慧校園的無線網(wǎng)絡(luò)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(jié)合網(wǎng)絡(luò)實施的框架，以樓宇為目標，通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計所有樓宇在時刻t的無線網(wǎng)絡(luò)負載。根據(jù)公式（13）和公式（14）可知設(shè)計如表1的空間維度無線網(wǎng)絡(luò)負載特性算法。

表1 空間維度無線網(wǎng)絡(luò)負載特性算法

3 基于目標校園時空特征數(shù)據(jù)下的無線網(wǎng)絡(luò)負載實驗

3.1 基于特定時間網(wǎng)絡(luò)流量實驗結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)流量采集設(shè)備通過定時對設(shè)備進行流量數(shù)據(jù)進行采集，然后計算出一定時間的平均流量，形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點流量情況。本文為了更好地展現(xiàn)實驗結(jié)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(jié)點網(wǎng)絡(luò)中指定端口的帶寬和網(wǎng)絡(luò)線路負載情況，有利于網(wǎng)絡(luò)管理人員通過查看各個指定的關(guān)鍵節(jié)點的流量和負載使用情況，便于對節(jié)點作出相應(yīng)的預(yù)警機制。為此為了分析和驗證結(jié)果，采集了目標學(xué)校一年的網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)據(jù)包，用于實驗。

圖1-圖3分別是通過數(shù)據(jù)采樣并進行數(shù)據(jù)可視化處理得出某關(guān)鍵節(jié)點流量情況，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)域為下行負載，藍色線下區(qū)域代表是上行負載情況。根據(jù)按天和周流量圖不難看出此關(guān)鍵節(jié)點每天網(wǎng)絡(luò)負載都出現(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)負載最高峰，而凌晨00：00-08：00為全天網(wǎng)絡(luò)負載相對低，尤其是凌晨3：00-07：00網(wǎng)絡(luò)為全天最低。根據(jù)經(jīng)驗，一所學(xué)校網(wǎng)絡(luò)主要負載在學(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。從負載流量圖可以看出網(wǎng)絡(luò)負載高峰期為學(xué)生集中使用網(wǎng)絡(luò)的時間段，從周統(tǒng)計總負載流量看出周一至周五的每天有網(wǎng)絡(luò)負載三個高峰期，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)計總負載流量

圖2 按周統(tǒng)計總負載流量

根據(jù)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(jù)學(xué)校的慣例都可以判斷出此兩個時間段為學(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)負載自然下降。

根據(jù)上述的網(wǎng)絡(luò)負載流量情況說明和分析，進一步驗證網(wǎng)絡(luò)具有特定的時間性。

3.2 基于空間特征的無線網(wǎng)絡(luò)負載的實驗分析

為了驗證無線網(wǎng)絡(luò)負載具有空間特性，通過采集目標學(xué)校同一天不同區(qū)域的大量數(shù)據(jù)進行流量負載進行分析驗證。為了說明空間區(qū)域特性，本文通過對教學(xué)實驗區(qū)域、圖書館、學(xué)生宿舍三個區(qū)域進行對比分析。

圖4 目標學(xué)校教學(xué)實驗區(qū)域一天流量圖

圖5 目標學(xué)校圖書館區(qū)域一天流量圖

圖6 目標學(xué)校某棟學(xué)生宿舍一天流量圖

圖4-圖6為目標學(xué)校三個區(qū)域的負載情況，顏色的深淺代表當(dāng)前時間的網(wǎng)絡(luò)負載情況，綠色代表當(dāng)前節(jié)點負載輕，紅色代表當(dāng)前節(jié)點負載重。從圖可以看出隨時間的變化網(wǎng)絡(luò)負載變化，且三個區(qū)域在同一個時間段，負載情況發(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點教學(xué)實驗區(qū)域以及圖書館已經(jīng)停止對外服務(wù)，此時教學(xué)實驗區(qū)域和圖書館網(wǎng)絡(luò)負載最低；

（2）學(xué)生去圖書館網(wǎng)絡(luò)比去實驗教學(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，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)實驗和圖書館卻是低谷期，學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)有明顯的時間與空間特性。

（4）學(xué)生離開教學(xué)實驗區(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)負載不高且上升比較緩慢。

圖7 目標校園區(qū)域上午10-12點網(wǎng)絡(luò)負載熱力圖

針對目標學(xué)校的無線網(wǎng)絡(luò)負載情況進一步分析說明校園無線網(wǎng)絡(luò)具有空間特性，為此對目標學(xué)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(shù)據(jù)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(xué)試驗區(qū)網(wǎng)絡(luò)負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)域為網(wǎng)絡(luò)負載最重，圖書館相對較輕，而教學(xué)試驗區(qū)域網(wǎng)絡(luò)負載為最輕。

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)域不同時間網(wǎng)絡(luò)負載情況進行網(wǎng)絡(luò)均衡調(diào)整提供有力的參考價值。

4 結(jié)語

本文針對智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)負載的時空特性，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)計了無線網(wǎng)絡(luò)負載的大數(shù)據(jù)采集方法。通過大數(shù)據(jù)的分析，得出了目標校園無線網(wǎng)絡(luò)負載實際存在的時空特性，并進行相關(guān)的數(shù)學(xué)描述，為下一步實驗的建模提供了重要的依據(jù)。

圖8 目標校園區(qū)域晚上21-23點網(wǎng)絡(luò)負載熱力圖