第 4 章网络性能设计

第4章网络性能设计 主讲：易建勋

4.1 网络带宽设计 • 网络的性能与成本成正比。 • 网络性能可以从带宽分析、流量分析、服务质量分析、负载均衡分析等方面进行设计。 4.1.1 网络带宽的不稳定因素（1）网络带宽 • 在基带传输网络中，带宽通常用来衡量数据的传输速率。 • ITU-T I.113建议规定，数据传输速率低于1.5Mb/s的网络划分为窄带网；数据传输速率在1.5Mb/s以上的网络划分为宽带网。第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 • 网络第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 （2）以太网带宽不稳定的因素 • 带宽能否达到理论值，与网络采用阻塞式设计还是非阻塞式设计相关。 • 双绞线线路质量的好坏，对网络带宽影响很大。 • 信号在传输过程中要消耗大约10%的系统开销。 • 线路环境温度、信号接头氧化等，都会造成带宽下降。第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 4.1.2 网络用户业务模型（1）用户网络业务最低带宽需求 • 不同的用户业务具有不同的网络带宽模型。 • 在局域网内，网络上行和下行带宽相差不多。 • 在因特网中，一般下行带宽大于上行带宽。 • 由表4-2可见，满足用户网络服务需求带宽不能低于256kb/s • 一个基本的设计思想是：根据带宽占用大的业务来选择线路带宽，并根据业务使用频度考虑对带宽的复用。第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 • 网络第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 （2）网络服务的特点 • 带宽是否足够取决于三个方面的因素：提供给用户的服务类型。接入层用户的访问速度。用户和服务器之间的连接质量。 • 网络服务主要分为以下四种类型：偶尔少量的通信。突发性通信。固定带宽的流式传输。不定带宽的数据传输应用。第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 （3）用户使用因特网的规律 • 中国互联网信息中心调查结果显示，用户一天中使用因特网的时间如图4-1所示。第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 4.1.3 网络带宽设计（1）阻塞式与非阻塞式设计 • 如果上层链路带宽大于或等于下层链路带宽的总和，我们称为非阻塞式设计。 • 如果上层链路带宽低于下层链路带宽的总和，我们称为阻塞式设计。 • 按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。第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 4.1.4 网络服务集线比设计（1）电话集线比模型 • 集线比指可用信道与接入用户线的比例。 • 例如，一条E1线路可以同时接通30路电话，如果按1：1的集线比，则只能接30条用户线，如果按1：8的集线比，则可以接240条用户线。 • 计算机网络的集线比目前难以确定，经验值一般为1：8～1：15左右。（2）网络服务的集线比设计 • 网络集线指网络服务系统有效接入与最大接入能力之间的比率。第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 • 网络服务有效时长计算如下： • 网络服务有效工作时长=打开网页数×（网页大小+系统开销）/（用户带宽/8） • 网络服务最大集线比=服务总工作时长/（网络服务有效时长+服务间隔时长） • 服务器最大用户数=（Web服务器带宽/用户接入带宽）×最大集线比第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 4.1.5 网络带宽管理方法（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（IPS）、路由器等硬件设备进行控制和管理。第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 • 带宽管理器一般设置在边界路由器附近。 • 也可以将带宽管理器内置在边界路由器中。（2）利用软件防火墙进行网络带宽管理 • 利用软件的方法也可以管理和控制网络带宽。如微软公司的ISA Server防火墙软件也可以进行网络带宽管理。（3）利用IOS进行网络带宽管理 • 利用Cisco路由器或交换机做策略控制也可以限制网络带宽第4章网络性能设计

4.1 网络带宽设计 （4）带宽的分配策略 • 对链路进行带宽划分。 • 对单个IP地址进行带宽分配。 • 对用户IP地址组的带宽分配。 • 对用户业务类型进行带宽分配。 • 在IP网络上进行带宽分配无法做到传统电信网那样准确。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 4.2.1 网络流量的特性（1）流量与带宽 • 带宽是固定值，而流量是变化的量； • 带宽有很强的规律性，而流量的规律性不强； • 带宽与物理设备、传输链路相关，而流量与使用情况、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。 • 不同的网络应用对这些指标的要求如表4-5。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 （3）网络流量监测 • MRTG是一款监控网络流量负载的免费软件。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 • 利用流量监测图，可以进行以下分析： • 网络峰值流量有多大，在什么时候出现，持续时间有多长； • 网络平均流量有多大，达到了理论带宽的多少； • 网络流出与流入情况，网络出口是否存在拥塞； • 系统资源负载情况，如磁盘空间、CPU负载等； • 网络服务流量分布情况，如Web、Email、DNS、FTP、BBS等； • 设备流量情况，如防火墙、路由器、交换机等。第4章网络性能设计

案例：流量监测统计表

4.2 网络流量分析与设计 4.2.3 网络流量设计模型（1）分层网络的流量模型 • 在交换型网络的分层设计中，网络数据流量从接入层流向核心层时，被收敛在高速链路上。 • 流量从核心层流向接入层时，被发散到低速链路上。 • 核心层设备汇聚的网络流量最大，需要强大的数据处理设备。 • 接入层设备的流量相对较小，因此可采用小型网络设备。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 （3）流量设计中的80/20规则和20/80规则 • 流量设计的80/20规则：在一个设计良好的网络环境中，一个网段上80%的数据流量是在本网段内部流动，只有20%的网络流量访问其它网段。 • 这种流量设计模型主要适应于分布式服务设计的园区网。 • 80/20规则的优点是减轻了网络核心层的流量压力，缺点是不利于网络集中管理。 • 流量设计的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。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 4.2.4 电话流量的爱尔兰模型（1）爱尔兰话务量公式 • 基于电路交换的电话网络建立了很成熟的爱尔兰（Erlang）话务量模型。 • 爱尔兰公式：A=n×t • 式中：A是话务量，单位为Erl（爱尔兰），1Erl单位为同一电路上一小时的呼叫次数；n是呼叫强度，单位是次/小时，t是呼叫平均保持时间，单位是小时。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 • 例如：呼叫强度=1800次/小时，呼叫保持时间= 180秒，则话务量A=1800次/小时×（180/3600）=90Erl • 话务量反映了电话系统流量的大小，它与呼叫强度和呼叫保持时间有关。 • 2．忙时呼叫次数（BHCA）计算 • 通常将话务量最忙的一小时内的电话呼叫次数称为BHCA（忙时呼叫次数）。 • 3．呼损率与服务等级（GoS） • 没有得到服务的呼叫称为呼损，丢失呼叫的概率称为呼损率。 • 电话系统将不同呼损率的等级称为“服务等级”（GoS）。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 • 例如，GoS值为0.05时，表示在繁忙时刻，100次呼叫中有5次会听到忙音（阻塞）。 • GoS等级一般按照0.1、0.01、0.001划分。（4）Erlang-Ｂ公式 • 呼叫是一个随机事件，因此只有利用概率和统计的方法来分析和计算呼叫强度值（n）和呼叫保持时间值（t），这就推导出了Erlang-B公式：第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 • Erlang-B公式已经被ITU-T规定为G.80标准。 • 在设计工作中，如果话务量A在5～50Erl范围之内，则可将Erlang-B公式简化为经验公式： • M=5.5+1.17×A （GoS=0.01时） • M=7.8+1.28×A （GoS=0.001时） • 在通信网络设计中，传统电话的Erl经验值，中继链路最高为0.7Erl/线，平均为0.2～0.3Erl/线。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 4.2.5 网络链路的聚合设计（1）网络峰值流量设计 • 网络在设计时都必须考虑最繁忙时段的信息流量。 • 电话通信的带宽通常是确定的，标准信道是64kb/s。 • 在分组交换网络中，数据传输峰值可能随时毫无规律的出现。 • 链路聚合技术可以将几条链路捆绑在一起，以增加网络链路带宽。第4章网络性能设计

4.2 网络流量分析与设计 （2）链路聚合中的流量均衡 • 在链路聚合技术中，聚合端口（AP）必须符合IEEE 802.3ad标准。 • 聚合端口根据报文的MAC地址或IP地址进行流量平衡，即把流量平均地分配到聚合端口的成员链路中去（如图4-10）第4章网络性能设计

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4.2 网络流量分析与设计 （3）链路聚合的条件 • 链路聚合需要硬件设备的支持。 • 链路聚合必须满足以下要求： • 各链路的传输介质必须相同； • 各分离链路速率必须相同； • 各分离链路必须是全双工链路； • 各分离的链路两端的参数必须一致； • 各分离的链路的速率不能小于100Mb/s等。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 4.3.1 QoS的主要技术指标 • 传统的IP网络，对所有报文都无区别的等同对待，路由器对所有报文采用先入先出的策略进行处理。 • 对报文传送的可靠性、传送延迟等不提供任何保证。目前因特网提供“尽力而为”的服务。（1）服务质量的定义 • QoS是指IP网络在传输数据流时，满足一系列服务请求的实现机制。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 • 服务请求可以用以下指标来衡量：传输时延、延迟抖动、数据包丢失率、吞吐量、带宽等。 • QoS的目标是提供端到端的服务质量保证。 • 传输层服务质量的典型参数有：连接建立延迟、连接建立失败的概率、吞吐率、传输时延、误码率、安全保护、优先级、恢复功能等。（2）传输时延 • 传输时延指两个节点之间发送和接收数据包的时间间隔。 • 在任何系统中，传输时延总是存在的。 • 话音数据包到达目的地的总时间不得超过150ms。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 （3）时延抖动 • 时延抖动是不同数据包之间延迟时间的差别。 • 抖动主要是由于排队等候时间不同而引起的。 • 话音网络的抖动不应超过30ms。（4）丢包率 • 丢包率指发送数据包与接收数据包的比率。 • 数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。 • 在高可用的网络中，数据包丢失率应小于1%。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 4.3.2 QoS主要实现机制（1）解决QoS问题的两种思路 • 如果骨干网带宽足够大、不拥塞，是不需要QoS的，无限大的带宽是最好的QoS，然而，这种理想状态是不存在的。 • 第一种思路认为：可以通过对数据包进行分类，对业务类型进行优先级调度处理，就可以解决带宽利用、延迟、抖动和丢包等问题。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 • 第二种思路认为：骨干网应越简单越好，最好是不要做任何控制，因为其主要任务是高效的包转发（不管坏包、好包）。因此应当利用流量工程的方法解决骨干网络的负载均衡问题。 • 当以上两种思路都不能解决问题时，就必须增加网络带宽，提高设备性能。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 （2）RFC提出的QoS模型 • RFC1633标准提出的IntServ（集成业务）模型。 • RFC2475标准提出的DiffServ（区分业务）模型。 • RFC2702标准提出的MPLS（多协议标签交换）。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 （3）解决QoS问题的主要技术 • 提高QoS的支持能力包括以下技术： • VPN（虚拟专用网）：通过隧道技术，在公共网络上仿真点到点的专线技术。 • DiffServ：通过传输汇聚提供服务质量支持。 • 链路汇聚：通过链路带宽汇聚提高网络带宽。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 • 流量工程（TE）：控制数据流传输路径，达到QoS保证。 • MPLS：采用固定长度的标签，加快交换机查找路由表的速度。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 4.3.3 IntServ综合业务模型 • 发送报文前，需要向网络申请特定的QoS。 • IntServ提供两种服务类型： • 保证服务（GS）：提供保证的带宽和时延限制来满足应用程序的要求。 • 负载控制服务（CLS）：保证在网络过载的情况下，也能提供服务。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 • IntServ模型第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 • IntServ优点提供多种服务类型。提供每个流端到端的服务质量保障。 • IntServ缺点维护链路状态的工作使核心路由器不堪重负。需要传送每个流的信令和状态，系统开销太大。面向连接的特性容易导致网络复杂化。对服务质量参数进行计费非常困难。需要全部网络设备都提供一致的技术。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 4.3.4 DiffServ区分业务模型（1）DiffServ区分业务 • DiffServ的基本思想是把业务分成不同的类别，并根据业务所属类别区分对待。 • DiffServ有以下优点：将用户业务流汇聚为少数几种业务类型，为不同的业务类型提供相应的优先权。对业务进行分类、整形等处理，在边界路由器上实现，内部路由器有更强的数据转发能力。不需要信令，应用程序在发出报文前，不需要通知路由器。第4章网络性能设计

案例：区分服务的基本模型

4.3 服务质量设计 • 区分服务结构=策略/资源管理器+边缘业务流调节+核心区分转发 • 由用户和业务提供者商定服务等级（SLS）。 • 网络发生拥塞时，按流量调节规定（TSC）处理用户的业务流。第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 （2）CAR流量控制技术 • CAR（约定访问速率）根据IP包的优先级进行报文的分类。 • 流量监管是限制进入网络的流量，如报文流量过大，就丢弃报文，或重新设置报文优先级。如限制FTP报文不能占用超过30%的网络带宽。 • CAR可用于网络的入口和出口，还可对报文优先级加以重新标记。第4章网络性能设计

带宽预留及速率限制 拥塞发生时，保证各种业务能按照一定的传输比例占用带宽；带宽可被动态分配和使用。 4.3 服务质量设计第4章网络性能设计

4.3 服务质量设计 （3）队列调度技术 • QoS能力与队列调度机制有着密切的关系。 • 队列调度算法对传输延迟、数据包丢失率等性能指标有着直接的影响。 • 常见队列调度算法：先到先服务（FIFO）：随机先期检测算法（RED）：分组公平队列（PFQ）：加权公平排队（WFQ）：优先级排队（PQ）：基于轮循的调度算法（RR）：第4章网络性能设计

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