EDID6503-ASSIGNMENT 4

1. 网络需求分析

2. 回顾 • 联网物理介质 • 问题：为什么需要各种不同的联网介质？ • 以太网技术 • 问题：速率不同，应用的场合是否一样？ • 实用案例

3. 教学提示 • 教学目的 • 网络需求分析是获取和确定用户有效完成工作所需的网络服务和性能水平的过程，对大中型网络系统是必须的 • 搞清网络应用目标，理解网络应用约束，掌握网络分析的技术指标，采用适当的分析网络流量的方法，对于网络需求分析是十分重要 • 以设计网络实验室局域网和办公环境局域网为例，讲解了需求分析和设计过程 • 重点 • 网络分析的技术指标 • 分析网络流量的方法

4. 定义和任务 • 定义： • 网络需求分析是在网络设计过程中用来获取和确定系统需求的过程 • 网络需求 • 描述了网络系统的行为、特性或属性，是在设计实现网络系统过程中对系统的约束 • 在需求分析阶段 • 应确定用户有效完成工作所需的网络服务和性能水平 • 需求分析是网络设计过程的基础

5. 要点 • 分析网络应用目标 • 分析网络应用约束 • 网络分析的技术指标 • 因特网流量的特点 • 分析网络流量 • 网络工程案例教学 

6. 分析网络应用目标(1) • 工作步骤 • 从企业高层管理者开始收集商业需求 • 收集用户群体需求 • 收集支持用户和用户应用的网络需求 • 明确网络设计目标。典型网络设计目标包括 • 加强合作交流，共享的重要数据资源 • 加强对分支机构或部属的调控能力 • 降低电信及网络成本，包括与语音、数据、视频等独立网络有关的开销

7. 分析网络应用目标(2) • 明确网络设计项目范围 • 是设计新网络还是修改网络 • 网络规模：一个网段、一个(组)局域网、一个广域网，还是远程网络或一个完整的企业网 • 明确用户的网络应用 网络应用统计表

8. 要点 • 分析网络应用目标 • 分析网络应用约束 • 网络分析的技术指标 • 因特网流量的特点 • 分析网络流量 • 网络工程案例教学 

9. 分析网络应用约束(1) • 政策约束 • 与用户讨论他们的办公政策和技术发展路线 • 要与用户就协议、标准、供应商等方面的政策进行讨论 • 不要期待所有人都会拥护新项目 • 预算约束 • 网络设计的一个共同目标就是控制网络预算 • 预算应包括设备采购、购买软件、维护和测试系统、培训工作人员以及设计和安装系统的费用等 • 还应考虑信息费用及可能的外包费用

10. 分析网络应用约束(2) • 时间约束 • 项目进度表规定了项目最终期限和重要阶段 • 用户负责管理项目进度，但设计者必须确认就该日程表是否可行 • 应用目标检查表 • 通过填入检查表确定是否了解用户的应用目标及所关心的事项

11. 要点 • 分析网络应用目标 • 分析网络应用约束 • 网络分析的技术指标 • 因特网流量的特点 • 分析网络流量 • 网络工程案例教学 

12. 网络分析的技术指标 • 定量地分析网络性能，首先要确定网络性能的技术指标 • 有很多国际组织定义了网络性能技术指标 • 这些技术指标为我们设计网络提供了一条性能基线(baseline) • 网络性能指标有两类： • 网元级：网络设备的性能指标 • 网络级：将网络看作一个整体，其端到端的性能指标 • 我们这里关注的是网络级的性能指标

13. 网络性能参数—时延(Delay或Latency) • 时延：从网络的一端发送一个比特到网络的另一端接收到这个比特所经历的时间 • 总时延= 传播时延+发送时延+重传时延 +分组交换时延+排队时延 ≈传播时延+发送时延+排队时延 • 网络时延可分为 • 往返时延(Round-trip Time，RTT) • 单向时延(One-way Latency，OWL) • 注意：RTT≠2×OWL

14. 网络性能参数—吞吐量(Throughput) • 吞吐量：在单位时间内传输无差错数据的能力 • 吞吐量可针对某个特定连接或会话定义，也可以定义网络总的吞吐量 • 容量(Capability)：数据通信设备发挥预定功能的能力，它经常用来描述通信信道或连接的能力 • 网络负载G：在单位时间内总共发送的平均帧数 • 吞吐量 = G ×P[发送成功] • 有效吞吐量：表示了应用层的吞吐量

15. 网络性能参数—丢包率(Packet Loss Rate) • 网络丢包率(丢分组率)：在某时段内在两点间传输中丢失分组与总的分组发送量的比率 • 该指标是反映网络状况极为重要的指标 • 无拥塞时路径丢包率为0%，轻度拥塞时丢包率为1～4%，严重拥塞时丢包率为5～15% • 丢包的主要原因是路由器的缓存队列溢出 • 与丢包率相关的一个指标称为“差错率” ，如误码率(BER) 、误帧率 ，通常极小

16. 网络性能参数—时延抖动(Jitter) • 时延抖动：分组的单向时延的变化 • 变化量应小于时延的1%～2%，即对于平均时延为200 ms的分组，时延抖动≤2～4 ms • 有一些网络应用与时延波动有关 • 如果因网络突发引起时延抖动，就可能使得视频和音频的通信中断

17. 时延抖动(jitter) 假想的时延标准值 分组实际到达 时延抖动ΔTk 分组产生 网络实际时延 时间 t1 T0 tk Tk

18. 网络性能参数—路由(Route) • 路由即为一个特定的“节点-链路”集合，该集合是由路由器中的选路算法决定的 • 选路算法决定分组所采用的路径（路由） h0 h1 l0 l1 hn-1 Packet Switching ln hn 18

19. 网络性能参数—路由(Route) • 路由的变动将使时延、丢包率等指标有较大变化 • IP网络路由是动态的，但是相对稳定 • 一种错误的观点是，IP网络的路由是动态的，研究路由没有意义 • 为了保持网络稳定工作，选路算法通常不会轻易改变路由，除非当资源用完(即发生拥塞)或底层网络出现故障

20. 网络性能参数—带宽(Bandwidth) • 瓶颈带宽和可用带宽 • 瓶颈带宽：两台主机之间路径上的最小带宽链路(瓶颈链路)的值 • 可用带宽：沿着该路径当时能够传输的最大带宽 • 一些典型应用的带宽如下 • PC通信：14.4kb/s～50kb/s • 数字音频：1～2Mb/s • 压缩视频：2～10Mb/s • 文档备份：10～100Mb/s • 非压缩视频：1～2Gb/s

21. 服务器 介质时延 服务器时延 网卡时延 打印时延 网络时延 网络访问设备 广域网 远地用户 网络性能参数—响应时间(Respond Time) • 响应时间：从服务请求发出到接收到相应响应所花费的时间，它经常用来特指客户机向主机交互地发出请求并得到响应信息所需要的时间 • 用户往往比较关心这个网络性能指标 • 当响应时间超过100 ms或1/10 s的时候，就会引起不良反映 • 超过100 ms，就能意识到等待网络的传输

22. 网络性能参数—利用率(Utilization) • 利用率：指定设备在使用时所能发挥的最大能力 • 例如，网络检测工具表明某网段的利用率是30%，这意味着有30%的容量在使用中 • 在网络分析与设计中，通常考虑两种类型的利用率： • CPU利用率 • 链路利用率

23. 网络性能参数—效率(Efficiency) • 网络效率：为产生所需的输出要求的系统开销 • 网络效率明确了发送通信需要多大的系统开销，不论这些系统开销是否由冲突、差错、重定向或确认等原因所致 • 提高网络性能的方法 • 尽可能提高MAC层允许的最大长度的帧 • 使用长帧要求链路具有较低的差错率

24. 其他网络分析的技术指标 • 可用性(Availability) • 可用性是指网络或网络设备可用于执行预期任务的时间的总量(百分比) • IP可用率”的指标用于衡量IP网络的性能。这是因为许多IP应用程序运行的好坏，直接依赖于IP层丢包率指标，当丢包率指标超过设定的阈值时，许多应用变得不可用。故该指标反映了IP层丢包率对应用性能的影响 丢包率 这条线定义了某些网络 应用不可用的阈值 时间

25. 其他网络分析的技术指标(续) • 可扩展性(Scalablity) • 网络技术或设备随着用户需求的增长而扩充的能力 • 安全性(Security) • 总体目标是安全性问题不应干扰公司开展业务的能力 • 可管理性(Manageability) • 每个用户都可能有其不同的网络可管理性目标 ，否则从FACPS这5个方面考虑 • 适应性(Adaptability) • 在用户改变应用要求时网络的应变能力 • 可购买性(Purchasability) • 基本目标是在给定财务成本的情况下，使通信量最大

26. 技术目标检查表

27. 网络应用技术需求表

28. 要点 • 分析网络应用目标 • 分析网络应用约束 • 网络分析的技术指标 • 因特网流量的特点 • 分析网络流量 • 网络工程案例教学 

29. 十大观察 在过去15年内，许多研究人员通过对因特网流量进行了较为细致的分析和研究，揭示了因特网基本行为和特性的十大规律 了解这些规律对于我们把握设计计算机网络的一般规律是有帮助的

30. 观察结果 1 • 因特网的通信量连续地在变化着 • 因特网通信量增长速率很快 • 不仅是通信量，而且通信量的组成、协议、应用以及用户等，都在改变 • 对现有网络收集的数据仅仅是在 因特网的演化过程中的一个快照 • 不能把通信量的结构视为不变的

31. 观察结果 2 • 表征聚合的网络流量的特点很困难 • 因特网的异构特性 • 存在大量的、不同类的应用 • 多种协议、多种接入技术和接入速率、用户行为随时间的变化，以及 因特网本身随时间变化

32. 观察结果 3 • 网络流量的“邻近相关性”(locality)效应 • 流量的模式远非随机的 • 流量的结构与用户在应用层发起的任务有关，各分组并非是独立的 • 时间上的邻近相关性 • 空间上的邻近相关性 • 在主机级、路由器级和应用级都有该效应

33. 观察结果 4 • 分组流量并非均匀分布的 • 在 因特网主机的分组流量很不均匀 • 例如：10% 的主机占据了总流量的 90% (或 20-80) • 原因：客户机服务器方式、地理原因等

34. 观察结果 5 • 分组长度分布：双模态(双尖峰分布) • 许多短分组包括交互式的流量和确认。这类分组约占 40% • 许多长分组是批量数据文件传输类型应用。这些分组尽可能长些(基于 MTU)。这类分组约占 50% • 中等长度的分组很少，仅 10%左右

35. 观察结果 6 • 会话的到达过程是泊松(Poisson)过程 • 因特网的最终用户是人。是这些人独立地随机发起对 因特网的接入 • 例如，用户向万维网服务器请求单个的页面，就服从于泊松过程

36. 观察结果 7 • 最近的研究指出，分组到达不是泊松分布 • 经典的排队论和网络设计是基于：假定分组的到达过程是泊松分布(无记忆的指数分布) • 分组是突发式到达的(分组有成群的特性) • 分组到达的前后有关联 • 到达时间并非指数分布 • 到达时间并非独立的

37. 观察结果 7(续) • 分组流量是突发的 • 平均值可能很低，但峰值可能很高 • 与使用的时间段有关 • 流量可能是自相似的：在较长的时间范围内存在突发性 • 突发性难以精确定义

38. 观察结果 8 • 多数 TCP 会话是简短的 • 90%的会话所交换的数据少于10 KB • 90%的交互连接仅持续几秒钟 • 80%的万维网文档传送小于 10 KB

39. 观察结果 9 • 流量是双向的，通常是不对称的 • 数据通常在两个方向流动 • 两个方向的数据量往往相差很大 • 尤其是下载万维网的大文件 • 多数应用都使用 TCP/IP 流量

40. 观察结果 10 • 在 因特网的分组流量中，TCP 的份额占绝大部分 • 至今为止 TCP 协议一直是最重要的协议 • 即使由于 IP 电话和多播技术的使用(这些应用是在 UDP 上运行)，TCP 仍占主导地位 • 在可预见的未来仍是如此 • 正因为这样，许多研究仅关注 TCP(和 IP)

41. 小结 • 网络需求分析是获取和确定用户有效完成工作所需的网络服务和性能水平的过程，对大中型网络系统是必须的 • 需要从分析网络应用目标和分析网络应用约束入手 • 需要掌握网络分析的技术指标，特别是关键的技术指标

42. 作业 网络需求分析的目标是什么？简述网络需求分析的重要性。 试给出主要的网络性能参数，它们的定义和度量的方法。其中哪些网络性能指标更为基本，更易于获取。 简述因特网流量特点所反映出的基本规律。

43. 网络需求分析

44. 回顾 • 需求分析 • 问题：设计网络为什么要首先确定用户有效完成工作所需的网络服务和性能水平？ • 网络分析的技术指标 • 问题：列举几个你认为最重要的网络性能技术指标

45. 要点 • 分析网络应用目标 • 分析网络应用约束 • 网络分析的技术指标 • 因特网流量的特点 • 分析网络流量 • 网络工程案例教学 

46. 分析网络通信特征 • 分析和确定当前网络通信量和未来网络容量需求的方法 • 参考因特网流量当前的特征 • 需要通过基线(baseline)网络来确定通信数量和容量 • 需要估算网络流量及预测通信增长量的实际操作方法 • 参数的估算无疑为网络设计提供了依据

47. 确定流量边界 • 首先要分析产生流量的应用特点和分布情况，因而需要搞清现有应用和新应用的用户组和数据存储方式 • 要将企业网分成易于管理的若干区域。这种划分往往与企业网的管理等级结构是一致的 • 在网络结构图上标注出工作组和数据存储方式的情况，定性地分析出网络流量的分布情况 • 辨别出逻辑网络边界和物理网络边界来，进而找出易于进行管理的域来

48. 客户机 局域网 服务器 路由器 虚拟工作组1成员 服务器 广域网 虚拟工作组2成员 大型存储器 网络逻辑边界 • 能够根据使用一个或一组特定的应用程序的用户群来区分，或者根据虚拟局域网确定的工作组来区分

49. 客户机 场点2 场点1 局域网 服务器 场点1边界 场点2边界 广域网 场点4边界 场点3边界 场点4 场点3 大型存储器 网络物理边界 • 可通过逐个连接来确定一个物理工作组。通过网络边界可以很容易地分割网络

50. 分析网络通信流量特征 • 刻画流量特征包括 • 辨别网络通信的源点和目的地 • 分析源点和目的地之间数据传输的方向和对称性 • 在某些应用中，流量是双向的且对称的 • 在另一些应用中，流量是双向非对称的：客户机发送少量的查询数据，而服务器则发送大量的数据 • 在广播式应用中，流量是单向非对称的