网络需求分析

1. 网络需求分析

2. 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

3. 分析网络应用目标 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：数据资源共享情况 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

4. 明确网络设计项目范围 是设计新网络还是网络升级 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

5. 分析网络应用约束 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

6. 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

7. 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

8. 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 网络时延分为 往返时延(Round-trip Time，RTT) 单向时延(One-way Latency，OWL) 注意：RTT≠2×OWL

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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 13 13

14. 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 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

15. 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

16. 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 远地用户 广域网 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时，会引起不良反映 • 超过100 ms，就能意识到等待网络的传输 16

17. 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 • 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

18. 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

19. 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可用率指标是用于衡量IP网络的性能。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。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 19

20. 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

21. 技术目标检查表

22. 网络应用技术需求表

23. 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 了解这些规律对于设计计算机网络的一般规律是有帮助的 • 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

24. 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 • 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

25. 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 20-80% • 原因：客户机服务器方式、地理原因等 • 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

26. 会话的到达过程是泊松(Poisson)过程 • 如：用户向万维网服务器请求单个的页面，服从于泊松过程 • 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

27. 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 • 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

28. 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 • 多数应用都使用 TCP/IP 流量 • 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 • IP 电话和多播技术的使用 UDP • 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)

29. 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

30. 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 • 参数的估算为网络设计提供了依据

31. 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

32. 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 32

33. 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 33

34. 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

35. 测量现有网络的流量 • 测量方式大体可分为两类 • 主动式：通过主动发送的测试分组序列来测量网络行为 • 被动式：通过被动俘获流经测试点的分组来测量网络行为 • 核心概念是通信流(Flow)：对一个呼叫或连接的人为的逻辑对应，流属性(源/目的地址，源/目的端口号，分组计数，字节计数等)具有聚合性质，反映了在起始和停止范围内发生的事件 • 填写有网络的通信流量表(有时难以测量)

36. 通信流量分类 • 客户机/服务器方式 • 对等方式 • 服务器/服务器方式 • 分布式计算方式 • 终端/主机方式

37. 估计应用的通信负载 • 估算 • 应用的性质 • 每次通信的通信量 • 传输对象大小 • 并发数量 • 每天各种应用的频度

38. 应用程序对象的近似长度 数据来自解放军理工大学陈鸣

39. 估计主干或广域网上的通信负载 电子邮件服务器 子网1 客户机 文件服务器 子网2 主干网 Web服务器 子网3 CAD服务器 主干流量

40. 通信量分布表 对应于上图，是统计值。用于就是主干网流量

41. 案例1：网络实验室局域网的设计 • 案例教学要求： • 掌握设计规模达几十台PC的专用LAN的技能与方法 • 设计要点： • 为新建的网络实验室设计局域网，需要进行网络需求分析。该实验室具有80台PC，且它们需要共享实验服务器信息 • 用百兆交换机若干 • 交换机需要链路聚合功能

42. 需求分析和设计考虑 一个具有80台PC的网络实验室属于一个小型LAN，但由于该网络有几十名学生要在较短时间内（如10秒时间内）打开共享实验服务器上的信息需求，需要对网络应用需求进行分析，并进行相应的设计：

43. 需求分析 取4台PC为一组，组内突发流量峰值可达几十Mpbs，组间的通信量通常较小。组内使用一个8端口的百兆交换机 80台PC需要同时共享实验服务器的信息，打开实验支持系统网站页面(约30KB)、下载软件实验工具(约3MB)和文档(约80KB)。为了使时延感觉不致太大，要求访问文件的时延不大于10秒 要求在10秒内从一台服务器向外输出量将约达250MB，即约199Mpbs 考虑到一台服务器输入数据需要处理动态网页和处理数据库的能力，将难以保证在10秒内完成这样的任务。因此，可以考虑采用双服务器设计方案

44. 设计方案 ①每40台PC共享一台服务器，这样共需两台服务器 ②由于目前的专用PC服务器通常都标准配置两块千兆网卡，服务器与交换机连接可采用两个百兆链路聚合的措施，增强访问服务器的能力 ③每4台PC组成一组，共需20组；每组用一个8端口百兆交换机将它们相连，共需20个这样的交换机 ④每10组用一个16端口的百兆交换机互联，形成多星结构 ⑤为了增加容错能力，将这两台16端口的百兆交换机用百兆双绞线连接起来

45. 一种网络实验室的设计方案

46. 设计提示 • 选用交换机时应用注意交换机的规格系列， • 交换机的接口数量规格通常只有8口、16口、24口、48口等 • 接口速率通常有10/100 Mpbs、1000 Mpbs和10 Gpbs • 接口类型通常有双绞线和光纤，而且1000 Mpbs及以上速率的接口通常为光纤介质

47. 案例2：办公环境局域网的设计 • 案例教学要求： • 掌握设计规模达200台PC的办公LAN的技能与方法 • 设计要点： • 办公环境的局域网是需要共享各种办公服务器信息 • 由于该网覆盖区域较大，机器数量较多，但可容忍；可以采用千兆交换机作为该网的主干，即采用“千兆到交换机，百兆到桌面”的网络拓扑

48. 需求分析和设计考虑 办公网络环境包括了较多的网络信息服务器，如DNS服务器、Web服务器、电子邮件服务器，支持多种信息查询，网络流量高度不均匀 办公环境覆盖范围可达400～500米，并可能覆盖几个楼层 网络短时间的中断影响不大，因此不必考虑冗余备份措施，降低系统的造价 设置中心交换机和各楼层主交换机，它们之间采用千兆速率光缆；各楼层主交换机到各办公室交换机以及各办公室交换机到桌面PC之间采用百兆双绞线 各网络信息服务器与中心交换机相连 48

49. 设计方案 如果6台PC一组，约需34组，每组用一个8端口百兆交换机，共需34个这样的交换机 每层安置11～12组，可用一个16端口的百兆交换机互联这些组 这些层交换机应具有一个千兆光端口，与中心的一个千兆交换机相连，形成多星结构 为增加访问专用PC服务器的速度，用2条千兆链路聚合起来与服务器的两块千兆网卡相连