混合無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡系統(tǒng)實驗分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10650混合無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡系統(tǒng)實驗分析案例 174181.1引言 1274881.2實驗方案 1118531.3系統(tǒng)總體運行實驗 292461.3.1實驗參數(shù)配置與實際運行情況 2276681.3.2檢查點驗證 4103421.4負(fù)載均衡算法實驗 7177951.4.1實驗數(shù)據(jù)收集 730411.4.2性能指標(biāo)分析 81.1引言本章主要對混合無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡系統(tǒng)實現(xiàn)的結(jié)果進行實驗驗證和分析。本章首先描述實驗方案設(shè)計思路，后面分兩成部分，分別描述系統(tǒng)總體運行實驗與負(fù)載均衡算法的實驗過程和實驗結(jié)果。1.2實驗方案系統(tǒng)總體運行實驗，該實驗的目的是驗證系統(tǒng)各部分能正常運行，主要需要檢查的是從終端、到LTE網(wǎng)絡(luò)，再到基于SDN的DPI負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)，最后到互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流符合設(shè)計預(yù)期。為了達成該目的，主要實驗手段為配置一個LTE終端，通過整個混合無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡系統(tǒng)訪問互聯(lián)網(wǎng)，然后設(shè)立幾個檢查點，系統(tǒng)運行狀態(tài)是否符合預(yù)期。表SEQ表\*ARABIC3系統(tǒng)總體運行實驗檢查點表檢查點編號檢查點位置檢查點指標(biāo)1LTE終端是否能收到LTE信號2LTE終端是否能連接上互聯(lián)網(wǎng)3負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)的DPI節(jié)點是否有LTE終端訪問互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)4負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)的DPI節(jié)點獲取LTE終端訪問互聯(lián)網(wǎng)的具體信息設(shè)立的檢查點如REF_Ref7274\h表3所示，下面各個檢查點作用進行說明。檢查點1在LTE終端上查看是否能收到LTE信號，作用是判斷終端是否能連上LTE網(wǎng)絡(luò)。檢查點2在LTE終端上檢查是否能連上互聯(lián)網(wǎng)，作用是確認(rèn)經(jīng)過LTE與SDN網(wǎng)絡(luò)的整個數(shù)據(jù)鏈路連通情況。檢查點3在DPI節(jié)點上檢查是否有LTE終端上網(wǎng)的數(shù)據(jù)，作用是判斷SDN網(wǎng)絡(luò)是否能正常將LTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給DPI節(jié)點。檢查點4在DPI節(jié)點上獲取LTE終端上網(wǎng)的具體信息，作用是檢查DPI應(yīng)用能否對LTE終端上網(wǎng)數(shù)據(jù)進行深度包監(jiān)測。負(fù)載均衡算法實驗，該實驗的目的是驗證負(fù)載均衡算法的生效情況，并檢查負(fù)載均衡算法的效果。為了達成該目的，主要實驗手段是首先配置各DPI節(jié)點的可用帶寬，然后啟動LTE終端產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量，在一段時間內(nèi)檢查各DPI節(jié)點的實際負(fù)載情況，與由可用帶寬計算出來的理想負(fù)載情況進行對比，分析負(fù)載均衡算法的實現(xiàn)效果。對負(fù)載均衡實現(xiàn)效果檢查的過程中，需要確定幾個性能指標(biāo)，來說明負(fù)載均衡算法的運行效果。表SEQ表\*ARABIC4負(fù)載均衡算法性能指標(biāo)表性能指標(biāo)名稱性能指標(biāo)含義負(fù)載流量運行過程中各DPI節(jié)點的檢測流量負(fù)載流量比例運行過程中各DPI節(jié)點檢測的流量比例負(fù)載比例均值多次測量的節(jié)點負(fù)載比例平均值負(fù)載比例標(biāo)準(zhǔn)差多次測量的節(jié)點負(fù)載比例方差性能指標(biāo)如REF_Ref4847\h表4所示。負(fù)載流量就是各DPI節(jié)點實際檢測的流量；負(fù)載流量比例代表的是個節(jié)點的實際負(fù)載情況，用于和理想負(fù)載情況作對比；為了減小誤差，需要對負(fù)載比例進行多次測量并取平均值，來代表實際負(fù)載情況；為了檢查算法的穩(wěn)定性，需要對多次測量的負(fù)載比例求標(biāo)準(zhǔn)差，判斷數(shù)據(jù)的分散程度。1.3系統(tǒng)總體運行實驗1.3.1實驗參數(shù)配置與實際運行情況實驗參數(shù)配置。要使得終端能夠連接上LTE網(wǎng)絡(luò)，需要讓終端SIM卡中的數(shù)據(jù)與LTE網(wǎng)絡(luò)的HSS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)保持一致。需要保持一致的數(shù)據(jù)主要包括：用戶身份數(shù)據(jù)（InternationalMobileSubscriberIdentity，IMSI）、鑒權(quán)用密鑰參數(shù)KI和OPC。其中IMSI中就包含5位的MCC+MNC，這兩個參數(shù)需要和4.3.2節(jié)中所創(chuàng)建的MCC=208，MNC=92的值相同。IMSI除了包含MCC和MNC之外，剩余的部分組成移動訂閱用戶碼（MobileSubscriptionIdentificationNumber，MSIN），唯一地標(biāo)志這個SIM卡。KI和OPC則是終端在接入LTE網(wǎng)絡(luò)時所進行的鑒權(quán)過程需要用到的密鑰參數(shù)。SIM卡中的數(shù)據(jù)配置如下REF_Ref29124\h圖24所示，HSS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)配置如下REF_Ref29232\h圖25所示。圖SEQ圖\*ARABIC24SIM卡數(shù)據(jù)配置圖SEQ圖\*ARABIC25HSS數(shù)據(jù)庫配置實際運行情況。左下角的筆記本為終端上網(wǎng)用主機，通過該主機訪問互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生測試用流量。該主機上插的白色LTEModem，內(nèi)含有設(shè)置好數(shù)據(jù)的SIM卡，主機通過這個設(shè)備接入LTE網(wǎng)絡(luò)。桌上接有兩根天線的黑色盒子是SDR設(shè)備USRP-B210，它是LTE網(wǎng)絡(luò)中eNB基站的硬件設(shè)備，與LTEModem進行無線通信。桌上的黑色筆記本是運行LTE網(wǎng)絡(luò)的x86主機，SDR設(shè)備通過USB接口與該主機連接和進行數(shù)據(jù)交互。桌上右邊的黑色機箱帶兩個顯示器的是運行DPI監(jiān)測負(fù)載均衡SDN網(wǎng)絡(luò)的主機，該主機擁有兩個網(wǎng)卡：有線網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡。該主機通過有線網(wǎng)卡連接到實驗室的網(wǎng)絡(luò)并最終連接到互聯(lián)網(wǎng)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與運行LTE網(wǎng)絡(luò)的x86主機相連，具體方式是：該主機設(shè)置移動熱點，然后運行LTE網(wǎng)絡(luò)的x86主機連接到該移動熱點。對于運行x86主機上的LTE網(wǎng)絡(luò)，它連接到互聯(lián)網(wǎng)的SGi接口上的所有數(shù)據(jù)，必定會通過x86主機所連接的移動熱點到達運行DPI監(jiān)測負(fù)載均衡SDN網(wǎng)絡(luò)主機的無線網(wǎng)卡上，然后被轉(zhuǎn)發(fā)到虛擬機上的SDN網(wǎng)絡(luò)中。實際運行情況如下REF_Ref484\h圖26所示。圖SEQ圖\*ARABIC26實際運行情況圖1.3.2檢查點驗證這一節(jié)將對REF_Ref7274\h表3中的檢查點進行逐一驗證。檢查點1結(jié)果：LTE終端上能收到LTE信號。如下REF_Ref6094\h圖27所示，在設(shè)置了LTE網(wǎng)絡(luò)并點擊上網(wǎng)（Surf）按鈕后，能看到LTEModem管理軟件右下方的LTE信號變?yōu)闈M格。圖SEQ圖\*ARABIC27LTE終端信號狀態(tài)圖檢查點2結(jié)果：LTE終端上能連接上互聯(lián)網(wǎng)。在LTE終端上ping公網(wǎng)地址，能正常收到ICMP應(yīng)答，如REF_Ref7025\h圖28所示。圖SEQ圖\*ARABIC28LTE終端連接上網(wǎng)驗證圖檢查點3結(jié)果：負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)的SDN交換機上有LTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。在其中一個DPI節(jié)點dpi1與SDN交換機相連的網(wǎng)卡dpi1-eth0上，使用抓包軟件wireshark進行抓包分析，確認(rèn)存在來自LTE網(wǎng)絡(luò)的流量，如REF_Ref14062\h圖29中ip地址為1的數(shù)據(jù)包。圖SEQ圖\*ARABIC29DPI節(jié)點抓包結(jié)果圖檢查點4結(jié)果：DPI應(yīng)用中能解析出LTE終端訪問互聯(lián)網(wǎng)的具體信息。為了持續(xù)產(chǎn)生應(yīng)用流量，LTE終端訪問視頻網(wǎng)站嗶哩嗶哩（）并持續(xù)播放長視頻，在DPI節(jié)點中可以看到ip地址為1的主機與url為的主機產(chǎn)生的通信流量，如下REF_Ref16267\h圖30所示。圖SEQ圖\*ARABIC30DPI應(yīng)用解析LTE終端數(shù)據(jù)圖實驗結(jié)論。用戶數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)各檢查點運行狀態(tài)均與預(yù)期相符，表明系統(tǒng)能按照設(shè)計方案，將用戶數(shù)據(jù)經(jīng)LTE網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)，并且由中轉(zhuǎn)鏡像交換機轉(zhuǎn)發(fā)給負(fù)載均衡DPI網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)深度包檢測。因此，系統(tǒng)總體運行情況良好，符合預(yù)期。1.4負(fù)載均衡算法實驗1.4.1實驗數(shù)據(jù)收集負(fù)載均衡算法實驗的數(shù)據(jù)收集，主要包括三部分：實驗參數(shù)設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)獲取方案和收集到的具體數(shù)據(jù)。實驗參數(shù)設(shè)計方案。在SDN網(wǎng)絡(luò)中配置兩個DPI節(jié)點，分別是DPI1和DPI2，兩個節(jié)點均直接連接到SDN交換機，DPI1節(jié)點的可用帶寬設(shè)置為DPI2節(jié)點的可用帶寬的兩倍，按照理論模型的計算，DPI1和DPI2節(jié)點的理論負(fù)載比例是2:1。實驗數(shù)據(jù)獲取方案。在一小時內(nèi)，每隔兩分鐘收集一次兩個DPI節(jié)點實際接收到的流量，這樣的方式獲取到的是兩個節(jié)點各30組的實際流量負(fù)載數(shù)據(jù)。需要說明的是，DPI應(yīng)用記錄的是累計流量，而非單位時間內(nèi)接收到的流量。本實驗中還需要獲得單位時間內(nèi)兩個節(jié)點接收到的流量，這項數(shù)據(jù)通過累計流量計算差分的方式得到，即計算時間順序上相鄰兩組累計流量的差值就是一組單位時間流量。收集到的具體實驗數(shù)據(jù)如REF_Ref19440\h表5所示。表SEQ表\*ARABIC5負(fù)載均衡算法實驗數(shù)據(jù)時刻

（單位：分）DPI1累計流量

（單位：MB）DPI1單位時間流量

（單位：MB）DPI2累計流量

（單位：MB）DPI2單位時間流量

（單位：MB）0017.5907.46217.5913.387.461.54430.9712.66134.81643.638.8617.814.35852.498.522.164.081060.999.2926.243.481270.286.2429.724.751476.5210.5434.471.761687.066.3640.234.481893.4210.1344.713.3820103.558.9648.091.8722112.5112.8453.962.8424121.356.2356.83.4526131.589.0160.253.0928140.598.9263.341.730149.519.6169.04432159.127.5373.046.5734166.6510.7779.611.2636177.424.8384.874.3238182.2510.2589.191.4240192.51.7294.614.5742198.227.9699.184.4644206.188.28103.643.646214.468.57107.243.2648223.038.66110.57.0950231.6910.87117.594.1952242.5610.03121.781.0354252.599.13126.811.5856261.729.11132.394.4958270.838.45136.883.7760279.28140.651.4.2性能指標(biāo)分析本節(jié)依據(jù)REF_Ref4847\h表4中提出的四個負(fù)載均衡算法性能指標(biāo)：負(fù)載流量、負(fù)載流量比例、負(fù)載比例均值、負(fù)載比例方差，對實驗數(shù)據(jù)進行分析，檢驗負(fù)載均衡算法的效果。二元線性回歸分析數(shù)據(jù)。根據(jù)REF_Ref19440\h表5中獲得兩個節(jié)點的累計流量和單位時間流量，可以對這兩類數(shù)據(jù)分別進行二元線性回歸分析。DPI節(jié)點累計流量線性回歸圖如REF_Ref26082\h圖31所示。DPI節(jié)點單位時間流量線性回歸圖如REF_Ref26160\h圖32所示。圖SEQ圖\*ARABIC31DPI節(jié)點累計流量線性回歸圖圖SEQ圖\*ARABIC32DPI節(jié)點單位時間流量下行回歸圖從REF_Ref26082\h圖31和REF_Ref26160\h圖32中可以看出，對于兩個DPI節(jié)點累計檢測的流量，線性回歸方程的斜率為0.5174，較為接近兩個節(jié)點的理想負(fù)載比例1:2，且數(shù)據(jù)與線性回歸方程的擬合程度較好。而對于兩個節(jié)點單位時間檢測的流量，線性回歸方程的斜率為0.1405，離兩個節(jié)點的理想負(fù)載比例相差較遠，且數(shù)據(jù)與線性回歸方程擬合程度不好。均值和標(biāo)準(zhǔn)差分析數(shù)據(jù)。根據(jù)REF_Ref19440\h表5中獲得的數(shù)據(jù)，可以計算出兩個節(jié)點的累計檢測流量和單位時間檢測流量的比例。DPI節(jié)點累計檢測流量比例隨時間變化柱狀圖如REF_Ref30611\h圖33所示，DPI節(jié)點單位時間檢測流量比例隨時間變化柱狀圖如REF_Ref30856\h圖34所示。圖SEQ圖\*ARABIC33DPI節(jié)點累計檢測流量比例圖SEQ圖\*ARABIC34DPI節(jié)點單位時間檢測流量比例從圖中可以看出，兩個節(jié)點累計檢測流量的比例一開始波動較大，后面逐漸趨近