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北京大学:校园网流量多维度行为分析及优化

  编辑点评:本文针对特定校园网环境,从协议流量特征、时间、区域、接入和链路等多个维度对流量进行分析,尝试发掘影响校园网出口流量性能的因素。文章虽未提出更具创造性的流量测量与分析方法,但对校园网流量和用户行为进行了比较详细的分析和推理,这些方法和结果在国内高校校园网中具有一定的普遍性和代表性,对校园网性能管理具有良好的借鉴和示范作用,应用价值较高。

  引言

  随着手机、平板电脑等智能终端的硬件处理能力不断提高,用户越来越不满足于只浏览静态的文字及图片页面,而倾向于在移动终端观看视频等移动流媒体应用。在线视频网站、云存储、P2P等高带宽需求的网络应用,使校园网出口流量迅速增长,出口带宽拥塞的压力不断增大。同时,802.11ac和5G的广泛应用使无线网络的性能大幅提升,随着有线无线一

  体化部署在校园网中不断推进【1】,用户大规模从有线迁移到无线,其流量行为方式随之转变,出口流量的行为展现出与以往不同的特征。

  针对变化中的校园网流量环境,本文根据2015.9-2016.6北京大学校园网出口流量数据,分析了校园网入带宽占比最高的几种网络协议:HTTP Streaming、HTTP Download Manager、P2P的流量特征,然后从时间、区域、接入、链路多个维度对校园网出口流量进行了深入的

  分析和对比,流量特征的分析结果显示,校园网出口流量中HTTP Streaming流量占比最高且引言

  随着手机、平板电脑等智能终端的硬件处理能力不断提高,用户越来越不满足于只浏览静态的文字及图片页面,而倾向于在移动终端观看视频等移动流媒体应用。在线视频网站、云存储、P2P等高带宽需求的网络应用,使校园网出口流量迅速增长,出口带宽拥塞的压力不断增大。同时,802.11ac和5G的广泛应用使无线网络的性能大幅提升,随着有线无线一

  体化部署在校园网中不断推进【1】,用户大规模从有线迁移到无线,其流量行为方式随之转变,出口流量的行为展现出与以往不同的特征。

  针对变化中的校园网流量环境,本文根据2015.9-2016.6北京大学校园网出口流量数据,分析了校园网入带宽占比最高的几种网络协议:HTTP Streaming、HTTP Download Manager、P2P的流量特征,然后从时间、区域、接入、链路多个维度对校园网出口流量进行了深入的

  分析和对比,流量特征的分析结果显示,校园网出口流量中HTTP Streaming流量占比最高且增长迅速,用户使用校园网带宽资源的分布呈现极不均衡的幂律分布特征,不同区域、不同接入方式、不同ISP链路对流媒体、HTTP文件下载、P2P等网络应用协议的偏好度不同,这些特征为校园网管理和出口流量策略的制定提供了重要的参考依据。最后,针对以上流量行为特征提出了更细粒度的流量优化策略,以改善校园网网络性能,提高关键网络应用的QoS。

  1 校园网高带宽占用比网络协议的流量特征

  根据2016.5.14-2016.6.14校园网出口流量日平均值数据的分析结果,目前流量占校园网

  入带宽前5位的网络协议如表1所示,HTTP Streaming、HTTP Download Manager和Thunder协议是构成校园网入流量的主要协议,分别占比19.9%、7.4%和5.6%(Thunder协议已经进行了限速)。

  我们在校园网中分别进行观看在线视频、从百度云盘下载文件、使用迅雷下载文件的测试,以此观察几种高带宽占用协议的流量特征。

  1.1 在线视频应用的流量特征

  在线视频网站多采用HTTP Streaming协议传输音视频,数据存储在Web服务器上并分割为很多小片段,片段解码彼此独立无关联,之间的联系由媒体资源索引文件给出【2】。客户端先获得媒体资源索引文件,再根据索引文件下载相应片段。HTTP Streaming一个显著的特点是自适应传输,服务器中存储着同一媒体内容的多个比特率版本,当网络带宽变差或抖动较高时,客户端可以请求同一视频片段带宽要求较低的比特率版本,以保持观看的连续性【2】。

  图1为在校园网中同一台主机观看三种流行度比较高的在线视频网站bilibili、土豆、爱奇艺的流量波形对比,采样时间为20分钟,采样间隔为30秒。可见HTTP Streaming下载的峰值速率比较高,呈现离散的脉冲波形,这种波形对周围网络环境会造成一定的冲击。在视频开始的初始阶段,流量迅速达到峰值,流量上冲使应用能缓存足够的视频数据以免网络出现延迟和抖动。随后流量又迅速下降并持续为0一段时间,这说明视频应用在播放当前缓存片段时,没有产生任何流量。当缓存片段播放即将完毕时,流量再次达到峰值开始下一个片段的下载和缓存。当进行拖拽浏览操作时,如果进入到未缓存的片段,也会触发流量从0迅速攀升至峰值,以进行新片段的下载。从流量图来看,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,土豆和bilibi的波形更为离散,下载片段时的峰值流量更高,峰值之间的平静期更长,而爱奇艺峰值流量相对较低,几乎不存在峰值之间的平静期,流量波形更接近于锯齿形。

  当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,以土豆视频为例,见图1(d),并且峰值之间的平静期随着清晰度的提升缩短。因此当用户不断选择更高的视频清晰度时,HTTP Streaming占用的带宽会不断上升。另外,使用手机通过无线网进行移动流媒体测试,其展现的流量特征与有线网观看流媒体相似。

  1.2 HTTP Download Manager流量特征

  校园网中,入流量占比第二位的是用于文件下载的HTTP Download Manager 协议,比较典型的应用是百度云盘。图2为百度云盘使用HTTP Download Manager先上传再下载同一文件测试的流量波形,其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。

  HTTP Download Manger的流量是对称的,既有上传也有下载,且上下行的速率都很高【3】。测试时上传峰值速率约74Mbps,下载速率峰值约4Mbps,下载速率约为上传的18倍。

  1.3 P2P协议的流量特征

  P2P(Peer to Peer)是一种分布式网络,每一个Peer既是服务的使用者,也是服务的提供者。资源的所有权和控制权分散到网络的每一个节点中。服务的使用者和提供者直接进行通信【4】。以迅雷下载为例,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,这是因为下载初始建立的大量并发连接中有一部分没有得到响应,还有一部分不是有效连接,传输资源数据的有效连接只占其中一小部分【5】。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,而上传流量在文件下载结束后继续增长,直到关闭迅雷软件,如图3所示。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,并且使用向多个IP并发多个连接的方法不断扩展带宽【4】。

  因此,如果不对P2P流量进行限制,会不断侵占校园网出口带宽,导致校园网出口的持续拥塞,各种对实时性要求较高的服务例如VoIP、HTTP Streaming也因此会受到影响。

来源:CERNET第二十三届学术年会论文集作者:公绪晓,钱杰,付中南,尚群
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