路由智能變更設計提升用網(wǎng)體驗

文/李向龍 位軍營 劉淑霞 楊貴福

為確保校園網(wǎng)絡運行穩(wěn)定和順暢，有效保證教學、科研和服務信息化所需網(wǎng)絡環(huán)境，多數(shù)學校都選擇兩個以上運營商接入校園網(wǎng)，保障關鍵業(yè)務穩(wěn)定和師生用網(wǎng)體驗，達到提高校園網(wǎng)絡可用性的目的。文章研究多個運營商接入條件下，布置多個測速點模擬師生上網(wǎng)行為，分別通過不同運營商訪問同一個目的地址；根據(jù)訪問耗時結果調整路由表，有效保證了師生訪問互聯(lián)網(wǎng)的路徑最優(yōu)，時間最短；路由表的調整可以動態(tài)在線實施，能保證總是選擇最快ISP出口。

技術路線

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用的快速發(fā)展，師生對于網(wǎng)絡可用性要求越來越高。為保證路由表始終處于最優(yōu)狀態(tài)，高校需要對比不同路由下訪問同一目標網(wǎng)頁的加載時間，根據(jù)加載時間長短持續(xù)優(yōu)化路由表。因此，技術路線設計如下：依據(jù)源地址設定路由表，通過不同運營商循環(huán)訪問特定的目的地址，將頁面加載時間計入數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)分析，將特定網(wǎng)址的路由指定到耗時最短的運營商鏈路上，可以有效提高師生用網(wǎng)體驗。該技術路線可分解為以下三個部分：

第一部分，在用戶側布置測速點，依據(jù)源地址指定不同的運營商鏈路，測速點循環(huán)模擬師生網(wǎng)絡訪問行為，記錄特定網(wǎng)頁加載時間并寫入數(shù)據(jù)庫。

第二部分，對同一頁面在不同鏈路的加載時間分別進行匯總分析，通過簡單的均值比較得出耗時最短的運營商鏈路。

第三部分，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果，將特定網(wǎng)頁的路由表規(guī)劃結果以指令形式自動發(fā)送給路由器，實現(xiàn)按地址智能調整路由的目的。

為了降低各部分之間的耦合度，便于未來擴展和維護，可將以上三個部分劃分為三個相互關聯(lián)又各自獨立的松耦合模塊。

第一個模塊為數(shù)據(jù)獲取模塊，主要是利用測速點獲取不同運營商鏈路的網(wǎng)絡訪問時間并將結果寫入數(shù)據(jù)庫中。

此功能模塊的難點在于如何獲取最接近師生的網(wǎng)絡訪問數(shù)據(jù)。為此，本文設計利用普通PC執(zhí)行定時任務，循環(huán)訪問師生訪問量較多的網(wǎng)站首頁，將網(wǎng)頁從開始加載到加載結束的時間作為訪問時間存入數(shù)據(jù)庫。

第二個模塊是數(shù)據(jù)分析模塊，對測速點獲取并存儲到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行匯總分析，隨著數(shù)據(jù)的增多，分析結果會越來越精準地指導路由表調整。

此功能模塊的難點在于如何分析匯總的數(shù)據(jù)。由于影響網(wǎng)絡訪問時間的因素很多，包括鏈路介質、終端性能、訪問時間、目的可達性和網(wǎng)頁內嵌元素等，所以將超過3分鐘仍未加載完的網(wǎng)頁標記為不可達。

第三個模塊是路由表變更模塊。通過解析路由器當下配置文件，與第二個模塊的規(guī)劃結果進行匹配，若路由表一致，則保持路由器配置不變；如不一致，則自動發(fā)送指令更新路由表，并使之生效。

此功能模塊的難點在于如何抽取實際運行設備上的路由配置文件，并將配置文件與規(guī)劃的路由表進行比較，根據(jù)比較結果決定是否觸發(fā)路由更新的指令。

系統(tǒng)實現(xiàn)

數(shù)據(jù)獲取模塊

為獲取最接近師生的網(wǎng)絡訪問數(shù)據(jù)，需要在最接近師生的網(wǎng)絡環(huán)境中部署數(shù)據(jù)獲取設備，即測速點，網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲

數(shù)據(jù)獲取模塊是系統(tǒng)中最基礎的模塊，獲取的數(shù)據(jù)直接關系到后續(xù)數(shù)據(jù)分析和路由調整的效果，因此測速點的數(shù)量和位置尤為關鍵。圖1的示例中，在兩個樓宇的網(wǎng)絡設備間布置兩個測速點，分別為PC1和PC2，可根據(jù)需要隨時增加測速點，在路由器上根據(jù)源地址路由設置測速點PC1走ISP1鏈路，設置測速點PC2走ISP2鏈路，在PC1和PC2上分別跑同樣的腳本，用來輪詢測量通過各自ISP鏈路訪問同一目標網(wǎng)站序列所需的每個頁面加載時間，然后將獲取到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的表結構見表1。

表1 數(shù)據(jù)獲取模塊數(shù)據(jù)庫的表結構

數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊是為了計算出網(wǎng)絡訪問的最優(yōu)時間，從而為路由調整提供支持和依據(jù)，達到提高用戶體驗的目的。此功能模塊實現(xiàn)過程如下：

遍歷存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，分域名查找出對應的URL和Time值；

分別計算出在最近一段時間跨度范圍內，通過不同ISP鏈路訪問同一URL的Time平均值，取較小值對應的ISP作為對應URL的最優(yōu)鏈路，結果表示為list，輸出類型為list；

根據(jù)URL與IP的對應關系，將最優(yōu)鏈路結果輸出為list>，其key值代表ISP；value是list，每個URL對應的每一個IP地址都是一條單獨路由。URL與IP的對應關系見表2。

表2 URL與IP的對應關系

路由變更模塊

1.如何實現(xiàn)

路由變更模塊主要是獲取當下的路由表，與計算出的最優(yōu)路由表比較，根據(jù)比較結果決定是否更新路由表。此功能模塊實現(xiàn)過程如下：

（1）系統(tǒng)通過tftp協(xié)議下載路由器配置文件；

（2）利用ANTLR開發(fā)文件解析程序，對下載的路由器配置文件進行解析得到路由表的語法樹；

（3）對比抽取出的路由表項與實測和分析所得的最優(yōu)路由表項是否一致，主要對比路由條目和路由指向；

（4）根據(jù)對比結果決定是否變更路由器中的路由配置。如果兩個路由表一致，則不變更路由表，如果兩個路由表不一致，則系統(tǒng)模擬登錄路由器，發(fā)送路由刪改指令，將路由器的路由配置變更為計算所得的最優(yōu)路由表。

程序解析和運行時的數(shù)據(jù)流如圖2所示，數(shù)據(jù)流（文件內容）介紹如下：

圖2 路由變更模塊的數(shù)據(jù)流

（1）Confg.g4：根據(jù)思科路由表語法編寫的詞法語法文件，利用ANTLR可以生成對應的解析器，將思科路由配置文件中的路由表部分解析為路由表的語法樹；

（2）cisco-confg：思科路由器配置文件，通過tftp協(xié)議從路由器獲取；

（3）EvalVisitor.java：將解析完成的路由表的語法樹存儲到ArrayList中；

（4）GetIpaddressRange.java：獲取一條路由記錄的網(wǎng)絡范圍；

（5）MatchandAdd.java：匹配并且增加或者修改路由記錄；

（6）Router.java：功能模塊的主函數(shù)，調用子函數(shù)完成計劃的功能，實現(xiàn)編碼目的。

2.如何執(zhí)行

（1）編寫語法詞法文件Confg.g4。運行ANTLR的包，對Confg.g4進行翻譯，將其翻譯為可編譯的JAVA文件，把路由器配置文件中的路由表部分解析成語法樹；

（2）將路由表的語法樹存儲到ArrayList中；

（3）與數(shù)據(jù)分析模塊中得到的最優(yōu)鏈路輸出結果list>進行對比，找出不一致的路由表項；

（4）規(guī)劃路由變更條目，將增刪的路由表項輸出到ASCII文件中；

（5）系統(tǒng)模擬登錄路由器，將最新路由表項更新到路由器配置文件中，完成路由表項的智能變更。

實驗結果

本文以思科路由器7606為例，IOS版本 Version 15.1(2)SY2, RELEASE SOFTWARE(fc3)，在客戶端機器上用tracert命令進行測試路由更改情況。對于路由器等網(wǎng)絡交換設備，沒有類似SQL語法的修改（update）指令，對路由表項操作只能是增加（ip route）或刪除（no ip route）。

文章通過模擬師生上網(wǎng)行為獲取網(wǎng)絡消耗時間，對多次消耗時間進行匯總分析，在確定條件下對比不同鏈路的數(shù)據(jù)質量，獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡出口路由表，從而對路由表進行調整。隨著數(shù)據(jù)量的增多，包括提高采集頻率、增加測速點數(shù)量、增加被測目的地址數(shù)量等，計算結果一定會越來越精準，也越來越接近師生的真實體驗，從而使得路由智能變得更加完備，帶寬利用更加充分，師生用網(wǎng)體驗更好。