电网企业信息网带宽需求预测算法设计-范文

电网企业信息网带宽需求预测算法设计电网企业信息网带宽需求预测算法设计 摘摘 要 网络带宽需求预测结果是编制电网企业信息网规划容量的依据和基础 本文依据要 网络带宽需求预测结果是编制电网企业信息网规划容量的依据和基础 本文依据 计算机通信网信息量理论 在分析了各种影响网络传输的因素的基础上 设计出一种基于计算机通信网信息量理论 在分析了各种影响网络传输的因素的基础上 设计出一种基于 排队分析模型的网络带宽需求预测算法 排队分析模型的网络带宽需求预测算法 关键词 网络带宽 需求预测 算法关键词 网络带宽 需求预测 算法 0引言引言 信息网是电网企业重要的信息化基础设施之一 是为非电网监控系统联网服务的公司 内联网络 覆盖公司系统各单位 变电所 集控站 供电营业所 并负责与外网 因特网 的连接 随着信息技术应用广度和深度的不断扩展 各类应用系统的联网投运 对网络特 别是主干网处理能力要求越来越高 同电网发展规划编制必须以电力负荷预测结果为依据 一样 在信息网规划阶段对网络流量进行合理的预测 基本准确地计算出需要的网络带宽 并据此进行网络规划 以保证网络对应用的服务质量是非常必要的 提出一个可用的网络 带宽需求预测算法是当前规划编制中必须解决的技术课题 1计算机通信网信息量理论概述计算机通信网信息量理论概述 根据现有的负载信息或根据对于一个新环境估算的负载情况进行性能估计有以下多种 可能的方法 基于实际数值作系统建成后的分析 通过对现有状况作简单推广来估计 预期的未来情形 基于排队理论制定一个解析模型 编程并运行一个仿真模型 没有现成的数据 第一种方法难以采用 网络上的请求大多是不可能精确预见的 第 二种方法预测误差相当大 第三种就是利用一个解析模型 这个模型可以表达一组方程式 通过解方程式我们就可以得到需要了解的参数 对于计算机 操作系统 联网问题 此外 实际还有许多使用的实际问题 都可以用基于排队论的解析模型来处理 不过排队论的缺 点是 为了推导出我们要求参数的方程 我们需要很多假设 最后一种方法是仿真模型 只要有足够大的并且灵活的仿真程序 就可以对实际问题模型化 并且不需要太多的假设 但是 一般情况下不采用这种方法 一方面 这种算法同样会有误差 而且工程量非常大 有时侯甚至要运行几天甚至几个星期 另一方面 用排队论得出的结果通常与仿真模型得 出的没有太大区别 因此通常用排队论来解决 1 1 排队模型 排队模型有两种 单服务员队列 多服务员队列 如图 1 图 2 所示 图 1 描述了最 简单的排队系统 这个系统的中心元素是一个服务员 它负责为顾客提供某种服务 从某 种顾客群体中来到的顾客到达这个系统要求服务 若服务员是空闲的 顾客就会立即得到 服务 否则到达顾客就加入等待队列中 当服务员完成一个顾客时这个顾客就离开系统 如果队列中有顾客 就立即为下一个顾客服务 图 2 表示了简单模型推广到多个服务员的 情形 这些服务员共享一个队列 如果一个顾客到达至少有一个服务员是可以服务的 那 么这个顾客就会被提交那个服务员 否则进入队列等待 这种情况下 进入队列的顾客有 可能被任何一个服务员服务 另一种可能是多个队列 即每个服务员对应一个队列 顾客 进入队列之后 只能被该服务员服务 1 2 采用的排队分析模型 单服务员 多服务员队列分析公式涉及大量的假设和概率论知识 推动过程比较复杂 这里只引用结果 在排队分析中 数据报都是假设以泊松到达规律到达网络中排队的 由于 IP 数据报 的大小是变化的 所以数据报在网络中从开始传送到结束的时间 传送时间 是指数分布 的 由于假设所有数据报都在同一个物理通道上走 所以服务员为单服务员 因此采用的 排队分析模型为单服务员 泊松到达 指数分布服务时间 每个数据报在系统中平均花费的时间 Tq 平均排队时间 Tw 平均传送时间 Ts 令 带宽的利用率为 泊松到达 指数分布服务时间的公式 1 s q T T 从该公式可以看出 当接近 1 时 每个数据报在系统中平均花费的时间将趋向无穷 大 顾客到达 到达率 服务员服务规则等待队列 w 顾客等待 Tw 等待时间 Ts 服务时间 等待时间 q 排队系统中的顾客 Tq 系统中的停留时间 图 1 单服务员队列 离去 顾客到达 到达率 服务员 2 服务规则等待队列 a 多服务员队列 服务员 n服务员 1 离去 顾客到达 服务员 1 服务规则等待队列 到达率 服务员 2服务员 n 离去 b 多个单服务员队列 图 2 多服务员队列 2网络带宽需求预测算法设计网络带宽需求预测算法设计 2 1 网络带宽需求预测算法设计时考虑的若干因素 2 1 1 网络承载的业务数据类型 不同类型的数据对网络带宽的要求是不同的 对网络数据作一个大的分类 可以分成 三大类 实时数据 非实时数据 网络管理数据 实时数据要求的网络带宽是一定的 比如需要 2Mbit s 传输图像信息 如果网络提供 的带宽小于 2Mbit s 则会影响图像传送质量 如减少每秒传输的帧数引起图像感觉不连续 图像产生马赛克现象等 对非实时数据 有以下 4 个因素影响其所要求的网络带宽 a 网络能提供的带宽 网络提供的带宽越大 非实时数据能利用的带宽也越大 b 特定应用系统或协议要求的最小带宽 如 SAP 系统每点要求的最小带宽是 4Kbit s 如果小于这个带宽 则系统会认为网络断了 还比如 TCP 协议所能接受 的超时时间等 c 用户能忍受的带宽 比如浏览一页 100K 的 Web 页面 有的能忍受 5 秒钟 有的 能忍受 30 秒钟 d 如果所有非实时数据在一定时间 T 之内 如上班时间 同时使用 产生一定的数 据量 D 则网络至少应提供的带宽 D T 此为非实时数据能利用的平均带宽 网络管理数据是网管系统为了对网络进行管控而采集传递的数据 对网络带宽的需求 是一定的 2 1 2 网络承载的应用特征 网络承载的大多数应用可以分成下列三类之一 终端仿真 客户机 服务器和文件传输 不同的应用类型有不同的应用特征 在终端仿真的情况下 其应用特征可以描述为 产生小的数据包 具有较低的吞吐量 例如 Telnet 的特点是 在缺省状态下 发送给主机一个信息 返回一个回应 echo 客 户机上的包输出取决于用户击键的速度 有时 用户可能发送一行或一屏文本给主机 3270 终端仿真就是如此 我们的目标是优化网络 就是让来回的时延最小化 使用户感觉 不到网络有明显的响应时间 而这些关键在于主机 对客户机 服务器而言 中小包是比较正常的 这取决于发送给服务器的命令的复杂程 度和返回给客户机的数据量 这些变化在很大程度上受客户机 服务器结构的影响 结构有 如下三种 客户机和服务器是可以互换的 两层 tow tier 或三层 three tier 在两层结构中 客户机通常向 SQL 服务器发送 SQL 命令 SQL 服务器指的是 Oracle DB 2 Informix 或者 Microsoft SQL 等数据库服务器 SQL 服务器执行 SQL 语句 并向客户机返回数据 然后客户机应用程序对此数据进行处理 在三层机构中 一个客户机连接一个应用服务器 服务器接收来自用户的键盘输入和 鼠标点击的信息 应用服务器与一个 SQL 服务器或另一个程序连接 他们可以共存与一台 机器上 这台计算机连接到一个高速通道或专用骨干网上 或者连接到另外一个网络的一 台计算机上 应用服务器处理数据并按照屏幕更新的形式把数据回送给客户机 第三个主要应用领域是文件传输 可以把大 中数据包和高输出作为这些应用的主要 特征 在此情况下 我们的目标是优化应用以便利用网络底层的最大传送单元 MTU 来 提供最大的包尺寸 这样 使每个包的协议开销最小 并且减少了包的数量 而这些使包 交换机 路由器和服务器在传送大批数据是必须处理的 这方面的例子包括使用 FTP NCP 和 SMB 协议传输文件 2 1 3 实际网络流量与传输数据量之间的比例 传输数据量与实际网络流量之间存在着较大差异 以传输 100K 数据为例 如果是 100K 数据库信息通过二层结构传输 则基本是通过 SQL 语句来传输的 而且传输数据报 不大 数据包含在 SQL 语句中 再加上数据库应用层的协议开销 TCP IP 协议开销 通 过数据库传输 100K 数据的实际网络流量在 250K 左右 类似的 访问一个新的 100K 大小 的 Web 页面 实际网络流量在 150K 左右 如果访问一个通过 Email 发送 100K 附件 实 际网络流量也在 150K 左右 通过 ftp 下载文件效率最高 下载 100K 文件 实际网络流量 在 110K 左右 以上数据都通过实验统计得到 反映的是实际情况 如果网络拥挤 丢报率大的话 比例还会增大 2 1 4 网络带宽利用率及对带宽的影响 根据前述的泊松到达 指数分布服务时间的公式 当网络带宽利用率接近 1 时 每 个数据报在系统中平均花费的时间将趋向无穷大 一般取 60 到 70 根据最新网络通信量统计和分析 数据报到达网络的规律是自相似的 根据相当多学 者的试验统计分析 带宽利用率超过 50 以后 数据报在系统中平均花费的时间将急剧上 升 应根据不同数据类型的带宽估算情况 设置不同的带宽利用率 2 2 网络带宽需求预测算法 2 2 1 电力系统业务和数据分类 根据网络承载的不同电力业务对网络需求的不同 将数据分为实时数据 非实时数据 网络管理数据三类 a 实时数据业务包括 IP 电话 视频会议 远程网络教育 视频点播等多媒体业务 b 非实时数据业务包括企业资源计划系统 办公自动化系统 电力营销系统 地理 信息系统 技术监督系统等业务和电子邮件 网站 文件传送等 c 网络管理数据包括网络管理 系统管理 病毒系统等运行的数据 2 2 2 不同数据类型的计算公式 网络总带宽需求计算公式 B0 B1 1 B2 2 B3 3 1 式中 B0 网络总带宽 Mbit s B1 实时数据带宽 Mbit s B2 非实时数据带宽 Mbit s B3 网络管理数据带宽 Mbit s 1 实时数据带宽利用率 2 非实时数据带宽利用率 3 网络管理数据带宽利用率 带宽利用率取值见表 1 表 1 数据业务带宽利用率表 单位 数据业务类型带宽利用率 实时数据60 非实时数据70 网络管理数据60 网络管理数据带宽固定 B3 值设定为 64Kbit s 2 2 2 1 实时数据带宽计算公式 B1 B11 B12 B1i B1n 2 B1i Si Pi 3 式中 B1 实时数据带宽 Mbit s i 实时数据业务个数 B1i 某个 实时数据业务 i 的带宽 Mbit s Si 某个实时数据业务 i 对系统中每点要求的带宽 Mbit s Pi 某个实时数据业务 i 在系统中产生数据的点数 实时数据业务每点速率Si取值见表2 表2中所列数据依据ITU H 320 ITU H323 ITU H263标准确定 表2 实时数据业务每点速率表 业务类型每点带宽 会议电视 2Mbit s 远程教育2Mbit s 变电站图像监控2Mbit s IP 电话16kbit s 视频点播 VoD225 1kbit s Pi表示某项实时数据业务规模 规模估算原则设定如下 a 会议电视 采用多点播送方式 按所有覆盖点估算 b 远程教育 采用多点播送方式 按所有覆盖点估算 c IP 电话 假设总人数中有三分之一在同时打电话 d VoD 假设总人数中有四分之一在同时点播 2 2 2 2 非实时数据带宽计算公式 B2 B21 B22 B23 4 式中 B2 非实时数据带宽 Mbit s B21 有可用性要求的非实时数据带宽 Mbit s B22 无可用性要求的非实时数据带宽 Mbit s B23 满足突发和定期数据传输需要而设定的带宽 Mbit s 对有可用性要求的非实时数据业务 如企业资源计划系统 网站浏览 电子邮件等 需要保证一定量的带宽以满足要求 所需带宽的计算参照实时数据业务带宽的计算方法进 行计算 有可用性要求的非实时数据带宽 B21的计算公式 B21 C1 C2 Ci Cn 5 Ci Ni Pi 6 式中 Ci 业务i的带宽 Mbit s Ni 业务i同时使用的人数 Pi 使用 业务i单个信息点要求的带宽 Kbit s 每点带宽Pi取值见表3 表 3 非实时数据可用带宽要求 单位 Kbit s 业务类型每点带宽 电子邮件10 网站浏览5 企业资源计划系统 ERP 5 地理信息系统 GIS 12 其他非实时数据带宽 B22的计算公式 B22 D1 T E1 D2 T E2 Di T Ei Dn T En 8 1000 7 Di 使用人数 使用频度 每次数据量 1000 8 Di T Di 1000 6 60 60 9 式中 Di 非实时数据每天总的网络流量 Mbyte T 每工作日系统使用的有效时间 h Ei 某种系统拓扑结构的网络传输效率 a 非实时数据每天总的网络流量根据调查结果计算 根据系统的使用人数 使用频 度 单位为次 天 每次使用数据量 单位为 Kbyte 计算每天的总数据量 使 用人数为一天内使用的总人数 b 大部分系统的运行集中在上班时间 假设大部分数据量都平均分布在 6h 之内 因 此 T 取值设定为 6h c Ei为某种系统拓扑结构的网络传输效率 根据不同系统拓扑结构的传输效率来计 算平均每秒网络传输量 按照计算机网络协议 byte 转换为 bit 按 8 位计算 传输效率指不同系统拓扑结构下实际网络流量与实际传输的数据量之间的比例 传输 效率 Ei取值见表 4 表 4 网络传输效率表 系统结构类型传输效率 二层2 5 多层 电子