企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶寬資源計量計費及錯峰激勵機制的探討

□ 文 郝 航 潘智勇

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，企業(yè)的運轉(zhuǎn)和服務(wù)模式發(fā)生了巨大變化，企業(yè)運轉(zhuǎn)越來越依靠信息系統(tǒng)，隨著信息系統(tǒng)數(shù)量的增多和規(guī)模的增大，企業(yè)對互聯(lián)網(wǎng)接入帶寬需求也越來越大，導致企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)流量激增，這對企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)帶寬接入能力帶來了極大的挑戰(zhàn)?；ヂ?lián)網(wǎng)帶寬需求劇增帶來的不僅是容量問題，更是管理問題，單純擴展帶寬容量是不能解決企業(yè)內(nèi)部不同系統(tǒng)、不同業(yè)務(wù)之間對有限帶寬資源爭用的問題。

同時在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，對各項投入進行成本核算已成為常態(tài)，是企業(yè)實現(xiàn)精細化運營的必經(jīng)之路。在眾多核算項中，互聯(lián)網(wǎng)帶寬租賃費用作為企業(yè)長期高額投入的部分，對其建立完善的內(nèi)部核算機制已迫在眉睫。

通過建立企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶寬資源的計量計費模式，可實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入成本在各類系統(tǒng)、各類業(yè)務(wù)的分攤，從而建立良性的發(fā)展模式，優(yōu)化有限帶寬資源的分配和利用，實現(xiàn)企業(yè)增效降本提質(zhì)的目標。本文旨在設(shè)計一套基于Netflow流量采樣的互聯(lián)網(wǎng)帶寬計量計費系統(tǒng)，實現(xiàn)覆蓋企業(yè)所有園區(qū)互聯(lián)網(wǎng)出口的帶寬資源系統(tǒng)維度、業(yè)務(wù)維度的統(tǒng)計，同時提出了基于鏈路繁忙度的動態(tài)激勵計費模式，對引導各類業(yè)務(wù)錯峰上網(wǎng)，優(yōu)化企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶寬資源分配具有重要意義。

1 基于Netflow流量采樣的園區(qū)邊界互聯(lián)網(wǎng)帶寬計量計費系統(tǒng)

1.1 Netflow簡介

NetFlow是1996年由Cisco公司開發(fā)的一款用于分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包信息的流量輪廓監(jiān)控技術(shù)，它描述了路由器輸出關(guān)于被路由套接字對（the routed socket pairs）統(tǒng)計信息的方法。NetFlow常見的部署結(jié)構(gòu)如圖1所示，一套基于NetFlow的流量統(tǒng)計分析系統(tǒng)通常包括數(shù)據(jù)導出模塊（NetFlow Data Exporter）、數(shù)據(jù)采集模塊（NetFlow Data Colle c tor）和數(shù)據(jù)分析模塊（Net Flow D at a Analyzer）。

NetFlow的工作原理為：NetFlow首先使用標準的交換模式對IP包的數(shù)據(jù)初始化，同時把IP包的數(shù)據(jù)緩存下來，形成NetFlow緩存，隨后NetFlow在同一數(shù)據(jù)流中傳輸緩存信息相似的數(shù)據(jù)，從而完成數(shù)據(jù)包的計數(shù)和統(tǒng)計。當設(shè)備緩存的NetFlow數(shù)據(jù)包超過上限或緩存的NetFlow條目達到老化時間，就會把該NetFlow數(shù)據(jù)發(fā)送至采集模塊進行統(tǒng)一存儲，存儲在收集器中的NetFlow條目最后會被分析器加載，完成流量數(shù)據(jù)的最終統(tǒng)計分析。

1.2 周期性流量采樣的統(tǒng)計分析優(yōu)勢

傳統(tǒng)的NTA（Network Traffic Analysis）設(shè)備通常采用實時采樣的方式感知監(jiān)控鏈路的流量，對設(shè)備的性能要求較高，而本文設(shè)計的帶寬計量計費系統(tǒng)是通過周期性的啟動、關(guān)閉探針實現(xiàn)對監(jiān)控鏈路的周期性采樣，與傳統(tǒng)的實時采樣相比，周期性采樣的流量統(tǒng)計分析系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）減輕統(tǒng)計分析設(shè)備負載

企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負載通常處于較高水平，如采用全流量實時采樣的方式勢必會額外增加設(shè)備的計算開銷，導致設(shè)備負載持續(xù)走高，影響設(shè)備性能和可靠性。而對企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)流量進行周期性采樣可以有效降低流量監(jiān)控范圍，其統(tǒng)計結(jié)果也具備較高的可信度。

（2）避免產(chǎn)生過多背景流量

由于NetFlow本身會產(chǎn)生統(tǒng)計報文，因此勢必會在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中引入背景流量，從而影響企業(yè)網(wǎng)絡(luò)性能，為盡量降低背景流量對企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的干擾，必須考慮減少NetFlow的生成速率，而周期性采樣流量方式可有效降低NetFlow的生成速率，從而減少對現(xiàn)網(wǎng)的影響。

（3）簡化統(tǒng)計模型設(shè)計

企業(yè)內(nèi)部往往運行眾多服務(wù)器和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，每臺服務(wù)器每個業(yè)務(wù)系統(tǒng)都會產(chǎn)生大量的聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于實時采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型的設(shè)計和實現(xiàn)難度極大。為實現(xiàn)統(tǒng)計模型的簡化，抓住統(tǒng)計重點，必須減少統(tǒng)計的樣本數(shù)量，因此適合采用周期性采樣的方式進行統(tǒng)計。

1.3 基于Netflow流量采樣的互聯(lián)網(wǎng)帶寬計量計費系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.3.1 總體架構(gòu)

本文設(shè)計的統(tǒng)計系統(tǒng)包含探針、收集器和分析器三部分，其功能架構(gòu)如圖2所示。

探針負責根據(jù)收集器下發(fā)的采樣任務(wù)對監(jiān)控鏈路進行周期性采樣，并在一個采樣周期結(jié)束后或緩存的NetFlow條目達到緩存上線后將NetFlow統(tǒng)計信息發(fā)送至收集器。

收集器負責所有探針的采樣任務(wù)管理和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集、存儲，并通過REST接口提供統(tǒng)計報文的查詢服務(wù)。

分析器中部署了帶寬計量模型和計費模型，通過從收集器中獲取統(tǒng)計數(shù)據(jù)并運行計量、計費模型產(chǎn)生業(yè)務(wù)系統(tǒng)維度和業(yè)務(wù)部門維度的帶寬使用報表，并提供可視化大屏展示。

主要功能模塊說明如下：

（1）通信模塊：負責探針、收集器和分析器之間的底層數(shù)據(jù)通信，采用非阻塞式異步通信框架，避免各節(jié)點之間因耗時任務(wù)執(zhí)行導致的通信異常。

（2）心跳模塊：用于探針和收集器之間的心跳?；睿谔结槹l(fā)生故障后，收集器會因為心跳超時感知故障探針，標記探針狀態(tài)并及時發(fā)出告警。

（3）采樣任務(wù)模塊：收集器上的采樣任務(wù)模塊是針對探針采樣任務(wù)配置管理，包括設(shè)置探針采樣時長和采樣間隔等配置；探針上的采樣任務(wù)模塊主要是負責本節(jié)點采樣任務(wù)的定時啟停和結(jié)果上報。

（4）統(tǒng)計分析模塊：通過部署計量、計費模型，對收集器中存儲的NetFlow數(shù)據(jù)做進一步統(tǒng)計分析，生成可視化大屏所需的帶寬占用數(shù)據(jù)和費用數(shù)據(jù)。

部署架構(gòu)如圖3所示。

本文設(shè)計的系統(tǒng)充分考慮企業(yè)多園區(qū)結(jié)構(gòu)，通過在不同園區(qū)內(nèi)部署探針設(shè)備，實現(xiàn)全域互聯(lián)網(wǎng)流量的監(jiān)測，從而實現(xiàn)覆蓋企業(yè)全部園區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)帶寬計量和計費。在探針部署階段，對于支持鏡像端口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，直接鏡像互聯(lián)網(wǎng)出口流量至探針設(shè)備；對于不支持鏡像端口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以借助分流器等設(shè)備對原始流量進行克隆并引流至探針設(shè)備。

表1 采樣參數(shù)

1.3.2 流量采樣頻率

為降低帶寬資源統(tǒng)計分析系統(tǒng)的復雜度，同時考慮采樣數(shù)據(jù)的準確性，本文提出的帶寬資源統(tǒng)計模型中采樣間隔為5分鐘，24小時采樣，每日采樣數(shù)據(jù)包括288個/每IP的主機帶寬數(shù)據(jù)和288個鏈路帶寬數(shù)據(jù)。

1.3.3 帶寬計量模型

本文所設(shè)計的帶寬計量模型相關(guān)概念定義如下：

（1）主機采樣帶寬：采樣時刻主機實際使用帶寬。

（2）系統(tǒng)采樣帶寬：采樣時刻系統(tǒng)所屬的主機采樣帶寬之和。

（3）鏈路采樣帶寬：采樣時刻互聯(lián)網(wǎng)出口鏈路實際總使用帶寬。

（4）系統(tǒng)日帶寬：每日系統(tǒng)采樣帶寬的95峰值計為系統(tǒng)日帶寬。為避免系統(tǒng)對互聯(lián)網(wǎng)突發(fā)性訪問造成帶寬計量過高，系統(tǒng)日帶寬采用95峰值計量模式，即對系統(tǒng)所有采樣點進行降序排列，移除最高5%的采樣數(shù)據(jù)后的次高采樣數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)日帶寬的計量數(shù)據(jù)。

1.3.4 帶寬計費模型

本文所設(shè)計的帶寬計費模型相關(guān)概念定義如下：

（1）鏈路帶寬：企業(yè)從運營商租賃的互聯(lián)網(wǎng)鏈路帶寬。

（2）鏈路繁忙時段：每日鏈路采樣帶寬超過鏈路帶寬50%的時段。

（3）系統(tǒng)高峰時段：每日系統(tǒng)采樣帶寬在80峰值以上的時段。

（4）系統(tǒng)日參堵率：系統(tǒng)高峰時段與鏈路繁忙時段重疊時長與鏈路繁忙時段總時長之比。當鏈路繁忙時段總時長為零時，所有系統(tǒng)日參堵率為零。

本文所設(shè)計的帶寬計費模型計算方式如下：

其中，C日是系統(tǒng)日費用；B日是系統(tǒng)日帶寬；C年度租賃費是互聯(lián)網(wǎng)鏈路年度租賃費；B總帶寬是鏈路總帶寬；S是計費激勵因子，計算公式：S=0.5*（1+系統(tǒng)日參堵率）。

在以上計費方式中，企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)占用帶寬產(chǎn)生的費用除了與實際占用帶寬大小有關(guān)，還與企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)鏈路的繁忙程度相關(guān)，當鏈路處于非繁忙時段時，系統(tǒng)占用帶寬產(chǎn)生的費用將優(yōu)惠至多50%，而鏈路處于繁忙時段時，系統(tǒng)占用帶寬產(chǎn)生的費用優(yōu)惠力度大幅度降低，從而實現(xiàn)了根據(jù)鏈路繁忙度變化的動態(tài)激勵方式，達到鼓勵、引導企業(yè)不同系統(tǒng)、不同業(yè)務(wù)錯峰上網(wǎng)，優(yōu)化互聯(lián)網(wǎng)帶寬資源使用的目的。

2 實驗

通過在某企業(yè)實際部署系統(tǒng)，收集某天帶寬數(shù)據(jù)如圖4所示：

已知企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總帶寬為250Mbit/s，鏈路負載＞50%總帶寬的時段是08:00～18:25，系統(tǒng)A、B、C、D的各項參數(shù)如表2所示：

表2 系統(tǒng)占用帶寬統(tǒng)計表

假設(shè)企業(yè)年帶寬租賃費用為100萬/年，使用帶寬計費公式計算A-D系統(tǒng)的日帶寬費用分別是：

由以上結(jié)果可知，系統(tǒng)A和C、系統(tǒng)B和D的系統(tǒng)日帶寬基本相同，但C、D系統(tǒng)的日參堵率較高，說明這兩個系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間存在帶寬爭用現(xiàn)象，因此在核算帶寬占用費時優(yōu)惠幅度小，其帶寬費用較日帶寬占用量相近的A、B系統(tǒng)高出近40%，C、D系統(tǒng)所屬業(yè)務(wù)部門應(yīng)當考慮調(diào)整用網(wǎng)時段以降低本部門帶寬成本，從而提高企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)鏈路帶寬的綜合利用率。

3 結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，企業(yè)對互聯(lián)網(wǎng)帶寬的需求日益增長，如何提高企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶寬資源的綜合利用率是當前研究的一個重點。本文對帶寬使用采樣統(tǒng)計進行數(shù)學模型分析，將解決問題的思路歸納為帶寬采樣、計量模型和計費模型三個方面，并設(shè)計了一套較完善的帶寬數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、可視化的計量計費系統(tǒng)，對加強企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源的管理有重要意義。同時本文還提出了基于鏈路實時負載的動態(tài)激勵模式，對于引導企業(yè)內(nèi)部錯峰上網(wǎng)，優(yōu)化帶寬資源使用有較高價值?！?/p>