校园网流量多维度行为分析及优化

引言; 校园网高带宽占用比网络协议的流量特征; 时间维度总体流量趋势分析 ... 波动,峰值之间的平静期随清晰度的提升缩短; 无线网移动流媒体的流量特征与有线网相似 .... 教育网链路偏好度较高的是文件传输类与HTTPS协议; 联通链路BITS与直播和 ...
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1.校园网流量多维度行为分析及优 化 作者:公绪晓,尚群,付中南,钱杰 报告人:公绪晓 北京大学计算中心 CERNET 2016 ,重庆 2016 年 10 月 27 日

2.介绍提纲 o 引言 o 校园网高带宽占用比网络协议的流量特征 o 时间维度总体流量趋势分析 o 区域维度流量行为分析 o 接入维度流量行为分析 o 链路维度流量行为分析 o 校园网出口流量优化策略 18年9月3日 2

3.一 引言  高带宽需求的网络应用使校园网出口带宽 拥塞的压力不断增大 在线视频网站、云存储、 P2P  有线无线一体化部署在校园网中不断推 进,用户大规模从有线迁移到无线,其流 量行为方式随之转变  针对 P2P 协议的以 IP 为单位的粗粒度流 控策略难以适应当前变化中的校园网流量 环境 18年9月3日 3

4.二 校园网高带宽占用比网络协议的流量特征 表 1 校园网入带宽 TOP5 协议  根据 2016.5.14-2016. 6.14 校园网出口流量日 协议类型 入带宽百分比 /% 平均值数据,目前流量 HTTP_Streaming 19.9 占校园网入带宽前 5 位 HTTP 的网络协议如表 1 所示 DownloadManager 7.4 Thunder 5.6 Undefined 4.4 HTTP_Browsing 3.8 18年9月3日 4

5.在线视频应用的流量特征 18年9月3日 5

6.在线视频应用的流量特征  HTTP Streaming 下载的峰值速率比较高,呈现离散 的脉冲波形  HTTP Streaming 是非对称协议,下载速率约为上传 的 23-26 倍  不同在线视频网站呈现的流量特征略有不同  在视频播放中间切换清晰度时,流量脉冲的峰值出现 成倍的波动,峰值之间的平静期随清晰度的提升缩短  无线网移动流媒体的流量特征与有线网相似 18年9月3日 6

7.HTTP Download Manager 流量特征 18年9月3日 7

8.HTTP Download Manager 流量特征  流量特征为下载开始时流量迅速攀升到峰值 并随后保持稳定的下载速率直到文件下载结 束  流量是对称的,既有上传也有下载,且上下 行的速率都很高 18年9月3日 8

9.P2P 协议的流量特征 18年9月3日 9

10.P2P 协议的流量特征  在下载的初始阶段,并发连接数迅速达到峰值,随后 迅速下降并逐渐稳定  下载流量逐步增长,直到文件下载结束时,下载流量 达到峰值  上传流量在文件下载结束后继续增长,直到关闭迅雷  P2P 是一种对称流量,在下载数据的同时,使用相当 的带宽上传数据  使用向多个 IP 并发多个连接的方法不断扩展带宽 18年9月3日 10

11.三 时间维度总体流量趋势分析 表 2 2015.9 与 2016.5 入带宽前 5 位协议对比  校园网出口的 2015 . 9 占总带宽 2016.5 占总带宽百 协议 增加百分比 /% 流量协议分布 百分比 /% 分比 /% 发生了明显的 HTTP_Streaming 17.8 19.6 1.8 改变。入带宽 HTTP 占比前 5 的协 6.1 6.7 0.6 DownloadManager 议从 2015.9 Thunder 5.9 5.5 -0.4 到 2016.5 的 变化见表 2 HTTP_Browsing 4.8 4.1 -0.7 HTTP_File_Transfer 3.7 2.4 -1.3 18年9月3日 11

12.时间维度总体流量趋势分析  入带宽占比前四位的协议在 2016.6.1 当日的 时间分布规律 18年9月3日 12

13.时间维度总体流量趋势分析  校园网用户入带宽资源使用统计分布律符合幂律分布 • y - 用户入带宽占总入带宽的百分比 • k- 用户入带宽排名 • y 呈幂指数单调递减函数,随 k 增加快速衰减。 • 在双对数坐标下 , 幂律分布表现为一条斜率为幂指数的 负数的直线 , 这一线性关系是判断随机变量是否满足幂 律的依据 18年9月3日 13

14.时间维度总体流量趋势分析 18年9月3日 14

15.时间维度总体流量趋势分析  校园网用户使用带宽资源的情况非常不均衡 : • 排名百分比分布函数为 : xk- 用户入带宽排名百分比, n- 为用户总数。 • 1% 用量最多的用户使用了校园网入流量的 54% • 4% 的用户使用 80% 的流量 • 20% 的用户几乎使用了校园网的全部入流量 18年9月3日 15

16.区域维度流量行为分析 18年9月3日 16

17.区域维度流量行为分析  公共区域无线流量的峰值波动最为剧烈 , 可能 与公共区域人群的短时间聚集或离开有关  宿舍区无线流量则相对平稳  根据不同区域流量的时间特征,需要制定差 异化的流量时间控制策略 18年9月3日 17

18.区域维度流量行为分析 图 7 不同区域有线、无线主要网络协议入带宽百分比分布 18年9月3日 18

19.区域维度流量行为分析  区域无线维度 : • 流媒体视频和迅雷下载偏好度最高的是宿舍区用户,最低的是 教学区用户 • 文件下载和移动流媒体偏好度最高的是公共区域用户 • Baidu web 偏好度最高的是教学区用户 • HTTP Browsing 偏好度最高的是办公区用户 • 几种常见的在线视频应用中,办公区用户对腾讯视频的偏好度 最高,公共区域、教学区用户偏好度较高的是优酷视频,宿舍 区的用户偏好度则比较均衡 18年9月3日 19

20.接入维度流量行为分析  校园网同一区域的有线和无线用户因接入方 式不同,其流量特征有较大差别  从时间分布来看: • 宿舍区的有线和无线流量时间分布特征基本一致 • 办公区 18:00-8:00 之间的流量无线比有线下降的 幅度和趋势更为明显 18年9月3日 20

21.接入维度流量行为分析  从用户协议偏好度: • 同一区域无线用户对流媒体、文件下载和 HTTP Browsing 的偏好度高于有线用户。 • 使用迅雷下载方面,宿舍区的有线用户比无线用户偏好度 高,办公区则完全相反。 • 在线视频应用方面,办公区无线用户偏好腾讯视频,有线用 户偏好迅雷看看,而在宿舍区,无线用户偏好度比较均衡, 有线用户偏好迅雷看看。  随着有线无线一体化部署的实施,无线用户的比例不 断增加,流媒体、文件下载等高带宽需求应用对带宽 的占用比会进一步提高 18年9月3日 21

22.链路维度流量行为分析 图 8 不同链路主要网络协议入带宽百分比分布 18年9月3日 22

23.链路维度流量行为分析  HTTP Streaming 和 HTTP Download Manager 、迅雷是 4 条链路偏好度都比较高的协议  链路的协议分布呈现出较大的差异性: • 教育网链路偏好度较高的是文件传输类与 HTTPS 协议 • 联通链路 BITS 与直播和游戏类协议占比较高 • 电信链路中加密、游戏和 P2P 下载占比较高 • 电信通链路中视频流媒体和 P2P 下载占比较高 • 因此对出口各条链路,特别是拥堵链路,需要根据其不同的协 议流量分布特征,制定差异化的流量优化策略 18年9月3日 23

24.校园网出口流量优化策略  (1). 根据校园网用户入带宽资源使用统计分布呈幂律 分布的特征,需要制定更公平合理的单 IP 带宽分配 机制,使流量分布趋于均衡  (2). 协议方面: • HTTP Streaming 的流量优化需要在流媒体下载速率与用户 播放体验 QoE 之间取得平衡 • 保障 VOIP 、视频直播等对延迟和抖动敏感的应用 • 根据时间特征限制 P2P 流量 • 对其他高带宽占用比流量如 HTTP Download Manager 等根 据时间和区域特征进行差异化优先级设定,根据优先级分配 带宽 18年9月3日 24

25.校园网出口流量优化策略  (3). 时间维度: • 对带宽占比较大的下载类协议根据其时间分布特征执行差异 化的时间控制策略 • 对网页浏览等办公属性的流量保障白天时段的带宽 • 适当限制流媒体等娱乐性流量白天时段的带宽占比,在夜间 则不做限制 • 实验显示,时间维度优化策略可以有效提升用户白天工作时 段网页浏览的体验 18年9月3日 25

26.校园网出口流量优化策略  (4). 区域维度: • 对不同区域根据其协议偏好度,制定区域差异化的流控策略  (5). 链路维度: • 根据不同 ISP 链路的带宽利用情况,对不同链路相同协议类型 执行不同的限速策略 • 在拥塞线路针对某些高带宽占用协议如 P2P 、 HTTP Download Manager 协议采用比其他链路更严格的流控策略 • 实验显示,链路维度优化策略可以有效缓解拥塞线路的拥塞情 况,充分利用非拥塞线路的带宽 18年9月3日 26

27.校园网出口流量优化策略  (6). 对校园网的重要服务如 SMTP 、 DNS 和 VPN 等提 供带宽保障  (7). 加大 Cache 缓存服务的部署力度 • 对流媒体和下载这两种带宽占用比最高的协议提供缓存 • 在拥塞的 ISP 线路上对 Cache 服务器提供带宽保障 • 实验显示,该策略可以大大缓解出口拥塞,提高 Cache 服务 器在拥塞线路的上下行速率,从而进一步提高 Cache 服务的 性能 18年9月3日 27

28.汇报完毕,谢谢大家 !