21、家庭网络与日本住宅宽带流量特性解析

家庭网络与日本住宅宽带流量特性解析

1. 家庭网络通过 CTU 的接入情况

家庭网络通常同时存在 IPv4 和 IPv6 ，且具备多种网络配置。最常见的情况是 IPv4 私有网络通过 IPv4 路由器连接。在这种情况下，CTU 充当宽带路由器，具备以下功能：
- ISP/VPN 隧道：采用 IPv4 in IPv6 隧道技术，隧道在 NTE 处终止。在家庭型服务中，CTU 最多可同时建立 5 条隧道。其认证方式是通过用户 ID 和密码进行挑战 - 响应认证，并将信息转发到 ISP 或 VPN 的 RADIUS 服务器。目标 NTE（ISP/VPN）和认证信息由客户提前通过 Web 界面提供。
- NAPT/NAT
- SPI（状态包检测）
- 防火墙
- UPnP
- DNS 代理
- DHCP 服务器（IPv4）

家庭网络中通常会安装 STB（机顶盒），它可以同时使用 IPv6 和 IPv4 。CTU 允许在其防火墙上进行其他多个 IPv6 通信。在组播方面，CTU 作为 MLD 代理，执行组播数据包监听，以避免不必要的组播数据包传输。

CTU 作为客户网络到互联网的网关，运行 SPI 和防火墙功能。其配置和固件更新由 IPv6 网络中的在线更新服务器管理，同时，PC 病毒检查应用的安全更新也由该在线更新服务器提供。此外，CTU 还实现了 HTTP 代理，以便 IPv4 PC 能够访问 IPv6 上的服务器。

2. 日本商业 ISP 骨干网中住宅宽带流量特性分析

2.1 研究背景与目的

近年来，日本和其他 ICT 发达国家的住宅宽带（RBB）接入日益普及。日本在 FTTH 普及方面领先，截至 2006 年初，住宅宽带用户数量达到 2400 万，约占家庭总数的 40%。随着住宅宽带接入的广泛部署，商业骨干网的总流量迅速增长，但由于住宅宽带流量正经历变革，包括低成本高带宽接入线技术的发展和新应用的出现，很难对未来进行规划。为了更好地了解住宅宽带流量对 ISP 骨干网的宏观影响，成立了一个由日本七家主要商业 ISP 成员组成的研究小组。

2.2 数据集与流量分组

为了获取 ISPs 的流量信息，需要找到一个所有参与 ISP 都能提供的通用数据集。该数据集应足够粗略，以不泄露 ISP 的敏感信息，但又要能揭示住宅宽带流量的宏观行为。研究将 ISP 路由器的接口分为以下六个流量组：
|流量组|说明|
| ---- | ---- |
|(A) 与客户边缘相关的流量| |
|(A1) 住宅宽带（RBB）客户线路|包括 DSL、CATV 和 FTTH|
|(A2) 非 RBB 客户线路|如租用线路、数据中心和拨号线路等，可能包括租用线路后的 RBB 客户|
|(B) 与外部边缘相关的流量| |
|(B1) 外部 6 个 IXes|东京和大阪的六个主要 IXes（JPIX、JPNAP 和 NSPIXP）的链路|
|(B2) 外部国内流量|链路两端都在日本，但不包括 6 个 IXes 的链路，如区域 IXes、私有对等连接和转接|
|(B3) 外部国际流量| |
|(C) 县级流量|RBB 链路按日本 47 个县划分，由两家 RBB 运营商提供服务|

研究主要关注 (A1) RBB 客户，因为其流量使用情况很大程度上影响骨干网流量特性。总客户流量 (A) = (A1) + (A2)，总外部流量 (B) = (B1) + (B2) + (B3)，(C) 组是 (A1) 的子集。

研究使用了两种类型的流量跟踪数据：来自七家主要 ISP 的不同流量组的月长聚合流量日志，以及来自一家 ISP 的一周采样 Netflow 日志。月长流量日志的原始分辨率为两小时，通过开发的 perl 脚本进行聚合。研究在过去 21 个月中进行了六次月长流量跟踪测量，主要分析 2005 年 11 月的流量跟踪数据。此外，还分析了 2005 年 7 月一家 ISP 的采样 NetFlow 跟踪数据，以更详细地量化住宅流量行为。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(流量数据):::process --> B1(A1: 住宅宽带客户线路):::process
    A --> B2(A2: 非 RBB 客户线路):::process
    A --> B3(B1: 外部 6 个 IXes):::process
    A --> B4(B2: 外部国内流量):::process
    A --> B5(B3: 外部国际流量):::process
    A --> B6(C: 县级流量):::process

2.3 流量分析结果

• 客户边缘流量
  • RBB 客户流量 ：从 ISP 的角度来看，2005 年 11 月 RBB 客户的平均入站流量为 145 Gbps，出站流量为 193 Gbps，2 小时分辨率的峰值流量超过 250 Gbps。入站和出站流量接近对称，这打破了宽带客户主要用于下载内容、流量需求不对称的传统观念。流量高峰时间转移到 21:00 - 23:00，这是由于全日平价宽带接入服务的普及，使得互联网使用变得像黄金时段看电视一样随意。此外，周末白天的流量明显高于工作日。尽管流量存在昼夜变化，但约 70%（约 120 Gbps）的流量在任何时间都是恒定的，这表明流量来源可分为人类活动相关（如网页浏览和电子邮件）和人类活动无关（如 P2P 文件共享）两种模式。
  • 非 RBB 客户流量 ：非 RBB 客户的流量模式（如高峰时间、对称流量和 70% 的恒定流量）与 RBB 客户相似，但平均流量不同。非 RBB 客户在白天的活动较高，可能是由于数据中心和租用线路的商业使用。
• 外部边缘流量
  • 国内流量 ：(B1) 六个主要 IXes 和 (B2) 其他国内线路的每周国内流量行为明显受 RBB 客户流量模式的主导。
  • 国际流量 ：国际线路的流量行为具有明显不同的特征。入站流量（从其他国家到国内）是出站流量的 1.4 倍，呈现明显的不对称使用。入站和出站流量的高峰时间相同，且每周入站流量模式与 RBB 客户相似。大部分出站流量可能是由国内端发起的连接，但即使在出站流量中也有超过 30 Gbps 的恒定流量，这表明存在不可忽视的从国内端到其他国家的下载流量。
  • 流量分布 ：外部边缘流量中，国内流量（B1 + B2）约占 70%，国际流量约占 30%。一般来说，很难估计 (B2) 其他国内流量，因为它主要包括私有对等连接链路，其流量是主要 IXes 流量的 1.5 倍。仅使用 IXes 数据作为参考可能会低估总流量。

综上所述，通过对 CTU 在家庭网络中的应用和日本商业 ISP 骨干网中住宅宽带流量特性的分析，可以更好地了解网络现状和发展趋势，为网络规划和优化提供有价值的参考。

3. 日本住宅宽带流量特性的深入解读

3.1 流量特性对网络规划的影响

日本住宅宽带流量呈现出的多种特性，对网络规划有着深远的影响。以下从几个关键方面进行分析：
- 带宽分配 ：RBB 客户流量的对称性打破了传统观念，这意味着在网络规划中，不能再简单地按照以往的经验，为下载和上传分配不同比例的带宽。网络运营商需要重新评估并合理分配入站和出站带宽，以满足用户的实际需求。
- 高峰时段应对 ：流量高峰时间转移到 21:00 - 23:00，且周末白天流量高于工作日。这要求网络运营商在规划网络容量时，充分考虑这些高峰时段的流量需求，避免出现网络拥塞的情况。例如，可以在高峰时段增加网络资源的投入，或者采用流量调度策略，将部分非紧急流量转移到低峰时段。
- 恒定流量处理 ：约 70% 的流量在任何时间都是恒定的，这部分流量主要来自于人类活动无关的应用，如 P2P 文件共享。网络运营商需要对这部分流量进行管理，避免其占用过多的网络资源，影响其他用户的正常使用。可以采用流量限制、优先级设置等策略来实现对恒定流量的有效管理。

3.2 不同流量组之间的关联

不同流量组之间存在着复杂的关联，这些关联对于理解网络整体流量特性至关重要。以下是一些主要的关联关系：
|流量组关联|说明|
| ---- | ---- |
|(A1) 与 (B) 组|(A1) RBB 客户流量对 (B) 外部边缘流量的模式有重要影响。RBB 客户的流量行为主导了国内流量（B1 + B2）的模式，同时也影响了国际流量（B3）的部分特征。例如，国际流量的高峰时间与 RBB 客户的使用习惯相关。|
|(A1) 与 (C) 组|(C) 县级流量是 (A1) 的子集，通过对 (C) 组流量的分析，可以了解 RBB 流量在不同地区的分布情况。这有助于网络运营商根据不同地区的流量需求，进行针对性的网络建设和优化。|
|(B1) 与 (B2) 组|(B1) 外部 6 个 IXes 和 (B2) 其他国内流量都属于国内流量范畴，但 (B2) 主要包括私有对等连接链路，其流量是主要 IXes 流量的 1.5 倍。这表明仅依靠 IXes 数据来估计总流量可能会导致低估，需要综合考虑 (B2) 组的流量情况。|

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A1(A1: 住宅宽带客户线路):::process --> B(B: 外部边缘流量):::process
    A1 --> C(C: 县级流量):::process
    B1(B1: 外部 6 个 IXes):::process --> B2(B2: 其他国内流量):::process
    B1 --> B3(B3: 外部国际流量):::process

4. 未来发展趋势与展望

随着技术的不断发展和用户需求的变化，日本住宅宽带流量特性也将发生相应的变化。以下是一些可能的未来发展趋势：
- 流量持续增长 ：随着宽带接入技术的不断进步和新应用的不断涌现，如高清视频、虚拟现实、物联网等，住宅宽带流量将继续保持增长态势。网络运营商需要不断提升网络容量，以满足用户日益增长的流量需求。
- 应用多样化 ：未来，住宅宽带的应用将更加多样化。除了传统的网页浏览、电子邮件、视频观看等应用外，智能家居、智能医疗、在线教育等新兴应用将逐渐普及。这些应用对网络的带宽、延迟、可靠性等方面提出了更高的要求，网络运营商需要进行相应的技术升级和优化。
- 流量管理智能化 ：为了更好地应对不断增长的流量和多样化的应用需求，网络运营商将越来越多地采用智能化的流量管理技术。例如，基于人工智能和机器学习的流量预测、流量调度、流量优化等技术，将有助于提高网络的效率和性能。

5. 总结

本文深入分析了家庭网络通过 CTU 的接入情况以及日本商业 ISP 骨干网中住宅宽带流量的特性。CTU 在家庭网络中扮演着重要的角色，具备多种功能，为家庭用户提供了稳定、安全的网络接入。日本住宅宽带流量呈现出对称性、高峰时间转移、恒定流量占比高、不同流量组之间存在复杂关联等特性。这些特性对网络规划和优化提出了新的挑战和机遇。

在未来的发展中，网络运营商需要密切关注流量特性的变化，不断提升网络容量和性能，采用智能化的流量管理技术，以满足用户日益增长的需求。同时，也需要加强对新兴应用的研究和支持，推动住宅宽带网络的健康、可持续发展。

通过对这些内容的研究和分析，希望能够为网络运营商、相关企业和研究人员提供有价值的参考，共同推动宽带网络技术的发展和应用。