第5章 网络性能设计

5.1.4 网络集线比设计
1．电话集线比模型 集线比是通信系统引入的一个概念，它指可用信道与 接入用户线的比例。
例如：一条E1线路（2.048Mbit/s）可以同时接通 30路电话，如果按照1:1的集线比，只能接30条用 户线；如果按照1:8的集线比，可以接240条用户线， 这样仍然可以满足30路电话同时通话，但是第31 个用户需要通话时就需要等待，或者不能接通。
[P107图5-4]
2．利用软件进行网络带宽管理
利用软件也可以管理和控制网络带宽。
例如，微软公司的ISA Server防火墙软件可以进行网络带 宽管理。 在ISA Server中，带宽管理规则按次序排列。每个规则都 分配一个指定的编号，编号为1的规则最先处理，默认规则 是最后一个处理。
ISA Server可以通过配置优先级和带宽规则给指定类型的 网络通信分配较多的带宽。带宽优先级分配值在1~200之间， 数值越高，优先级越高。
不同网络服务的流量特性
服务类型 Web网页 E-mail FTP 即使通信 业务特征 多个小文件传输 数据量小 大文件批量传输 数据量小 突发 性 高 高 中等 高 延迟容 忍度 中等 高 高 中等 抖动容忍 分组丢失 度 容忍度 高 高 高 高 中等 高 高 高
网络游戏
IP语音 视频点播 电子商务
80-20规则：网段上80%的数据流量在本网段内部流 动，只有20%的网络流量访问其他网段。 [P110图5-8]
80-20规则：
这种流量设计模型主要适应于分布式服务设计的园区网（如 大学校园网），网络通信主要在本网段的客户机与服务器之 间进行，如局域网下的文件存取、数据库存取、OA系统、 CAD应用等，这些应用的数据流量占有80%的流量，而只有 20%的流量流往其他网段。 优点： 减轻了网络核心层的流量压力； 缺点： 不利于网络集中管理。
要求可靠传输
要求可靠传输 带宽要求高 要求可靠传输
高
低 低 高
中等
低 低 中等
高
低 低 中等
中等
低 低 低
3．网络流量监测
流量监测硬件或软件可监测网络中数据的流量。 MRTG是一 款监控网络流量负载的软件，利用它可以监测到许多对网络 设计有益的信息。 [P109图5-5] MRTG监控网络流量负载的软件
假设某Web网站网页平均大小为30kB，打开网页平均等待 时间为10s，如果设计100个用户同时访问（并发连接）该 网站时，应当向ISP申请的带宽为2.4Mbit/s。 （3）估计Web网站最大访问人数。
如果按照1:10的集线比估算，则网站最大可以处理1000个 用户的在线会话连接。
5.1.5 网络带宽管理技术
视频是网络带宽的主要占用者。
2. 以太网带宽不稳定性分析 当采用阻塞式设计时，网络带宽不稳定。当全部 网络设备做非阻塞式设计时，则投资相当大。 光纤线路对带宽影响不大。双绞线线路质量的好 坏，对网络带宽影响很大。 信号传输过程中，要扣除大约10%的系统开销。 以太网负载超过50%时，容易发生广播风暴。 线路环境温度过高、信息插座或接头氧化、环境 电磁干扰过大等，都会造成网络带宽下降。
5.1 网络带宽分析与设计
本节内容
带宽不稳定性分析 网络用户业务模型 网络带宽设计案例 网络集线比设计 网络带宽管理技术
5.1.1 带宽不稳定性分析 1. 网络带宽
在频带网中，带宽指通信线路能够传输的信号的最高频 率与最低频率之差，以Hz为单位。
在基带网中，带宽用来衡量数据的最高传输速率。
ITU-T规定：数据传输速率低于1.5Mbit/s（T1）的网络为 窄带网；数据传输速率在1.5Mbit/s以上的网络为宽带网。
1．利用硬件设备进行网络带宽管理
网络带宽可以用软件的方法进行管理，也可以通过带宽 管理器、入侵控制系统、路由器等硬件设备进行控制和 管理。 硬件设备管理时性能高，投资大于软件管理。 带宽管理器可与现有网络设备进行集成，无需改变已有 的网络拓扑结构、路由器配置、服务器配置和用户计算 机配置。 即使网络结构或网络中的设备配置发生变化，带宽管理 器也无需做任何变动。
5.1.2 网络用户业务模型
1. 用户网络业务最低带宽需求
不同的用户业务，需要不同的网络带宽。 局域网用户要求较高的带宽，而且网络上行链路 和下行链路的带宽相差不多。
上行指从用户到ISP，下行指从ISP到用户。
在因特网中，下行速率与上行速率不一致，用户 对下行速率要求较多。
端到端网络业务最低带宽要求
如果按照阻塞式设计，同时又能满足用户需求，就需 要确定网络服务的集线比。
可以将网络集线比理解为网络服务系统有效接入与最 大接入能力之间的比率。
案例5-2：分析一个Web服务器网站的有 效工作时间和最小链路带宽
（1）Web服务器有效工作时间 假设用户每天浏览50个网页，每个网页平均大小为30kB， 带宽为200kbit/s。则每个用户占用Web服务器的有效工作 时间理论值仅为1.1min。 （2）Web网站最小链路带宽
5.1.3 网络带宽设计案例
1. 阻塞式与非阻塞式设计 上层（如汇聚层）链路带宽大于或等于下层（如 接入层）链路带宽的总和，称为非阻塞式设计； 上层链路带宽低于下层链路带宽的总和，称为阻 塞式设计。
网络带宽的阻塞式与非阻塞式设计
[P104图5-2]
非阻塞式带宽设计的网络汇聚节点负载轻， 网络扩展性好，但是工程成本偏高。
流量由用户网络业务形成，规律性不强。
带宽与设备、传输链路相关；网络流量与使用情况、 传输协议、链路状态等因素相关。
2．不同网络服务的数据流量特性
网络性能取决于一些变量，如突发性、延迟、抖动、 分组丢失等。 不同的网络服务对这些指标要求会不同。
在网络设计中，应当根据用户数据流量特性进行网 络流量设计和管理。
第5章 网络性能设计
网络性能的要求往往在用户需求分析时确定，但如 何在有限的资金约束条件下，设计一个满足用户需 求的高性能网络，对网络工程师是一项重要的工作。 网络性能可以从带宽管理、流量控制、服务质量保 证和网络负载均衡等方面进行设计。
本章内容
5.1 网络带宽分析与设计 5.2 网络流量分析与设计【重点】 5.3 服务质量分析与设计 5.4 负载均衡技术与设计【重点】
调查数据显示：日本宽带上网速度平均速度为93.7Mbit/s，平 均月费为34.21美元；美国宽带上网平均速度为8.9Mbit/s，平 均月费为53.06美元。我国互联网网速平均速率仅1.774Mbit/s， 排名全球第71位，大部分以512K或2M为主。平均费用每月 100元左右。
P2P技术
P2P技术的大量使用不仅给网民带来高速下载的渠道， 也占用了大量带宽。统计数据显示，我国P2P应用占 用了运营商网络40~60%的带宽，高峰时期的占用率 高达70~90%，但P2P业务带来的收益仅占总收入的 5%。另外，垃圾邮件、蠕虫类病毒也占用了大量带 宽。
集线比模型建立在所有用户不会同时通信的基础上。
集线比的确定
在电话系统中，集线比需要进行用户需求分析和话务 量统计后才能确定。 计算机网络集线比目前难以确定，一般根据经验进行 估算。
2．网络的集线比设计
在计算机网络中，如果网络按照非阻塞式设计，这样 网络服务的集线比就可以达到1:1，但是投资成本太 高。
链路动态聚合的协议。LACP协议通过LACPDU（LACP数据
单元）与对方交换机交互信息。 工作原理：在交换机某端口启动LACP协议后，该端口将通过 发送LACPDU，向对方端口通告自己的系统优先级、系统 MAC、端口优先级、端口号等参数。
5.2.3 电话流量的爱尔兰模型（略）
5.2.4 网络链路聚合设计
1．链路聚合协议 链路聚合是将交换机上的多个端口在物理上连接起 来，在逻辑上捆绑在一起，形成一个有较大宽带的 端口，实现均衡负载，并提供冗余链路。
[P110图5-10] 流量均衡与链路聚合拓扑结构
LACP协议
IEEE802.3ad标准的LACP（链路聚合控制协议）是一种实现
从接入层流向核心层时，收敛在高速链路上； 从核心层流向接入层时，发散到低速链路上； 核心层设备汇聚的网络流量最大； 接入层设备的流量相对较小。
2．汇聚层链路聚合
双链路可能会产生负载不均衡的现象。
链路聚合的目的是保证链路负载均衡。
如果对汇聚层上行链路进行链路聚合配置，就可以使上行链 路负载均衡。
3．流量设计中的80-20规则和20-80规则
1024×768分辨率以上的高清电视业 务
网络带宽低于256kbit/s时，很难满足用户对网络服务的需求。
2. 用户使用因特网的时间规律 1～7点用户最少上网； 早上8点开始上网人数逐渐增加； 上午10点达到一天当中的第一个高峰；
下午14、15点达到一天中的第二个高峰；
晚上20、21点时达到一天中的顶峰。
用户使用因特网的时间规律
CNNIC(中国互联网信息中心)调查 显示：
用户平均每周上网4天，计13.4小时； 平均每天使用3.35小时（200分钟）左右； 用户平均每周收到电子邮件（不包括垃圾邮件） 5.8封，收到垃圾邮件7.9封，发出电子邮件4.1封， 平均每天收发的电子邮件为2.5封。 获取信息占46.2%； 休闲娱乐占32.2%； 学习占7.9%。
业务类型 网页浏览 收发邮件 BT下载 网上聊天 最低下行带宽 32kbit/s 128kbit/s 200kbit/s 64kbit/s 最低上行带宽 10kbit/s 128kbit/s 512kbit/s 32kbit/s 每个页面 依用户与邮件服务器带宽而定 一般占用到用户带宽的70%左右 文字聊天 业务说明
带宽管理器的位置 在局域网中，带宽管理器通常设计在核心交换机之 前，或者核心交换机之后。 如果放在核心交换机之后，可以对局域网内部的流 量进行管理和控制。但是，局域网之外的其他主机 不受带宽管理器的监控。