劉志江

(武威職業(yè)學(xué)院,甘肅 武威 733000)

校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)測量方法應(yīng)用與分析

劉志江

(武威職業(yè)學(xué)院,甘肅 武威 733000)

目前,隨著高校信息化和數(shù)字化水平的不斷提高,利用網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)仿真建模等方法對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部件進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)分析,是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)研究熱點(diǎn).隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模和業(yè)務(wù)的豐富多樣,校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量急劇增加,網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測性、可靠性和安全性存在諸多潛在風(fēng)險(xiǎn).文章在對當(dāng)下主流的網(wǎng)絡(luò)測量方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,對比分析了主動式測量、被動式測量和探針式測量方法在不同場合應(yīng)用測試優(yōu)缺點(diǎn),研究了基于SNMP協(xié)議進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)采集方法,并結(jié)合Wireshark和Sniffer pro等專業(yè)抓包工具,以多層次不同網(wǎng)絡(luò)報(bào)文顆粒的分布式測量為輔助方法,開展校園網(wǎng)測量和性能分析工作.

校園;網(wǎng)絡(luò)測量;SNMP

高校校園網(wǎng)肩負(fù)著教學(xué)和科研雙重重任.隨著高校信息化和數(shù)字化水平的不斷提高,在現(xiàn)網(wǎng)基礎(chǔ)上,通過不斷的優(yōu)化和改造,建設(shè)成一個(gè)穩(wěn)定可靠高效的多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò),是每個(gè)學(xué)校的目標(biāo)和任務(wù).目前,隨著高校校園網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)流量的急劇增加,網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測性、可靠性和安全性存在諸多潛在風(fēng)險(xiǎn)[1].武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境搭建模擬場景,對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)存在的瓶頸,提出了解決方案和辦法.

1 網(wǎng)絡(luò)測量重要性

網(wǎng)絡(luò)測量是研究網(wǎng)絡(luò)行為學(xué)并有效進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源管理和分配的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作.目前,全球互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出許多新的特征、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,網(wǎng)絡(luò)流量分布日趨復(fù)雜和難以區(qū)分、網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)出指數(shù)增長.面對如此多的網(wǎng)絡(luò)測量困難,運(yùn)營商、設(shè)備制造商和相關(guān)科研院所開展了不同層面、不同領(lǐng)域的研究工作.有研究者對世界范圍內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)AS的度分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究,目的是探索和構(gòu)建一個(gè)清晰的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?最終發(fā)現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)處在一個(gè)隨時(shí)隨地變化的混沌狀態(tài);有研究者開展了網(wǎng)絡(luò)流量分類方法和建模,由于傳統(tǒng)的基于端口和DPI的研究的局限性和不穩(wěn)定性,在面對復(fù)雜流量和大量P2P流量出現(xiàn)測不準(zhǔn)現(xiàn)象,因此,有研究者利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法開展網(wǎng)絡(luò)的流量分類研究工作,通過把互聯(lián)網(wǎng)流量和當(dāng)前的大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)挖掘理論建模方法相結(jié)合,開辟了新的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)測量、流量分類新領(lǐng)域,作者查閱了近5年相關(guān)網(wǎng)絡(luò)測量和流量分類相關(guān)文獻(xiàn)資料,對流量分類進(jìn)行了梳理和總結(jié),對常見如支持向量機(jī)、C4.5決策樹、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、粒子群算法開展流量研究取得的成績和不足進(jìn)行了總結(jié),并結(jié)合本次項(xiàng)目研究實(shí)際情況,利用weka多種算法集成的方法進(jìn)行分類研究,在保證分類的準(zhǔn)確性和覆蓋完備性條件下,開展常見的分布式拒絕服務(wù)(Distributed Denial of Service,DDoS)攻擊等安全性研究工作.

2 網(wǎng)絡(luò)測量性能指標(biāo)和分類

網(wǎng)絡(luò)測量是通過科學(xué)的方法來精確獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的過程,是分析和研究網(wǎng)絡(luò)行為學(xué)的前提和基礎(chǔ).通過網(wǎng)絡(luò)測量可以針對性地研究和分析網(wǎng)絡(luò)特征,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,最終達(dá)到對網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)的綜合處理.通常,網(wǎng)絡(luò)測量主要獲取的參數(shù)有網(wǎng)絡(luò)帶寬、延遲、丟包率、吞吐量、利用率和RTT等關(guān)鍵指標(biāo).隨著對網(wǎng)絡(luò)研究的不斷深入,僅僅通過簡單參數(shù)測量來研究和發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題已變成一個(gè)棘手的問題.目前,利用數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來研究網(wǎng)絡(luò)已成熱點(diǎn).這種方法是通過對分組到達(dá)率、隊(duì)列長度、服務(wù)窗口、擁塞時(shí)間等參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和分析后,用網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)學(xué)擬合方法進(jìn)行加工處理,最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的評估和預(yù)測.

網(wǎng)絡(luò)測量有很多種分類標(biāo)準(zhǔn),按照測量方式可分為主動式測量、被動式測量和探針式測量.按照測量點(diǎn)位置可以分為單節(jié)點(diǎn)測量和多點(diǎn)聯(lián)合測量,按照采用的協(xié)議可分為邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Border Gateway Protocol,BGP)測量、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(Simple Network Management Protocol ,SNMP)測量、Internet控制報(bào)文協(xié)議(Internet Control Message Protocol,ICMP)測量和多種協(xié)議集合式測量;按照測量目標(biāo)和內(nèi)容分為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錅y量和網(wǎng)絡(luò)性能測量.其中,主動式測量方法是測量者主動向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測量數(shù)據(jù),通過觀察結(jié)果來對比發(fā)送前后數(shù)據(jù)量的變化以獲取測量數(shù)據(jù).主動式網(wǎng)絡(luò)測量具有實(shí)時(shí)性高、針對性好等優(yōu)點(diǎn),但是主動測量需要增加網(wǎng)絡(luò)額外的開銷,增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,當(dāng)測量節(jié)點(diǎn)數(shù)很多的時(shí)候會嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù),甚至?xí)霈F(xiàn)巨大誤差.被動式測量是通過在選定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路上,主動獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和流量,這種方法雖然不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,但實(shí)時(shí)性不高,隨著采樣數(shù)據(jù)的增加,測試數(shù)據(jù)會表現(xiàn)出局部有效性,并不能真實(shí)反映出網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前情況,相對一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)網(wǎng)絡(luò),該方法沒有對網(wǎng)絡(luò)的整體做到很好的描述.在進(jìn)行實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測量時(shí),我們要緊密結(jié)合研究目標(biāo),準(zhǔn)確選取幾個(gè)具有針對性的測量環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)對象實(shí)時(shí)測量.

3 采用SNMP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)抓包工具結(jié)合方法

SNMP是通過在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中配置了相關(guān)的協(xié)議參數(shù),利用C/S模式,從客戶設(shè)備中提取MIB數(shù)據(jù)庫信息到服務(wù)器端,將該信息轉(zhuǎn)換成動態(tài)顯示圖以直觀方式顯示在網(wǎng)管系統(tǒng)當(dāng)中[2].目前除了有已經(jīng)開發(fā)的專用網(wǎng)管系統(tǒng)外,開放的可以使用MRTG進(jìn)行部署.最終達(dá)到網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)測量的目的.網(wǎng)絡(luò)抓包軟件是一種典型的被動式測量方法,通過將測量主機(jī)的端口模式改為混雜型后,將制定的網(wǎng)絡(luò)流量注入該主機(jī),來獲取網(wǎng)絡(luò)流量參數(shù)特征方法.常用的抓包工具有Sniffer和Wireshark等.

4 測量方案部署

武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)有邊緣路由器一臺、核心交換機(jī)一臺、若干臺匯聚層和接入層交換機(jī).網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹形,核心交換單端口下行各樓宇匯聚交換機(jī),上行邊緣路由器,邊緣路由器600 M接入中國聯(lián)通,全校共計(jì)信息點(diǎn)有3 500個(gè).其中各匯聚層交換機(jī)鏈接各樓宇內(nèi)部多臺接入層交換機(jī).各匯聚層交換機(jī)通過光纖方式鏈接到核心交換.原則上從核心層算起到最低一層交換機(jī)不能超過3層.按照業(yè)務(wù)類型來分,主要有Web網(wǎng)站、各類資源管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等.本次選取的測量點(diǎn)為各樓宇匯聚交換機(jī)和核心交換機(jī)上行鏈路,10號、11號機(jī)房上行鏈路.測量值有帶寬利用率、峰值帶寬利用率、端口丟包率和RTT.由于本次網(wǎng)絡(luò)測量沒有進(jìn)行大規(guī)模全方位的網(wǎng)絡(luò)性能測量,因此,選用抓包軟件進(jìn)行測試時(shí),不定期對測試點(diǎn)鏈路進(jìn)行端口鏡像抓包,主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)指標(biāo)有廣播報(bào)文平均數(shù)、單播報(bào)文平均數(shù)、協(xié)議類型統(tǒng)計(jì)、傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)鏈接統(tǒng)計(jì)、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP)鏈接統(tǒng)計(jì)、OTHER協(xié)議數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì).

5 測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析

通過對武威職業(yè)學(xué)院校園網(wǎng)核心設(shè)備中繼鏈路采用主動式測量獲取數(shù)據(jù)和核心層設(shè)備上連鏈路數(shù)據(jù)的采集,并24 h早中晚3個(gè)階段進(jìn)行為期一個(gè)月的樣本采集得出如下結(jié)論:

(1)通過對網(wǎng)管系統(tǒng)中所測數(shù)據(jù)的動態(tài)圖像,我們采用MRTG進(jìn)行很好的擬合,發(fā)現(xiàn)圖像差異很小,說明了采用方法的正確性和證明了測量理論依據(jù).

(2)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)呈不規(guī)律的波動性,特別是在周末和晚間8:00-10:30時(shí)間內(nèi),出現(xiàn)峰值帶寬利用率.利用抓包工具發(fā)現(xiàn)了局部的境外的IP地址發(fā)起的DDOS攻擊[3].

(3)在10號和11號機(jī)房,上網(wǎng)高峰期發(fā)現(xiàn)了大量的地址解析協(xié)議(Address Resolution Protocol,ARP)廣播數(shù)據(jù)包文,該報(bào)文占用率達(dá)到95%,解決方案是在核心層有效隔離二層廣播數(shù)據(jù),減小VLAN中的主機(jī)數(shù)量.

(4)1號樓機(jī)房在晚自習(xí)時(shí)段和課間時(shí)段,網(wǎng)絡(luò)流量峰值居高不下,按照協(xié)議分析,網(wǎng)絡(luò)中存在大量的P2P流量,嚴(yán)重占用網(wǎng)絡(luò)帶寬.解決辦法是在該方向入端口做流策略,當(dāng)單播超過50%后選擇概率P的丟棄.

[1]王玉蟬.校園網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].福州:福州大學(xué),2011.

[2]鄭業(yè)萌.高職院校校園網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].濟(jì)南:齊魯工業(yè)大學(xué),2013.

[3]董佳.唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園網(wǎng)升級改造[D].秦皇島:燕山大學(xué),2012.

Application and analysis on campus network measurement method

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

At present, with the continuous improvement of informationization and digitization in colleges and universities. It is the hotspot of current network study by using network measurement technology, network simulation modeling and other methods to measure and data analysis the key components of network. With the scale of Internet applications and the rich and varied business, the campus network traffic increases dramatically, there are many potential risks in the network predictability, reliability and security. Based on the study of the current mainstream network measurement methods, this paper analyzes the advantages and disadvantages of active measurement,passive measurement and probe measurement in different occasions, and studies the network topology discovery and data acquisition methods based on SNMP protocol. Combined with Wireshark, Sniffer pro and other professional capture tool for multi-level different network packets of particle distributed measurement as a supplementary method to carry out our school campus network measurement and performance analysis.

campus; network measurement; simple network management protocol

武威職業(yè)學(xué)院院級課題項(xiàng)目;項(xiàng)目編號:ZYY201606.

劉志江(1982- ),男,甘肅武威人,講師,碩士;研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真和網(wǎng)絡(luò)流量分類等.