山东大学《计算机网络设计》课件第4章 网络性能设计

1、第4章 网络性能设计主讲：易建勋第4章 网络性能设计第2页 共82页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。 主讲：易建勋第4章 网络性能设计第3页 共82页4.1 网络带宽设计网络主讲：易建勋第4章 网络性能设计第4页 共82页4.1 网络带宽设计（2）以太网带宽不稳定的因素带宽能否

2、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第5页 共82页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。主讲：易建勋第

3、4章 网络性能设计第6页 共82页4.1 网络带宽设计网络主讲：易建勋第4章 网络性能设计第7页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第8页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第9页 共82页4.1 网络带宽

4、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第10页 共82页4.1 网络带宽设计主讲：易建勋第4章 网络性能设计第11页 共82页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24

5、0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1：81：15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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第12页 共82页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）最大集线比主讲：易建勋第4章 网络性能设计第13页 共82页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

6、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第14页 共82页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 主讲：易建勋第4章 网络性能设计第15页 共82页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

7、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第16页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第17页 共82页4.2 网络流量分析与设计

8、主讲：易建勋第4章 网络性能设计第18页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第19页 共82页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。案例：流量监测统计表主讲：易建勋第4章 网络性能设计第21页

9、共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第22页 共82页4.2 网络流量分析与设计主讲：易建勋第4章 网络性能设计第23页 共82页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

10、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第24页 共82页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=nt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

11、/小时，t是呼叫平均保持时间，单位是小时。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第25页 共82页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）。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第26页 共82页4.2 网络

12、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-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：主讲：易建勋第4章 网络性能设计第27页 共82页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550Erl范围之内，则可将Erlang-B公式简化为经验公式：M=5.5+1.17A （GoS=0.01时）M=7.8+1.28A

13、 （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0.20.3Erl/线。 主讲：易建勋第4章 网络性能设计第28页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第29页 共82页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（A

14、P）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） 主讲：易建勋第4章 网络性能设计第30页 共82页主讲：易建勋第4章 网络性能设计第31页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第32页 共82页4.3 服务质量设计4.3.1 QoS的主

15、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第33页 共82页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

16、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第34页 共82页（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%。4.3 服务质量设计主讲：易建勋第4章 网络性能设计第35页 共82页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，

17、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第36页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第37页 共82页4.3 服务质量设计（2）RFC提出的QoS模型RFC1633

18、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）。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第38页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第39页 共82页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

19、的标签，加快交换机查找路由表的速度。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第40页 共82页4.3 服务质量设计主讲：易建勋第4章 网络性能设计第41页 共82页4.3 服务质量设计主讲：易建勋第4章 网络性能设计第42页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第43页 共82页4.3 服务质量设计IntServ模型主讲：易建勋第4章 网络性

20、能设计第44页 共82页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。4.3 服务质量设计主讲：易建勋第4章 网络性能设计第45页 共82页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

21、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。案例：区分服务的基本模型主讲：易建勋第4章 网络性能设计第47页 共82页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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第48页 共82页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

22、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。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第49页 共82页 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 服务质量设计主讲：易建勋第4章 网络性能设计第50页 共82页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）

23、： 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）：补充：优先队列计划补充：自定义优先队列案例：加权公平队列主讲：易建勋第4章 网络性能设计第54页 共82页4.3 服务质量设计（4）DiffServ的优点与缺点优点： 没有基于流的额外开销； 实现简单，可扩展性好； 与其它QoS技术兼容。缺点： 只着眼于单个路由器，缺乏全网观念； 很难提供基于流的端到端的质量保障； 在骨干网上过多使用QoS会给网络运行带来压力。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第55页 共82页4.3 服务质量设计DiffServ与IntServ的比较如表4-6所示。主讲：

24、易建勋第4章 网络性能设计第56页 共82页4.3 服务质量设计4.3.5 MPLS与流量工程（1）MPLS工作原理MPLS（多协议标签交换）是各种IP路由和ATM交换技术的结合。MPLS在无连接的IP网络中，引入了面向连接的机制。MPLS将路由器移到网络的边缘，将高速的交换机置于网络中心，设计思想是边缘路由、核心交换。对一个连接请求实现一次路由选择，多次交换服务。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第57页 共82页4.3 服务质量设计MPLS标记（Label）是简短的、长度固定的、具有本地意义的标识符，主要用来作为路由器转发分组的一个判别索引。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第58页 共82页

25、4.3 服务质量设计4.3.6 QoS存在问题分析（1）QoS的复杂性IP使用统一格式的数据包，因此很难知道用户的业务类型；用户可能混合使用多种业务，很难建立这些业务的流量模型；不同用户的同一种业务，其业务特征和流量模型也很可能不同；端到端的可用资源情况很难判断；因特网的运营时间还非常短。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第59页 共82页4.3 服务质量设计（2）技术还不成熟目前的QoS体系无法解决全部QoS问题。（3）实现QoS需要全网的支持（4）需求并不紧迫（5）电话网的QoSPSTN最大特点是具有固定速率（64kb/s），因此可以计算出用户请求的端到端的网络资源是否可用。（6）ATM的Q

26、oS主讲：易建勋第4章 网络性能设计第60页 共82页4.3 服务质量设计4.3.7 网络QoS设计（1）业务类型与QoS需求分析单一的数据业务网络不需要QoS，多业务网络才需要QoS，因此业务分类是基础。根据对时间的敏感度，可将网络业务分为实时业务与非实时业务。根据对数据传输的要求，可分为可靠业务与不可靠业务等。不同的业务对服务质量的理解是不同的。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第61页 共82页4.3 服务质量设计（2）单优先业务网络QoS设计案例在单优先业务网络中，优先业务是最关键的。在图4-13的某行业网络中，语音是优先业务。（3）多优先业务网络QoS实施为了减少网上业务的时延及抖动，

27、需要对一些大量占用网络带宽的非关键性业务（如FTP等）进行带宽限制。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第62页 共82页4.4 拥塞控制4.4.1 网络拥塞的形成（1）拥塞的定义在某一时间段内，如果对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就会变坏，这种情况称为拥塞。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第63页 共82页4.4 拥塞控制主讲：易建勋第4章 网络性能设计第64页 共82页4.4 拥塞控制（2）造成网络拥塞的因素如果网络设备没有足够的缓存空间来保存临时分组，有些分组就会产生拥塞丢失。网络设备的处理器速度慢也能导致拥塞。在接收端产生的拥塞反过来会引起发送端缓冲区的拥塞

28、。低带宽线路也会导致拥塞。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第65页 共82页4.4 拥塞控制（3）拥塞控制和流量控制的差别拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器。流量控制往往是在给定的发送端和接收端之间点对点的通信量。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第66页 共82页4.4 拥塞控制4.4.2 死锁（1）直接死锁通信双方彼此占用了对方需要的资源造成的死锁。解决方法：每个节点设置两个队列，一个是发送队列；另一个是接收队列。（2）存储转发死锁死锁发生在几个节点循环等待对方资源释放缓冲区出现的一种情况。解决存储转发死锁可用结构缓冲池分配法。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第67页

29、 共82页4.4 拥塞控制（3）重装死锁重装死锁可以在发送节点和接收节点间建立一个连接来防止。解决死锁的一种方法是先让它发生，然后再处理它。出现死锁时，通常是删除某些分组以释放部分缓冲空间，这是打开死锁的代价。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第68页 共82页4.4 拥塞控制4.4.3 网络拥塞的处理（1）拥塞控制的基本原理拥塞控制的解决方案可分为两类：一类是开环控制，一类是闭环控制。开环控制通过良好的设计避免问题的出现，一旦系统运行就不再做更正。闭环控制应进行以下操作： 监检测系统何时何地发生了拥塞； 将此信息传送到可能采取行动的地方； 调整系统操作以解决拥塞问题。主讲：易建勋第4章 网络性

30、能设计第69页 共82页4.4 拥塞控制（2）处理拥塞的方法分组删除流量控制抑制分组启用备份设备或链路降低载荷主讲：易建勋第4章 网络性能设计第70页 共82页4.5 负载均衡设计4.5.1 负载均衡原理与技术（1）负载均衡基本原理负载均衡技术是采用一组服务器来共同提供一项或多项应用服务，采用专用设备或多条链路，将应用服务的通信量及服务器端处理的工作，智能地分配到整个服务器组中的不同服务器上，或均衡分配到多条链路上。采用负载均衡技术后，整个服务器组在网络中表现为一个虚拟的服务器，服务器组中的 。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第71页 共82页4.5 负载均衡设计客户端访问虚拟IP地址时，负载

31、均衡设备将会话分配到属于虚拟服务器中具有最高可用性的一个，并监控每个会话。负载均衡需要进行两方面的处理，一是将数据流量分担到多台设备上分别处理；二是将单个重负载的运算分担到多台设备上做并行处理，每个设备处理结束后将结果进行汇总，返回给用户。主讲：易建勋第4章 网络性能设计第72页 共82页4.5 负载均衡设计（2）负载均衡技术的类型软件负载均衡： 如DNS Load Balance、CheckPoint Firewall-1 ConnectControl等。硬件负载均衡： 负载均衡器独立于操作系统，整体性能得到了很大的提高。 硬件负载均衡在功能和性能上优于软件方式，但是成本过于昂贵。主讲：易建

32、勋第4章 网络性能设计第73页 共82页4.5 负载均衡设计4.5.2 负载均衡设计要求（1）负载均衡策略负载均衡策略的优劣：一是负载均衡算法，二是对网络系统状况的检测方式和能力。常用负载均衡算法有：轮循均衡（RR）加权轮循均衡（WRR） 随机均衡（Random）响应速度均衡（RT）最少连接数均衡（LC）处理能力均衡主讲：易建勋第4章 网络性能设计第74页 共82页4.5 负载均衡设计（2）负载均衡设计要点设计均衡方案时需要考虑以下问题。性能 可将每秒钟通过网络的数据包数目做为一个参数；另一个参数是服务器群所能处理的最大并发连接数目。可扩展性 应满足不同操作系统和硬件平台之间的负载，能均衡HTTP、邮件、新闻、代理、数据库、