第4章-网络需求分析

定义：网络需求分析是在网络设计过程中用来获得和确定系统需求的过程网络需求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分析网络应用目标工作步骤从企业高层管理者起先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沟通，共享的重要数据资源加强对分支机构或部属的调控实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明确网络设计项目范围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/访问否重要会议系统视频会议是不重要中层以上领导分析网络应用约束政策约束与用户探讨他们的办公政策和技术发展路途要与用户就协议、标准、供应商等方面的政策进行探讨不要期盼全部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限制网络预算预算应包括设备选购 、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时间约束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，但设计者必需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切的事项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供应了一条性能基线(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验的时间总时延=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+排队时延网络时延分为来回时延(Round-tripTime，RTT)单向时延(One-wayLatency，OWL)留意：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实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实力，它常常用来描述通信信道或连接的实力网络负载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(PacketLossRate)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%，严峻拥塞时丢包率为5～15%丢包的主要缘由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，通常微小网络性能参数—时延抖动(Jitter)

时延抖动：分组的单向时延的变更变更量应小于时延的1%～2%，即对于平均时延为200ms的分组，时延抖动≤2～4ms有一些网络应用与时延波动有关假如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间分组产生分组实际到达假想的时延标准值网络实际时延T0t1时延抖动ΔTk

Tktk12网络性能参数—路由(Route)

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确定的选路算法确定分组所接受的路径（路由）12PacketSwitchingh0h1hn-1hnl0l1ln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更IP网络路由是动态的，但是相对稳定一种错误的观点是，IP网络的路由是动态的，探讨路由没有意义为了保持网络稳定工作，选路算法通常不会轻易变更路由，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/s15网络性能参数—响应时间(RespondTime)响应时间：从服务恳求发出到接收到相应响应所花费的时间，它常常用来特指客户机向主机交互地发出恳求并得到响应信息所须要的时间用户往往比较关切这个网络性能指标当响应时间超过100ms时，会引起不良反映超过100ms，就能意识到等待网络的传输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网络性能参数—利用率(Utilization)利用率：指定设备在运用时所能发挥的最大实力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须要多大的系统开销，不论这些系统开销是否由冲突、差错、重定向或确认等缘由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运用长帧要求链路具有较低的差错率18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可用率指标是用于衡量IP网络的性能。很多IP应用程序运行的好坏，干脆依靠于IP层丢包率指标，当丢包率指标超过设定的阈值时，很多应用变得不行用。该指标反映了IP层丢包率对应用性能的影响可扩展性(Scalablity)网络技术或设备随着用户需求的增长而扩充的实力平安性(Security)总体目标是平安性问题不应干扰公司开展业务的实力可管理性(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)在用户变更应用要求时网络的应变实力可购买性(Purchasability)基本目标是在给定财务成本的状况下，使通信量最大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。……技术目标检查表应用名称应用类型是否为新应用重要性停机成本可接受的MTBF可接受的MTTR吞吐量目标时延必须小于时延变化量必须小于备注网络应用技术需求表十大视察在过去15年内，很多探讨人员通过对因特网流量进行了较为细致的分析和探讨，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设计计算机网络的一般规律是有帮助的因特网的通信量连续地在变更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，都在变更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更，以及因特网本身随时间变更网络流量的“邻近相关性”(locality)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分组流量并非匀整分布的在因特网主机的分组流量很不匀整例如：10%的主机占据了总流量的90%(或20-80)缘由：客户机服务器方式、地理缘由等分组长度分布：双模态(双尖峰分布)很多短分组包括交互式的流量和确认。这类分组约占40%很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如：用户向万维网服务器恳求单个的页面，听从于泊松过程最近的探讨指出，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分组流量是突发的平均值可能很低，但峰值可能很高与运用的时间段有关流量可能是自相像的：在较长的时间范围内存在突发性突发性难以精确定义多数TCP会话是简短的90%的会话所交换的数据少于10KB90%的交互连接仅持续几秒钟80%的万维网文档传送小于10KB流量是双向的，通常是不对称的数据通常在两个方向流淌，两个方向的数据量往往相差很大多数应用都运用TCP/IP流量在因特网的分组流量中，TCP的份额占绝大部分至今为止TCP协议始终是最重要的协议即使由于IP电话和多播技术的运用(这些应用是在UDP上运行)，TCP仍占主导地位在可预见的将来仍是如此正因为这样，很多探讨仅关注TCP(和IP)小结网络需求分析是获得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需的须要从分析网络应用目标和分析网络应用约束入手须要驾驭网络分析的技术指标，特殊是关键的技术指标分析网络通信特征分析和确定当前网络通信量和将来网络容量需求的方法参考因特网流量当前的特征须要通过基线(baseline)网络来确定通信数量和容量须要估算网络流量及预料通信增长量的实际操作方法参数的估算为网络设计供应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状况，因而须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样的在网络结构图上标注出工作组和数据存储方式的状况，定性地分析出网络流量的分布状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31网络逻辑边界能够依据运用一个或一组特定的应用程序的用户群来区分，或者依据虚拟局域网确定的工作组来区分服务器客户机路由器局域网服务器广域网大型存储器虚拟工作组1成员虚拟工作组2成员32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简洁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主动式：通过主动发送的测试分组序列来测量网络行为被动式：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务填写有网络的通信流量表(有时难以测量)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10Web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客户机电子邮件服务器主干网CAD服务器子网1子网2子网3文件服务器主干流量Web服务器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33/33/33150/秒3KB4.6Mpbs文件传输25/25/50100文件/小时4.5MB560kpbsWeb浏览50/25/25200网页/秒50KB10MpbsCAD服务器0/50/5065/小时40MB5.78Mpbs案例1：网络试验室局域网的设计案例教学要求：驾驭设计规模达几十台PC的专用LAN的技能与方法驾驭用Visio绘制该LAN网络拓扑图的方法案例教学环境：PC1台，MicrosoftVisio软件1套设计要点：为新建的网络试验室设计局域网，须要进行网络需求分析。该试验室具有80台PC，且它们须要共享试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的网络试验室仍旧属于一个小型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）打开共享试验服务器上的信息需求，须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。组内运用一个8端口的百兆交换机80台PC须要同时共享试验服务器的信息，打开试验支持系统网站页面(约30KB)、下载软件试验工具(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须要处理动态网页和处理数据库的实力，将难以保证在10秒内完成这样的任务。因此，可以考虑接受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接受两个百兆链路聚合的措施，增加访问服务器的实力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为了增加容错实力，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试验室的设计方案设计提示选用交换机时应用留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10/100Mpbs、1000Mpbs和10Gpbs接口类型通常有双绞线和光纤，而且1000Mpbs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：驾驭设计规模达200台PC的办公LAN的技能与方法驾驭用Visio绘制该网络拓扑图的方法案例教学环境：PC1台，MicrosoftVisio软件1套设计要点：办公环境设计局域网，须要进行网络需求分析。该办公环境大约有200台PC，它们须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；可以接受千兆交换机作为该网的主干，即接受“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，网络流量高度不匀整办公环境覆盖范围可达400～50