第5章 网络性能设计

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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。
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。
[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。
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】
要求可靠传输
要求可靠传输 带宽要求高 要求可靠传输

低 低 高
中等
低 低 中等

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
5.2 网络流量分析与设计
网络工程师需要一种精确评估网络流量的方法,通过 流量分析,才能确定数据传输的带宽。可以将流量简 单理解为通过交换机的数据包。
流量分析需要考虑很多因素,主要有流量特征、流量 模型、服务级别等因素。
5.2.1 网络流量的特性
1.流量与带宽 带宽是一个固定值,流量是一个变化的量。 带宽由网络工程师规划分配,有很强的规律性;
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。
流量监测图功能 利用流量监测图,可进行一下分析: 峰值流量大小,出现时间,持续时间; 平均流量大小;
Fra Baidu bibliotek
流出与流入情况,出口是否存在拥塞;
资源负载情况,如磁盘空间、CPU负载等;
服务流量分布情况,如Web、FTP等;
设备流量情况,如路由器、交换机等。
5.2.2 网络流量设计模型
1.分层网络的流量模型
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。
5.1.3 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。
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
256~512kbit/s
64kbit/s 512kbit/s~ 1Mbit/s
分布式多媒体监控业务
MPEG-1(VCD) 网络电视业务
SDTV
HDTV
1.5~3Mbit/s
2~20Mbit/s
512kbit/s~ 1Mbit/s
512kbit/s~ 1Mbit/s
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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。
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%。
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
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
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。
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
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。
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
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。
带宽管理器的位置 在网络设计中,带宽管理器一般设置在边界路由器附 近。 应当考虑带宽管理器与高速链路的性能匹配问题。
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。
4.网络峰值流量设计原则 在设计时,必须考虑最繁忙时段的数据流量,否则 这个时段会发生网络拥塞和数据丢失。 不同用户的最繁忙时段不同。
例如,企业网络的繁忙时段在上午9~10点之间; 网吧最繁忙的时段在晚上20~23点之间;超市网 络最繁忙时段往往在晚上收市的时间。
在这些时段,网络达到了最大吞吐量,在网络设 计时要满足这些繁忙时段的特殊要求。
20-80规则: 20-80规则:只有20%的数据流量访问本地局域网, 而80%的数据流量需要流出本地网络。 这种流量设计模型主要使用于采用B/S工作模式的小 型企业局域网,因为很多计算机既是信息的接收者, 也是信息的发布者。 在这种那个网络中,部署集中式的服务器有利于降 低网络成本,提高网络安全。
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
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
网上购物
网络游戏 IP电话
64~128kbit/s
64~256kbit/s 128kbit/s
32kbit/s
64kbit/s 32kbit/s
交互式应用
因特网游戏,依用户与游戏服务器带 宽而定 H.323 纯语音IP电话
视频监控
视频点播1 IPTV
256~512kbit/s
512kbit/s 2~8Mbit/s
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。
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