高校多運營商網絡出口策略的分析與研究

田愛寶

(中國石油大學(華東)網絡及教育技術中心，青島 266580)

高校多運營商網絡出口策略的分析與研究

田愛寶

(中國石油大學(華東)網絡及教育技術中心，青島 266580)

為了保障對互聯網的快速訪問，大多數高校從多個運營商購買網絡出口帶寬用于校園網與互聯網進行連接。不同的運營商網絡出口帶寬不同且質量也有差異，導致在網絡運行中用戶體驗不佳、出口帶寬利用率不平均等問題，為此，優先使用目的地址路由和智能DNS技術進行出口流量調度，再通過策略路由和負載均衡技術實現出口流量的自動微調，最后通過對網絡應用流量的引流與控制完成應用層流量的均衡分配，最終實現在提高用戶體驗的基礎上提高網絡出口帶寬的利用率。

網絡出口; 智能調度; 負載均衡; 應用引流; DNS

0 引言

隨著高校信息化水平的不斷提高，作為基礎設施的校園網絡為師生帶來的網絡訪問體驗影響了學校師生對學校信息化建設的評價，雖然各高校對基礎網絡設施不斷投資，學校校內網絡帶寬及穩定性得到了極大的提升，學校網絡內部互訪不存在任何瓶頸，但師生的網絡訪問不僅限于校內，更多的訪問用于從互聯網獲取資源，為此，師生對校外網絡資源的訪問體驗決定了校園網的用戶體驗。由于學校網絡出口必須從運營商購買，而不同運營商的出口質量不同且價格昂貴，學校也不可能做到及時并無限制擴充，因此，學校的網絡出口狀態一直處于擁堵變空閑又變擁堵的變化過程中。

1 網絡流量調度技術

1.1 DNS調度

在互聯網中，網絡內容商(ICP)為了提高用戶訪問速度部署了大量的CDN資源，分布在互聯網不同的地理位置，通過域名服務器進行調度，實現根據用戶IP地址解析出不同的服務器IP地址，滿足用戶訪問的服務器始終離自己最近。例如用戶訪問新浪網，北京的用戶訪問的服務器位于北京市內，而上海的用戶訪問的服務器位于上海市內。

1.2 目的路由

在互聯網中，各個運營商為了保障自己的網絡用戶訪問速度，將自己網絡內部的網絡帶寬建設的比較大，以避免網絡擁塞給用戶帶來不好的體驗，且運營商內部網絡升級比較容易。而對于網絡運營商之間的互聯必須經過互聯交換中心，而因運營商之間商業競爭等原因，互聯互通帶寬相對緊張，因此運營商之間的網絡訪問速度遠遠低于運營商內部網絡訪問。因此，通過目標地址路由來實現對運營商網絡的訪問流量導向到對應運營商網絡互聯出口則能有效提高網絡訪問速度。

1.3 策略路由

與基于目的地址的路由表不同，策略路由比傳統的路由表更加靈活，能實現基于目的地址、源地址、目的端口、源端口等內容的匹配實現下一跳路由的調度。在網絡出口中，能實現對特定的IP和端口的流量調度。

1.4 負載均衡

在傳統的路由轉發中，路由表信息的獲取依靠手工配置的靜態路由和路由器的動態路由協議的學習，而這些路由信息的獲取完全依賴于人工或設備對鏈路等信息的計算，且無法透傳存在地址轉換(NAT)的鏈路，具有一定的局限性，無法從應用體驗的層面選擇最優的數據轉發路徑。負載均衡能通過時延、通斷、鏈路利用率等方面自動尋找一條最優的轉發路徑，且適應于存在地址轉換(NAT)的網絡中。

1.5 流量控制

在互聯網中，各種應用數據最終轉換成二進制的數據通過網絡鏈路傳輸，所有的數據轉發按照時間片段依次傳輸，其中，部分應用對時延要求較高，而某些應用則對時延要求不高，但對帶寬要求大，在網絡鏈路利用率較高的情況下將會導致用戶的應用體驗將會下降。流量控制的目的就是將不同的應用流量進行調度控制，根據不同應用流量的特點進行優先級保障與速率控制，實現對所有的應用的服務保障。

1.6 應用調度

國內運營商數量比較多，不同運營商網內的資源不僅相同，網絡質量也不相同，如果使用相同的路由策略將會導致用戶訪問體驗不佳，某些網絡帶寬利用率低等問題。通過應用調度主要實現網絡應用與網絡出口質量的匹配，在提升用戶體驗的同時提高網絡出口帶寬的利用率。

2 網絡出口模型分析

國內高校為了保障數字圖書資源的訪問及科研的需要，幾乎都接入了教育網絡，但因為各種原因，各高校接入教育網的帶寬不完全相同，有的以教育網出口為主，有的以解決教育網內互聯為主，導致教育網接入速率從幾G到幾十M都有,如圖1所示。

圖1 高校網絡出口常見拓撲圖

為了彌補學校出口帶寬的不足，各高校根據實際情況，還購買了中國聯通、中國電信、中國移動等一家或多家運營商的網絡出口帶寬，且與運營商的合作模式不同，接入的網絡速率也不盡相同，產生了不同的出口接入速率比例。

2.1 平均性

部分高校為了保障到各運營商網絡訪問速度，采取到各網絡比較接近的接入速率，如出口分布情況為教育網1G、中國電信1G、中國聯通1G、中國移動1G；此種類型一般在經費相對充足，依靠學校自行采購出口帶寬的高校，且各運營商帶寬價格比較接近的高校采用的比較多。

2.2 主輔性

部分高校因與某個運營商合作比較密切，且該運營商基本上能滿足學校的出口帶寬需求，一般采取獨家合作的模式，由單家運營商提供充足的網絡出口帶寬滿足學校需求。如教育網100M，中國電信5G。

2.3 中間性

部分高校因為歷史原因或根據實際流量使用情況，針對某個運營商出口帶寬不足的情況下不斷升級形成的，或同時與多家運營商合作，最終形成的一種出口帶寬模型，如教育網500M，中國電信1G、中國聯通1.5G、中國移動1G。

3 出口流量調度策略分析

3.1 基本調度

經過對出口調度技術的比較，結合現有互聯網資源分布與調度技術，互聯網大量的數據資源通過CDN( Content Delivery Network的縮寫，即內容分發網絡)的方式分發到互聯網的各地，再通過DNS及IP技術進行訪問調度，根據運營商運行數據分析，運營商網內資源能滿足網內用戶資源訪問需求的70-90%，剩余部分才通過互聯互通的方式從其他運營商獲取。因此，結合DNS調度和IP目的路由器即可實現大部分流量在多網絡出口間調度與分擔，并實現以最快的速度獲取資源。

3.2 高級調度

通過基本調度，解決了大部分流量的調度與分擔后，但會存在部分網絡出口利用率高低差別比較大的情況，此時，需要更高級別的調度技術來實現網絡流量的調度與速度保障。負載均衡與策略路由屬于網絡層和傳輸層的調度技術，通過該技術可以通過自動或手工的方式將在基本調度中不能有效區分的IP地址段進行出口分配，在保障網絡訪問速率的前提下可靈活在不通出口之間實現切換，以提高空閑出口的利用率，保障不同出口的網絡流量進行均衡。

3.3 應用層調度

基于基本調度和高級調度策略，基本能實現絕大部分的網絡流量的均衡與分擔，但在實際過程中仍然存在用戶體驗的問題，因為國內不同運營商的網絡質量和網絡資源定位不完全相同，如教育網以科研學術資源為主，娛樂性資源相對較少，中國聯通和中國電信屬于一級運營商，互聯互通較好，網絡資源比較豐富，但大帶寬申請難度比較大，且價格相對較貴，中國移動屬于二級運營商，網絡質量的穩定性與中國電信、中國聯通相差較大，且與一級運營商互聯互通問題比較嚴重，但訪問國外資源的網絡體驗比電信和聯通稍好。

基于運營商網絡之間的差異，純粹通過基于網絡層和傳輸層的基本調度和高級調度無法做到最好的用戶體驗，因此，根據運營商網絡的特點和用戶使用網絡的習慣，可通過應用調度將對訪問時延要求高的直播、在線視頻、HTTP網頁等訪問調度到質量高網絡出口上，將如HTTP、BT下載等時延要求低、對帶寬需求大的流量調度到質量差的出口鏈路上，滿足不同應用對網絡的不同需求，給用戶最好的網絡體驗。如圖2所示。

圖2 網絡出口調度技術層級

當然，在某些高質量的鏈路上還需進行流量控制策略，對流量進行優先級處理，并根據出口網絡利用率對低優先級的流量進行限制，甚至封堵等，保障高優先的流量快速傳送，實現用戶的良好的網絡體驗。

4 出口流量調度策略應用

經過對多出口速率比例的分析，得出三種出口模型：平均性、中間型、主輔型，在流量調度中，主輔性調度策略比較容易，通過DNS調度和目的地址路由基本能實現預期效果，而其他兩種類型需要依據當地運營商的網絡質量情況對不同出口進行優先級劃分，使用高級調度的負載均衡和策略路由，配合應用調度和流量控制，從更深層次的調優，才能達到最優的出口調度效果。

以網絡出口中中間型作為案例，分別有教育網1G、中國聯通1G、中國電信2G、中國移動1.5G四個出口，首先將對應四個運營商的地址段做好到各自出口目的地址路由，并在每個出口配置好地址轉換(NAT)策略，默認路由使用負載均衡策略同時指向4個出口，實現路由的負載均衡，同時智能DNS服務器配置自動解析策略，至此，網絡大部分流量將按照配置的最優路徑轉發。但在運行中將會發現，電信或聯通出口中的一個或全部將會比較擁擠，因為電信聯通的網絡質量比較好，資源比較多，而教育網和移動出口利用率并不高，此時，啟用應用調度策略，將BT，HTTP等下載類的應用引流到教育網和移動出口，并設置好出口利用率最大閥值，如85%，并根據出口利用率針對下載類的應用進行速率控制，保障所有網絡出口利用盡量在90%-95%以下，防止出口發生擁堵。另外，在運營中，如出現跨網訪問速度比較慢或無法打開時，可將指定目的IP地址和源IP地址通過策略路由指定到某個出口或某幾個出口，實現策略的局部優化。

5 總結

通過對多出口調度技術和策略的分析，根據學校實際情況，靈活、綜合運營各種出口網絡設備，實現網絡出口的智能調度，能有效提高網絡出口質量，提升網絡出口利用率，提升用戶網絡體驗感知，節省學校網絡投資，提高學校網絡經費的投入產出比。

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AnalysisandResearchontheExportStrategyofMulti-operatorNetworkinCollegesandUniversities

Tian Aibao

(Network and Educational Technology Center， China University of Petroleum(East China)，Qingdao， Shandong 266580)

In order to ensure the rapid access to the Internet, most colleges and universities buy network bandwidth from several operators for the campus network and connect to the Internet. But different operators have different export network bandwidths and different quality. It results in poor experiences of the network operation users. The export bandwidth utilization is not uniform. The paper proposes the priority of the use of destination routing and intelligent DNS technology for export traffic scheduling, the policy of routing and load balancing technology to achieve automatic adjustment of export traffic, and finally the network application of traffic drainage and control to complete the application layer flow balance distribution. These ultimately improve the user experience on the basis of improving the utilization of network export bandwidth.

Network export; Intelligent scheduling; Load balancing; Application drainage; DNS

1007-757X(2017)12-0058-03

田愛寶(1982-)，男，工學碩士，研究方向：數據通信、校園網絡管理、網絡安全。

TP311

A

2017.07.22)