第4章 网络需求分析 天津大学 计算机科学与技术学院 饶国政 博士

本课程知识结构导学图 网络工程设计概述(2学时) 网络工程设计基础(4+2学时) 配置二层以太网交换机(2+4学时) 基本概念、基本设备 简单组网技能 配置二层以太网交换机(2+4学时) 网络需求分析 (4学时) 结构化布线系统和机房设计(2学时) 中型网络设计知识与技能 设计中型网络 路由器配置(2+4学时) 企业网设计(4学时) 大型网络设计知识与技能 设计大型网络 网络安全策略设计(2+0学时) 网络维护与测试(2+0学时) 设计性实验(0+10学时) 网络设计综合知识与应用

回顾 联网物理介质 问题：为什么需要各种不同的联网介质？ 以太网技术 问题：速率不同，应用的场合是否一样？ 案例教学

教学提示 教学目的 重点 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 搞清网络应用目标，理解网络应用约束，掌握网络分析的技术指标，采用适当的分析网络流量的方法，对于网络需求分析是十分重要 以设计网络实验室局域网和办公环境局域网为例，讲解了需求分析和设计过程 重点 网络分析的技术指标 分析网络流量的方法

定义和任务 定义： 网络需求 在需求分析阶段 需求分析是网络设计过程的基础 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 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

要点  分析网络应用目标 分析网络应用约束 网络分析的技术指标 因特网流量的特点 分析网络流量 网络工程案例教学

分析网络应用目标(1) 工作步骤 明确网络设计目标。典型网络设计目标包括 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，共享的重要数据资源 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

分析网络应用目标(2) 明确网络设计项目范围 明确用户的网络应用 是设计新网络还是修改网络 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 应用名称 应用类型 是否为新应用 重要性 备注 办公邮件 电子邮件 否 非常重要 政策法规库 文件共享/访问 重要 会议系统 视频会议 是 不重要 中层以上领导

要点 分析网络应用目标 分析网络应用约束 网络分析的技术指标 因特网流量的特点 分析网络流量 网络工程案例教学 

分析网络应用约束(1) 政策约束 预算约束 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

分析网络应用约束(2) 时间约束 应用目标检查表  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 检查项目 结果 对用户所处的产业及竞争情况做了研究。  了解用户的公司结构。 ……

要点 分析网络应用目标 分析网络应用约束 网络分析的技术指标 因特网流量的特点 分析网络流量 网络工程案例教学 

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 这些技术指标为我们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

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

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

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

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

时延抖动(jitter) 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

网络性能参数—路由(Route) Packet Switching h0 h1 l0 l1 hn-1 ln hn 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 Packet Switching hn-1 ln 19 hn

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

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

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 介质时延 打印时延 服务器时延 网卡时延 网络时延 广域网 服务器 远地用户 网络访问设备 当响应时间超过100 ms或1/10 s的时候，就会引起不良反映 超过100 ms，就能意识到等待网络的传输

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 例如，网络检测工具表明某网段的利用率是30%，这意味着有30%的容量在使用中 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

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

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”的指标用于衡量IP网络的性能。这是因为许多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。故该指标反映了IP层丢包率对应用性能的影响 这条线定义了某些网络 应用不可用的阈值 丢包率 时间

其他网络分析的技术指标(续) 可扩展性(Scalablity) 安全性(Security) 可管理性(Manageability) 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

技术目标检查表 项 目 记录了用户今年、明年两年内关于扩展地点、用户、服务器/主机数量的计划。 项 目 结果 记录了用户今年、明年两年内关于扩展地点、用户、服务器/主机数量的计划。 得知了部门服务器迁移到服务器场点或内部网络的计划。 得知了有关实现与合作伙伴和其他公司通信的外部网络的计划。 记录下网络可用性的运行时间百分比和/或MTBF以及MTTR目标。 记录下共享网段上的最大平均网络利用率目标。 记录下网络吞吐量目标。 ……

网络应用技术需求表 应 用 名 称 类 型 是 否 为 新 重 要 性 停 机 成 本 可 接 受 的 M T B F R 吞 吐 量 目 标 时 延 必 须 小 于 时延变化量必 须小 备 注

要点 分析网络应用目标 分析网络应用约束 网络分析的技术指标 因特网流量的特点 分析网络流量 网络工程案例教学 

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 了解这些规律对于我们把握设计计算机网络的一般规律是有帮助的

观察结果 1 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 不能把通信量的结构视为不变的

观察结果 2 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

观察结果 3 网络流量的“邻近相关性”(locality)效应 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 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

观察结果 4 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 90% (或 20-80) 原因：客户机服务器方式、地理原因等

观察结果 5 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

观察结果 6 会话的到达过程是泊松(Poisson)过程 因特网 的最终用户是人。是这些人独立地随机发起对 因特网 的接入 例如，用户向万维网服务器请求单个的页面，就服从于泊松过程

观察结果 7 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

观察结果 7(续) 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

观察结果 8 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

观察结果 9 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 尤其是下载万维网的大文件 多数应用都使用 TCP/IP 流量

观察结果 10 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 即使由于 IP 电话和多播技术的使用(这些应用是在 UDP 上运行)，TCP 仍占主导地位 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)

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

作业 网络需求分析的目标是什么？简述网络需求分析的重要性。 试给出主要的网络性能参数，它们的定义和度量的方法。其中哪些网络性能指标更为基本，更易于获取。 简述因特网流量特点所反映出的基本规律。

第4章 网络需求分析 天津大学 计算机科学与技术学院 饶国政

回顾 需求分析 网络分析的技术指标 问题：设计网络为什么要首先确定用户有效完成工作所需的网络服务和性能水平？ 问题：列举几个你认为最重要的网络性能技术指标

要点 分析网络应用目标 分析网络应用约束 网络分析的技术指标 因特网流量的特点 分析网络流量 网络工程案例教学 

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 参数的估算无疑为网络设计提供了依据

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

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 客户机 局域网 路由器 服务器 客户机 路由器 局域网 广域网 大型存储器 虚拟工作组1成员 虚拟工作组2成员

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 客户机 局域网 服务器 广域网 大型存储器 场点1边界 场点2边界 场点3边界 场点4边界 场点1 场点2 场点3 场点4

分析网络通信流量特征 刻画流量特征包括 在某些应用中，流量是双向的且对称的 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

测量现有网络的流量 测量方式大体可分为两类 一是主动式，它通过主动发送的测试分组序列来测量网络行为 二是被动式，它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)

现有网络的通信流量 流源1 流源2 … 流源n 信源1 Mpbs 路径 信源2 信源n

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

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

应用程序对象的近似长度 对象类型 长度( kpbs) 终端屏幕 4 电子邮件信息 10 Web网页(包括GIF和JPEG图像) 50 电子表格 100 文字处理文档 200 图形计算机屏幕 500 演示文档 2,000 高分辩率图像(打印质量) 50,000 多媒体对象 100,000 数据库备份 1,000,000

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 CAD服务器 子网3 主干流量

通信量分布表 应用 每子网分布率 模拟会话 平均事务大小 总访问容量 电子邮件 33/33/33 150/秒 3KB 4.6 Mpbs 文件传输 25/25/50 100文件/小时 4.5MB 560 kpbs Web浏览 50/25/25 200网页/秒 50KB 10 Mpbs CAD服务器 0/50/50 65/小时 40MB 5.78 Mpbs

要点 分析网络应用目标 分析网络应用约束 网络分析的技术指标 因特网流量的特点 分析网络流量 网络工程案例教学 

案例1：网络实验室局域网的设计 案例教学要求： 设计要点： 掌握设计规模达几十台PC的专用LAN的技能与方法 掌握用Visio绘制该LAN网络拓扑图的方法 案例教学环境：PC 1台，Microsoft Visio软件1套 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 配置交换机的链路聚合功能

需求分析和设计考虑 一个具有80台PC的网络实验室仍然属于一个小型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：

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

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，我们还将这两台16端口的百兆交换机用百兆双绞线连接起来

一种网络实验室的设计方案

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

案例2：办公环境局域网的设计 案例教学要求： 案例教学环境：PC1台，Microsoft Visio软件1套 设计要点： 掌握设计规模达200台PC的办公LAN的技能与方法 掌握用Visio绘制该网络拓扑图的方法 案例教学环境：PC1台，Microsoft Visio软件1套 设计要点： 办公环境设计局域网，需要进行网络需求分析。该办公环境大约有200台PC，它们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

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

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

设计方案

设计提示 当LAN中的用户机器较多时，需要用多级交换机形成星型网络结构。 其中的设计要点是： ①传输速率考虑：从桌面到层交换机的百兆，到层交换机到中心交换机的千兆； ②传输介质考虑：距离不超过100米采用双绞线，距离超过100米采用光缆； ③服务器效率考虑：采用交换机链路聚合技术增强共享服务器能力。

绘制网络结构图 为了确定网络的基础结构特征，首先需要勾画出网络结构图，并标示出主要网络互连设备和网段位置 这包括记录主要设备和网段的名字与地址，以及识别寻址和命名的标准方法 同时要记录物理电缆的类型和长度及环境方面的约束条件 网络结构图是现有网络结构的反映，或反映了上面对网络分析的结果，从而形成了网络设计的基本出发点

Microsoft公司Visio

用Microsoft Visio绘制网络图 包括逻辑网络图、物理网络图和目录服务图这三部分功能 逻辑网络图 表示网络中的设备以及如何进行相互连接 物理网络图 表示网络设备的物理连接方式，或其在特定地点(如服务器机房)的布置方式 目录服务图 利用 Microsoft Visio 的三种目录服务模板，可以设计新目录、创建现有目录的备用设计或创建对当前网络目录服务的更新或迁移的规划

小结 采用适当的分析网络流量的方法，对于网络需求分析是十分重要 设计网络实验室局域网和办公环境局域网的技术最为实用

网络工程案例教学作业 参照“案例1：网络实验室局域网的设计”中所给的设计条件，只是这时实验室的PC为60台，并且每6台为一组。试进行相关设计并用Visio画出设计方案示意图。 参照“案例2：办公环境局域网的设计”中所给的设计条件，只是这时办公环境覆盖4层楼，联网PC约为300台。试进行相关设计并用Visio画出设计方案示意图。