灰理論數(shù)列灰預(yù)測(cè)在CERNET西南網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用-科技論文

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)急劇增加，大規(guī)模的交換結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致許多問(wèn)題[1]：網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作的可靠性越來(lái)越需要得到重視。在網(wǎng)絡(luò)的性能管理方面，通過(guò)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中流量的測(cè)量和預(yù)測(cè)，能了解到網(wǎng)絡(luò)的目前流量狀況，未來(lái)可能出現(xiàn)的情況。根據(jù)這些信息可以預(yù)先采取一些優(yōu)化措施，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改建和負(fù)載均衡設(shè)計(jì)，避免因網(wǎng)絡(luò)擁塞等使網(wǎng)絡(luò)的性能降低，也可以據(jù)此了解用戶(hù)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)行為和做出行為預(yù)測(cè)，得到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的宏觀特征，用以解釋許多網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象和解決網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題[2]。
灰理論[3]是研究少數(shù)據(jù)不確定的理論?；依碚撝谢翌A(yù)測(cè)用于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的變化。很多情況下，條件和諸多因素限制，導(dǎo)致無(wú)法取得大量數(shù)據(jù)的情況下，用概率論的大樣本來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析是不得當(dāng)?shù)?。這種少數(shù)據(jù)不確定的情況，用灰理論分析，從結(jié)果來(lái)看，是有效可行的。

一、網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集

與西南網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)管達(dá)成協(xié)議，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于通信學(xué)院二級(jí)子網(wǎng)與校園主干網(wǎng)相接的線路上，如圖1所示。

圖1監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

流量采集一般有兩種方式，一種是基于數(shù)據(jù)包的采集方式，另一種是利用SNMP協(xié)議采集交換機(jī)或路由器的端口流量[4]。前一種的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)大致有3種監(jiān)測(cè)方式：HUB監(jiān)測(cè)，防火墻方式和Monitor方式。HUB監(jiān)測(cè)雖然方便實(shí)惠，但是會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)速率下降并且當(dāng)監(jiān)測(cè)機(jī)也在主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將對(duì)被監(jiān)測(cè)線路造成干擾。防火墻方式雖然可以工作在100Mbps，但是被監(jiān)測(cè)線路受監(jiān)測(cè)機(jī)性能影響很大。Monitor方式雖然擁有此功能的交換機(jī)價(jià)格昂貴，但不會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，不?duì)被監(jiān)測(cè)線路造成影響。

此次數(shù)據(jù)采集就是利用Bay350交換機(jī)的Monitor功能，將交換機(jī)上與通信學(xué)院連接的端口上進(jìn)出的數(shù)據(jù)復(fù)制到監(jiān)測(cè)端口，達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。據(jù)目前經(jīng)驗(yàn)，平均流量在30M，用Monitor方式很難產(chǎn)生數(shù)據(jù)失真。

在監(jiān)測(cè)機(jī)上將網(wǎng)卡的全接收功能打開(kāi)，它可以接收所有數(shù)據(jù)并存盤(pán)和分析。在精度與采樣時(shí)間之間要做出選擇。若采樣時(shí)間太長(zhǎng)，硬盤(pán)不可能放下數(shù)據(jù)，也不可能分析完這么多數(shù)據(jù)；若采樣時(shí)間太短，也不能由樣本值反映正確的流量。采用5分鐘采一次樣值，每次采10秒，用按鍵精靈設(shè)置10秒的捕獲時(shí)間，5分鐘的間隔時(shí)間手動(dòng)。這樣能夠保證較客觀反映網(wǎng)絡(luò)的流量又節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)精確采集。監(jiān)測(cè)機(jī)的性能也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的接收產(chǎn)生影響。硬盤(pán)的讀取速度小于網(wǎng)絡(luò)速度。如果內(nèi)存做緩沖區(qū)時(shí)設(shè)的值太小，則會(huì)出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)情況。經(jīng)檢驗(yàn)，設(shè)成16M可以滿足數(shù)據(jù)不丟失。

數(shù)據(jù)采集使用SNIFFERRPO軟件。SNIFFERPRO軟件主要用于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析；可以監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)、流量；監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)；分析并通過(guò)分析糾正網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)緩慢，出現(xiàn)的異常情況。

利用灰理論建立預(yù)測(cè)模型[5]

二、模型選擇與合理性分析

模型合理前提：此次采樣的數(shù)據(jù)可以在很大的概率上反映CERNET西南網(wǎng)點(diǎn)電子科大通信學(xué)院主網(wǎng)正確的流量。

灰建模是基于灰因白果規(guī)律，差異信息原理，平射原理的建模。

網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)符合灰因白果規(guī)律：采樣的數(shù)據(jù)是實(shí)際得到的值，是白果；造成變化的因素是不確定的，隱藏在數(shù)據(jù)關(guān)系里，是灰因。差異信息原理是：凡是信息必有差異，差異既是信息。網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)的信息即是所得數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)的特征就是差異。

圖2GM(1，1，D)方框圖

由于采樣值為等間隔，所以采用等間隔的GM模型。等間隔的模型大致分為定義型、白化型與幾種派生型。這里只需要分析定義型與它衍生出來(lái)的白化型GM(1，1，D)就可以（見(jiàn)圖2），分析派生型與分析定義型其實(shí)質(zhì)是一樣的。

灰建模可行性級(jí)比判斷：

級(jí)比平滑檢驗(yàn)：

級(jí)比區(qū)雖然不在界區(qū)內(nèi)，但差距在10%控制范圍內(nèi)，落于可容區(qū)范圍，可以接受。

灰預(yù)測(cè)大致分為數(shù)列灰預(yù)測(cè)，拓?fù)浠翌A(yù)測(cè)，異常值灰預(yù)測(cè)，季節(jié)災(zāi)變灰預(yù)測(cè)，系統(tǒng)灰預(yù)測(cè)。由于級(jí)比落于可容區(qū)內(nèi)，所以，即使不能看作大慣性序列也絕不能當(dāng)成小慣性序列。所以，異常值灰預(yù)測(cè)不符合。顯而易見(jiàn)的，季節(jié)災(zāi)變與系統(tǒng)灰預(yù)測(cè)也不符合需要。拓?fù)浠翌A(yù)測(cè)相較于數(shù)列灰預(yù)測(cè)要復(fù)雜許多，并且它是主要用于數(shù)據(jù)落于可容區(qū)外的預(yù)測(cè)。所以，選用數(shù)列灰預(yù)測(cè)最符合網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)的要求。

三、模型的建立

四、利用模型預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量

在一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以認(rèn)為正常情況下，網(wǎng)絡(luò)的流量狀況是平穩(wěn)變化的?，F(xiàn)選取時(shí)刻3：10之后的網(wǎng)絡(luò)流量建立預(yù)測(cè)模型，最后用預(yù)測(cè)值與當(dāng)前時(shí)刻值的測(cè)量值進(jìn)行比較。

原始序列為：x=(x(1)，x(2)，….，x(35))，限于篇幅這里不給出具體數(shù)值。

利用數(shù)列灰預(yù)測(cè)得到：

白化響應(yīng)式的精度：

因?yàn)榘谆憫?yīng)式是真正的微分方程(10)的解。通過(guò)灰微分方程得到的參數(shù)a與b代入真正的微分方程模型中可以獲得精度達(dá)到96.268％，表明微分方程(9)比較接近真正的微分方程(10)。可見(jiàn)，我們用序列建立近似微分方程的初衷基本達(dá)到。因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)，此模型是有效可行的。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文利用灰理論建立了網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)模型，并利用CERNET西南網(wǎng)點(diǎn)電子科大通信學(xué)院主網(wǎng)流量做了預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，該模型能夠較好的對(duì)此網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于級(jí)比區(qū)不在界區(qū)內(nèi)，數(shù)據(jù)的跳變雖然在平滑范圍內(nèi)，但還是有一定的強(qiáng)度。下一步工作可以利用拓?fù)浠翌A(yù)測(cè)的原理將非單調(diào)圖F的基拓展成合適指數(shù)基做模型改進(jìn)。因?yàn)槭聦?shí)上，數(shù)列灰預(yù)測(cè)實(shí)際上在是一種按等高線做的預(yù)測(cè)，而一般來(lái)說(shuō)流量的走勢(shì)大致是成指數(shù)曲線的[6]。另外，可以針對(duì)灰理論須用在變化速度不快的情況，利用馬爾科夫預(yù)測(cè)法對(duì)此模型進(jìn)行改進(jìn)[7]。