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1、网络层次构建及性能设计分析,Page 2,提纲,网络规划设计目标 网络层次构建设计 网络性能设计分析,Page 3,网络的构成要素,应用软件 计算平台 物理网络拓扑结构 网络软件 网络互联设备 广域网连接,Page 4,网络设计目标,最低运作成本 不断增强的整体性能 易于操作和使用 充分的可靠性 完备的安全性 可扩展性,设计是成本与性能的权衡,Page 5,一个完全连接的网络,优点：时延最小、冗余可靠 缺点：管理复杂、费用高、N x N连接 实际网络中，不可能采用全网状互联,Page 6,网络规划设计方法,分层拓扑设计 逻辑基础，网络骨架 冗余性设计 消除网络故障时间 安全性设计 网络不受攻击
2、 地址分配及聚合规划 减少网络变化影响的区域 网络性能计算设计 保证网络满足性能需求,Internet,Page 7,提纲,网络规划设计目标 网络层次构建设计 网络性能设计分析,Page 8,拓扑结构是网络稳定的基础,网络物理连接变化引起路由设备状态变化 网络稳定性取决于路由收敛时间 路由协议收敛依赖因素： 参与收敛的路由器数 路由器必须处理的信息量 好的拓扑结构可减少区域中路由器数及信息量 处理方法：模块化思想，分块解决 网络层次设计,Page 9,层次设计模型的优点,每层完成特定功能 节省费用 网络易于理解及管理 容易扩展 隔离网络故障,Page 10,网络拓扑层次设计,网络设计分三层：核
3、心层、汇聚层、接入访问层,Page 11,核心层特征,目标：高速运送流量，主要工作是交换数据包。 高可靠性及冗余性 提供故障隔离 具有迅速升级能力 较少的时延和好的可管理性 有有限和一致的直径(diameter),Page 12,核心层网络设计策略（1）,不执行网络策略： 任何形式的策略必须在核心层外执行：如数据包的过滤和复杂QoS处理； 禁止采用任何降低核心层设备处理能力，或增加数据包交换延迟时间的方法； 避免增加核心层路由器配置的复杂程度； 可以将网络策略执行放在访问层边界设备上,Page 13,核心层网络设计策略（2）,对网络中每个目的地具备充分的可到达性： 具有足够的路由信息来交换发往
4、网络中任意端设备的数据包； 核心层的路由器不应该使用默认的路径到达内部的目的地； 聚和路径能够用来减少核心层路由表大小： 默认路径用来到达外部的目的地，如因特网上的主机。,Page 14,核心层类型压缩型,网络很小时，一个路由器扮演网络核心层与汇聚层上的所有其它路由器相连接。 甚至可能将汇聚层功能包含在核心层里 容易管理，但扩展性不好，存在单点故障。,核心层,Page 15,核心层类型核心网型,大型网络使用一组由高速局域网连接的路由器，或者一系列高速的广域网链接形成一个核心层网络。 用某个网络作为核心层，可将冗余加入到核心层规划中。,核心层,汇聚层,Page 16,汇聚层网络设计,核心层与访问
5、层的分界： 隔离拓扑结构的变化 控制路由表的大小 访问流量及端口的收敛 主要策略： 路由聚合 使核心层与汇聚层的连接最小化。,Page 17,访问接入层网络设计,将流量接入网络 控制访问 执行其它的边缘功能 是网络的对外可见部分，用户与网络的连接场所。,核心层,接入层,汇聚层,Page 18,地址分配规划,特点： 地址影响网络稳定性 地址分配后很难改变 目标： 控制路由表大小 控制拓扑结构变化后相应信息必须传输的网络距离 方法： 地址聚合,Page 19,地址聚合设计,规则：只提供网络中必要的拓扑信息； 聚合地点：通常在汇聚层 核心层不需要了解访问层中每个网络 汇聚层将访问层路由前缀聚合传送给
6、核心层，不是各目的地址信息 访问层通常使用默认路由到达汇聚层,Page 20,地址聚合设计,访问层网络的变化被汇聚层屏蔽,10.1.1.0/24,10.1.2.0/24,10.1.3.0/24,核心层,汇聚层,访问层,10.1.0.0/22,Page 21,地址分配策略,按申请顺序在一个大地址池中，取出需要的地址 按行政划分每一个部门有一组可供使用的地址 按地域划分部门内每一个办公室都有一组可供使用的地址 按拓扑划分基于网络的连接点 组合划分,Page 22,地址分配策略特点,按申请顺序无需规划，缺乏管理性 按行政划分需要很少规划，便于给机构中某一部门分配地址；如果机构按地域划分，方案较好，否
7、则扩展性差 按地域划分需规划，可提供一定的聚合 按拓扑划分需规划，大规模网中具备可聚合性，减少路由表，扩展性好，易于配置与维护。,Page 23,网络冗余性设计,分层网络固有缺陷：存在单点故障 采用冗余备份链路可以提供互联保护 设计策略： 仅在正常路径断掉时才使用冗余路径，除非这些路径已经仔细做了负载平衡设计。平衡负载只能是特例 只要主路径可用，就不要用备用链接来传输正常的数据流，并将其隐藏起来。浮动静态路径、按需拨号等都可以很好地隐藏备用链接直到需要它的时候。,Page 24,核心层冗余性设计,核心层在一个大楼或园区内：使用高速局域网 核心层不在一个建筑物内，平衡目标： 减少核心层间跳数（h
8、op） 减少可用的路径数 增加核心层可承受的故障数量,Page 25,环型核心层设计,容易维护和规划 多条点对点连接完成 保证冗余的前提下减少了可用路径的数量，但不能实现其它目标,核心层,汇聚层,访问层,Page 26,环型核心层设计特征,从每个核心层设备到任何给定的目标都有两条路径。 一个数据包在整个核心层里最多完整地经过3跳。 失去单个链接会将最大跳数增加到5个。 失去任何两个链接至少会从网络中隔离出一块区域。 缺点：时延增大、无法负担很多冗余 技术：冗余光纤技术（SDH、FDDI）,Page 27,完全网状核心层设计特点,每个核心层路由器都与其它核心层路由器相连接，提供了最大的冗余可能性
9、。 适用于跳数最少和使冗余区域最大化。,核心层,汇聚层,访问层,Page 28,完全网状核心层特征,多个到任意目的地的可用路径。 正常情况下，到任意目的地要两跳。 最坏的情况下（有着完全连通性的多个链接断掉了），最大的跳数为5。 例外的冗余：每个路由器与其它路由器都有一个链接，该网必须失去至少4条链接，才会使某个目的地无法到达 。 缺点：产生过多的冗余，增加收敛时间；连接线路及端口使费用增加。,Page 29,部分网状核心层设计,折衷跳数、冗余及网络中路径数量的方案,核心层,汇聚层,访问层,Page 30,部分网状核心层设计,任意两点之间至少有3条路径 3条路径长度不一，即数据传输时只会选用长
10、度短的路径 正常情况下，网络中传输不超过3跳 某条链路断了，最大跳数不超过4跳 网络扩大后，相应的跳数依旧比较小 部分网状提供冗余，费用较低 缺点：某些路由协议不能很好处理多点的部分网状连接（NBMA）,Page 31,汇聚层冗余设计,方法： 双归接入核心层 其它备份链路方式,Page 32,双归接入核心层设计,汇聚层路由器通过两个分开的路由器有两条链路接入核心层,核心层,汇聚层,访问层,A,B,C,D,Page 33,双归接入核心层特点,很好的冗余性：核心层一个路由器或链路失败不会失去任何目的地址的可达性 每个双归的汇聚层路由器可能增加一倍的路径，会降低收敛速度 强迫使用某一条路径时，双倍路
11、径数量依旧，需要使用浮动静态路由 核心层连接断掉时，汇聚层路由器可能扮演核心层角色，应该避免。,Page 34,其它汇聚层冗余设计,可通过汇聚层路由器之间连接获得冗余 汇聚层设备端口费用低,核心层,汇聚层,访问层,A,B,C,D,E,Page 35,其它汇聚层冗余缺点,核心层路由表的大小增加了一倍与双归接入核心层一样。 有可能通过冗余路径将数据传输到核心层 汇聚层路由器可能优先端接通过汇聚层的冗余路径而不是通过核心层的路径。 汇聚层路由器通过冗余链接发布作为可到达的目的地的另一个分支中的目的地。引起路由信息泄露 不稳定会传播到所有的汇聚层分支，收敛时间就会增加。,Page 36,接入访问层冗余
12、设计,采用双归接入汇聚层,汇聚层,访问层,A,B,核心层,Page 37,接入访问层冗余设计注意事项,双归接入汇聚层将使核心层路由表迅速增大，引起网络的不稳定 规则：当冗余连接穿过某个汇聚层分支边界，它就不应象正常路径一样发布 可在访问层路由器之间连接提供冗余； 采用拨号备份链路作为访问层备份，可避免双归问题；,Page 38,冗余设计特性总结,Page 39,提纲,网络规划设计目标 网络层次构建设计 网络性能设计分析,Page 40,网络性能设计需求,选择网络带宽的需要 选择网络设备的需要 分析网络能力的需要 管理网络的需要,Page 41,网络性能设计基础收集数据,商业需求 用户需求 应用
13、需求 计算平台需求 网络需求,Page 42,网络性能设计需求分析,根据数据及需求关系建立模型 根据收集的数据，按照数理统计方法，计算均值、方差、最大最小值等 根据网络设计要素计算传输速率、时延要求等值,Page 43,网络性能设计评价指标,吞吐率 网络利用率 时延及响应时间 平均队列长度 可靠性及可用性,Page 44,网络性能设计分析HOW,使用概率方法及排队理论计算 网络流量特征及条件： 数据包到达网络设备速率服从泊松分布（随机到达并相互独立分布） 服务时间（转发处理）服从指数分布 FCFS：先到先服务调度,Page 45,网络性能设计分析指标定义,：平均到达速率，包/秒（p/s） Ts
14、：平均服务时间，秒（s） = 1/ Ts ：通信量强度，1/秒（1/s） ：网络/线路利用率 b：数据突发因子 q：系统中平均包数量（队列长度）；q：标准差 Tq：排队时间（平均响应时间） A：可用性；R：可靠性 MTBF：平均无故障时间；MTTR：平均恢复时间,Page 46,网络性能设计分析计算方法,单个设备符合M/M/1单服务队列模型： 给定： 、Ts（需求及设备分析得出） 网络利用率： = / = *Ts 队列长度： q= /（1- ） 网络平均响应时间：Tq = Ts/（1- ）= 平均服务时间/空闲率 突发因子：b= Rp/Ra=峰值数据速率/平均数据速率,Page 47,网络性能
15、设计分析队列长度计算,队列长度： q= /(1- ) 通信强度增加，当接近于1时，队列将剧烈加长，网络拥塞加剧 通常 70% 时有比较稳定的性能,Page 48,网络性能设计分析响应时间,平均响应时间：Tq = Ts/(1- ) Tq随的增加而增加，当接近于1时，响应时间长度将迅速增加，网络性能急剧下降 通常设计 70%,Page 49,网络性能设计分析可用率,A=Availability=MTBF/(MTBF+MTTR) U=Unavailability=1-A=MTTR/(MTBF+MTTR),As=A1*A2 Us=U1A1+U2A2+U1U2,Up=U1*U2=(1- A1)(1- A
16、2) Ap=1-Up= A1+A2-A1A2,Page 50,网络性能设计分析可靠性,R：系统在t时间之前不出现故障的概率（无后效）,Rs,Rp,Page 51,网络性能设计分析节点流量公式,节点流量公式： 出口平均总流量=接入平均总流量 T：上行出口个数；S：上行出口带宽 Pi：下行接入端口类型个数；s：下行接入带宽 t：上行接口利用率；p：下行接口利用率,Page 52,网络性能设计分析业务流量计算,星型结构网络：核心为总行网络，接入分行网络 业务分析计算方法： 每天工作8小时，通讯时间秒为单位，数据包净长平均100Byte， 40%协议开销（协议/数据），瞬时峰值因子b=2.5，3年业务
17、发展，年业务递增30%,一级分行（38个）,总行网络,A,B,C,D,Page 53,网络性能设计业务分析计算（1）,银行业务包括：管理业务、营业业务、综合业务（多媒体） 总行营业业务需求分析： 日均处理交易量在3000万笔以上，每笔1K byte，需要的总带宽为： 30M 1K 8 1.4 b 8小时 = 30M bps 按照每笔交易在双向需要传输20个包计算，需要设备的包转发能力为： 2 (30M 20) ( 86060 ) = 42 K pps 考虑突发因素，转发需求=42K b =105 K pps,Page 54,网络性能设计业务分析计算（2）,一级行业务需求分析： 管理业务平均流量
18、：58 Kbps R1=58 * 1.4 * b * 1.33=178.4 Kbps 综合业务带宽计算： 开通30路IP电话：每路电话所需带宽为12KBPS，需带宽360Kbps（包括协议开销）。 保证每秒30帧的画面传输速率，需带宽768Kbps（包括协议开销）。 平均WWW访问速率：平均速率125Kbps，带宽= 125K*1.4* 1.33*b = 960 Kbps 视频会议应用频率较低，可与其他应用复用以提高带宽的利用率，所需带宽为 1320Kbps,Page 55,网络性能设计业务分析计算（3）,一级行业务需求分析： 管理业务设备性能计算： 2* 178.4 Kbps/(8*140)
19、=326 pps 综合业务设备性能计算： 30路IP电话：2*30*33= 1980 pps 会议电视：2*768K/（8*1500）= 132 pps WWW访问：2*960K/（8*140）= 1756 pps 综合业务总需求：1980+1756= 3736 pps 注：会议电视与其它复用,Page 56,网络性能设计接入带宽及性能计算,一级行 营业业务带宽=30M / 38 = 789.5 Kbps 营业业务设备性能需求=105K /38 =2764 pps 其它业务带宽=1320+180=1500 Kbps 设备性能需求=3736+326 =4062 pps 实际网络中，为进行网络隔离
20、及网络冗余，租用2条E1 FR线路，1M及1.5M bps PVC,Page 57,网络性能设计核心接入带宽及性能计算,总行 营业业务带宽=30M bps 营业业务设备性能需求=105Kpps 其它业务带宽=1500 Kbps*38=57 Mbps 设备性能需求=4062 pps*38=154.4Kpps 实际网络中，为进行网络隔离及业务分担，租用4条E3 ATM线,Page 58,核心网络性能分析配置,配置：核心层4台Quidway NE16E，通过100M 以太全连接，每台1个VIU，1条E3线路接入广域网，设备性能180K pps。 A、B路由器分别用于19个分行营业业务，C、D用于普通
21、业务,一级分行（38个）,总行网络,A,C,D,B,NE 16E,NE 16,NE 16,E1 FR,E3,E3,1.5M,1M,1M,1.5M,Page 59,核心网络性能分析线路利用率,A、B线路利用率： A-E3 = 平均业务流量 / 链路数据速率= 19 * (789.5K/2.5)/ 34M =17.65% A-ETH = 平均业务流量 / 链路数据速率= 19 * (789.5K/2.5)/ 100M =6% C、D线路利用率： C-E3 = 平均业务流量 / 链路数据速率= 19 * (1500K/2.5)/ 34M =33.53% C-ETH = 平均业务流量 / 链路数据速率
22、= 19 * (1500K/2.5)/ 100M =11.4% 提示： 线路利用率 1/b(突发因子)70%,Page 60,核心网络性能分析设备利用率,A、B设备利用率： A =数据平均到达速率 *平均服务时间Ts =19*(789.5K/2.5)/(140*8)=5.357 Kpps Ts=1/110Kpps :140byte时转发性能 A = 5.357 Kpps / 110Kpps =4.87% C、D设备利用率： =19*(1500K/2.5)/(140*8)=10.18 Kpps Ts=1/110Kpps A = 5.357 Kpps / 110Kpps =9.25%,Page 6
23、1,核心网络性能分析流量方向,网络隔离，核心等效为AB网与CD网两部分 N：核心网节点数；T：核心网吞吐能力； C：设备转发性能,A,C,D,B,T=0%,T=100%,Page 62,核心网络性能分析吞吐能力计算(1),AB网（业务网）：每一个接入端口的流量都从一个核心节点进出，核心节点间没有流量 T=N*C N=2，C=34M/（8*140）=31.09 Kpps T=2*31.09 =62.2 Kpps 注意：设备性能受接口带宽限制,A,B,T=0%,T=100%,Page 63,核心网络性能分析吞吐能力计算(2),CD网（多媒体网）：核心节点相互均匀地传递流量 T=（N+1）*C/2
24、N=2，C=34M/（8*140）=31.09 Kpps T=（2+1）*31.09/2 =46.6 Kpps 注意：设备性能受接口带宽限制,C,D,Page 64,网络设备性能选择指南,设备性能主要指标：接口带宽与包转发力 包转发所处理的数据不能大于接口的带宽。 包转发能力受路由器设计体系、CPU性能、网络服务策略影响，如复杂网络路由协议的计算、QoS保障策略、网络安全控制等都将引起路由器转发能力的下降。 选择合适的网络设备还需要结合考虑可靠性、路由表大小及网络节点对设备资源的需要、提供的网络接入端口数量、网络需要的服务策略等因素。 更精确的包转发性能计算需要考虑各种长度数据包在网络中的占用比例。,