校園無線網(wǎng)用戶行為分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鄭松奕

摘要：隨著越來越多的校園用戶使用校園無線網(wǎng)上網(wǎng)，對于用戶相關(guān)行為的分析研究就顯得尤為重要。該文基于校園無線網(wǎng)數(shù)據(jù)設(shè)計并實現(xiàn)一個能夠進行用戶行為分析的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠評估校園無線網(wǎng)的運行狀態(tài)并分析用戶的移動軌跡。系統(tǒng)以華南師范大學(xué)校園無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為例進行測試，并以地圖、表格等在線方式顯示了用戶移動軌跡、用戶設(shè)備區(qū)分等用戶行為分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；用戶行為；用戶移動軌跡；行為分析

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0025-03

1 研究背景

校園無線網(wǎng)的快速發(fā)展，移動終端、App的大量豐富與普通應(yīng)用，使得用戶越來越多地使用并依賴于無線網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了大量的無線數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括校園師生主動產(chǎn)生和各種終端設(shè)備自動搜集的數(shù)據(jù)，如：通過各種即時通信軟件（QQ、微信等）分享自己的想法與興趣、用戶接入使用無線網(wǎng)絡(luò)的連接信息、無線位置信息等。隨著這些無線數(shù)據(jù)的大量產(chǎn)生及數(shù)據(jù)類型的不斷豐富，如何利用這些數(shù)據(jù)更好地為廣大師生提供服務(wù)，以及為學(xué)校管理提供更好的決策依據(jù)，是校園無線網(wǎng)未來發(fā)展的重點方向。

校園用戶是校園無線網(wǎng)中的行動主體，分析研究無線網(wǎng)絡(luò)中的用戶行為數(shù)據(jù)有助于挖掘校園用戶的行為特點及其行為表現(xiàn)出來的規(guī)律。不僅如此，對無線網(wǎng)絡(luò)的用戶行為進行分析研究還能為無線網(wǎng)絡(luò)管理提供優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)數(shù)據(jù)、為用戶提供更有針對性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、為教學(xué)活動提供技術(shù)支持及描述用戶的移動軌跡和社會關(guān)系等。為了更好的建設(shè)校園無線網(wǎng)和為用戶提供更好的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，對無線網(wǎng)絡(luò)用戶行為進行系統(tǒng)化的分析研究十分必要。

2 校園無線網(wǎng)用戶行為分析的應(yīng)用

2.1 校園WLAN優(yōu)化

現(xiàn)在的校園無線局域網(wǎng)時常會面臨著如頻率干擾、負載不均衡、用戶無法接入網(wǎng)]、用戶吞吐率較低等問題。面對些問題，可以通過分析校園無線網(wǎng)絡(luò)的用戶行為數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)來解決，能夠有效地提高校園無線網(wǎng)絡(luò)的信息服務(wù)質(zhì)量。例如，通過對校園無線網(wǎng)絡(luò)的用戶行為進行分析研究，可以發(fā)現(xiàn)、預(yù)測用戶的網(wǎng)絡(luò)需求，有助于根據(jù)實際情況優(yōu)化信息服務(wù)種類和服務(wù)水平。

2.2 學(xué)生管理

通過分析研究校園無線網(wǎng)的用戶行為數(shù)據(jù)可以挖掘出用戶的行為規(guī)律與生活習(xí)慣等，為學(xué)校管理提供更好的支持。

1） 學(xué)生失聯(lián)預(yù)警。通過學(xué)生用戶的上網(wǎng)行為規(guī)律與上網(wǎng)記錄來判斷學(xué)生的在校情況，甄別出非假期期間長時間不在校學(xué)生，提供給學(xué)校相關(guān)部門檢查確認，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生失聯(lián)情況，以更好地保障學(xué)生安全。

2） 日常教學(xué)活動管理。比如通過分析教學(xué)樓不同時間段的無線網(wǎng)絡(luò)在線用戶人數(shù)變化，結(jié)合學(xué)校的教學(xué)安排，可以統(tǒng)計出上課時間學(xué)生出勤人數(shù)及有多少學(xué)生在課余時間喜歡去教學(xué)樓自習(xí)，學(xué)校可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)加強學(xué)生考勤管理、或給自修的學(xué)生提供一些空余且相對安靜的教室。另外，可以將課表結(jié)合終端的位置時間進行課程信息的推送等等。

2.3 用戶移動軌跡分析

在校園環(huán)境中，校園用戶一般有較固定的活動地點，比如學(xué)生的日常行為包括在教學(xué)樓上課、在圖書館自習(xí)、在飯?zhí)贸燥垺⒃谒奚嵝菹⒌龋ㄟ^分析用戶每次上線下線時與AP（Wireless Access Point 無線訪問接入點）的關(guān)聯(lián)信息，結(jié)合AP的地理位置，可以挖掘出用戶的移動軌跡，也就是用戶到了哪些地方，分別停留了多久，這有利于學(xué)校了解校園里教師與學(xué)生的行為習(xí)慣，可以為高校管理提供了一個便捷、可靠的方式，而且，對師生的工作、學(xué)習(xí)、生活都有很大的好處。

1） 基于群體用戶移動性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)熱點區(qū)域，進而研究校園里不同熱點區(qū)域的用戶流動性。基于個人用戶軌跡數(shù)據(jù)，可以提取個體用戶行為特征，進行正常行為及可疑行為判別等。

2） 利用用戶移動軌跡區(qū)分無線網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備的擁有者，從而統(tǒng)計出使用無線網(wǎng)絡(luò)的真實用戶。現(xiàn)在校園里有許多用戶擁有兩個及以上移動終端，使用相同的賬號上網(wǎng)，或者是同一臺移動終端借用他人的賬號接入使用無線網(wǎng)絡(luò)，如果僅是利用移動終端的MAC（Medium Access Control媒體訪問控制）地址來標(biāo)識用戶，則統(tǒng)計出來用戶人數(shù)要遠大于真實的用戶人數(shù)，不能準(zhǔn)確的描述用戶的行為規(guī)律，因此需要區(qū)分不同移動終端是否屬于同一個用戶所有。同一用戶使用所擁有的不同設(shè)備在上網(wǎng)行為、移動性方面具有較高的相似性，甚至是一致的，因此可以通過對比不同移動終端的移動軌跡數(shù)據(jù)來區(qū)分使用同一個賬號上網(wǎng)的不同移動終端是否屬于同一個用戶所有。

總的來說，校園無線網(wǎng)用戶行為分析在反映網(wǎng)絡(luò)性能的同時，也可以反映出用戶的某些行為規(guī)律、偏好和生活習(xí)慣等等，不僅能指導(dǎo)將來的校園無線網(wǎng)建設(shè)，提高校園信息服務(wù)質(zhì)量與用戶體驗，也能為學(xué)校了解師生及管理提供有力的幫助，具有很好的應(yīng)用前景和重要的實用意義。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)設(shè)計，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其系統(tǒng)工作流程如下所述：首先是獲取校園無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并通過預(yù)處理后，將得到的AC（Wireless Access Point Controller 無線控制器）、AP與其他的用戶數(shù)據(jù)存放到設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫中，然后以WEB方式從數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)并顯示出來。系統(tǒng)共分為三個主要部分：

第一層為數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理部分。采集來自校園無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)進行預(yù)處理后，存儲在已設(shè)計好的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。采集的數(shù)據(jù)包括AC、AP等基本信息，同時包括用戶上線、下線等各種日志信息；數(shù)據(jù)預(yù)處理包括去除收集到的存在缺失值或不一到狀態(tài)的數(shù)據(jù)記錄等。

第二層為中間層。負責(zé)將采集的原始的數(shù)據(jù)進行處理，通過統(tǒng)計分析后將得到的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)、用戶軌跡數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。

第三層是管理應(yīng)用層。實現(xiàn)用戶行為分析結(jié)果的顯示，WEB服務(wù)根據(jù)不同的查詢條件從數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)，并以圖形化界面顯示查詢結(jié)果，方便用戶查看。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

系統(tǒng)的功能模塊包括WLAN運行狀況顯示、用戶一般性統(tǒng)計、用戶移動軌跡顯示、學(xué)生失聯(lián)預(yù)警及用戶設(shè)備區(qū)分5個部分。系統(tǒng)的功能模塊框架圖如圖2所示。

1） WALN運行狀況。WALN運行狀況功能模塊包括AC運行狀況顯示模塊與AP顯示模塊。其中AC運行狀況主要顯示了AC當(dāng)前所管理的AP、AC在線用戶人數(shù)隨時間變化情況；AP顯示模塊顯示了各個樓宇A(yù)P的分布情況和運行情況。

2） 用戶一般性統(tǒng)計。用戶一般性統(tǒng)計包括用戶終端廠商統(tǒng)計與用戶在線情況顯示模塊。用戶終端廠商統(tǒng)計顯示了用戶所使用設(shè)備的品牌及所屬品牌設(shè)備的數(shù)量；用戶在線情況顯示了各樓宇在線用戶人數(shù)隨時間變化的情況。

3） 用戶移動軌跡。用戶移動軌跡用于顯示用戶日常的移動范圍，挖掘用戶的行為規(guī)律。

4） 學(xué)生失聯(lián)預(yù)警。學(xué)生失聯(lián)預(yù)警通過分析學(xué)生用戶上網(wǎng)記錄對非假期期間長時間不在校的學(xué)生用戶進行歸類，并列出預(yù)警名單提交給學(xué)校的相關(guān)管理部門。

5） 用戶設(shè)備區(qū)分。用戶設(shè)備區(qū)分指的是同一用戶使用多個終端設(shè)備接入無線時，對不同終端設(shè)備進行對比識別，區(qū)分不同的終端設(shè)備是否屬于同一用戶所有。在早期的無線網(wǎng)絡(luò)用戶行為研究中單個用戶擁有的接入無線網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備數(shù)量有限，研究者多以MAC地址來區(qū)分不同的用戶，可以統(tǒng)計出比較真實的用戶情況，然而，近幾年來，隨著智能手機、平板電腦等無線移動智能終端的普及，多數(shù)校園用戶往往同時擁有多個無線移動設(shè)備，這樣使得用戶可以通過多個設(shè)備接入與使用無線網(wǎng)絡(luò)，如果我們依然釆用終端設(shè)備的MAC地址來區(qū)分不同的用戶，則用戶行為分析結(jié)果可能會出現(xiàn)較大的偏差。因此，區(qū)分多個終端設(shè)備是否歸屬于同一個用戶就顯得很有意義，不僅能夠統(tǒng)計出真實的用戶，也能更精確的刻畫用戶的移動軌跡。

4 實驗結(jié)果與分析

本文采集華南師范大學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行測試，主要測試了用戶終端廠商統(tǒng)計、用戶移動軌跡、學(xué)生失聯(lián)預(yù)警、用戶設(shè)備區(qū)分功能。并通過WEB以地圖、表格等在線方式顯示了實驗結(jié)果

1） 用戶終端廠商統(tǒng)計。用戶終端廠商統(tǒng)計基于終端的MAC地址進行匹配。每個移動終端都有一個固定的MAC地址，且每一個MAC地址都是全球唯一的。任何正規(guī)廠家生產(chǎn)的網(wǎng)卡上都直接標(biāo)明了MAC地址，所有MAC地址的長度都是48位，通常表示為一組12位的16進制數(shù)，如0C-D6-BD-90-C4-97，其中前6位代表網(wǎng)卡的生產(chǎn)廠商（如0C-D6-BD表示了該網(wǎng)卡的制造商是華為），后6位由廠家自己分配，標(biāo)識了設(shè)備本身，因此MAC地址作為獨一無二的物理地址可以用于標(biāo)識一臺終端設(shè)備乃至一個用戶（這里指在不區(qū)分同一用戶同時擁有多個終端設(shè)備的情況下）。在用戶終端廠商統(tǒng)計模塊的實現(xiàn)中，我們采集了一周的終端設(shè)備數(shù)據(jù)集，并將其MAC地址與IEEE組織提供的廠商列表進行匹配。

本文中用戶終端廠商統(tǒng)計模塊統(tǒng)計了華為、蘋果、小米、三星、酷派、魅族、中興、OPPO等品牌的終端數(shù)量，結(jié)果如圖3所示。

2） 用戶移動軌跡。用戶移動軌跡利用用戶與AP的連接情況來判斷用戶移動性，描述了用戶一定時間內(nèi)所移動的范圍，可以更好地了解用戶日常活動空間與用戶聚集的熱點區(qū)域。圖4及圖5顯示了用戶群體的移動軌跡，可以看出，公共教學(xué)樓、圖書館、學(xué)生宿舍的用戶人數(shù)比較多，其次是飯?zhí)眉案鲗W(xué)院辦公樓。

3） 學(xué)生失聯(lián)預(yù)警。通過收集一個月以來接入使用無線網(wǎng)絡(luò)的用戶，共有18344個，然后統(tǒng)計了在數(shù)據(jù)收集截止日期前3天以來沒有再上線的用戶，結(jié)合用戶的上線記錄進行區(qū)分是否屬于有失聯(lián)情況的用戶，最后的甄別出了23個異常用戶。

4） 用戶設(shè)備區(qū)分。以某一個用戶“方xx”為例，用戶“方xx”的上網(wǎng)賬號是201603xxxxx。區(qū)分前，有103個終端設(shè)備使用賬號201603xxxxx上網(wǎng)，部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄如圖6所示。但仔細觀察發(fā)現(xiàn)，除了mac為f40f.241f.5913登錄次數(shù)為107，且長期使用外，其他的登錄數(shù)據(jù)98%以上的終端都只登錄一次，偶爾有登錄2次或3次，但使用的時間短，而且每次在線時間較短，這部分?jǐn)?shù)據(jù)有可能是該用戶將上網(wǎng)賬戶借給他人使用而產(chǎn)生的，應(yīng)該將其去除。通過算法運算后，系統(tǒng)分析推測出只有一個終端設(shè)備才是真正屬于用戶“方xx”的，該終端設(shè)備的mac為f40f.241f.5913，區(qū)分結(jié)果如圖7所示。

5 結(jié)束語

本文在校園無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了用戶行為分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)π@無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，刻畫用戶的移動軌跡，實現(xiàn)用戶設(shè)備區(qū)分、學(xué)生失聯(lián)預(yù)警等功能。對于校園無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可以有效應(yīng)用于指導(dǎo)或改進無線局域網(wǎng)的建設(shè)，而分析研究用戶的移動軌跡則可以應(yīng)用于個性化服務(wù)設(shè)計、對用戶進行網(wǎng)絡(luò)畫像、尋找用戶熱點區(qū)域等多種領(lǐng)域。

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