网络规划与设计第七章 网络性能设计

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《网络规划与设计》课程7.1网络带宽分析与设计7.2网络流量分析与设计7.3服务质量分析与设计7.4负载均衡技术与设计第七章网络性能设计27.1网络带宽分析与设计第七章网络性能设计37.1.1带宽不稳定性分析

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。第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计47.1.1带宽不稳定性分析

第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计5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。第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计67.1.2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。第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计7[表7-1]端到端网络业务最低带宽要求第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计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8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。第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计9[图7-1]

用户使用因特网的时间规律第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计107.1.3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。第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计11[图7-2]

网络带宽的阻塞式与非阻塞式设计第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计127.1.4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。第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计137.1.4网络带宽管理技术带宽管理器的功能：针对不同用户定制最小保证带宽和最大应用带宽。通过带宽管理，保证网络关键性应用的高性能；同时抑制非关键应用的带宽占用。提供防火墙功能，可以对访问进行控制，有效防止非法数据对网络带宽的侵占。具有自动旁路功能，对用户网络的安全性提供有效保证。第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计14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。[图7-3]第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计152．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。第七章网络性能设计7.1网络带宽分析与设计161.1网络工程概述网络工具软件(参考)[案例]网络虚拟实验软件BOSON7.2网络流量分析与设计第17页共99页7.2.1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。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计182．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。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计193．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。[图7-4]

MRTG监控网络流量负载的软件7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计20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。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计21[案例]流量监测7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计22[案例]流量监测统计表7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计23[案例]网络流量分析7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计247.2.2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。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计25[图7-5]数据流量模型7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计262．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。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计273．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。[图7-6]7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计28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。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计2920-80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。[图7-7]主要用于B/S工作模式的小型企业局域网。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计304．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。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计317.2.3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。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计32[图7-8]流量均衡与链路聚合拓扑结构7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计33IEEE802.3ad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（链路聚合控制协议）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，将这些信息与其它端口所保存的信息进行比较，以选择能够聚合的端口，从而双方可以对端口加入或退出某个动态聚合组达成一致。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计342．链路聚合的条件链路聚合需要硬件设备的支持，不是所有交换机端口都可以设置成聚合模式。各链路的传输介质必须相同，均为超五类双绞线或均为光纤；各链路传输速率必须相同，如都为100M或1000M；各链路两端的参数必须一致，如流量控制；各链路速率不小于100M等。7.2网络流量分析与设计第七章网络性能设计357.3服务质量分析与设计367.3.1QoS主要技术指标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。Qos是网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题。QoS提供端到端的服务质量控制或保证。QoS技术指标（传输时延、时延抖动、丢包率、吞吐量）传输时延产生时延的因素很多，如分组时延、排队时延、交换时延和传输时延。话音数据包到达目的地的总时间不得超过150ms。在任何系统中，传输时延总是存在的。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计37时延抖动时延抖动是不同数据包之间延迟时间的差别。抖动主要由于分组排队等候时间不同而引起。话音网络的抖动不应超过30ms。丢包率数据包丢失由网络拥塞引起。在高可用网络中，数据包丢失率应小于1%。吞吐量吞吐量是在一定时间段内网上信号的流量，有时也使用数据传输速率进行表示。一般吞吐量越大越好。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计38QoS的分类不同业务对QoS要求不同，必须对QoS分类。ITU-TY.1541标准根据数据包的传输时延、时延抖动、丢包率、错误率综合划分了QoS类别。QoS分为6类：按0～5优先级相应递减。0类和2类对时延要求严格，0类对抖动有限制；1类和3类的时延要求比较严格；4类时延要求比较宽松，没有抖动限制；5类对性能无保证。除第5类外，都对丢包率和错误率有要求。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计39[案例]不同业务对QoS要求不同7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计40QoS存在的问题QoS的复杂性。在IP网络上保证QoS还存在以下困难：因特网的数据传输由ISP提供，信息由ICP提供，两者之间需要共同协调；IP数据包采用统一格式，使网络设备很难知道用户的业务类型；用户可能混合使用多种业务，很难建立流量模型；网络中端到端的可用资源很难判断。单用户的QoS都难以处理，保证全网的QoS就更困难了。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计41QoS提供以下三种服务模型：Best-Effortservice（尽力而为服务模型）Integratedservice（综合服务模型，简称IntServ)Differentiatedservice（区分服务模型，简称DiffServ）7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计42Best-Effort服务模型Best-Effort是一个单一的服务模型，也是最简单的服务模型。网络尽最大的可能性来发送报文。但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。是网络的缺省服务模型，通过FIFO队列来实现。适用于绝大多数网络应用，如FTP、E-mail等。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计437.3.2IntServ综合服务模型IntServ是一个综合服务模型，它可以满足多种Qos需求。使用资源预留协议(RSVP),RSVP运行在从源端到目的端的每一个设备上，可以监视每一个流，以防止其消耗资源过多。能够明确区分并保证每一个业务流的服务质量，为网络提供最细粒度化的服务质量区分。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计44[案例]保证服务7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计45IntServ缺点：网络规模大到一定程度时，网络链路状态维护工作将使核心层路由器不堪重负。必须进行信令传递，非常占用网络带宽。需要全部网络设备提供一致的技术才能实现QoS。可扩展性很差，难以在Internet核心网络实施。在网络设计中，并不推荐使用IntServ模型，一般以DiffServ模型为主。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计467.3.3DiffServ区分服务模型1．DiffServ区分服务基本思想：将网络业务分成不同的类别，根据业务类别进行区分对待。DiffServ功能：将用户业务划分为几种业务类型，为不同业务类型提供相应的优先权。对流量进行整形、队列调度等处理，减少网络拥塞。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计47[案例]将网络业务分成不同的类别7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计48DiffServ是一个多业务模型，可以满足不同的Qos需求。与IntServ不同，不需要通知网络为每个业务预留资源，即不需要信令。可以用不同的方法来指定数据包的QoS，如IP包的优先级位，数据包的源地址和目的地址等。DiffServ用于对QoS有严格要求的端到端应用。区分服务实现简单，扩展性较好。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计492．Qos技术综述Qos技术包括流分类、流量监管、流量整形、接口限速、拥塞管理、拥塞避免等。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计502．Qos技术综述流分类：采用一定的规则识别符合某类特征的报文，它是对网络业务进行区分服务的前提和基础。流量监管：对进入或流出设备的特定流量进行监管。当流量超出设定值时，可以采取限制或惩罚措施，以保护网络资源不受损害。流量整形：一种主动调整流的输出速率的流量控制措施，用来使流量适配下游设备可供给的网络资源，避免不必要的报文丢弃，通常作用在接口出方向。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计512．Qos技术综述拥塞管理：就是当拥塞发生时如何制定一个资源的调度策略，以决定报文转发的处理次序，通常作用在接口出方向。拥塞避免：监督网络资源的使用情况，当发现拥塞有加剧的趋势时采取主动丢弃报文的策略，通过调整队列长度来解除网络的过载，通常作用在接口出方向。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计52[案例]各Qos技术在同一网络设备中的处理顺序7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计53[案例]各Qos技术在同一网络设备中的处理顺序（1）首先通过流分类对各种业务进行识别和区分，它

是后续各种动作的基础；（2）通过各种动作对特性的业务进行处理。这些动作

需要与流分类关联起来才有意义。具体采取何种

动作，与所处的阶段和网络当前的负载状况有关。

例如，当报文进入网络是进行流量监管；流出节

点之前进行流量整形；拥塞时对队列进行拥塞管

理；拥塞加剧时采取拥塞避免措施等。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计543．Qos配置方式简介分为Qos策略配置方式和非Qos策略配置方式两种。1.非Qos策略配置方式是指不通过Qos策略来进行配置。例如，端口限速功能可以通过直接在接口上配置来实现。2.Qos策略配置方式是指通过配置Qos策略来实现Qos功能。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计553．Qos配置方式简介Qos策略包含了三个要素：类、流行为、策略。用户可以通过Qos策略将指定的类和流行为绑定起来，灵活地进行Qos配置。（1）类

类的要素包括：类的名称和类的规则。

用户可以通过命令定义一系列的规则来对报文进

行分类。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计56（2）流行为

流行为用来定义针对报文所做的Qos动作。

用户可以通过命令在一个流行为中定义多个动作。（3）策略

策略用来将指定的类和流行为绑定起来，对分类后的报文执行流行为中定义的动作。

策略的要素包括：策略名称、绑定在一起的类和

流行为的名称。

用户可以在一个策略中定义多个类和流行为的绑定关系。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计574．优先级映射简介报文在进入设备以后，设备会根据自身情况和相应规则（primap、remark）分配或修改报文的各种优先级的值，为队列调度和拥塞控制服务。优先级映射功能通过报文所携带的优先级字段来映射其优先级字段值，就可以获得各种用以决定报文调度能力的各种优先级字段，从而可以全面有效的控制报文的转发调度能力。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计584．优先级映射简介优先级用于标识报文传输的优先程度，可以分为两类：报文携带优先级和设备调度优先级。报文携带优先级包括：802.1p优先级、DSCP优先级、IP优先级、EXP优先级等。这些优先级都是根据公认的标准和协议生成，体现了报文自身的优先等级。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计594．优先级映射简介设备调度优先级是指报文在设备内转发时所使用的优先级，只对当前设备自身有效。包括以下几种：

本地优先级（LP）：设备为报文分配的一种具有本地意义的优先级，每个本地优先级对应一个队列，本地优先级值越大的报文，进入的队列优先级越高，从而能够获得优先的调度。

丢弃优先级（DP）：在进行报文丢弃时参考的参数，丢弃优先级值越大的报文越被优先丢弃。

用户优先级（UP）：设备对于进入的流量，会自动获取报文的优先级，这种报文优先级称为用户优先级。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计604．优先级映射简介优先级映射表设备提供了多张优先级映射表，分别对应相应的优先级映射关系。通常情况下，可以通过查找缺省优先级映射表来为报文分配相应的优先级。如果缺省优先级映射表无法满足用户需求，可以根据实际情况对映射表进行修改。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计615．流量监管、流量整形和接口限速简介为了使有限的网络资源能够更好地发挥效用，更好地为更多的用户服务，必须对用户的流量加以限制。比如限制每个时间间隔某个流只能得到承诺分配给它的那部分资源，防止由于过分突发所引发的网络拥塞。

流量监管、流量整形和接口限速都可以通过对流量规格的监督来限制流量及其资源的使用，它们有一个前提条件，就是要知道流量是否超出了规格，然后才能根据评估结果实施调控。

一般采用令牌桶对流量的规格进行评估。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计625．流量监管、流量整形和接口限速简介1.令牌桶的特点

令牌桶可以看作是一个存放一定数量令牌的容器。系统按设定的速度向桶中放置令牌，当桶中令牌满时，多出的令牌溢出，桶中令牌不再增加。2.用令牌桶评估流量在用令牌桶评估流量规格时，是以令牌桶中的令牌数量是否足够满足报文的转发为依据的。如果桶中存在足够的令牌可以用来转发报文，称流量遵守或符合这个规格，否则称为不符合或超标。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计635．流量监管、流量整形和接口限速简介

每到达一个报文就进行一次评估。每次评估，如果桶中有足够的令牌可供使用，则说明流量控制在允许的范围内，此时要从桶中取走与报文转发权限相当的令牌数量；否则说明已经耗费太多令牌，流量超标了。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计645．流量监管、流量整形和接口限速简介（A)流量监管流量监管的典型应用是监督进入网络的某一流量的规格，把它限制在一个合理的范围之内，或对超出的部分流量进行“惩罚”，以保护网络资源和运营商的利益。例如可以限制HTTP报文不能占用超过50%的网络带宽。如果发现某个连接的流量超标，流量监管可以选择丢弃报文，或重新设置报文的优先级。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计65[图7-10流量监管示意图]7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计665．流量监管、流量整形和接口限速简介

(B)流量整形是一种主动调整流量输出速率的措施。一个典型应用是基于下游网络结点的流量监管指标来控制本地流量的输出。流量整形与流量监管的主要区别在于，流量整形对流量监管中需要丢弃的报文进行缓存——通常是将它们放入缓冲区或队列内。当令牌桶有足够的令牌时，再均匀的向外发送这些被缓存的报文。流量整形与流量监管的另一区别是，整形可能会增加延迟，而监管几乎不引入额外的延迟。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计67[图7-11流量整形示意图]7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计685．流量监管、流量整形和接口限速简介

(C)接口限速利用LR（物理接口限速）可以在一个物理接口上限制发送报文（包括紧急报文）的总速率。LR也是采用令牌桶进行流量控制。如果在设备的某个接口上配置了LR，所有经由该接口发送的报文首先要经过LR的令牌桶进行处理。如果令牌桶中有足够的令牌，则报文可以发送；否则，报文将进入QoS队列进行拥塞管理。这样，就可以对通过该物理接口的报文流量进行控制。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计69[图7-12接口限速示意图]7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计706．拥塞管理简介拥塞管理的中心内容就是当拥塞发生时如何制定一个资源的调度策略，以决定报文转发的处理次序。一般采用队列技术，使用一个队列算法对流量进行分类，之后用某种优先级别算法将这些流量发送出去。拥塞管理的处理包括队列的创建、报文的分类、将报文送入不同的队列、队列调度等。队列调度对不同优先级的报文进行分级处理，优先级高的会得到优先发送。7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计716．流量拥塞简介—常用队列调度机制

(A）FIFO（先入先出队列）7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计726．流量拥塞简介—常用队列调度机制

(B）PQ（优先队列，PriorityQueuing）7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计736．流量拥塞简介—常用队列调度机制

(C）CQ（定制队列，CustomQueuing）7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计746．流量拥塞简介—常用队列调度机制

(D）WFQ（加权公平队列，WeightedFairQueuing）7.3服务质量分析与设计第七章网络性能设计757.4负载均衡技术与设计767.4.1负载均衡的基本类型1．负载均衡基本工作原理负载均衡是采用一组设备和多条通信链路，将通信量及其他工作智能地分配到整个设备组中的不同设备上，或将数据流量均衡的分配到多条链路上，提供最快地响应速度，以及不停顿的服务。负载均衡需要进行两方面的处理一是将大量的并发访问或数据流量分配到多台节点设备上分别处理，以减少用户等待时间；二是每个节点设备处理结束后，需要将结果进行汇总，返回给用户端主机。7.4负载均衡技术与设计第七章网络性能设计772.硬件负载均衡技术硬件负载均衡是直接在服务器和交换机之间安装负载均衡设备。负载均衡设备往往采用专用的处理芯片和独立的操作系统，因此整体性能很好，有较高的可靠性。硬件负载均衡设备：F5负载均衡器Radware