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。帶寬作為評價網(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、使用時間規(guī)律及使用情況，得到一種園區(qū)網(wǎng)絡(luò)計算帶寬的方法，并測量和分析園區(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)越來越多，對于視頻、音頻以及重要數(shù)據(jù)經(jīng)過的網(wǎng)段，一定要保證這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，所以對園區(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、實時數(shù)據(jù)等寬帶應(yīng)用，這些應(yīng)用對網(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)性能的時延、吞吐量、丟包率、帶寬等諸多因素時，核心參數(shù)就是網(wǎng)絡(luò)帶寬。

2　帶 寬

帶寬是指單位時間內(nèi)所能傳送的比特數(shù)，一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬［5-7］。瓶頸帶寬是指當(dāng)一條路徑中沒有其它背景流量時，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，能夠提供給某個業(yè)務(wù)的最大吞吐量。由多鏈路組成的一條存儲轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)路徑，其瓶頸帶寬與在時刻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　端到端的帶寬測量模型

圖1為端到端的帶寬測量模型，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)計中，對于一些實時業(yè)務(wù)，其占用帶寬是可預(yù)測的，因此可以對這些業(yè)務(wù)做帶寬設(shè)計。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)頁一般僅僅需要占用20Kbps左右的帶寬。下面表1所示，對不同業(yè)務(wù)類型所需的帶寬進(jìn)行獨立分析。

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)的時段分布

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

同樣的，根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)信息中心（CNNIC）［9］調(diào)查結(jié)果如圖2所示：從0點到7點使用網(wǎng)絡(luò)的用戶少，曲線還處于低谷，不到10%，從早上的7點到12點曲線是持續(xù)上升，其中8、9兩個小時內(nèi)上升速度最快，達(dá)到了27.1%的用戶。下午的時段和時段相差不大，但是到了晚上19點開始到22點之間，人數(shù)急劇上升，達(dá)到了58.4%， 22點之后，用戶數(shù)量才減少?？梢娋W(wǎng)民一天中使用互聯(lián)網(wǎng)的時間波動非常大，從19點到22點之間是用戶數(shù)量最多的時候，這個時段是我們需要重點考慮的。這個時段網(wǎng)絡(luò)都達(dá)到了最大帶寬，就要對這個繁忙時段進(jìn)行專門設(shè)計，對網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)帶寬進(jìn)行計算。

（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間內(nèi)，連續(xù)從服務(wù)器端讀取若干個頁面文件，間歇一陣再讀取幾個頁面文件等的突發(fā)性通信流量；如網(wǎng)絡(luò)視頻會議/點播、在線視頻、語音應(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)計流量高發(fā)時期，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)的時間規(guī)律

4　帶寬的設(shè)計

園區(qū)網(wǎng)絡(luò)上承載多種的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，有如視頻會議等的實時業(yè)務(wù)、有電子郵件等的非實時業(yè)務(wù)和流媒體業(yè)務(wù)等的半實時業(yè)務(wù)，不同的業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)的性能要求各不相同。這就要對這個繁忙時段進(jìn)行專門設(shè)計，從網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)所需求的帶寬、使用時間長短，到用戶使用業(yè)務(wù)的時段分布，實現(xiàn)從接入層到主干帶寬的一種計算。

計算出不同網(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)，對應(yīng)不同的帶寬速度為 bi（i=1，2，3，4..，N），每小時平均有 M 人在線使用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，每人在線使用時長為 ti（i=1，2，3，4..，N），則所需的總帶寬（單位）為：

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

5　帶寬的測量

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局域網(wǎng)，不同的部門之間用VLAN技術(shù)隔離。使用測試軟件chariot軟件，在每天的9：50～19:00 對10組用戶終端進(jìn)行可用帶寬測試。測試時分為同一個VLAN（VLAN1之間的測試）和通過核心交換設(shè)備進(jìn)行通信的VLAN（VLAN1和VLAN2之間的測試）的可用帶寬測試。10組用戶終端都屬于同一個VLAN的計算機(jī)，測試的數(shù)值如下：10組用戶終端屬于不同VLAN的計算機(jī)，測試的數(shù)值如下：

圖3　校園網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表2　同個VLAN的可用帶寬

表3　不同部門的可用帶寬

這些數(shù)據(jù)都是在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的高峰時段測得的數(shù)據(jù)，從中可以得知，表2是同個VLAN之間的可用帶寬，相對來說數(shù)據(jù)值比較高，不管是第一天還是第二天的高峰時段網(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，這也說明同個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)交換還是會有波動，帶寬的均值也有93 Mbps多，雖然比同個VLAN中的平均帶寬低了一點，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

隨著社會信息化進(jìn)程的加速，用戶的需求更加廣泛，這就對網(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、使用時間規(guī)律及使用情況，得到一種園區(qū)網(wǎng)絡(luò)計算帶寬的方法，并對某園區(qū)的帶寬進(jìn)行測量，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。這對于分析、設(shè)計、升級園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能具有一定的參考意義。

[1] 李學(xué)勇, 孔德川, 徐佑萍. 高校校園網(wǎng)升級與萬兆以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用[J]. 河南科技學(xué)院學(xué)報，2005，33(1):81-82.

[2] 敖志剛. 萬兆位以太網(wǎng)及其實用技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007:1-442.

[3] Dian Teare，Catherine Paquet. 園區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[M]. 吳劍章，余 曉，呂紅艷譯. 北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 郭聯(lián)志. 園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的最佳設(shè)計研究[J]. 漳州師范學(xué)院學(xué)報，2011，33(2):15-19.

[5] 楊 峰, 楊莘元, 王 愷，畢經(jīng)平. 基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)帶寬測量方法與工具[J]. 計算機(jī)工程，2003，29(18):43-45.

[6] Kevin Lai, Mary Baker. Measuring Bandwidth[A]. In: Proceedings of ACMSIG COMM99. New York：1999, 235-245.

[7] C Dovrolis, P Ramanat han, D Moore. Packet Dispersion Techniques and a Capacity Estimation Met hodology[J]. IEEE/ ACM Trans on Networking, 2004, 15(7):427-446.

[8] N Hu, P Steenkiste. Evaluation and Characterization of Available Bandwidth Probing Technique[J]. IEEE JSAC Journalon Selected Areas in Communications, 2003, 21(6):879-894.

[9] http://www.cnnic.net.cn/hlwfzyj/hlwxzbg/200906/P020120709345358978614.pdf. 2009[EB/OL]. 中國互聯(lián)網(wǎng)信息中心.

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：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（責(zé)任編輯：季 平）