网络需求分析

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取和确定系统

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：数据资源共享情况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

明确网络设计项目范围是设计新网络还是网络升级网络规模：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

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

网络应用统计表

分析网络应用约束

政策约束 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

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

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

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

Tk tk

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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

中的选路算法决定的选路算法决定分组所采用的路径（路由）

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Packet SwitchingPacket Switching

h0

h1

hn-1

hn

l0 l1

ln

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

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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

当响应时间超过 100 ms 时，会引起不良反映

超过 100 ms ，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

激光打印机

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

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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。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。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

项 目 结果

记录用户今年、明年两年内关于扩展地点、用户、服务器 /主机数量的计划。了解部门服务器迁移到服务器场点或内部网络的计划。了解有关实现与合作伙伴和其他公司通信的外部网络的计划。记录网络可用性的运行时间百分比和 /或MTBF以及

MTTR目标。记录共享网段上的最大平均网络利用率目标。记录网络吞吐量目标。……

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

时延变化量最大值

备注

网络应用技术需求表

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

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

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 20-80%

原因：客户机服务器方式、地理原因等

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

会话的到达过程是泊松 (Poisson) 过程如：用户向万维网服务器请求单个的页面，服从于泊松过程

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

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

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80% 的万维网文档传送小于 10 KB

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多数应用都使用 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 协议一直是最重要的协议 IP 电话和多播技术的使用 UDP

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

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

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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

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

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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件

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 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 2000

高分辩率图像 (打印质量 ) 50000

多媒体对象 100000

数据库备份 1000000

数据来自解放军理工大学陈鸣

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 33/33/33 150/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

对应于上图，是统计值。用于就是主干网流量

案例 1 ：网络实验室局域网的设计案例教学要求：掌握设计规模达几十台 PC 的专用 LAN 的技能与方法

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

用百兆交换机若干交换机需要链路聚合功能

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，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：掌握设计规模达 200台 PC 的办公 LAN 的技能与方法

设计要点：办公环境的局域网是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

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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

中心交换机

网络信息服务器

... ... ...

... ...

... ...

楼层3

楼层1

楼层2

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。

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

绘制网络结构图

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