网络优化大作业.docx
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网络优化大作业.docx
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网络优化大作业
网络优化大作业
题目:
网络优化分析
院(部):
计算机学院
专业:
网络工程
班级:
网络121
姓名:
马董
学号:
201*******
完成日期:
2015年6月
1网络性能的概念
1.1网络性能的定义
网络性能是指,在网络传输过程中用来测量网络服务质量与性能的几个可作为参考计算的指标如图1.1所示
图1.1网络性能指标描述
1.2网络性能
网络性能指标主要有以下八个主要内容:
1.2.1性能一:
带宽 bandwidth
常用的带宽单位是
千比每秒,即kb/s(103b/s)
兆比每秒,即Mb/s(106b/s)
吉比每秒,即Gb/s(109b/s)
太比每秒,即Tb/s(1012b/s)
1.2.2性能二:
速率
计算机发送出的信号都是数字形式的。
比特(bit)是计算机中的数据量的单位,也是信息论中使用的信息量单位。
英文字bit来源binarydigit(一个二进制数字),因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。
网络技术中的速率指的是链接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率,也称为数据率(datarate)或者比特率(bitrate)。
速率的单位是b/s(比特每秒)或者bit/s,也可以写为bps,即bitpersecond。
当数据率较高时,可以使用kb/s(k=10^3=千)、Mb/s(M=10^6=兆)、Gb/s(G=10^9=吉)或者Tb/s(T=10^12=太)。
现在一般常用更简单并不是很严格的记法来描述网络的速率,如100M以太网,而省略了b/s,意思为数据率为100Mb/s的以太网。
这里的数据率通常指额定速率。
1.2.3性能三:
时延
时延指数据(一个报文或者分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。
时延是一个非常重要的性能指标,也可以称为延迟或者迟延。
网络中的时延由以下几部分组成:
(1)发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间,也就是从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需时间。
发送时延也可以称为传输时延。
发送的时延=数据帧长度(b)/发送速率(b/s)。
对于一定的网络,发送时延并非固定不变,而是与发送的帧长成正比,与发送数率成反比。
(2)传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播数率(m/s)
电磁波在自由空间的传播速率是光速,即3.0×10^5km/s。
电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间低一些,在铜线电缆中的传播速率约为2.3×10^5km/s,在光纤中的传播速率约为2.0×10^5km/s。
(3)处理时延:
主机或路由器在收到分组时需要花费一定的时间处理,分析分组首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验、查到适当路由等,这就产生了处理时延。
(4)排队时延:
分组在经过网络传输时,要经过许多的路由器。
但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
在路由器确定了转发接口后,还要在输出队列中排队等待转发。
这就产生了排队延时。
排队延时通常取决于网络当时的通信量。
这样数据在网络中尽力的总延时就是
总延时=发送延时+传播延时+处理延时+排队延时
对于高速网络链路,提高的仅仅是数据的发送数率而不是比特在链路上的传播速率。
荷载信息的电磁波在通信线路上的传播速率与数据的发送速率并无关系。
提高的数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。
1.2.4性能四:
利用率
能描述出设备在使用时所能发挥的最大能力。
通常考虑两种类型的利用率。
1.CPU利用率
在处理网络发出的请求和做出响应时处理器的繁忙程度。
2.链路利用率
链路总带宽的有效使用百分比。
1.2.5性能五:
网络带宽、容量和吞吐量
1.网络带宽
通过通信线路或通过网络的最高频率与最低频率之差。
2.容量
通信信道或通信线路的最大数据传输能力,用于描述通信或连接的能力。
3.吞吐量
在网络用户之间有效地传输数据的能力。
1.2.6性能六:
可用性、可靠性和可恢复性
1.可用性
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。
2.可靠性
可靠性是网络设备或计算机持续执行预定功能的可能性。
3.可恢复性
可恢复性是指网络从故障中恢复的难易程度和时间。
1.2.7性能七:
效率与费用
1.效率是指网络如何更有效地使用所提供的带宽。
2.网络费用是指与传输的用户数据相关的协议信息的数量。
1.2.8性能八:
冗余度、适应性、可伸缩性
1.冗余度
冗余是指为避免停机而为网络增加双重通道和设备。
冗余度是另一个在网络设备和系统设计与实施中需要考虑的因素,是指在局域网或广域网中提供备用的路径来传输信息。
2.适应性
适应性是指在用户改变应用要求时网络的应变能力。
3.可伸缩性
可伸缩性是指网络技术或设备随着用户需求的增长而扩充的能力。
1.3影响网络性能的因素
1.3.1因素一信道带宽
模拟信道的带宽W=f1-f2,f1是信道能够通过的最高频率,f2是信道能够通过的最低频率,俩者都是信道的物理特性决定的,当组成信道的电路制成了,信道的带宽就决定了,为了是信号在传输中的失真更小一些,新到需要足够的带宽。
数字信道是一种离散信道,他只能传取离散值得数字信号,信道的带宽决定了信道中能不失真的传输脉冲序列的最高速率。
1.3.2因素二传输介质
计算机网络中可以使用各种传输介质来组成物理信道,传输介质的不同因而使用的网络技术也不同,应用的场合也不同,应用的不同传输介质所得到的效率也是不同的,有几种类型的传输介质:
双绞线由约1mm的互相绝缘的一对铜导线扭结在一起组成,对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。
这种双绞线大量的使用于传统的电话系统中,适应于短距离传输。
同轴电缆的芯线为铜质导线,,外包一层绝缘材料,在外面是细铜丝组成的网状外导体,最外面加一层绝缘塑料保护层,在局域网中有俩中同轴电缆,一种是特性阻抗为50欧的基带同轴电缆,发送数字信号。
另一种是75欧的CATV电缆传输模拟信号。
光缆由传送光波的玻璃纤维制成,外包一层比玻璃折射率低的材料,进入光纤的光波在俩种材料的界面上形成全反射,从而不断地向前传播。
传输速率最快!
无线信道:
包括微波、红外线和短波信道,适用于无线通信,通信质量一般。
1.3.3网络拓扑结构,合适的拓扑结构网络设计,有利于提高网络服务质量和性能,减少网络冗余和环路影响。
2网络需求及其分析
2.1网络需求的定义
网络需求是网络开发的起始部分,在这一阶段明确客户所需的网络服务和网络性能。
从而为网络的架构做好准备。
2.2网络需求
2.2.1业务需求
1.收集业务需求
收集业务需求是理解业务本质的关键一步,它贯穿整个网络分析与设计的过程。
每个网络因为用户不同所以解决的方案不同。
在设计时,应尽可能地使网络类型与业务类型相匹配。
2.输出—业务需求清单
与主要管理人员讨论整个业务需求时,应该把整个设计过程都涉及到的信息记录下来。
2.2.1需求一用户需求
1.收集用户需求
收集用户需求步骤
如下:
l收集需求
l列出服务需求
l列出性能需求
l编制需求说明书
2.收集需求的机制
1)与用户群交流
2)用户服务
3)需求归档机制
3.输出——用户服务
2.2.1应用需求
1.收集应用需求
收集应用需求时可从以下因素考虑:
l应用的类型和地点;
l应用的使用方法;
l需求增长;
l可靠性和可用性需求;
l网络响应需求。
2.应用类型
3.对资源的存取和访问
4.输出——应用需求表
应用需求表给出了概括和记录应用需求的一种方法。
这些信息有助于确定软、硬件的相关信息以改善现有的服务或增加新的服务,从而优化网络设计。
2.2.1计算机平台需求
计算机平台可分为以下四类:
1.个人计算机
2.工作站
3.中型机
4.大型机
2.2.1网络需求
收集需求过程的最后阶段就是收集网络需求,这些需求概括如下:
局域网功能、物理拓扑结构、性能、网络软件、安全性、经济和费用控制、城域网/广域网选择。
2.2如何进行网络需求分析
如图表2.2所示可以参考所列几项进行网络需求分析
局域网功能
物理拓扑结构
性能
城域网/广域网
安全性
经济和费用控制
网络软件
表2.2网络需求分析指标
3网络通讯量计算
3.1网络通讯量分析及其步骤
通信量分析从对本地网段上和通过网络骨干某个特定部分的通信量进行估算开始,可采用的步骤如下:
1.把网络分成易管理的网段
2.确定个人用户和网段应用的通信量
3.确定本地和远程网段上的通信信息分布
4.对每个网段重复步骤1~3
5.基于各网段信息的广域网和网络骨干的通信流量分析
3.2通讯模式
在计算机网络中,通信是通信模式和通信量的组合。
通信模式以发生在终节点之间的通信方式为基础,通信方式有如下4种:
1.对等通信方式
2.客户机/服务器通信方式
3.服务器/客户机通信方式
4.分布式计算方式
3.3通讯边界
3.3.1需求一冲突域和广播域
1.中继器或集线器连接的局域网本身就构成了一个冲突域,因为所有的节点是以竞争的方式访问同一个共享介质。
2.交换机和网桥,可以把单一的大局域网冲突域网段划分成几个相对较小的冲突域。
3.路由器有效地将常规网络通信和广播式网络通信限制在每个网段内,只引导网段间的通信量。
3.3.2需求一确定通信流量边界
1.物理边界
冲突域和广播域由不同的Internet网络设备创建,它们以这些设备为物理边界,并包含某些类型的网络通信。
2.逻辑边界
物理边界法是网络分段的常用方法。
不过利用专门的软、硬件也能建立逻辑网络边界。
逻辑边界是一个被虚拟局域网(VLAN)确定的特殊工作组。
3.4通讯量分布
3.4.1需求一80/20规则
80/20规则是基于这样的可能性:
在一个网段中,通信流的80%是在该网段中流动,只有20%的通信流是访问其他网段。
3.4.2需求一20/80规则
20/80规则是基于这样的可能性:
在一个网段中,通信流的20%是在该网段中流动,而80%的通信流是访问其他网段。
3.5网络上对象的大小及协议开销
网络上对象大小
终端屏幕:
4Kbytes
简单电子邮件:
10Kbytes
简单网页:
50Kbytes
电子数据表:
100Kbytes
文字处理文件:
200Kbytes
图形化计算机屏幕:
500Kbytes
显示文件:
2000Kbytes
高质量image:
50,000Kbytes
多媒体对象:
100,000Kbytes
数据库备份:
1,000,000Kbytes或更大
协议开销
以太网第2版38B
IEEE802.3和802.246B
IEEE802.5和802.229B
IEEE802.2下的FDDI36B
HDLC10B
IP20B
TCP20B
RIP532B
IGRP1488B
AppleTalk599B
4网络优化
4.1为什么要进行优化?
为了达到关键的商业和技术目标
更加有效的使用带宽
控制延迟和抖动
减少串行延迟
支持关键应用的优先服务
满足服务质量(QoS)需求
4.2性能优化
4.2.1服务质量(QoS)
QoS(QualityofService)是网络性能的一种重要体现,它是指通过对资源的分配调度,来保证用户的特定要求。
为实现上述目的,QoS提供了下述功能:
报文分类和着色;避免和管理网络拥塞;流量监管和流量整形;QoS信令协议。
4.2.2资源预留协议
资源预留协议(RSVP)是第一个标准QoS信令协议,它使路由器和用户能预留一定的资源支持应用程序流和它所需的QoS。
它用来动态地建立端到端的QoS,允许应用程序动态地申请网络带宽等。
RSVP协议不是一个路由协议,它是按照路由协议规定的报文流的路径为报文申请预留资源,在路由发生变化后,它会按照新路由进行调整,并在新的路径上申请预留资源。
RSVP只是在网络节点之间传递QoS请求,它本身不完成这些QoS的要求实现,而是通过其他技术如加权公平队列等来完成这些要求的实现。
4.2.3服务模型
服务模型指的是一组端到端的QoS功能,通常QoS提供以下
3种服务模型:
1.Best-Effortservice
2.IntegratedService(Intserv)
3.Differentiatedservice(Diffserv)
同时也要考虑Intserv与Diffserv之间的互通问题。
4.2.4信令
信令技术给网络通信的两端和网络的中间节点提供了一种方法,让它们向相邻的网络节点请求对一类报文的特殊处理。
QoS的信令协调了端到端通讯的中间节点包括交换机、路由器等为这个通信提供服务。
信令技术包括两种:
带内(in-band)和带外(out-band)信令技术。
4.2.5报文分类
报文分类是将报文划分为多个优先级或多个服务类。
例如,使用IP报文头的TOS字段(TypeOfService)的前3位(即优先权子字段),可以将报文最多分成8类。
在报文分类后,就可以将其他的QoS特性应用到不同的分类,如拥塞管理、带宽分配等。
4.2.6拥塞管理
1.拥塞和拥塞管理
当一个局域网的计算机向另一个局域网的计算机发送数据时,由于广域网的带宽小于局域网的带宽,数据将不可能按局域网发送的速度在广域网上传输。
此时,处在局域网和广域网之间的路由器将不能发送一些报文,也就是说网络发生了拥塞。
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。
2.拥塞管理技术
对于拥塞的管理,一般采用排队的技术,使得报文在路由器中按一定的策略暂时排队,然后再按一定的调度策略把报文从队列中取出,在接口上发送出去。
拥塞管理分为以下几种:
1)先进先出队列(FIFO)
2)优先队列(PQ)
3)定制队列(CQ)
4)加权公平队列(WFQ)
5)基于类的加权公平队列(CBWFQ)
4.2.7流量监管与流量整形
流量监管的典型作用是限制进入某一网络的某一连接的流量与突发。
在报文满足一定的条件时,如某个连接的报文流量过大,流量监管就可以对该报文采取不同的处理动作。
通常的用法是使用约定访问速度(CAR)来限制某类报文的流量。
流量整形的典型作用是限制流出某一网络的某一连接的流量与突发,使这类报文以比较均匀的速度向外发送。
流量整形通常使用缓冲区和令牌桶来完成,当报文的发送速度过快时,首先在缓冲区进行缓存,在令牌桶的控制下,再均匀地发送这些被缓冲的报文。
4.2.8物理接口总速率限制
利用物理接口总速率限制可以在一个物理接口上,限制接口发送报文(包括紧急报文)的总速率。
物理接口总速率限制的处理过程是采用令牌桶进行流量控制。
物理接口总速率限制相比较于约定访问速度(CAR),能够限制在物理接口上通过的所有报文。
4.2.9多协议标记交换(MPLS)
1.MPLS简介
MPLS是基于标记的IP路由选择方法。
这些标记可以被用来代表逐跳式或者显式路由,并指明服务质量(QoS)、虚拟专用网以及影响一种特定类型的流量(或一个特殊用户的流量)在网络上的传输方式的其他各类信息。
2.MPLS的应用
1)对虚拟专用网(VPN)服务的支持;
2)流量工程中的应用;
3)使IP与ATM集成。
4.2.10IP组播
1.IP组播简介
IP组播通过使用特定的IP组播地址,按照最大投递的原则,将IP数据报传输到一个组播群组的主机集合。
它的基本方法是:
当某一个人向一组人发送数据时,它不必向每一个人都发送数据,只需将数据发送到一个特定的预约的组地址,所有加入该组的人均可以收到这份数据。
这样对发送者而言,数据只需发送一
次就可以发送到所有的接收者,从而大大减轻了网络的负载和发送者的负担。
2.组管理协议IGMP
主机使用IGMP通知子网组播路由器,希望加入组播组。
路由器使用IGMP查询本地子网中是否有属于某个组播组的主机。
3.加入组播组
当某个主机加入某一个组播组时,它通过“成员资格报告”消息通知它所在的IP子网的组播路由器,同时将自己的IP模块做相应的准备,以便开始接收来自该组播组传来的数据。
4.退出组播组
在IGMPv1.0中,当主机离开某一个组播组时,它将自行退出。
组播路由器定时使用“成员资格查询”消息向IP子网中的所有主机的组地址(224.0.0.1)查询,如果某一组播组在IP子网中已经没有任何成员,那么组播路由器在确认这一事件后,将不再在子网中转发该组播组的数据。
与此同时,通过路由信息交换,从特定的组播组分布树中删除相应的组播路由器。
在IGMPv2.0中,当每一个主机离开某一个组播组时,需要通知子网组播路由器,组播路由器立即向IP子网中的所有组播组询问,从而减少了系统处理停止组播的延时。
4.3网络监控
有三种方法可在运行时进行网络监控:
1.定期取得基准数据
可显示网络中通信的大致趋势,有助于通过基准了解某类通信的增长情况。
2.使用网络管理工具
可以监测诸如链路和局域网通信等网络中的关键点,
3.调查用户群
可以了解网络的运行情况,从而掌握网络的性能情况和用户对网络的使用情况。
4.4优化方法
4.4.1使用IP多播技术
使用IP多播,可以只发送一次大容量的多媒体,
而非为每个用户发送一次
需要支持
多播地址Multicastaddressing
多播注册Multicastregistration(IGMP)
多播路由协议
IP多播地址
使用D类多播目的地地址
224.0.0.0~239.255.255.255
转换成MAC层多播目的地地址
D类地址的低23比特变成MAC层地址的低23比特
D类地址的高9比特没有使用
MAC层地址的高25比特为0x01:
00:
5E后跟一个二进制0
因特网组管理协议(IGMP)
允许主机加入到多播组,主机传输一个membership-report信息网段上的路由器,组的流量应该多播到主机所属的网段。
IGMPv2支持路由器更快地学习网段上的最后一个主机已经离开组
多播路由协议
已经废除;
多播OSPF(MOSPF)
距离矢量多播路由协议(DVMRP)
仍在使用中的独立于协议的多播(PIM)、密集模式多播(D-PIM)Dense-ModePIM、稀疏模式多播Sparse-ModePIM。
4.4.2减少串行延迟
链路层分段和插入
帧的分解和重组
多链路PPP
帧中继FRF.12
压缩实时传输协议
RTP用于语音和视频
压缩RTP用于将RTP,UDP,和IP头部从40字节压缩为2~4字节
4.4.3满足QoS需求的一些技术
IETF控制负载服务
IETF保证服务
IP优先IP差分服务
4.4.4IP类型的服务域
IP头部中的类型服务域划分成两个子域
3-比特的优先子域支持8个优先级
4-比特类型服务子域支持4类服务
尽管仍在使用IP优先级,类型服务子域几乎没有使用过
4.4.5IP差分服务(DS)域
RFC2474将类型服务域重新定义为差分服务(DS)域
比特0到5为差分服务代码点(DSCP)子域
本质上同优先子域目的相同
影响IP分组在路由器输出接口的排队和分组丢弃比特6和7为显式拥塞通知(ECN)子域
4.4.6LAN通信量分类
IEEE802.1p
在数据链路层分类通信量
支持8类服务
交换机对每类分别都有一个队列,首先服务最高
优先级队列
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