IP校园网网络性能与方法研究

刘志江

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

IP校园网网络性能与方法研究

刘志江

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

随着高校校园网规模的逐步扩大和网络功能的不断完善，建成安全、可靠、高效的校园网络已经成为衡量院校办学综合实力的重要指标之一。目前，校园网在不断的应用和发展中面临网络安全性、健壮性、可靠性等多重指标的复合评估。在这种新要求下，校园网必须采用新思路、新方法和新的网络模型进行研究。文章通过研究传统的IP网络性能指标和方法，说明了传统的排队论、马尔科夫链、ON/OFF模型已不适用于分组网的研究，并介绍了IP网络的度分布、IP网络流量概率分布特性、IP网络流量H分布、长程依赖性、自相似性等特点，对武威职业学院校园网性能提升和网络优化提供有力的理论和数据支持。

IP网络；网络性能；流量

随着现代计算机网络与通信技术的迅速发展以及互联网的广泛应用，计算机网络在极大地改变了人们的生产、生活以及思维和学习方式的同时，也给人们的学习、工作和生活等方面带来了巨大的便利。对于高校来说，高校校园网络不仅是高校展示自身实力的窗口，而且对高校与外界联系起着非常重要的作用，高校校园网系统的建设成为衡量院校办学综合实力以及教育现代化的重要指标之一[1]。因此，深入研究校园网网络应用特点，提升网络管理能力，加强网络测量和分析就显得至关重要。

目前，各高校校园网规模逐步扩大，网络功能不断完善，但是由于基于TCP/IP协议的IP网络具有先天的缺陷，而校园网络在不断的应用和发展中面临网络安全性、健壮性、可靠性等多重指标的评估，校园网面临新技术、新应用的迫切性在急剧提高，网络性能和效率也需要被调整和优化。

1 IP校园网网络性能指标和新特性

常见的IP网络性能指标有网络时延、网络抖动、网络丢包率、带宽利用率等，这些参数是衡量一个网络运行效率的关键，而仅对这些参数的重复采样来进行网络定性和定量分析在某种情况下具有一定的局限性。随着研究者对互联网研究的不断深入和细化，研究者从不同的研究角度和不同的流粒度大小发现了IP网络的新特性，这为IP网络研究开启了新方向和新思路。例如，有研究者在研究大规模IP网络的度分布发现了网络的“小岛”现象，对IP网络流量分布特性、IP网络协议性能和优化中发现IP网络流量服从H分布、具有长程依赖性、自相似性等特点[2]，研究者通过一定的方法建模，对网络流量进行了很好的拟合，验证了结论的正确性。有研究证明传统的排队论、马尔科夫链、ON/OFF模型已不适用于目前分组网的研究。因此，以上对互联网研究新的成果和结论可以作为本次项目研究的关键模型和理论基础。

2 IP网络现状和问题分析

为了进一步提升校园数字信息化水平，有效管理校园网络、优化网络资源增强网络安全性、可靠性和鲁棒性而开展的一次有意义的研究课题。武威职业学院校园网被多次分批次改造和优化，已经肩负其全校日常的信息处理和传输工作。网络拓扑结构以标准的三层方式架设，二层业务流量通过VLAN方式进行相互隔离，防止广播风暴和网络病毒的传播，网络核心层负责全网信息的交互和数据转发，并建设鉴权、认证和计费网关，在出口路由器通过负载分担外网流量。

随着互联网应用的多样性和丰富性，利用传统的网络研究手段和测量方法已经不能对网络流量进行有效模拟和监管，校园网流量呈现出复杂性和隐蔽性等特点。通过分析，发现目前网络已经处在中度负载的状态下运行，其中75%的数据流为P2P流，通过常见的特征值提取方法，可以发现网络中OICQ，迅雷，skyper流量较多。HTTP，FTP等流量占用率为10.3%。由于网络资源管理和调度系统不具备针对P2P流的有效管控手段和能力，因此，测量和发现各类P2P流量数据并进行相关的流量管控是本次项目研究的一个重点内容。其次，随着智慧校园、平安校园等项目的开展，在学校构建一个全覆盖视频监控网络，由于监控视频数据需要原有校园网来承载，因此，对校园网加载语音、数据和视频等多业务状态下流量之间的相互影响进行了研究，通过在OPNET仿真平台添加背景流量作为传统的数据业务基础上，添加了各类视频、语音流量进行仿真，发现视频、语音业务对网络性能指标影响较小，网络趋于稳定。这为武威职业学院广泛开展视频监控业务提供了仿真层面的保障和依据。

3 IP校园网研究思路和关键内容

本次研究所采用的关键理论有网络测量理论、网络仿真理论、网络建模和性能分析等。

网络测量就是通过在网络的关键节点和链路架设流量采集设备，对采集数据进行归一化处理和数据清理，以便后期的数据挖掘使用。网络建模理论是目前研究网络的一种数学模型方法。通常从业务量建模、传输交换管道阶段建模到网络拓扑建模等多方面多层次进行网络的仿真，不仅可以实现大规模网络仿真，也可以针对具体的一类协议或是一个网络区域进行仿真模拟。网络仿真理论采用了目前主流的OPNET，NS2，Omnet等仿真平台开展仿真研究工作。

本次研究通过最新的数据分析技术和建模方法对网络流量进行数据采集和性能分析。通过对校园网流量的不定期采样后，将数据通过清洗和降维后变成raff格式，并利用weka平台进行了机器学习算法，采用监督模型或半监督聚类算法，对校园网流量进行分类，说明了校园网流量已经趋于一种大量的P2P流量的网络。

校园网流量样本获取是网络性能定性和定量分析的关键数据。在校园网关键节点采集到的数据要经过筛选、清洗、归一化处理实现了有效分类后，产生模拟数据格式。将数据导入仿真平台进行有效和实时的仿真，得出网络性能曲线。通过网络流量测量、抓包分析等多层次多角度进行全方位的分析，对武威职业学院校园网进行定量和定性的评估，以便为后期的网络升级、网络优化以及新业务新技术的部署和实施提供很好的数据和方法参考。在对武威职业学院校园网仿真平台的搭建和性能分析；提出武威职业学院网络测量方法和关键区域的优化方法；测试分析武威职业学院校园网多业务加载后网络性能畸变；从不同层次和角度完成对武威职业学院校园网性能指标的分析；对武威职业学院网络新技术的应用和引入提供数据支持和模型参考。在此基础上又开展了实际的网络测量、网络建模、网络模拟与仿真、网络性能定量分析、网络抓包分析等。完成了利用OPNET平台模拟搭建武威职业学院校园网，并针对各类服务应用给出定量分析；从实际出发，采用网络数据测量和流量提取方法获取校园网实时数据，以真实的网络流量数据为输入，进行仿真和模拟，发现潜在问题；加载多业务后，对校园网网络性能是否发生畸变进行分析，并提出解决的办法；模拟校园网加载大流量视频流业务后，对校园网整体性能的影响，提出解决的办法；对武威职业学院重点网络使用区域流量的负载分担提出合理化建议并提出措施方案。在后续开展的IPV6网络部署和研究中，可以对关键节点和设备进行有效的更替；通过网络仿真和模拟可以针对性地选取网络参数，对已经构建的网络测量方法和网络流量模型进行二次研究和扩展研究；对网络加载多业务和P2P流量重负载情况下的网络性能研究开辟了一定的领域[3]。

4 结语

本文研究是在计算机网络理论研究和计算机网络工程领域技术研究的基础上，通过对真实校园网络数据流量的不同时期采集而得出的关键有效结论，项目组成员不仅利用最新的研究结论进行了实证研究，而且对计算机网络安全性和可靠性等方面有了新的认识。完成的主要内容是：首次采用网络抓包软件对武威职业学院关键数据链路和节点数据进行测量和数据的并归一化处理；首次利用网络的自相似理论、长程重尾性等特性开展武威职业学院校园网研究工作；首次利用OPNET和MATLAB等仿真工具开展网络的实证研究，对后期的网络优化和信息化数字化提升进行了基础数据的积累和有益探索。

[1] 杨大伟.校园网的规划与组建的探索[J].科技传播，2013（8）：214，245.

[2] 闫晓洁.基于OpenFlow的校园网异常流量的识别及管理[D].大连：大连理工大学，2014.

[3] 高彦刚.实用网络流量分析技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

Research on network performance and method of IP campus network

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

With the gradual expansion of the scale of campus network and the continuous improvement of network function, the establishment of a safe, reliable and ef fi cient campus network has become one of the important indexes to measure the comprehensive strength of colleges and universities. At present, the campus network in the continuous application and development of network security,robustness, reliability and other multiple indicators of the composite assessment. Under this new requirement, the campus network must adopt new ideas, new methods and new network models to study. Based on the study on the performance index and method of traditional IP network, this paper illustrates the traditional queuing theory, Markov chain, ON/OFF model is not applicable to the study of packet network. And introduces the degree distribution of IP network, IP network probability distribution characteristics, IP network traf fi c H distribution, long-range dependency, self-similarity and so on, which provides strong theoretical and data support for the improvement of campus network performance and network optimization in Wuwei Occupational College.

IP network; network performance; traf fi c

武威职业学院院级课题项目；项目编号：ZYY201606。

刘志江（1982— ），男，甘肃武威人，讲师，硕士；研究方向：计算机网络仿真和网络流量分类等。