第05章 网络性能设计[增强版]

第1页共102页第5章网络性能设计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】第2页共102页5.1网络带宽分析与设计第3页共102页5.1网络带宽分析与设计5.1.1带宽不稳定性分析网络性能要求在用户需求分析时确定在频带网中，带宽指频率上、下边界之差，以Hz为单位。在基带网中，带宽用来衡量数据的传输速率。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。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。第4页共102页5.1网络带宽分析与设计视频是网络带宽的主要占用者。带宽与网络设备、网络线路、网络类型、应用环境等因素有关。以太网带宽不稳定性分析全部网络设备做非阻塞式设计投资相当大。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。第5页共102页5.1网络带宽分析与设计5.1.2网络用户业务模型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。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。第6页共102页5.1网络带宽分析与设计[P102表5-1]端到端网络业务最低带宽要求业务类型最低下行带宽最低上行带宽业务说明网页浏览32kbit/s10kbit/s每个页面收发邮件128kbit/s128kbit/s依用户与邮件服务器带宽而定网上聊天64kbit/s32kbit/s文字聊天网上购物64～128kbit/s32kbit/s交互式应用网络游戏64～256kbit/s64kbit/s因特网游戏，依用户与游戏服务器带宽而定IP电话128kbit/s32kbit/sH.323纯语音IP电话，采用G.723编码视频监控256～512kbit/s256～512kbit/s分布式多媒体监控业务，如交通监控系统等视频点播1512kbit/s64kbit/sMPEG-1（VCD）分配型多媒体视频业务IPTV2～8Mbit/s512kbit/s～1Mbit/s网络电视业务HDTV2～20Mbit/s512kbit/s～1Mbit/s1024×768分辨率以上的高清电视业务第7页共102页5.1网络带宽分析与设计网络带宽低于256kbit/s时，很难满足用户对网络服务的需求。基本设计思想：根据带宽占用大的业务来选择链路带宽，并根据业务使用频度考虑对带宽的复用。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。第8页共102页5.1网络带宽分析与设计[P103图5-1]用户使用因特网的时间规律第9页共102页5.1网络带宽分析与设计调查显示：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；用户平均每天收发的电子邮件为2.5封。获取信息占46%；休闲娱乐占32%；学习占8%。第10页共102页5.1网络带宽分析与设计5.1.3网络带宽设计案例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。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11页共102页5.1网络带宽分析与设计网络带宽的阻塞式与非阻塞式设计5.1网络带宽分析与设计[案例]某大学有8栋楼，共1640个信息点希望提供视频点播服务，楼栋与信息点数对应关系如下，设计校园网视频链路需要的总带宽。第12页共102页楼号12345678信息点个数300604040120120480480总信息点个数16405.1网络带宽分析与设计[分析]如果每个点提供MPEG-2质量的视频流（DVD），则每个端口所需最低带宽为2Mbit/s；若提供MPEG-1的视频流（VCD），则每个端口最低带宽256kbit/s。为了保证质量，假设设计单个信息点最大带宽为5M，集线比1：1。按非阻塞式设计，提供DVD点播，视频服务需要的总带宽为5Mbit/s*1640=8.2Gbit/s。真正的链路带宽与拓扑结构有关。按阻塞式设计，每栋楼以1G的链路连接到中心机房，8栋楼共8G主干带宽流量，可以保证每栋楼有1000M/5M=200个用户使用视频点播。第13页共102页5.1网络带宽分析与设计[分析]计算结果如下：绿色表示非阻塞式设计，红色表示阻塞式设计。第14页共102页楼栋号12345678信息点300604040120120480480总带宽Mbit/s150030020020060060024002400需要1G链路条数21111133最大用户数400200200200200200600600网络负载%7530202060608080总带宽Mbit/s10001000100010001000100010001000需要1G链路条数11111111最大用户数200200200200200200200200网络负载%10030202060601001005.1网络带宽分析与设计[分析]由表可见：1、非阻塞式设计链路条数多，成本高，但是网络负载低于阻塞式设计。2、网络负载超过70%时，容易发生广播风暴，导致网络效率急剧降低。阻塞式设计中，有3栋楼都达到了100%，不符合要求。3、对2~6栋，两种设计方法均可；对1、7、8栋，如果采用阻塞式设计，则只能采用MPEG-1质量播放视频。第15页共102页第16页共102页5.1网络带宽分析与设计5.1.4网络集线比设计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。接线比模型建立在所有用户不会同时通信的基础上。第17页共102页5.1网络带宽分析与设计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。第18页共102页5.1网络带宽分析与设计5.1.5网络带宽管理技术1．利用硬件设备进行网络带宽管理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。第19页共102页5.1网络带宽分析与设计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。第20页共102页5.1网络带宽分析与设计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，ISAServer软件可以进行网络带宽管理。在ISAServer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。ISAServer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。网络管理人员可以根据协议、调度、用户、目的、内容等方面指定带宽规则。第21页共102页5.2网络流量分析与设计(重点)第22页共102页5.2网络流量分析与设计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；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。第23页共102页5.2网络流量分析与设计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。如电子邮件具有很强的突发性。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24页共102页5.2网络流量分析与设计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监控网络流量负载的软件第25页共102页5.2网络流量分析与设计流量监测图功能：峰值流量大小，出现时间，持续时间；平均流量大小；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。第26页共102页5.3服务质量分析与设计[案例1]流量监测第27页共102页5.2网络流量分析与设计[案例2]流量监测统计表第28页共102页5.2网络流量分析与设计[案例3]网络流量分析第29页共102页5.2网络流量分析与设计5.2.2网络流量设计模型1．分层网络的流量模型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。第30页共102页5.2网络流量分析与设计数据流量模型第31页共102页5.2网络流量分析与设计2．汇聚层链路聚合链路聚合的目的是保证链路负载均衡。双链路可能会产生负载不均衡的现象。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。第32页共102页5.2网络流量分析与设计链路聚合的不同情况第33页共102页5.2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。第34页共102页5.2网络流量分析与设计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。第35页共102页5.2网络流量分析与设计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36页共102页5.2网络流量分析与设计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。第37页共102页5.2网络流量分析与设计[案例4]流量管理器应用第38页共102页5.2网络流量分析与设计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。第39页共102页5.2网络流量分析与设计流量均衡与链路聚合拓扑结构第40页共102页5.2网络流量分析与设计[案例5]链路聚合第41页共102页5.2网络流量分析与设计IEEE802.3ad是实现链路动态聚合的协议。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。对方接收到这些信息后，将