摘要： 高效、準(zhǔn)確的網(wǎng)際協(xié)議（internet protocol， IP）網(wǎng)絡(luò)流量流向分析預(yù)測是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)。通過部署流量采集分析系統(tǒng)，運營商可輕松獲取網(wǎng)絡(luò)總流量、節(jié)點流量、節(jié)點分方向流量等較完備的歷史基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為流量分析預(yù)測提供關(guān)鍵的輸入。IP網(wǎng)絡(luò)流量分析預(yù)測方法主要包括兩類：傳統(tǒng)統(tǒng)計模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，近年提出的NeuralProphet模型因結(jié)合兩者優(yōu)點而得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。首次基于NeuralProphet模型對大型運營級IP網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點到目的節(jié)點的流量流向進行直接預(yù)測，并采用改進的損失函數(shù)優(yōu)化模型訓(xùn)練，預(yù)測結(jié)果表明NeuralProphet模型能夠更科學(xué)、準(zhǔn)確地預(yù)測IP網(wǎng)絡(luò)流量矩陣，整體預(yù)測精度提升了8.7%，同時模型擴展性和魯棒性也具有更佳的表現(xiàn)，可以更好地滿足IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)和運行維護的實際需求。

關(guān)鍵詞： 流量矩陣; 源節(jié)點到目的節(jié)點流量流向; 節(jié)點流量; 預(yù)測模型; 自回歸

中圖分類號： TN 915

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.06.35

Research on analysis and prediction of traffic matrix for large-scale IP network

WEI Xuan¹， LIU Zhihua^1，*， LI Qing²， HE Xiaoming¹， HUANG Junya¹

（1. Guangdong Research Institute of China Telecom Corporation Limited， Guangzhou 510630， China; 2. Research Institute of China Telecom Corporation Limited， Shanghai 200123， China）

Abstract： Efficient and accurate analysis and prediction of traffic flow direction for Internet protocol （IP） network are the basis of network planning and construction. By deploying a traffic collection and analysis system， operators can easily obtain comprehensive historical data such as network total traffic， node traffic， and node directional traffic， which provides key inputs for traffic analysis and prediction. Methods of traffic analysis and prediction for IP network are generally divided into two categories： traditional statistical model and neural network model. The NeuralProphet model proposed in recent years has been widely applied due to its combination of the advantages of the above models. It is the first time to directly predict the origin-destination traffic flow of large-scale carrier-grade IP network based on the NeuralProphet model， and adopts the improved loss function to optimize model training. The prediction results show that the NeuralProphet model can predict traffic matrix of IP network more scientifically and accurately， and the overall prediction accuracy was improved by 8.7%. Meanwhile， the model has better scalability and robustness， which can better meet the actual needs of IP network planning and maintenance.

Keywords： traffic matrix; origin-destination traffic flow; node traffic; prediction model; auto-regression

0 引 言

隨著大量互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的風(fēng)起云涌、層出不窮，運營級網(wǎng)際協(xié)議（internet protocol， IP）承載網(wǎng)的業(yè)務(wù)流量也長期持續(xù)暴漲，目前總體流量仍以約20%的年增長率高速增長。為了滿足上層應(yīng)用和業(yè)務(wù)快速發(fā)展的承載需求，運營商必須提前策劃和布局IP網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、鏈路帶寬設(shè)計等重要事項，而高效、準(zhǔn)確的IP網(wǎng)絡(luò)流量流向分析預(yù)測則是以上網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、擴容建設(shè)等決策工作的前提和依據(jù)，同時也是及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常情況、處理突發(fā)故障、保障IP網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定、可靠運行的關(guān)鍵。

流量數(shù)據(jù)是IP網(wǎng)絡(luò)運營管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過采集和監(jiān)測流量數(shù)據(jù)，運營商可以了解整個網(wǎng)絡(luò)的運行態(tài)勢、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況等，并為未來網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和建設(shè)運營提供數(shù)據(jù)支持。目前，大型運營級IP網(wǎng)絡(luò)流量的常規(guī)監(jiān)測采集方式主要有兩種：一種基于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（simple network management protocol， SNMP）進行流量采集^［1-3］，一種基于xFlow流技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)流量流向的采集^［4-6］。作為一種最常用的網(wǎng)絡(luò)基本流量采集方法，SNMP通過采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或者鏈路的SNMP信息來獲取網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵點的流量數(shù)據(jù)。SNMP是標(biāo)準(zhǔn)的傳輸控制協(xié)議/IP（transmission control protocol/IP， TCP/IP）網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，能夠支持所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，部署相對靈活、簡單，但缺點是功能單一、信息量少，缺少流量的來源和去向等關(guān)鍵信息，因而只適用于流量大小的采集而無法進行流量流向的分析。基于xFlow流技術(shù)的數(shù)據(jù)采集是利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中各類netFlow、sFlow等網(wǎng)絡(luò)流量采集分析方法，通過抽樣技術(shù)（按不同需求抽樣比從100到10 000不等）記錄設(shè)備端口或網(wǎng)絡(luò)鏈路中包含五元組、業(yè)務(wù)類型、地址池、自治系統(tǒng)（autonomous system， AS）號或路由信息在內(nèi)的流量大小，從而可為流向、流量及業(yè)務(wù)分布等分析提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)素材，適用于各類網(wǎng)絡(luò)流量的監(jiān)測和分析。但xFlow流技術(shù)需要設(shè)備開啟xFlow功能，xFlow對設(shè)備CPU、存儲等資源的占用會造成轉(zhuǎn)發(fā)性能的部分損失，另外還需要同時部署較大規(guī)模的流量分析系統(tǒng)。因此，綜合考慮成本代價和運營管理目標(biāo)之間的平衡，相對于SNMP從一開始就進行地毯式的廣泛部署，xFlow流技術(shù)近十年才開始主要在大型運營級IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接入點、網(wǎng)絡(luò)出口點等關(guān)鍵節(jié)點進行實施開啟。通過部署SNMP和xFlow技術(shù)，運營商可以方便地獲取到網(wǎng)絡(luò)總流量、節(jié)點總流量、節(jié)點分方向流量等較完備的歷史基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運營提供了決策依據(jù)。

IP互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)是應(yīng)用驅(qū)動型的網(wǎng)絡(luò)，在海量、瞬息萬變的短尾應(yīng)用與用戶行為日益復(fù)雜的環(huán)境下，捕捉和分析大量應(yīng)用的總體流量特征并準(zhǔn)確預(yù)測流量流向分布成為一個亟需攻克的難題。IP網(wǎng)絡(luò)流量所具有的自相似性、長相關(guān)性、混沌性、突發(fā)性等新特點也導(dǎo)致傳統(tǒng)泊松流量模型無法再適用^［7-8］，因而需要在實踐中不斷研究探索以尋找更科學(xué)的理論模型和預(yù)測方法。迄今為止，應(yīng)用于IP網(wǎng)絡(luò)流量分析預(yù)測的模型大體分為兩類：傳統(tǒng)統(tǒng)計方法^［9-13］和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法^［14-20］。傳統(tǒng)統(tǒng)計模型因難以描述流量的非線性而表現(xiàn)欠佳，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型盡管能較好地捕捉非線性特性，但普遍存在“黑盒子”的弊端，且對數(shù)據(jù)量有較高要求，這對于具有較少歷史數(shù)據(jù)量（如按月、年采集）的長期網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測是一個較大的挑戰(zhàn)。另外，目前這些方法大多只適用于網(wǎng)絡(luò)總流量、節(jié)點流量大小的預(yù)測，而對于源節(jié)點到目的節(jié)點（origin-destination， OD）的流量矩陣或OD流量流向的預(yù)測尚處于起步階段。相對于網(wǎng)絡(luò)總流量、節(jié)點流量，流量矩陣的研究至關(guān)重要，因為所有流量的分析預(yù)測最終都需要轉(zhuǎn)化為明確的流量流向分布，才能在實際的帶寬規(guī)劃或工程運營中真正發(fā)揮作用。

在xFlow技術(shù)大范圍部署之前，運營商只能直接獲取和分析網(wǎng)絡(luò)節(jié)點流量的大小，流量流向分布的獲取必須通過一些近似方法（如吸引系數(shù)法、矩陣估計法等^［21-22］）來構(gòu)造節(jié)點間的比例關(guān)系，然后再將節(jié)點流量按比例分配到比例矩陣中，從而得到整個運營級IP網(wǎng)絡(luò)的流量矩陣。這些方法通常比較粗糙，流量矩陣的預(yù)測主要基于節(jié)點流量來進行，人為構(gòu)造的比例矩陣成為模型誤差的主要來源。而xFlow的部署為基于直接獲取的網(wǎng)絡(luò)流量流向分布來進行探索研究創(chuàng)造了條件，運營級IP網(wǎng)絡(luò)流量矩陣的分析預(yù)測得以進入到嶄新的發(fā)展階段。在此基礎(chǔ)上，本文首次基于NeuralProphet模型直接對中國電信大型運營級IP網(wǎng)絡(luò)的OD流量流向進行預(yù)測，并采用改進的Huber函數(shù)作為損失函數(shù)，從而加快和優(yōu)化了模型的訓(xùn)練過程。同時，對比基于傳統(tǒng)時間序列分析的差分整合移動平均自回歸（auto-regressive integrated moving average， ARIMA）模型和Prophet模型預(yù)測節(jié)點流量、進而通過按比例分配得到預(yù)測流量矩陣的其他兩種方法，預(yù)測結(jié)果表明NeuralProphet模型兼具傳統(tǒng)統(tǒng)計模型的可解釋性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強大擴展性，能夠更科學(xué)地預(yù)測IP網(wǎng)絡(luò)流量矩陣并獲得準(zhǔn)確性、擴展性和魯棒性更佳的結(jié)果。

1 預(yù)測方法

1.1 NeuralProphet模型

NeuralProphet模型是一種結(jié)合了傳統(tǒng)統(tǒng)計模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)點的新型混合模型^［23］，繼承了其前身Prophet模型^［24］及其他時間序列模型的模塊化分解的核心思想，模型本質(zhì)上將一個時間序列分解為多個獨立的不同組成模塊，每個組成模塊都有各自的輸入和建模過程，為預(yù)測模型貢獻相應(yīng)的組成分量。NeuralProphet模型的各個模塊如下所示：

?（t）=T（t）+S（t）+E（t）+F（t）+A（t）+L（t）（1）

式中：?（t）是所研究的目標(biāo)時間序列;T（t）是趨勢分量;S（t）是季節(jié)分量;E（t）是事件和節(jié)假日效應(yīng);F（t）是外生變量在未來時間t的回歸效應(yīng);A（t）是基于過去觀測的時間t的自回歸（auto-regressive， AR）效應(yīng);L（t）是t時刻外生變量滯后觀測的回歸效應(yīng)。

對應(yīng)于本文所研究的大型IP網(wǎng)絡(luò)流量矩陣的分析預(yù)測，由于流量采集的周期為月份數(shù)據(jù)，且并未考慮其他外生變量的滯后回歸及未來影響的效應(yīng)，因此此時NeuralProphet模型沒有節(jié)假日效應(yīng)E（t）、未來回歸項F（t）及滯后回歸項L（t），式（1）可以簡化為

?（t）=T（t）+S（t）+A（t）（2）

1.1.1 趨勢分量T（t）

趨勢分量的經(jīng)典建模方法可以歸結(jié)為求解偏移量m和增長率k的問題，NeuralProphet模型允許增長率在多個位置上發(fā)生變化，這些位置稱之為變點，此時趨勢分量被建模為連續(xù)分段線性函數(shù)系列。如果變點選擇得當(dāng)且數(shù)量充足，理論上任何非線性增長都可以通過分段線性進行擬合，這使得分段線性增長趨勢可以適用于線性或非線性的任何場景，同時具有很好的解釋性。由于分段線性函數(shù)中的偏移量m和增長率k其實是隨著時間而變化的，因此定義時間相關(guān)的增長率δ（t）和偏移量ρ（t），此時基于分段線性函數(shù)的趨勢增長模型如下所示：

T（t）=δ（t）·t+ρ（t）=（δ₀+Γ（t）^Tδ）·t+（ρ₀+Γ（t）^Tρ）（3）

式中：δ=（δ₁，δ₂，…，δ_nc），ρ=（ρ₁，ρ₂，…，ρ_nc），Γ（t）=（Γ₁（t），Γ₂（t），…，Γ_nc（t）），Γ（t）為二元向量：

Γ_j（t）=1， t≥c_j

0， 其他

變點集合C={c₁，c₂，…，c_nc}，n_c為變點的數(shù)量，δ₀和ρ₀分別為初始增長率和初始偏移量。

1.1.2 季節(jié)性分量S（t）

傅里葉級數(shù)是季節(jié)性建模的好工具，因為它可以產(chǎn)生易于解釋且穩(wěn)定的平滑函數(shù)，非常適合應(yīng)用于各種不同周期季節(jié)性數(shù)據(jù)的仿真擬合。NeuralProphet中的季節(jié)性正是使用傅里葉級數(shù)來實現(xiàn)的，每一個具有周期性p的季節(jié)項S_p（t）可由傅里葉項來定義：

S_p（t）=∑kj=1a_jcos2πjtp+b_jsin2πjtp （4）

式中：p是時間序列的周期;k為具有周期性p的季節(jié)性傅里葉項的級數(shù);a_j、b_j分別是余弦函數(shù)、正弦函數(shù)的加權(quán)系數(shù);每一個具有周期性p的季節(jié)分量與 2k個系數(shù)相關(guān)聯(lián)，此時季節(jié)分量的問題轉(zhuǎn)化為確定參數(shù)p、k并求解最優(yōu)系數(shù)β=（a₁，b₁，…a_k，b_k）^T的問題。在一個多周期季節(jié)性的場景中，可以為每個季節(jié)性定義不同的p值和k值，NeuralProphet模型則根據(jù)數(shù)據(jù)的采集頻率和數(shù)據(jù)長度自動激活每日、每周、每月或每年的周期季節(jié)性。

1.1.3 AR分量A（t）

對于一個經(jīng)典的AR時間序列模型而言，p階AR的建模過程可以認(rèn)為是若干個過去數(shù)據(jù)的線性組合：

y_t=c+∑pi=1w_i.y_t－i+ε_t （5）

式中：w_i為每個過去值的權(quán)重系數(shù);c為截距;ε_t為噪聲。

不同于經(jīng)典AR模型，NeuralProphet模型中引入了AR網(wǎng)絡(luò)（AR network， AR-Net），AR分量A（t）通過AR前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AR-Net來實現(xiàn)。AR-Net不僅可以采用線性建模，也可以采用非線性的深度AR（deep-AR）建模，這使得NeuralProphet模型能夠適用于各種復(fù)雜多變的應(yīng)用場景。如圖1所示，圖1（a）是與經(jīng)典AR等效的線性AR建模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，AR模塊不包含隱藏層，而是一個有著p個輸入、h個輸出的單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，此時將時間序列的最后p個觀測值y_t-1，y_t-2，…，y_t-p作為輸入，相應(yīng)權(quán)重系數(shù)為w₁，w₂，…，w_p;圖1（b）是受到機器學(xué)習(xí)模型啟發(fā)，選擇了添加l個尺寸為d的隱藏層的AR-Net架構(gòu)，AR-Net第一層模仿了經(jīng)典AR的表達(dá)，時間序列的最后p個觀測值作為第一層的輸入，而中間每個隱藏層的輸出都通過一個激活函數(shù)模塊，這里為整流線性單元（rectified linear unit， ReLU），最后一層不經(jīng)過激活函數(shù)模塊，輸出h個序列。AR-Net添加隱藏層可以完成非線性動力學(xué)的建模并實現(xiàn)更精準(zhǔn)的預(yù)測，但代價是降低了模型的可解釋性。

對于隱藏層尺寸為 d 的l個隱藏層，AR-Net模塊每層的輸出如下：

第1層：a₁=f_a（W₁x+b₁），其中x=（y_t－1，y_t－2，…，y_t－p）;

中間隱藏層：a_i=f_a（W_ia_i－1+b_i），i∈［2，3，…，l］;

最后一層：y=W_l+1a_l。

其中，f_a（x）為激活函數(shù)，且f_a（x）=ReLU（x）=x，x≥0

0，xlt;0，b_i∈R^d為隱藏層i的偏移量，除第1層權(quán)重向量W₁∈R^d×p及最后一層權(quán)重向量W_l+1∈R^h×d外，其余中間隱藏層的權(quán)重向量W∈R^d×d。

1.2 NeuralProphet模型對Prophet模型的改進

NeuralProphet模型與其前身Prophet模型相比，相似的組成部分有趨勢分量、季節(jié)分量、節(jié)假日特殊事件分量、未來回歸分量等，不同之處在于增加了AR分量和外生滯后回歸分量。和許多“黑盒子”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，NeuralProphet保留了 Prophet 的所有優(yōu)勢，而且通過引入AR-Net和超強的Pytorch后端這兩個變革式的改進，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可擴展性與傳統(tǒng)AR模型的可解釋性進行了完美結(jié)合，推動模型整體性能產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。重磅級全自動AR-Net的出現(xiàn)，使得AR模塊借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并貼合歷史數(shù)據(jù)的基本特征，更快捷精準(zhǔn)地擬合客觀現(xiàn)實，提高了模型準(zhǔn)確性和魯棒性。此外， 由于Pytorch的應(yīng)用，NeuralProphet模型不再局限于線性回歸，而可采用適應(yīng)性更強的ReLU非線性深度回歸并基于隨機梯度下降（stochastic gradient descent， SGD）進行模型參數(shù)優(yōu)化，極大地加快了建模的速度和效率。

2 流量流向分析與預(yù)測

2.1 流量數(shù)據(jù)集

2.1.1 數(shù)據(jù)來源

通過在中國電信省際IP網(wǎng)絡(luò)的出口節(jié)點大規(guī)模部署xFlow流量采集設(shè)備及采集分析系統(tǒng)，得到了大型運營級省際IP網(wǎng)絡(luò)的歷史流量流向矩陣報表數(shù)據(jù)，報表輸出時間顆粒度為月度數(shù)據(jù)，流量采集時間點為從2015年5月至2023年3月的共計95個時間點。每個月的流量矩陣報表共包含了16個省際節(jié)點之間的16×16（即256個）OD流量流向，原始流量矩陣的數(shù)據(jù)格式如表1所示，表中第i行、第j列元素表示第i個節(jié)點流出到第j個節(jié)點的流量，第i行代表了第i個節(jié)點流出到其他各節(jié)點方向上的流量，第i行流量之和則代表了第i個節(jié)點的節(jié)點流量。表1中對角線上的元素表示節(jié)點內(nèi)部的流量，這是由于中國電信省際節(jié)點除了轉(zhuǎn)發(fā)省際流量外，同時還需要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)省內(nèi)不同城域網(wǎng)之間的流量。

2.1.2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

原始?xì)v史流量數(shù)據(jù)為95個如表1所示的16×16的原始矩陣報表格式，但這樣的數(shù)據(jù)格式不方便后續(xù)的時間序列分析和流量預(yù)測，因此考慮先將所有的矩陣報表進行格式轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)合并，形成如表2所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。表2中，第1列是時間，剩余的每列代表了表1中每個OD對（即每個節(jié)點方向?qū)Γ┲g的歷史流量時間序列，例如表2第4列（“N1～N3”列）表示流向為節(jié)點N1到節(jié)點N3的所有歷史采集時間下（2015年5月～2023年3月）的流量序列。此時，95個形如表1的16×16的流量矩陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為形如表2的95行（時間點）256（16×16）列數(shù)據(jù)的流量流向時間序列。

2.1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通常而言，在正式進行統(tǒng)計分析和預(yù)測前需要對數(shù)據(jù)集進行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)清洗，即數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，主要包括補充數(shù)據(jù)缺失值以及對異常值進行識別及剔除。

對于本文的數(shù)據(jù)集，缺失值主要有兩種情況，一種是某個時間點的所有流量數(shù)據(jù)的集體缺失，另一種是某個時間點的個別節(jié)點或個別節(jié)點個別方向的流量數(shù)據(jù)缺失。第一種情況比較罕見，一般是由采集分析系統(tǒng)的整體故障或工程變更而導(dǎo)致;第二種情況則比較常見，通常由采集系統(tǒng)局部或單點原因引起。無論哪種情況的數(shù)據(jù)缺失，目前主要采用傳統(tǒng)的插值法來補充所缺失的數(shù)據(jù)。圖2展示了用插值法對節(jié)點N2及節(jié)點N9在時間點38以及時間點82、83缺失值的填充。

對于異常值的識別和剔除需要非常謹(jǐn)慎，因為錯誤的判斷可能會造成正常信息的損失。依據(jù)對自身網(wǎng)絡(luò)的了解和長期數(shù)據(jù)統(tǒng)計的相關(guān)經(jīng)驗，目前仍建議采用最簡單有效的拉伊達(dá)準(zhǔn)則（又稱3 s準(zhǔn)則）來進行異常值的判斷，即當(dāng)數(shù)值超出標(biāo)準(zhǔn)差3倍時初步判定為異常值，同時最好能夠結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實際情況及工程運維經(jīng)驗來進行輔助判斷?？梢钥吹剑瑘D2中N9節(jié)點在65時間點流量有一個極大的躍升，但后續(xù)流量并未回落，而是以此為基點穩(wěn)步增長。經(jīng)與當(dāng)?shù)剡\維部門核實，這是由于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴容調(diào)整導(dǎo)致的真實流量的暴增，并不屬于異常情況。

通常傳統(tǒng)時間序列模型（如ARIMA等）容易受歷史數(shù)據(jù)缺失或異常的干擾影響而導(dǎo)致預(yù)測性能下降，但NeuralProphet模型卻因AR模塊自帶糾偏能力而表現(xiàn)出極強的適應(yīng)性，特別適合這種存在異常波動的IP流量數(shù)據(jù)的預(yù)測建模。

2.2 流量特征分析

2.2.1 節(jié)點流量分布

將每月流量矩陣的每行之和作為每個節(jié)點的節(jié)點流量，將流量矩陣16行分別求和后得到所有16個節(jié)點的節(jié)點流量。將95個月份的流量矩陣做同樣的運算，得到16個節(jié)點的95個月份的節(jié)點流量，以及每個節(jié)點的95個時間點的平均節(jié)點流量。按節(jié)點流量由大到小排序畫圖，如圖3所示。

分析16個節(jié)點的節(jié)點流量，發(fā)現(xiàn)每個時間點的節(jié)點流量及平均節(jié)點流量有如下特點：排名前3位的節(jié)點流量均超總流量的10%，且前3位的節(jié)點流量之和與總流量的占比高達(dá)49%，而其余13個節(jié)點的合計流量僅占總流量的51%。由此可見，IP網(wǎng)絡(luò)的流量分布具有區(qū)域匯聚效應(yīng)，少量大流量節(jié)點貢獻了全網(wǎng)50%的流量。因此，在進行節(jié)點流量預(yù)測時，應(yīng)盡量保證大流量節(jié)點的預(yù)測性能，模型超參數(shù)的選取在兼顧公平的同時適當(dāng)向大流量節(jié)點傾斜。

2.2.2 OD流量流向分布

計算95個時間點的歷史流量矩陣的平均流量矩陣，得到平均流量矩陣各個元素（即各個源-目的對）之間的流量。進一步計算每個元素占網(wǎng)絡(luò)總流量的比例，并按比例由高到低進行排列畫圖，結(jié)果如圖4所示。圖4中，占比總流量大于3%的OD流個數(shù)為11，11個OD流合計流量占比高達(dá)45%，即約有4%（11/256）的OD流的流量占據(jù)全網(wǎng)流量的45%;流量占比大于1%的OD流個數(shù)為21，而合計流量占比為60%，即約有8%（21/256）的OD流的流量占據(jù)了全網(wǎng)60%的流量。這種現(xiàn)象表明，該IP網(wǎng)絡(luò)的流量分布是非均衡的，小部分局向間的流量占比較大，對全網(wǎng)流量起到關(guān)鍵的主導(dǎo)和引領(lǐng)作用。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段及實際網(wǎng)絡(luò)運維中應(yīng)當(dāng)對這些關(guān)鍵局向給予重點關(guān)注，在流量預(yù)測過程中應(yīng)優(yōu)先考慮這些局向預(yù)測的準(zhǔn)確性，并以此作為模型超參數(shù)優(yōu)化調(diào)整的關(guān)鍵依據(jù)。

2.2.3 OD流量占節(jié)點流量的比例

將原始流量矩陣的每行之和作為每個節(jié)點的節(jié)點流量，用每一行的每個流量矩陣元素除以該行之和（即該節(jié)點流量），得到該元素占該節(jié)點流量的比例。經(jīng)過類似計算，得到一個原始流量矩陣的16行的OD流相對節(jié)點流量的占比，以及95個時間點的原始流量矩陣的每個OD流相對節(jié)點流量的占比。對不同時間點的同一行的OD流量占比進行分析對比，可以發(fā)現(xiàn)每個節(jié)點的16個OD流的流向流量比例在不同歷史時間點幾乎保持穩(wěn)定不變。圖5以節(jié)點3為例，顯示了節(jié)點3的16個OD流占節(jié)點流量的比例，圖中不同時間的比例曲線基本重疊在一起。而其他節(jié)點也存在相同的特性。利用這個特性，可以簡化流量矩陣的預(yù)測過程：先通過恰當(dāng)?shù)姆椒A(yù)測所有節(jié)點的節(jié)點流量，再將節(jié)點流量按比例分配到各個源-目的局向中，即可得到預(yù)測流量矩陣。在下文對比實驗中，ARIMA方法和Prophet模型均基于此特性對節(jié)點流量進行預(yù)測，在將節(jié)點流量進行分配后，獲得最終的流量矩陣。

2.3 分析預(yù)測過程

2.3.1 總體流程

首次嘗試?yán)肗euralProphet模型對大型運營級IP網(wǎng)絡(luò)流量矩陣進行分析預(yù)測。此前，主要采用多元回歸趨勢外推法、ARIMA方法以及Prophet模型對節(jié)點流量進行預(yù)測，而本次與之前不同的是，基于NeuralProphet模型首次對流量矩陣（即每個OD流）進行了單獨預(yù)測。幾種方法相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果將在后文進行展示和對比。流量分析預(yù)測的完整過程和具體流程如圖6所示。

流量分析預(yù)測的完整過程和具體流程主要分為以下5個步驟。

步驟 1 數(shù)據(jù)采集

通過部署xFlow等采集分析系統(tǒng)采集IP網(wǎng)絡(luò)的流量數(shù)據(jù)，目前共采集95個歷史流量矩陣的月數(shù)據(jù)。遵循8∶2原則，選取前77個時間點的數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集，后18個時間點的數(shù)據(jù)作為預(yù)測集，即將經(jīng)過77個時間點的訓(xùn)練集訓(xùn)練后得到的模型用于預(yù)測后18個時間點的預(yù)測集，以預(yù)測集的預(yù)測結(jié)果進行預(yù)測效果的評估和對比。

步驟 2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括前文提到過的缺失值補充、異常值去除等數(shù)據(jù)清洗工作，同時需對流量數(shù)據(jù)做一些數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的處理，以及按行求和計算節(jié)點流量，計算OD流占節(jié)點流量比例等，為后續(xù)的流量預(yù)測過程做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。

步驟 3 流量預(yù)測

重點基于NeuralProphet模型對流量矩陣的256個OD流進行訓(xùn)練和預(yù)測，通過NeuralProphet模型強大的AR能力更好地擬合歷史流量并得到適用性更強、效果更好的模型。為了與之前使用的方法進行對比，也給出了ARIMA和Prophet模型的預(yù)測結(jié)果。

3種方法的相同之處在于，都需要經(jīng)歷模型反復(fù)訓(xùn)練、參數(shù)迭代優(yōu)化的過程才能得到最優(yōu)的模型。不同之處在于，ARIMA主要是對時間序列模型p、d、q參數(shù)的確定，Prophet模型主要是對變點數(shù)量、趨勢參數(shù)和季節(jié)參數(shù)的選取，而NeuralProphet模型除了Prophet模型的基本參數(shù)外，更多的是對AR模塊參數(shù)的訓(xùn)練以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超參數(shù)的確定。

NeuralProphet模型允許使用者根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗和研究需要自行定義模型的損失函數(shù)和度量策略。本實驗采用改進的Huber函數(shù)^［25］作為NeuralProphet模型的損失函數(shù)：

L_δ（y，?）=12δ（y－?）²， |y－?|lt;δ

|y－?|－δ2， |y－?|≥δ（6）

損失函數(shù)中的超參數(shù)δ的最優(yōu)值可通過交叉驗證法來選取。在默認(rèn)情況下，δ=1，對于本次研究的IP網(wǎng)絡(luò)流量流向，經(jīng)反復(fù)迭代仿真后確定δ=3時具有最優(yōu)的效果。圖7是損失函數(shù)隨迭代次數(shù)變化的曲線，可見δ=3時損失函數(shù)收斂較快，且收斂后損失值較δ=1及δ=2時小。

需要指出的是，ARIMA和Prophet模型是基于節(jié)點流量進行的，預(yù)測的工作量由256個時間序列縮減為16個，得到節(jié)點預(yù)測流量后再將其按比例分配到OD流比例中，最終得到預(yù)測流量矩陣，這是目前實際工程實踐中常用的簡化方法。

步驟 4 結(jié)果分析

將NeuralProphet模型的預(yù)測結(jié)果與ARIMA、Prophet模型的預(yù)測結(jié)果進行分析對比，以確定該IP網(wǎng)絡(luò)流量矩陣預(yù)測的最優(yōu)方案。在預(yù)測精度滿足要求的前提下，可根據(jù)實際工程需要，綜合考慮運算效率和模型復(fù)雜度而選擇效果次優(yōu)但更簡單實用的模型。

步驟 5 后評估

運營級IP網(wǎng)絡(luò)的流量預(yù)測工作是一個長期持續(xù)和不斷修正的過程，在新數(shù)據(jù)不斷采集擴充的情況下，可以通過新數(shù)據(jù)的反饋和驗證來優(yōu)化原有模型及參數(shù)，形成閉環(huán)的預(yù)測后評估修正機制，從而提升IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運營工作的質(zhì)量。

2.3.2 性能指標(biāo)

通?？刹捎谜`差平方和（sum of square error， SSE）、均方根誤差（root mean square error， RMSE）、平均絕對誤差（mean absolute error， MAE）或平均絕對百分誤差（mean absolute percentage error， MAPE）等性能指標(biāo)來評價預(yù)測模型的效果。為了便于比較，本文主要采用MAPE作為誤差評價指標(biāo)，MAPE包括節(jié)點流量預(yù)測誤差和流量矩陣預(yù)測誤差。t時刻節(jié)點流量預(yù)測誤差和流量矩陣預(yù)測誤差分別定義如下：

MAPE_node=100%×1N×∑Ni=1|y_i（t）－?_i（t）|y_i（t）（7）

MAPE_TM=100%×1N²×∑Ni=1∑NJ=1|z_ij（t）－zˇ_ij（t）|z_ij（t）（8）

式中：N是流量矩陣的節(jié)點數(shù)，本文中N=16;?_i（t）是t時刻節(jié)點i的預(yù)測流量，y_i（t）是t時刻節(jié)點i的實際流量;zˇ_ij（t）是t時刻節(jié)點i到節(jié)點j的OD流的預(yù)測流量，z_ij（t）是t時刻節(jié)點i到節(jié)點j的OD流的實際流量;節(jié)點i、j∈［1，16］。眾所周知，MAPE越小，預(yù)測性能越好。

3 結(jié)果分析

基于改進的損失函數(shù)，利用NeuralProphet模型首次對中國電信大型運營級IP網(wǎng)絡(luò)流量流向進行預(yù)測并取得了較滿意的效果。下面分別從以下幾個方面對比ARIMA、Prophet模型的預(yù)測結(jié)果：節(jié)點預(yù)測誤差、OD流量流向預(yù)測誤差、流量矩陣整體預(yù)測性能。

3.1 節(jié)點流量預(yù)測誤差隨時間的變化

圖8是節(jié)點流量預(yù)測誤差MAPE隨時間變化的曲線圖。

由圖8可見，3種預(yù)測模型的MAPE隨預(yù)測時長的增加而增大，但傳統(tǒng)ARIMA預(yù)測誤差的變化相對另外兩種模型的誤差變化要大得多，ARIMA的預(yù)測誤差從預(yù)測時長為1個月的7%，增加為預(yù)測時長為18個月的48%，而Prophet和NeuralProphet則分別從3%、1%增加到22%、15%。由此可見，NeuralProphet模型由于AR模塊的引入和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加持，可以較大地提升節(jié)點流量預(yù)測的準(zhǔn)確性。

3.2 OD流量流向預(yù)測誤差隨時間的變化

流量矩陣中OD流預(yù)測MAPE誤差隨預(yù)測時長從1～18月的變化曲線如圖9所示。與節(jié)點流量誤差類似，3種方法的OD流預(yù)測誤差均隨時間的增大而增加，其中傳統(tǒng)ARIMA模型的誤差從8%增加到53%，而Prophet和NeuralProphet模型的預(yù)測誤差隨時間的變化更加平穩(wěn)，分別從4%和2%增加到29%和21%?？梢姡琋euralProphet模型的預(yù)測誤差較其他兩種模型更小，因此對于OD流量流向的預(yù)測，NeuralProphet模型具有更好的預(yù)測效果。

3.3 單個OD流量流向預(yù)測結(jié)果的對比

以一個OD流量流向的預(yù)測結(jié)果作為示例，圖10展示了3種模型的預(yù)測結(jié)果與流量真實值的對比。

由圖10可見，3種方法對于訓(xùn)練集數(shù)據(jù)的擬合效果差異不大，都能較好地貼合真實值，但訓(xùn)練模型在預(yù)測集的表現(xiàn)卻差異巨大，只有NeuralProphet模型能夠符合真實流量的趨勢走向并與真實值吻合較好;而Prophet模型雖然在訓(xùn)練集上可以通過分段線性進行準(zhǔn)確地擬合，但由于缺乏測試集的“拐點”信息，容易受到訓(xùn)練集最后一個變點的影響，導(dǎo)致預(yù)測集上擬合曲線不可避免地偏離真實曲線;ARIMA模型也存在類似的問題，由于訓(xùn)練集最后幾個數(shù)值的突降跳躍，導(dǎo)致預(yù)測集上的擬合曲線也一路向下，愈發(fā)遠(yuǎn)離真實曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，由于全自動AR-Net的引入，NeuralProphet模型對測試集的預(yù)測以歷史數(shù)據(jù)作為“基準(zhǔn)線”，較好地糾正了Prophet模型趨勢項的缺陷，因此模型對于流量的異常或突變?nèi)萑潭雀?，容錯性和泛化能力表現(xiàn)更為優(yōu)異，模型的魯棒性和穩(wěn)健性也得到進一步提升。

3.4 流量矩陣預(yù)測結(jié)果整體對比

為了整體評估流量流向矩陣預(yù)測的性能和準(zhǔn)確性，畫出3種模型下預(yù)測時長為18個月的預(yù)測結(jié)果與流量矩陣真實值的對比圖，如圖11所示。圖11（a）為ARIMA模型的結(jié)果，圖11（b）為Prophet模型的結(jié)果，圖11（c）為NeuralProphet模型的結(jié)果。不難看到，對于16×16的IP流量流向矩陣而言，NeuralProphet模型的預(yù)測性能優(yōu)于Prophet和ARIMA模型，NeuralProphet模型的256個OD流預(yù)測值與真實值的吻合程度遠(yuǎn)高于另外兩個模型。

表3是3種預(yù)測模型在預(yù)測時長為第18個月時的預(yù)測結(jié)果的評價指標(biāo)對比，NeuralProphet模型的各項性能指標(biāo)都比另兩種模型好，可見NeuralProphet模型更適用于這張大型運營級IP網(wǎng)絡(luò)流量流向的預(yù)測。

4 結(jié)束語

針對IP網(wǎng)絡(luò)流量快速增長且隨機性、突發(fā)性強等特點，本文基于NeuralProphet模型對中國電信大型運營級IP網(wǎng)絡(luò)的流量流向進行了詳盡的分析和預(yù)測，同時也對比了傳統(tǒng)ARIMA模型和早期的Prophet模型。實踐結(jié)果表明，NeuralProphet的模型兼具傳統(tǒng)時間序列分析方法的可解釋性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的強大高效性，能夠得到準(zhǔn)確性、擴展性和魯棒性更佳的預(yù)測結(jié)果，可以更好地滿足IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)和運行維護的需求。不過，目前的方法基于單個OD流時間序列來進行，對于超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)存在的運算量急劇擴張的問題，如全國31個省的省際流量流向，需分析預(yù)測31×31（即961）個OD流序列，而對于由全國300多個城域網(wǎng)組成的城域網(wǎng)間流量，運算量則擴大到約10萬個OD流序列，這在對時限性要求較高的緊急運維調(diào)度等場景中局限性較大，因此降低運算量的節(jié)點流量預(yù)測仍具有實際工程應(yīng)用價值，而將流量流向矩陣進行整體一次性預(yù)測、而非轉(zhuǎn)換為N²個OD流時間序列的分析預(yù)測方法也亟需研究，且意義深遠(yuǎn)。

可以預(yù)見，隨著各種新型應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，未來IP 網(wǎng)絡(luò)流量的增長和分布仍具有極大的不確定性，今后的流量流向分析預(yù)測和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化將面臨更大的挑戰(zhàn)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)等人工智能方法且方便現(xiàn)網(wǎng)高效使用的流量分析預(yù)測模型將成為未來的主流和重點研究方向^［26-33］，需要繼續(xù)深入研究和學(xué)習(xí)探索。

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作者簡介

韋 烜（1974—），女，高級工程師，碩士，主要研究方向為IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運營技術(shù)、下一代互聯(lián)網(wǎng)。

劉志華（1970—），男，高級工程師，碩士，主要研究方向為云網(wǎng)融合技術(shù)、下一代互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全。

李 青（1973—），男，高級工程師，碩士，主要研究方向為核心網(wǎng)與業(yè)務(wù)平臺技術(shù)、云計算/大數(shù)據(jù)運營技術(shù)。

何曉明（1968—），男，高級工程師，博士，主要研究方向為IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

黃君雅（1993—），女，工程師，碩士，主要研究方向為下一代互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全。