互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務流量監(jiān)測技術的應用和設計
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隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)在中國的迅速發(fā)展，全國各大電信運營商的網(wǎng)絡規(guī)模都在不斷擴張，網(wǎng)絡結構日漸復雜，網(wǎng)絡業(yè)務日趨豐富，網(wǎng)絡流量高速增長。電信運營商需要通過可靠、有效的網(wǎng)絡業(yè)務流量監(jiān)測系統(tǒng)對其網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡所承載的各類業(yè)務進行及時、準確的流量和流向分析，進而挖掘網(wǎng)絡資源潛力，控制網(wǎng)絡互聯(lián)成本，并為網(wǎng)絡規(guī)劃、優(yōu)化調(diào)整和業(yè)務發(fā)展提供基礎依據(jù)。
目前國內(nèi)電信運營商已建的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)所能實現(xiàn)的流量監(jiān)測功能非常有限，遠遠不能滿足運營商的迫切需要。
1、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務流量監(jiān)測技術的應用及現(xiàn)狀
1.1 互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務流量監(jiān)測技術的應用
流量監(jiān)測技術的應用主要包括以下幾個方面：
a）為網(wǎng)絡出口互聯(lián)鏈路的設置提供決策支持
通過對網(wǎng)絡出口流量和流向的分析，可以詳細了解網(wǎng)絡內(nèi)部用戶對其他外部網(wǎng)絡的訪問情況，從而有效地選擇與其他網(wǎng)絡的互聯(lián)方式和互聯(lián)地點，節(jié)約互聯(lián)鏈路費用。
b）掌握用戶對其他運營商的訪問情況
通過對與其他網(wǎng)絡互聯(lián)流量的監(jiān)控，分析網(wǎng)絡內(nèi)部用戶訪問其他外部網(wǎng)絡的業(yè)務特點和主要流量的去向，準確掌握內(nèi)部用戶對外網(wǎng)的興趣點，找到最多應用的熱點信息內(nèi)容。根據(jù)分析結果進行相應網(wǎng)絡內(nèi)容的建設，將用戶感興趣的熱點信息內(nèi)容放到內(nèi)部網(wǎng)絡，減輕互聯(lián)鏈路的壓力。
c）評估分支網(wǎng)絡的成本和價值
通過對各個分支網(wǎng)絡出入流量的監(jiān)控，分析流量的大小、去向及內(nèi)容組成，了解各分支網(wǎng)絡占用帶寬的情況，從而反映其占用的網(wǎng)絡成本，也可以了解其業(yè)務開展情況，并作出價值評估。
d）提供重要應用和大客戶統(tǒng)計分析
通過對重要應用和大客戶的流量進行統(tǒng)計分析，掌握重要應用和大客戶的流量狀況，進行網(wǎng)絡帶寬的成本分析，有助于在網(wǎng)絡服務質(zhì)量和網(wǎng)絡成本之間取得最佳平衡。
e）基于IP的計費應用和服務等級協(xié)議（SLA）的校驗服務
通過對大客戶接入電路上的流量進行監(jiān)控分析，可以統(tǒng)計出業(yè)務類型、服務等級、通信時間和時長、通信數(shù)據(jù)量等參數(shù)，為基于IP的計費應用和SLA的校驗服務提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
f）掌握網(wǎng)絡狀況
通過對網(wǎng)絡中一些特定流量的長期監(jiān)控，有助于網(wǎng)管人員了解網(wǎng)絡的流量模型，所形成的基準數(shù)據(jù)可供網(wǎng)管人員正確分析網(wǎng)絡使用狀況，并可及時發(fā)布異常警訊，在故障事件爆發(fā)或擴大前實施防范措施，進而提升網(wǎng)絡的整體質(zhì)量及效能。
g）實現(xiàn)對網(wǎng)絡異常通信的檢測，重點防范分布式拒絕服務（DDoS）的攻擊和大范圍的蠕蟲病毒發(fā)作
通過對網(wǎng)絡內(nèi)流量的實時分析，有助于及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中出現(xiàn)的異常流量，迅速分析出異常流量的具體屬性。通過與網(wǎng)絡通信正常基線的比對，管理員對出現(xiàn)的異常通信可以快速定性是否為網(wǎng)絡安全攻擊，確定安全攻擊的類型，評估本次攻擊的危險程度及可能造成的影響范圍，并采用相應技術手段實施事故應急處理。
h）為網(wǎng)絡優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)
通過流量分析，可以為多出口的流量負載均衡、重要鏈路的帶寬設置、路由選擇和設定QoS等網(wǎng)絡優(yōu)化措施提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
1.2 互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務流量監(jiān)測技術現(xiàn)狀分析
目前國內(nèi)電信運營商的運維部門大都還沒有建設一套能夠完全滿足管理需求的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務流量監(jiān)測系統(tǒng)?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)雖然可以提供業(yè)務流量監(jiān)測手段，但基本上只是采用一些通用型的網(wǎng)絡鏈路使用率監(jiān)視軟件，如利用免費的MRTG和簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP），對網(wǎng)絡的重點鏈路和互聯(lián)點進行簡單的端口級流量監(jiān)視和統(tǒng)計；或采用在網(wǎng)絡中部分重點業(yè)務接入點（POP）加裝遠程監(jiān)控（RMON）探針的方式，利用RMON I/Ⅱ協(xié)議對網(wǎng)絡中部分端口進行網(wǎng)絡流量和上層業(yè)務流量的監(jiān)視和采集。
上述兩種被普遍采用的網(wǎng)絡流量監(jiān)測系統(tǒng)都有著明顯的技術局限性。
SNMP采集端口的數(shù)據(jù)主要是在網(wǎng)元層用來監(jiān)控網(wǎng)絡流量和設備的性能，而且SNMP采集的數(shù)據(jù)是基于端口的，無法提供端到端的準確的流量信息，因此對流向的統(tǒng)計手段不明確。
利用RMON探針對運營商網(wǎng)絡進行流量和流向管理可以部分彌補SNMP的技術局限性，其業(yè)務分析和協(xié)議分析功能較強。但是，采用RMON探針建設的流量監(jiān)測系統(tǒng)也有處理性能不足和難以在大型網(wǎng)絡普遍部署的局限性。
為克服現(xiàn)有網(wǎng)管系統(tǒng)對網(wǎng)絡流量和流向分析功能的技術局限性，運營商迫切需要尋找一種功能豐富、成熟穩(wěn)定的新技術，對現(xiàn)有管理系統(tǒng)中流量信息的采集和分析方式進行改造和升級。新的流量信息采集和分析技術應具備對運營商的運行網(wǎng)絡影響小、無需對網(wǎng)絡拓撲進行改變就能平滑升級的技術特征，既可以對網(wǎng)絡中各個鏈路的帶寬使用率進行統(tǒng)計，又可以對每條鏈路上不同類型業(yè)務的流量和流向進行分析和統(tǒng)計。本文主要討論功能強大、應用廣泛的NetFlow技術。
2、流量監(jiān)測系統(tǒng)建設方案中需要考慮的問題
2.1 NetFlow技術簡介
NetFlow是Cisco公司提出的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包交換技術，該技術首先被用于網(wǎng)絡設備對數(shù)據(jù)交換進行加速，并可同步實現(xiàn)對高速轉(zhuǎn)發(fā)的IP數(shù)據(jù)流（Flow）進行測量和統(tǒng)計。經(jīng)過多年的技術演進，NetFlow原來用于數(shù)據(jù)交換加速的功能已經(jīng)逐步改由網(wǎng)絡設備中的專用集成電路（ASIC）芯片實現(xiàn)，而對流經(jīng)網(wǎng)絡設備的IP Flow進行測量和統(tǒng)計的功能卻更加成熟，并成為當今互聯(lián)網(wǎng)領域公認的最主要的IP流量分析、統(tǒng)計和計費行業(yè)標準。
為對運營商網(wǎng)絡中不同類型的業(yè)務流進行準確的流量和流向分析與計量，首先需要對網(wǎng)絡中傳輸?shù)母鞣N類型數(shù)據(jù)包進行區(qū)分。由于IP網(wǎng)絡的非面向連接特性，網(wǎng)絡中不同類型業(yè)務的通信可能是任意一臺終端設備向另一臺終端設備發(fā)送的一組IP數(shù)據(jù)包，這組數(shù)據(jù)包實際上就構成了運營商網(wǎng)絡中某種業(yè)務的一個Flow。如果管理系統(tǒng)能對全網(wǎng)傳送的所有Flow進行區(qū)分，準確記錄傳送時間、傳送方向和Flow的大小，就可以對運營商全網(wǎng)所有業(yè)務的流量和流向進行分析和統(tǒng)計。
通過分析網(wǎng)絡中不同F(xiàn)low之間的差別，可以發(fā)現(xiàn)判斷任何兩個IP數(shù)據(jù)包是否屬于同一個Flow，實際上可以通過分析IP數(shù)據(jù)包的以下7個屬性來實現(xiàn)：
a）源IP地址；
b）目標IP地址；
c）源通信端口號；
d）目標通信端口號；
e）第三層協(xié)議類型；
f）服務類型（TOS）字節(jié)；
g）網(wǎng)絡設備輸入或輸出的邏輯網(wǎng)絡端口（iflndex）。
Cisco公司的NetFlow技術就是利用分析IP數(shù)據(jù)包的上述7個屬性，快速區(qū)分網(wǎng)絡中傳送的各種不同類型業(yè)務的Flow。對區(qū)分出的每個Flow，NetFlow技術可以進行單獨跟蹤和準確計量，記錄其傳送方向和目的地等流向特性，統(tǒng)計其起始和結束時間、服務類型、包含的數(shù)據(jù)包數(shù)量和字節(jié)數(shù)量等流量信息。
在NetFlow技術的演進過程中，Cisco公司一共開發(fā)出了NetFlow V1、NetFlow V5、NetFlow V7、NetFlow V8和NetFlow V9等5個主要的實用版本。 {{分頁}}
下面對網(wǎng)絡流量和流向分析系統(tǒng)中最常用的NetFlow V5數(shù)據(jù)輸出的數(shù)據(jù)包格式作一簡單介紹。
圖1為NetFlow V5輸出數(shù)據(jù)包的包頭格式。圖2為包含在每個NetFlow V5輸出數(shù)據(jù)包中的具體Flow的流量和流向統(tǒng)計信息的數(shù)據(jù)格式。
圖1 NetFlow V5輸出數(shù)據(jù)包的包頭格式
圖2 NetFlow V5輸出數(shù)據(jù)包中每個Flow的具體流量和流向統(tǒng)計信息格式
NetFlow的數(shù)據(jù)輸出要求先在路由器和交換機上定制NetFlow流輸出，并選擇輸出流的版本、個數(shù)、緩沖區(qū)的大小等，配置相應NetFlow流量收集器（FlowCollector）的IP地址、端口等信息。此時路由器或交換機即可以用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）的方式向外發(fā)送流信息，然后在NetFlow FlowCollector端配置接收端口號，設置匯聚、過濾策略和流量文件存放目錄、格式等。NetFlow有非采樣和采樣兩種使用模式。
一般來說，NetFlow FlowCollector都選用UNIX工作站來收集數(shù)據(jù)，NetFlow FlowCollector收集的數(shù)據(jù)將存放在本地磁盤中（路徑由用戶定義）。同時，它也可以通過網(wǎng)關以Socket方式發(fā)送信息到其他網(wǎng)管分析軟件，或直接讀取存放在NetFlow FlowCollector工作站中的數(shù)據(jù)文件，對其進行分析處理。
NetFlow記錄的流包含了豐富的信息，非常適合于網(wǎng)絡性能分析。NetFlow不需要其他硬件流量設備的支持，開啟和關閉都非常方便，因此在國外已有很多運營商用它來收集流量，服務于網(wǎng)絡規(guī)劃、設計和優(yōu)化等領域。但開啟NetFlow需要消耗一定的路由器資源（CPU和內(nèi)存）。
根據(jù)NetFlow的特點，該技術非常適用于大型網(wǎng)絡。NetFlow采集實施成本較低、安裝方便，而且不受速率的限制，是目前運營商流量監(jiān)測的首選技術。
采集到的NetFlow數(shù)據(jù)，結合邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP）路由信息，可以更加精確地分析路由信息和互聯(lián)流量的自治域（AS）屬性。
2.2 流量采集對業(yè)務網(wǎng)絡的影響評估
2.2.1 帶寬占用
采用NetFlow方案不要求處理從某個接口接受到的每個數(shù)據(jù)包，用來對被監(jiān)控路由器進行流量分析的數(shù)據(jù)來自采集到的NetFlow數(shù)據(jù)，從路由器送出的非采樣NetFlow數(shù)據(jù)不到流經(jīng)該路由器數(shù)據(jù)量的1%，使用采樣NetFlow時數(shù)據(jù)更為大大減少。根據(jù)計算，在采樣率為1000：1時，對10Gbit/s的流量進行NetFlow分析，只產(chǎn)生1.3Mbit/s的流量。因此，NetFlow產(chǎn)生的這部分流量對于骨干網(wǎng)的帶寬占用很少。
2.2.2 路由器性能消耗
利用NetFlow技術實現(xiàn)流量監(jiān)測需要路由器開啟NetFlow協(xié)議以配合采集數(shù)據(jù)，因此會對路由器的CPU造成一定的負擔。Cisco公司和Juniper公司等路由器廠家都針對這些問題作了詳細的研究。不同的產(chǎn)品系列和NetFlow協(xié)議是否經(jīng)過采樣等，對CPU的影響程度也不同。
根據(jù)Cisco公司的“NetFlow Performance Analysis”白皮書，在非采樣方式下，路由器開啟NetFlow后，其CPU使用狀況如下：
a）如果有10 000條同時在線的Flow，則路由器的CPU使用率平均增加7.14%；
b）如果有45 000條同時在線的Flow，則路由器的CPU使用率平均增加19.16%；
c）如果有65 000條同時在線的Flow，則路由器的CPU使用率平均增加22.98%。
這些數(shù)據(jù)是基于不同的產(chǎn)品系列進行測試的平均值。
在采樣方式下開啟NetFlow對路由器的CPU影響會更小。根據(jù)Cisco公司的資料顯示，12000系列的路由器在非采樣方式下需要增加23.5%的CPU使用率來處理65 000條Flow，而在采用100:1的采樣率時CPU使用率僅增加3%。在不同的采樣率下，CPU的負擔增加程度也不同。
路由器上不同類型的線卡對NetFlow的支持情況也有所不同。仍以Cisco公司路由器為例，Engine 3和Engine 4+的線卡是采用專門的硬件來處理NetFlow數(shù)據(jù)，開啟NetFlow對路由器性能影響較??；而通常認為Engine 2的線卡開啟NetFlow對路由器性能的影響相對較大。
2.3 NetFlow采樣率的設定
在采樣方式下，路由器按照一定的采樣率采集NetFlow數(shù)據(jù)，流量分析系統(tǒng)接收NetFlow數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡的流量進行計算和分析，因此路由器的采樣率在很大程度上決定了分析結果的準確性。如果路由器設定的采樣率過高（如1000:1或更高），流量分析的誤差將加大，尤其對小Flow或混雜在大流量中的部分關鍵的小Flow的分析，更容易產(chǎn)生比較大的誤差。
在路由器上開啟NetFlow會消耗一些設備資源，特別是需要占用一些CPU和Memory等重要資源，而且采樣率越低，對資源的占用越大。如果設置過低的NetFlow采樣率會對路由器的性能帶來較大的影響。因此，應根據(jù)路由器上需要打開的NetFlow功能板卡的主要類型，并結合設備上開通的電路的流量情況靈活地設置路由器的NetFlow采樣率，包括100:1、500:1、1 000:1和3 000:1等。
2.4 流量采集點的設置
為了實現(xiàn)對所監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)的所有流量進行分析，首先需要合理地設置流量采集點。采集點的設置非常關鍵，直接影響到系統(tǒng)能否準確地對流量進行全面分析。下面主要針對運營商網(wǎng)絡優(yōu)化應用提出采集點設置建議方案。
由于主要是實現(xiàn)對運營商網(wǎng)絡的優(yōu)化，所以不一定需要對網(wǎng)絡中傳送的所有流量數(shù)據(jù)進行100%的監(jiān)測。為減少對網(wǎng)絡設備的資源占用，降低對系統(tǒng)的容量要求，可以選用數(shù)據(jù)包抽樣的NetFlow數(shù)據(jù)采集方式，對網(wǎng)絡中的所有流量進行統(tǒng)計。
通常情況下，運營商網(wǎng)絡結構包括核心層和邊緣層兩個層次，網(wǎng)絡流量通過邊緣層的路由器匯接進入核心層，由核心層的路由器進行轉(zhuǎn)接。而NetFlow技術只能對端口的流入流量進行分析，因此，流量采集點的設置主要有兩種方案可供選擇：
a）方案一：采集點設置在網(wǎng)絡的核心層，核心層路由器之間的互聯(lián)端口不需要開啟NetFlow，核心節(jié)點路由器對外的互聯(lián)端口開啟NetFlow流入流量采集。
該方案的優(yōu)點是被采集的路由器數(shù)量少，因此管理比較簡單，配置工作量比較?。蝗秉c是采集端口集中在核心層路由器上，增加了核心層路由器的負擔，對業(yè)務網(wǎng)絡的影響較大。
b）方案二：采集點設置在網(wǎng)絡的邊緣層，邊緣層路由器對外的互聯(lián)端口開啟NetFlow流入流量采集，對從其他AS進入到網(wǎng)內(nèi)的流量進行分析。
該方案的優(yōu)點是采集端口分散在邊緣層的多臺路由器上，相應地減少了單臺路由器上的采集數(shù)據(jù)量和因流量采集而增加的負擔，降低了開啟NetFlow對業(yè)務網(wǎng)絡的影響；缺點是被采集的路由器數(shù)量較多，管理的復雜程度和配置工作量都相應加大，而且這種方案需要將采集的NetFlow數(shù)據(jù)從邊緣層的路由器傳送到集中設置的采集機，會在網(wǎng)內(nèi)增加一定的流量而占用網(wǎng)絡帶寬。
在實際應用中，流量采集點的設置應根據(jù)網(wǎng)絡的具體情況和管理要求來選擇合適的方案。{{分頁}}
圖3為運營商網(wǎng)絡優(yōu)化時的流量采集點設置示意圖。
圖3 運營商網(wǎng)絡優(yōu)化流量采集點設置示意圖
2.5 系統(tǒng)組織方案
流量分析系統(tǒng)由采集機和分析服務器組成。被采集的路由器將NetFlow數(shù)據(jù)包發(fā)往NetFlow流量采集機，采集機將采集到的NetFlow數(shù)據(jù)送到分析服務器進行分析。被采集的路由器分布在全網(wǎng)各個節(jié)點，當系統(tǒng)規(guī)模較大時，需要配置多臺采集機和分析服務器。采集機和分析服務器的部署有以下兩種方案。
a）方案一：將采集機分別部署在各個核心節(jié)點，每個核心節(jié)點的采集機負責采集連接至該核心節(jié)點的路由器；分析服務器集中部署在網(wǎng)管中心。該方案采集機通過以太網(wǎng)接口接入核心路由器或與核心路由器連接的局域網(wǎng)交換機，實現(xiàn)與被采集路由器的互通。利用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）從被采集路由器上的端口采集NetFlow數(shù)據(jù)，再通過IP網(wǎng)絡傳送到分析服務器，由分析服務器進行數(shù)據(jù)匯總和分析處理，如圖4所示。
圖4 流量分析系統(tǒng)組織方案一示意圖
該方案的優(yōu)點是，在至分析服務器的IP網(wǎng)絡連接出現(xiàn)突發(fā)故障時，可以充分利用采集機的存儲能力，暫存NetFlow數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡連接恢復時，再向分析服務器傳送；這種分布式的部署方案還可以避免單點出現(xiàn)故障時導致全網(wǎng)流量無法采集，而且采集機還可以進行一些預處理工作，減輕分析服務器的壓力。缺點是每個核心節(jié)點都需要配備一套采集機，設備的綜合利用率不夠高，管理和維護不夠集中。
b）方案二：采集機和分析服務器集中部署，由多臺采集機共同負責采集全網(wǎng)內(nèi)的路由器。該方案采集機通過以太網(wǎng)接口接入網(wǎng)管中心，實現(xiàn)與全網(wǎng)內(nèi)被采集路由器的互通，采集機利用UDP通過IP網(wǎng)絡從各節(jié)點被采集路由器上的端口采集NetFlow數(shù)據(jù)，再通過局域網(wǎng)傳送到分析服務器，由分析服務器進行數(shù)據(jù)匯總和分析處理，如圖5所示。
圖5 流量分析系統(tǒng)組織方案二示意圖
該方案的優(yōu)點是，流量分析系統(tǒng)設備集中部署，便于統(tǒng)一管理和統(tǒng)一維護，也提高了設備的利用率；缺點是如果IP網(wǎng)絡不穩(wěn)定或發(fā)生故障時，路由器的NetFlow數(shù)據(jù)將不能傳送到網(wǎng)管中心，處理不當可能造成NetFlow數(shù)據(jù)的丟失。
實際部署時應根據(jù)具體的要求來選擇合適的系統(tǒng)組織方案。
2.6 系統(tǒng)處理能力估算模型的分析
2.6.1 計算數(shù)據(jù)的取定
首先取定以下計算數(shù)據(jù)：
a）一個NetFlow V5輸出數(shù)據(jù)包的包長為1 500 Byte；
b）一個NetFlow V5輸出數(shù)據(jù)包中包括的Flow的數(shù)量為30；
c）網(wǎng)絡流量中數(shù)據(jù)包的平均包長為384 Byte；
d）采樣率：500:1
其中，NetFlow V5輸出數(shù)據(jù)包的包長及其包括的Flow的數(shù)量是確定的，而網(wǎng)絡流量中數(shù)據(jù)包的平均包長、采樣率則需要根據(jù)具體的網(wǎng)絡狀況進行取定。
2.6.2 系統(tǒng)處理能力
流量分析系統(tǒng)實現(xiàn)對NetFlow數(shù)據(jù)的采集和分析處理，本文采用“每秒處理Flow數(shù)”來衡量系統(tǒng)的處理能力。
在估算系統(tǒng)處理能力時，首先要計算系統(tǒng)需要分析的流量大?。℅bit/s），然后根據(jù)前面已經(jīng)取定的計算數(shù)據(jù)，系統(tǒng)每秒需要進行處理的Flow數(shù)量為：（系統(tǒng)需要分析的流量大小
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