CN115766471B - 一种基于组播流量的网络业务质量分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于组播流量的网络业务质量分析方法，该方法包括以下步骤：采集网络业务系统的组播流量，获取组播数据包并对其进行预处理；基于IP标识进行组播数据包关联识别，并针对组播应用业务传输特点，选取关键质量指标，建立业务质量分析评价标准，对应用业务的传输性能进行评价和展示；基于业务系统业务传输特性，建立网络业务系统网络业务健康度评估机制，对一段时间内网络业务系统网络业务的运行状况进行综合健康评价。本发明便于业务系统快速、准确地了解网络应用业务的运行状况，简化网络故障定位的难度，也可支撑网络业务运行稳定性的长期分析，从而提高网络的可用性和网络管理维护的效率，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及信息系统技术领域，尤其涉及一种基于组播流量的网络业务质量分析方法。
背景技术
当前，在信息系统集成的过程中，随着一体化网络技术的应用和网络规模的扩展，在网络抗毁性、传输实时性、多业务传输可靠性、网络集成安全性有了更大的提高，网络测试复杂程度也越来越高。同时由于网络覆盖区域广、上网节点多，网络设备在分区域分散布置等特点，根据以往信息系统集成联调联试中暴露的异常网络问题，也突显出当前网络应用业务监测和故障定位等管理能力的迫切需求。
同时在信息系统集成时，为了满足信息传输安全可靠，保障灵活的需要，辅助实现系统软件复用和功能重组，减低系统设计的复杂度，也减轻系统(设备)软件设计的工作量，信息系统信息传输会采用发布-订阅信息传输机制(DDS)，主要通过组播方式，实现信息的按需可靠传输。此机制采用实时发布-订阅协议(RTPS)，传输层采用UDP协议。
由于传统的网络业务质量分析技术，主要针对TCP协议，基于TCP协议的响应确认机制，将镜像的网络数据包进行TCP分流(Flow)，分析每条TCP Flow的网络质量，包括TCP连接建立时间、重传、RTT指标等。通过这些指标来分析基于TCP应用业务的运行质量。而UDP协议无类似TCP的响应确认机制，无法单纯通过抓包捕获一条UDP Flow来分析一种基于组播UDP流量的网络业务传输的质量。
为了开展网络业务运行监测和故障检测，提高网络的可用性和网络管理维护的效率，需要设计出一种方法，能够基于组播流量实现网络业务质量分析，便于业务系统快速、准确地了解网络应用业务的运行状况，简化网络故障定位的难度。
通过对组播流量实现网络业务质量分析进行相关需求和技术现状的分析，当前需要解决的技术问题归纳为以下几个方面：
(1)组播业务流量采集获取
由于系统集成时，网络覆盖区域广、上网节点多，网络设备在分区域分散布置等特点，为了保障各业务系统高速实时信息交互的同时，对主要网络业务流量(UDP组播)进行业务质量快速分析，需要进行流量采集和获取发布方和订阅方组播流。
(2)组播数据包关联识别和传输质量分析
为了进行网络业务质量分析，在采集到网络业务传输性能数据的基础上，基于IP标识进行组播数据包关联识别，并针对组播应用业务传输特点，选取适当的关键质量指标，建立业务质量分析评价标准，对应用业务的传输性能进行合理有效的评价和展示。
(3)业务系统健康度评价
基于业务系统业务传输特性(设备数量、每台设备输入输出业务流量等)，需要建立业务系统网络业务健康度评估机制，对一段时间内业务系统网络业务的运行状况进行综合健康评价。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于组播流量的网络业务质量分析方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于组播流量的网络业务质量分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、采集网络业务系统的组播流量，获取组播数据包并对其进行预处理；
步骤2、基于IP标识进行组播数据包关联识别，并针对组播应用业务传输特点，选取关键质量指标，建立业务质量分析评价标准，对应用业务的传输性能进行评价和展示；
步骤3、基于业务系统业务传输特性，建立网络业务系统网络业务健康度评估机制，对一段时间内网络业务系统网络业务的运行状况进行综合健康评价。
进一步地，本发明的所述步骤1中的方法包括：
首先搭建系统应用网络的流量采集通道，分别通过网络交换机镜像口采集网络流量，同时将采集的网络流量统一导入汇集存储，同时基于DPDK高速数据包捕获和识别技术，对数据进行预处理，根据报文信息判断是哪种类型的报文，若是采用发布-订阅信息传输机制的UDP组播报文，从报文中提取源MAC地址、目的MAC地址、源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、应用层协议类型、IP标识和采集报文的时间戳，将识别后的结果以及统计信息写入数据库保存。
进一步地，本发明的所述步骤2中的方法包括：
针对每条组播数据包，首先通过源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、应用层协议类型、IP标识的信息关联识别判断是否为同一条报文的组播报文，若是则开展传输质量分析；
针对组播业务传输特性，选取以下传输关键指标，作为业务质量分析评价指标，包括：最大时延、最小时延、平均延迟、最大抖动、最小抖动、平均抖动、丢包数量、流量速率。
进一步地，本发明的所述业务质量分析评价指标的具体计算方法为：
时延t及时延抖动Δt：
t＝t2-t1
Δt＝|tn-tn-1|
其中tn为第n-1次记录时刻的接收时延，tn-1为n-1次记录时刻的发送时延；
丢包数量dn：
dn＝TX1-TX2
其中TX1为统计周期T1内的发送包数量，TX2为统计周期T2内的发送包数量；
平均流量速率l：
其中SX1为统计周期T1内的接收包数量；
网络组播业务质量根据以上网络业务传输关键指标进行综合评价，网络业务质量分析评价指数FI按以下公式计算：
其中网络业务质量评价主要由四个参数构成：时延t，时延抖动Δt，丢包数量dn，平均流量速率l，对应的每个参数都有容忍阈值ttop、Δttop、dntop、ltop；这四个参数对应的权值分别为Rt，RΔt，Rdn，Rl；其大小关系基本符合0＜Rl＜Rt＜RΔt＜Rdn＜10。
进一步地，本发明的所述网络业务质量分析评价指数FI的设置方式为：
网络业务质量指数按下表进行评估：
| 业务质量指数 | 业务状态 | 告警等级 |
| 9＜FI≤10 | 业务正常 | 无警告 |
| 8＜FI≤9 | 业务良好 | 橙色警告 |
| 6＜FI≤8 | 业务状态告警 | 黄色警告 |
| 0＜FI≤6 | 业务状态故障 | 红色警告 |
其中网络业务质量分析评价指数FI满分为10。
进一步地，本发明的所述步骤3中的方法包括：
针对每个网络业务系统，梳理网络业务系统中设备数量和每台设备输入输出组播业务流量，针对每台设备若存在j条组播业务流量，根据每条组播业务流量的传输重要性进行权重设计，有0＜Rlj＜10，j＝1～m，每台设备的组播业务健康度评分DI按以下公式计算：
同理网络业务系统中存在k台设备，根据每台设备的重要性进行权重设计，有0＜Rdk＜10，k＝1～p，网络业务系统的健康度评分SI按以下公式计算：
进一步地，本发明的所述步骤3中进行综合健康评价的方法包括：
业务系统健康度评分指数按下表进行评估：
| 业务系统健康度评分 | 业务系统状态 | 告警等级 |
| 9＜SI≤10 | 业务系统正常 | 无警告 |
| 8＜SI≤9 | 业务系统良好 | 橙色警告 |
| 6＜SI≤8 | 业务系统状态告警 | 黄色警告 |
| 0＜SI≤6 | 业务系统状态故障 | 红色警告 |
其中，业务系统健康度评分满分为10。
本发明产生的有益效果是：本方法针对业务系统组播传输业务特性，通过流量采集和组播包关联识别方法，建立业务系统网络业务健康度评估机制，实现网络组播业务运行分析和可视化展示，并给出业务系统网络应用综合健康评价，进而实现网络业务的运行监测和故障告警，便于业务系统快速、准确地了解网络应用业务的运行状况，简化网络故障定位的难度，也可支撑网络业务运行稳定性的长期分析，从而提高网络的可用性和网络管理维护的效率，具有良好的应用前景。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的网络集成结构简化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例所采用的技术方案如下：
(1)组播业务流量采集获取
首先搭建系统应用网络的流量采集通道，分别通过网络交换机镜像口采集网络流量，同时将采集的网络流量统一导入汇集存储，同时基于DPDK(数据平台开发)高速数据包捕获和识别技术，对数据进行预处理，根据报文信息判断是哪种类型的报文，若是采用发布-订阅信息传输机制(DDS)的UDP组播报文，从报文中提取源MAC地址、目的MAC地址、源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、应用层协议类型、IP标识(Identifier)和采集报文的时间戳等，将识别后的结果以及统计信息写入数据库保存。
(2)组播数据包关联识别和传输质量分析
针对每条组播，首先通过源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、应用层协议类型、IP标识等信息关联识别判断是否为同一条报文的组播报文，若是则开展传输质量分析。
针对组播业务传输特性，选取以下传输关键指标，作为业务质量分析评价指标，它们分别为最大时延、最小时延、平均延迟、最大抖动、最小抖动、平均抖动、丢包数量、流量速率等。传输质量分析依下列公式计算：
1)时延t及时延抖动Δt：
t＝t2-t1(1)
Δt＝|tn-tn-1| (2)
其中tn为第n-1次记录时刻的接收时延，tn-1为n-1次记录时刻的发送时延；
2)丢包数量dn：
dn＝TX1-TX2 (3)
其中TX1为统计周期T1内的发送包数量，RX1为统计周期T1内的接收包数量。若为周期性组播数据，无法确定开始和结束时间点，可结合需求预先定义统计周期T1，根据应用需要修改；
3)平均流量速率l：
其中TX1为统计周期T1内的发送包数量，SX1为统计周期T1内的接收包数量；
网络组播业务质量需要根据以上网络业务传输关键指标进行综合评价。网络业务质量评价主要由四个参数构成：时延t，时延抖动Δt，丢包数量dn，平均流量速率l，对应的每个参数都有容忍阈值ttop、Δttop、dntop、ltop。这四个参数对应的权值分别为Rt，RΔt，Rdn，Rl。其大小关系基本符合0＜Rl＜Rt＜RΔt＜Rdn＜10，那么网络业务质量分析评价指数FI可按以下公式计算。
那么，网络业务质量指数可以参考如下表进行评估。
表1网络组播业务质量分析阈值表
(3)业务系统健康度评价
针对每个业务系统，梳理业务系统中设备数量和每台设备输入输出组播业务流量。针对每台设备若存在j条组播业务流量，可根据每条组播业务流量的传输重要性进行权重设计，一般情况下有0＜Rlj＜10，j＝1～m。每台设备的组播业务健康度评分DI可按以下公式计算。
同理业务系统中存在k台设备，根据每台设备的重要性进行权重设计，一般情况下有0＜Rdk＜10，k＝1～p。业务系统的健康度评分SI可按以下公式计算。
那么，业务系统健康度评分指数可以参考如下表进行评估。
表2业务系统每台设备网络组播业务质量分析阈值表
通过以上分析，为了更好的分析和量化业务系统一段时间综合业务质量，可以根据一段时间内业务系统健康指数变化情况，给出业务系统网络应用综合健康评价。
在本发明的另一个具体实施例中，该方法包括：
(1)通过配置交换机1的端口镜像功能，将发布方连接的交换机端口的网络包镜像到服务器网卡的网口1；通过配置交换机2的端口镜像功能，将订阅方连接的交换机端口的网络包镜像到服务器网卡的网口2；服务器的网卡采用支持DPDK或者FPGA的智能网卡对采集到的网络数据包进行处理；
(2)网口1获取到发布方发送的组播UDP包，网口1截取每个组播UDP报文的时间戳1、源MAC地址1、目的MAC地址1、源IP地址1、目的IP地址1、应用协议类型1、IP标识1，存储为记录11；网口2获取到订阅方接收的组播UDP包，网口1截取每个组播UDP报文的时间戳2、源MAC地址2、目的MAC地址2、源IP地址2、目的IP地址2、上层协议类型2、IP标识2，存储为记录22；
(3)通过IP标识对网口1和网口2的记录11与记录22的匹配；由于UDP流的特性，无法确定其开始和结束的时间点。需预先定义统计周期T1，T1缺省值为5秒，可以修改；
(4)在网口1上，基于五元组统计周期T1内每条UDP Flow的发送包的数量Tx1；在网口2上，基于五元组统计周期T1内每条UDP Flow的接收包的数量Rx1；
(5)基于上述数据统计每个组播业务流量在周期T1内的网络性能指标：最大延时tmax、最小延时tmin、平均延时tavg、最大抖动Δtmax、最小抖动Δtmin、平均抖动Δtavg、丢包数量dn、平均流速率l；
(6)取最大时延tmax，时延抖动Δt，丢包数量dn，平均流量速率l，设置以上参数权重值Rt，RΔt，Rdn，Rl，计算每个组播业务流量周期T1内网络业务质量分析评价指数FI；
(7)通过Web服务，将每个组播业务运行指标展示在Web页面上，同时提供告警阈值设置、告警输出功能。
(8)基于以上方法，结合每个业务系统每台设备输入输出接口业务流传输要求，设置每条组播业务流权重Rlj，计算每台设备的组播业务健康度评分DI；
(8)结合每个业务系统设备数量，结合每台设备的重要性，设置每条，设置每条组播业务流权重Rdk，计算业务系统的健康度评分SI。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于组播流量的网络业务质量分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、采集网络业务系统的组播流量，获取组播数据包并对其进行预处理；
步骤2、基于IP标识进行组播数据包关联识别，并针对组播应用业务传输特点，选取关键质量指标，建立业务质量分析评价标准，对应用业务的传输性能进行评价和展示；
步骤3、基于业务系统业务传输特性，建立网络业务系统网络业务健康度评估机制，对一段时间内网络业务系统网络业务的运行状况进行综合健康评价；
所述步骤1中的方法包括：
首先搭建系统应用网络的流量采集通道，分别通过网络交换机镜像口采集网络流量，同时将采集的网络流量统一导入汇集存储，同时基于DPDK高速数据包捕获和识别技术，对数据进行预处理，根据报文信息判断是哪种类型的报文，若是采用发布-订阅信息传输机制的UDP组播报文，从报文中提取源MAC地址、目的MAC地址、源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、应用层协议类型、IP标识和采集报文的时间戳，将识别后的结果以及统计信息写入数据库保存；
所述步骤2中的方法包括：
针对每条组播数据包，首先通过源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、应用层协议类型、IP标识的信息关联识别判断是否为同一条报文的组播报文，若是则开展传输质量分析；
针对组播业务传输特性，选取以下传输关键指标，作为业务质量分析评价指标，包括：最大时延、最小时延、平均延迟、最大抖动、最小抖动、平均抖动、丢包数量、流量速率；
所述业务质量分析评价指标的具体计算方法为：
时延t及时延抖动Δt：
t＝t2-t1
Δt＝tn-tn-1
其中tn为第n-1次记录时刻的接收时延，tn-1为n-1次记录时刻的发送时延；
丢包数量dn：
dn＝TX1-TX2
其中TX1为统计周期T1内的发送包数量，TX2为统计周期T2内的发送包数量；
平均流量速率l：
其中SX1为统计周期T1内的接收包数量；
网络组播业务质量根据以上网络业务传输关键指标进行综合评价，网络业务质量分析评价指数FI按以下公式计算：
其中网络业务质量评价主要由四个参数构成：时延t，时延抖动Δt，丢包数量dn，平均流量速率l，对应的每个参数都有容忍阈值ttop、Δttop、dntop、ltop；这四个参数对应的权值分别为Rt，RΔt，Rdn，Rl；其大小关系基本符合0＜Rl＜Rt＜RΔt＜Rdn＜10。
2.根据权利要求1所述的基于组播流量的网络业务质量分析方法，其特征在于，所述网络业务质量分析评价指数FI的设置方式为：
网络业务质量指数按下表进行评估：
其中网络业务质量分析评价指数FI满分为10。
3.根据权利要求2所述的基于组播流量的网络业务质量分析方法，其特征在于，所述步骤3中的方法包括：
针对每个网络业务系统，梳理网络业务系统中设备数量和每台设备输入输出组播业务流量，针对每台设备若存在j条组播业务流量，根据每条组播业务流量的传输重要性进行权重设计，有0＜Rlj＜10，j＝1～m，每台设备的组播业务综合健康度评分DI按以下公式计算：
其中，m表示组播流量的最大值；
同理网络业务系统中存在k台设备，根据每台设备的重要性进行权重设计，有0＜Rdk＜10，k＝1～p，网络业务系统的健康度评分SI按以下公式计算：
其中，p表示设备数量的最大值。
4.根据权利要求3所述的基于组播流量的网络业务质量分析方法，其特征在于，所述步骤3中进行综合健康评价的方法包括：
业务系统健康度评分指数按下表进行评估：
其中，业务系统健康度评分满分为10。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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