基于時間相關的網(wǎng)絡流量建模與預測研究.pdf

1、網(wǎng)絡測量是對網(wǎng)絡進行有效管理、維護和安全保障的重要手段,通過對測量數(shù)據(jù)的分析,可以了解網(wǎng)絡的運行環(huán)境以及網(wǎng)絡服務狀態(tài)等方面的情況,為網(wǎng)絡的升級或改建提供必要的參考。在網(wǎng)絡測量范疇內(nèi),由于網(wǎng)絡流量融合了網(wǎng)絡運營時所有的信息,是最基礎也是最關鍵的測量數(shù)據(jù),因此對網(wǎng)絡流量數(shù)據(jù)的分析與研究格外重要。而隨著物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡等概念的提出,下一代互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)各節(jié)點之間、局域網(wǎng)各節(jié)點之間的網(wǎng)絡流量數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)大幅度增長,互聯(lián)網(wǎng)流量即將邁入大數(shù)據(jù)時代。在大

2、數(shù)據(jù)流量背景下,網(wǎng)絡業(yè)務類別的急劇增加導致網(wǎng)絡流量性質(zhì)發(fā)生改變,傳統(tǒng)的流量模型已不適用于當今乃至下一代互聯(lián)網(wǎng)流量的分析與預測,因此對網(wǎng)絡流量建模的研究勢在必行。
　　網(wǎng)絡流量模型可以生成不同特征的流量數(shù)據(jù),用于檢驗新型網(wǎng)絡設備的功能與質(zhì)量,有助于衡量網(wǎng)絡設備與業(yè)務流量之間的匹配問題,對研發(fā)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術和基礎設施具有重要意義。網(wǎng)絡流量模型還可用于流量的預測:做為一種重要的預警手段,網(wǎng)絡流量的預測結(jié)果指明了網(wǎng)絡流量未來的趨勢,可根

3、據(jù)這種趨勢調(diào)整相應網(wǎng)絡資源,保證網(wǎng)絡業(yè)務的服務質(zhì)量;通過對流量預測值的分析,依據(jù)相應判別準則,能夠提前發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡異常,及時采取有效措施,將損失減小到最低。本文旨在建立能夠刻畫網(wǎng)絡流量特性和預測網(wǎng)絡流量趨勢的兩類模型,主要研究內(nèi)容可歸納為以下幾個方面:
　　第一,網(wǎng)絡流量特性的分析與研究。網(wǎng)絡流量的特性是網(wǎng)絡流量建模的基礎。首先,從數(shù)學角度分析了泊松過程的二階矩函數(shù)無窮級數(shù)與自相似過程的二階矩函數(shù)無窮級數(shù)之間的差異;然后,給出了泊松過

4、程和自相似過程在不同尺度下的聚合流量變化趨勢,分析表明自相似網(wǎng)絡流量的尺度特征是由其長相關性質(zhì)所引起,說明長相關性質(zhì)是刻畫網(wǎng)絡流量建模的關鍵;最后對幾種典型的網(wǎng)絡流量模型進行了比較,重點討論了ON/OFF模型和ARMA類模型的特點和建模過程,為后文C-ON/OFF模型和EMD-ARMA模型的建立提供了必要的理論基礎。
　　第二,C-ON/OFF模型的建立。針對以往的長相關流量模型計算復雜度較高且大多數(shù)模型物理意義不明確的問題,在研

5、究了ON、OFF周期持續(xù)時間呈重尾分布的多個ON/OFF源合成流量性質(zhì)的基礎上,結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)中廣泛存在的網(wǎng)絡用戶行為趨同性對現(xiàn)有ON/OFF模型進行了改進。通過對Hurst參數(shù)和自協(xié)方差函數(shù)衰減速度兩項指標的分析,確立了各ON/OFF源之間相關性與合成流量長相關性的關系。基于以上結(jié)果,建立了一個結(jié)構(gòu)簡單、計算復雜度低、物理意義明確的網(wǎng)絡流量模型——C-ON/OFF模型,并通過對C-ON/OFF模型參數(shù)的定量分析,得到了模型參數(shù)與生成流量長

6、相關性的內(nèi)在聯(lián)系,進一步揭示了網(wǎng)絡流量長相關性質(zhì)與網(wǎng)絡趨同性之間的關系,對未來網(wǎng)絡流量建模研究提供了技術參考。
　　第三,EMD-ARMA模型的建立。通過分析經(jīng)驗模式分解過程,從理論推導和仿真實驗兩個方面證明并驗證了長相關流量數(shù)據(jù)經(jīng)過經(jīng)驗模式分解之后得到的固有模式函數(shù)是短相關流量數(shù)據(jù)。短相關模型具有比長相關模型復雜度低的優(yōu)勢,因此,采用短相關模型對經(jīng)驗模式分解后的流量數(shù)據(jù)進行建模?；诮?jīng)驗模式分解的去長相關作用,以及ARMA模型的

7、低復雜度優(yōu)點,提出了EMD-ARMA模型,詳細討論了EMD-ARMA模型的建立過程,分析比較了EMD-ARMA的參數(shù)估計方法。針對兩類實測互聯(lián)網(wǎng)流量數(shù)據(jù),在歸一化自協(xié)方差指標下,檢驗了EMD-ARMA生成流量的性質(zhì),結(jié)果顯示EMD-ARMA模型不但能夠有效去除網(wǎng)絡流量的長相關性,而且可明顯降低流量模型的計算復雜度,為后文的網(wǎng)絡流量預測提供了堅實的基礎。
　　第四,基于EMD-ARMA模型的網(wǎng)絡流量預測。證明了在均方誤差最小條件下的

8、網(wǎng)絡流量時間序列廣義最優(yōu)預測值的存在性和唯一性,并研究了線性條件下的最優(yōu)均方預測值的性質(zhì)。給出了EMD-ARMA模型的單步和多步預測系統(tǒng)結(jié)構(gòu):針對單步預測系統(tǒng)中存在的誤差問題,提出了一種提升精度的方法,并依此對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了改進,簡化了模型,降低了模型的計算復雜度;推導了多步預測系統(tǒng)中預測誤差與預測步長的數(shù)學關系,通過仿真實驗對上述關系進行了驗證,并根據(jù)多步預測系統(tǒng)中更新數(shù)據(jù)的信息量,給出了多步預測條件下的預測值修正方法。仿真結(jié)果表明,