園區(qū)網(wǎng)絡(luò)帶寬的研究

吳榮生

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000）

園區(qū)網(wǎng)絡(luò)帶寬的研究

吳榮生

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000）

隨著用戶需求增加，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，需要盡可能高的帶寬。帶寬作為評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)連接性能的重要參數(shù)，具有重要的研究意義。分析網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的帶寬需求、使用時(shí)間規(guī)律及使用情況，得到一種園區(qū)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算帶寬的方法，并測(cè)量和分析園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬。

園區(qū)網(wǎng)絡(luò)；帶寬；可用帶寬

1　引 言

隨著 IP 網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)類型和關(guān)鍵業(yè)務(wù)越來(lái)越多，對(duì)于視頻、音頻以及重要數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)的網(wǎng)段，一定要保證這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，所以對(duì)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求［1-3］。比如網(wǎng)絡(luò)用戶需要更快的下載速度和瀏覽速度；更傾向視頻、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等寬帶應(yīng)用，這些應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求較高，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要為用戶提供盡可能高的帶寬［4］。而且在研究網(wǎng)絡(luò)性能的時(shí)延、吞吐量、丟包率、帶寬等諸多因素時(shí)，核心參數(shù)就是網(wǎng)絡(luò)帶寬。

2　帶 寬

帶寬是指單位時(shí)間內(nèi)所能傳送的比特?cái)?shù)，一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬［5-7］。瓶頸帶寬是指當(dāng)一條路徑中沒(méi)有其它背景流量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠提供的最大的吞吐量?？捎脦挘?-8］是指在網(wǎng)絡(luò)路徑存在背景流量的情況下，能夠提供給某個(gè)業(yè)務(wù)的最大吞吐量。由多鏈路組成的一條存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)路徑，其瓶頸帶寬與在時(shí)刻t的可用帶寬分別為各鏈路相應(yīng)的瓶頸帶寬與可用帶寬的最小者。

圖1　端到端的帶寬測(cè)量模型

圖1為端到端的帶寬測(cè)量模型，假設(shè)從主機(jī)1到主機(jī)2的端到端的路徑為S，在某時(shí)刻t，組成S的各跳路徑的瓶頸帶寬分別為Bs1，Bs2……Bsn，則路徑S的瓶頸帶寬為Bs= min｛Bs1，Bs2……Bsn｝；在某時(shí)刻t，主機(jī)1到主機(jī)2的各跳路徑的可用帶寬分別為Bt1，Bt2……Btn，則S的可用帶寬為Bt= min｛Bt1，Bt2……Btn｝；主機(jī)1到主機(jī)2的帶寬利用率為ρ，則可用帶寬為Bt= Bs（1-ρ），已用帶寬為Bu= Bs-Bt= ρBs。所以帶寬作為網(wǎng)絡(luò)連接性能的重要參數(shù)，有重要的研究意義。

3　帶寬的需求分析

（1）每種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)所需的最低帶寬要求

不同的用戶業(yè)務(wù)具有不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬模型。適合的帶寬是保障網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)QoS的重要手段。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，對(duì)于一些實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，其占用帶寬是可預(yù)測(cè)的，因此可以對(duì)這些業(yè)務(wù)做帶寬設(shè)計(jì)。一般視頻聊天需要占有100Kbps的帶寬；在線電影要保持流暢播放需要250Kbps以上的帶寬；3D游戲需要占用80Kbps左右的帶寬，網(wǎng)頁(yè)一般僅僅需要占用20Kbps左右的帶寬。下面表1所示，對(duì)不同業(yè)務(wù)類型所需的帶寬進(jìn)行獨(dú)立分析。

表1　網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)所需的最低帶寬要求

（2）使用網(wǎng)絡(luò)的時(shí)段分布

政府系統(tǒng)因正常的工作時(shí)段內(nèi)的8小時(shí)都是屬于繁忙的，所以網(wǎng)絡(luò)其高峰時(shí)段是早上的8點(diǎn)到12點(diǎn)，下午的3點(diǎn)到6點(diǎn)，其中早上的時(shí)段更繁忙。而企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的高峰時(shí)段是在上午9點(diǎn)到10點(diǎn)。所以不管什么網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計(jì)初期時(shí)都要考慮高峰時(shí)段，不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其高峰時(shí)段是不一樣的。

同樣的，根據(jù)中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)信息中心（CNNIC）［9］調(diào)查結(jié)果如圖2所示：從0點(diǎn)到7點(diǎn)使用網(wǎng)絡(luò)的用戶少，曲線還處于低谷，不到10%，從早上的7點(diǎn)到12點(diǎn)曲線是持續(xù)上升，其中8、9兩個(gè)小時(shí)內(nèi)上升速度最快，達(dá)到了27.1%的用戶。下午的時(shí)段和時(shí)段相差不大，但是到了晚上19點(diǎn)開(kāi)始到22點(diǎn)之間，人數(shù)急劇上升，達(dá)到了58.4%， 22點(diǎn)之后，用戶數(shù)量才減少?？梢?jiàn)網(wǎng)民一天中使用互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間波動(dòng)非常大，從19點(diǎn)到22點(diǎn)之間是用戶數(shù)量最多的時(shí)候，這個(gè)時(shí)段是我們需要重點(diǎn)考慮的。這個(gè)時(shí)段網(wǎng)絡(luò)都達(dá)到了最大帶寬，就要對(duì)這個(gè)繁忙時(shí)段進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)帶寬進(jìn)行計(jì)算。

（3）用戶使用的業(yè)務(wù)流量分類

不同的服務(wù)有不同的帶寬需求，這些帶寬需求表現(xiàn)在通信流量。而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通信流量，主要有下面4種情況：域名解析查詢等偶爾少量的通信；用戶通常在一段比較短的時(shí)間內(nèi)，連續(xù)從服務(wù)器端讀取若干個(gè)頁(yè)面文件，間歇一陣再讀取幾個(gè)頁(yè)面文件等的突發(fā)性通信流量；如網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議/點(diǎn)播、在線視頻、語(yǔ)音應(yīng)用等固定帶寬的流式傳輸；如FTP下載等的不定帶寬的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。

現(xiàn)在絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)用戶都喜歡上網(wǎng)看電影和下載軟件等，預(yù)計(jì)流量高發(fā)時(shí)期，用戶的大流量主要體現(xiàn)的是視頻流量和軟件下載流量。

圖2　用戶使用網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間規(guī)律

4　帶寬的設(shè)計(jì)

園區(qū)網(wǎng)絡(luò)上承載多種的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，有如視頻會(huì)議等的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、有電子郵件等的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和流媒體業(yè)務(wù)等的半實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，不同的業(yè)務(wù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的性能要求各不相同。這就要對(duì)這個(gè)繁忙時(shí)段進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)，從網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)所需求的帶寬、使用時(shí)間長(zhǎng)短，到用戶使用業(yè)務(wù)的時(shí)段分布，實(shí)現(xiàn)從接入層到主干帶寬的一種計(jì)算。

計(jì)算出不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的帶寬要求，累加后得出所有的業(yè)務(wù)帶寬需求。現(xiàn)假設(shè)共有N種業(yè)務(wù)，對(duì)應(yīng)不同的帶寬速度為 bi（i=1，2，3，4..，N），每小時(shí)平均有 M 人在線使用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，每人在線使用時(shí)長(zhǎng)為 ti（i=1，2，3，4..，N），則所需的總帶寬（單位）為：

其中ρ是一個(gè)參數(shù)因子，大多數(shù)情況下，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)使用數(shù)量約占全部的三分之二，而實(shí)際上網(wǎng)的僅占三分之一，不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)情況不太一樣，所以這個(gè)比例也可以按照同時(shí)上網(wǎng)人數(shù)比例所占用戶數(shù)的20%計(jì)算。

5　帶寬的測(cè)量

下面就以某校園網(wǎng)絡(luò)為例，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。用戶終端使用百兆網(wǎng)絡(luò)寬帶連接，校園用戶都屬于同一個(gè)局域網(wǎng)，不同的部門(mén)之間用VLAN技術(shù)隔離。使用測(cè)試軟件chariot軟件，在每天的9：50～19:00 對(duì)10組用戶終端進(jìn)行可用帶寬測(cè)試。測(cè)試時(shí)分為同一個(gè)VLAN（VLAN1之間的測(cè)試）和通過(guò)核心交換設(shè)備進(jìn)行通信的VLAN（VLAN1和VLAN2之間的測(cè)試）的可用帶寬測(cè)試。10組用戶終端都屬于同一個(gè)VLAN的計(jì)算機(jī)，測(cè)試的數(shù)值如下：10組用戶終端屬于不同VLAN的計(jì)算機(jī)，測(cè)試的數(shù)值如下：

圖3　校園網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表2　同個(gè)VLAN的可用帶寬

表3　不同部門(mén)的可用帶寬

這些數(shù)據(jù)都是在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的高峰時(shí)段測(cè)得的數(shù)據(jù)，從中可以得知，表2是同個(gè)VLAN之間的可用帶寬，相對(duì)來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)值比較高，不管是第一天還是第二天的高峰時(shí)段網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬都有將近 94Mbps，而且最大值和最小值也很相近，這也說(shuō)明同個(gè)VLAN內(nèi)數(shù)據(jù)交換還是能夠很快速的。表3是不同VLAN間的可用帶寬，最大值是94.398 Mbps，最小值是90.975 Mbps，兩者相差了3.423 Mbps，因其數(shù)據(jù)交換是通過(guò)核心路由器進(jìn)行的，所以不同的VLAN之間通信的數(shù)據(jù)交換還是會(huì)有波動(dòng)，帶寬的均值也有93 Mbps多，雖然比同個(gè)VLAN中的平均帶寬低了一點(diǎn)，但其可用帶寬還是能夠滿足用戶其他的各種需求的。

6　結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的加速，用戶的需求更加廣泛，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，需要為用戶提供盡可能高的帶寬。所以帶寬作為網(wǎng)絡(luò)連接性能的重要參數(shù)，有重要的研究意義。本文從網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)所需的帶寬、使用時(shí)間規(guī)律及使用情況，得到一種園區(qū)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算帶寬的方法，并對(duì)某園區(qū)的帶寬進(jìn)行測(cè)量，得到了該園區(qū)的網(wǎng)絡(luò)可用帶寬，分析該網(wǎng)絡(luò)的帶寬。這對(duì)于分析、設(shè)計(jì)、升級(jí)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能具有一定的參考意義。

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Research of Campus Network Bandwidth

WU Rong-sheng
（Zhangzhou Institute of Technology， Electronic Engineering Dept， Fujian Zhangzhou 363000， China）

With the increase of the user demands， the user puts forward higher requirements on network performance， needs high bandwidth as possible. As an important parameter of evaluating the performance of network connection， bandwidth has important research significance. Analyzed the bandwidth requirements of network business， the law of utility time and usage， this article get a method to compute the campus network bandwidth， measured and analyzed the available bandwidth.

Campus Network； Bandwidth； Available Bandwidth

TP393

A

1673-1417（2015）04-0018-04

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2015.04.0004

2015-09-10

吳榮生（1985-），男，福建龍巖人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（責(zé)任編輯：季 平）