网络工程设计-天津大学计算机科学与技术学院课件.ppt

1、2网络工程设计概述(2学时) 网络工程设计基础(4+2学时)基本概念、基本设备简单组网技能中型网络设计知识与技能设计中型网络大型网络设计知识与技能设计大型网络网络设计综合知识与应用配置二层以太网交换机(2+4学时)网络需求分析 (4学时)结构化布线系统和机房设计(2学时)网络安全策略设计(2+0学时)网络维护与测试(2+0学时)设计性实验(0+10学时)路由器配置(2+4学时)企业网设计(4学时)l联网物理介质问题：为什么需要各种不同的联网介质？l以太网技术问题：速率不同，应用的场合是否一样？l案例教学34l教学目的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

2、型网络系统是必须的搞清网络应用目标，理解网络应用约束，掌握网络分析的技术指标，采用适当的分析网络流量的方法，对于网络需求分析是十分重要以设计网络实验室局域网和办公环境局域网为例，讲解了需求分析和设计过程l重点网络分析的技术指标分析网络流量的方法5l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l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l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l需求分析是网络设计过程的基础 62.分析网络应用约束3.网络分析的技术指标4.因特网流量的特点5.分析网络流量6.网络工程案例教学7l工作步骤

3、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l明确网络设计目标。典型网络设计目标包括加强合作交流，共享的重要数据资源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8l明确网络设计项目范围是设计新网络还是修改网络网络规模：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l明确用户的网络应用 网络应用统计表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91.分析网络应用目标3.网络分析的技术指标4.因特网流

4、量的特点5.分析网络流量6.网络工程案例教学10l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 l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 11l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l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检查项目结果对用户所处的产业及竞争情况做了研究。了解用户的公司结构。121

5、.分析网络应用目标2.分析网络应用约束4.因特网流量的特点5.分析网络流量6.网络工程案例教学13l定量地分析网络性能，首先要确定网络性能的技术指标l有很多国际组织定义了网络性能技术指标l这些技术指标为我们设计网络提供了一条性能基线(baseline)l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l我们这里关注的是网络级的性能指标14l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 l网络时延可分为往返时延(Round-trip

6、Time，RTT)单向时延(One-way Latency，OWL) 注意：RTT2OWL 15l吞吐量：在单位时间内传输无差错数据的能力l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16l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14%，严重拥塞时丢包率为515%丢包的

7、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 17l时延抖动：分组的单向时延的变化l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24 msl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18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Tk Tktk19l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l选路算法决定分组所采用的路径（路由）19h0h1hn-1hnl0l1lnl路由的变动将使时延、丢包率等指标有较大变

8、化lIP网络路由是动态的，但是相对稳定一种错误的观点是，IP网络的路由是动态的，研究路由没有意义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 2021l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lPC通信：14.4kb/s50kb/sl数字音频：12Mb/sl压缩视频：210Mb/sl文档备份：10100Mb/sl非压缩视频：12Gb/s 22l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

9、响应信息所需要的时间l用户往往比较关心这个网络性能指标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当响应时间超过100 ms或1/10 s的时候，就会引起不良反映超过100 ms，就能意识到等待网络的传输23l利用率：指定设备在使用时所能发挥的最大能力例如，网络检测工具表明某网段的利用率是30%，这意味着有30%的容量在使用中l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24l网络效率：为产生所需的输出要求的系统开销l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l提高网络性能的

10、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25l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”的指标用于衡量IP网络的性能。这是因为许多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。故该指标反映了IP层丢包率对应用性能的影响这条线定义了某些网络应用不可用的阈值丢包率时间26l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l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l可管理性(Manag

11、eability) 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l适应性(Adaptability)在用户改变应用要求时网络的应变能力l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27项 目记录了用户今年、明年两年内关于扩展地点、用户、服务器/主机数量的计划。得知了部门服务器迁移到服务器场点或内部网络的计划。得知了有关实现与合作伙伴和其他公司通信的外部网络的计划。记录下网络可用性的运行时间百分比和/或MTBF以及MTTR目标。记录下共享网段上的最大平均网络利用率目标。记录下网络吞吐量目标。28应用名称应用类型是否为新应用重

12、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必须小于备注291.分析网络应用目标2.分析网络应用约束3.网络分析的技术指标5.分析网络流量6.网络工程案例教学l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l了解这些规律对于我们把握设计计算机网络的一般规律是有帮助的3031l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不能把通信量的结构视为不变的32l表征聚合的网络流量

13、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33l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l时间上的邻近相关性l空间上的邻近相关性l在主机级、路由器级和应用级都有该效应34l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 90% (或 20-80)原因：客户机服务器方式、地理原因等35l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%

14、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36l会话的到达过程是泊松(Poisson)过程因特网 的最终用户是人。是这些人独立地随机发起对 因特网 的接入例如，用户向万维网服务器请求单个的页面，就服从于泊松过程37l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38l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

15、：在较长的时间范围内存在突发性突发性难以精确定义39l多数 TCP 会话是简短的90%的会话所交换的数据少于10 KB90%的交互连接仅持续几秒钟80%的万维网文档传送小于 10 KB40l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尤其是下载万维网的大文件多数应用都使用 TCP/IP 流量41l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即使由于 IP 电话和多播技术的使用(这些应用是在 UDP 上运行)，TCP 仍占主导地位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)l网络需求分析是获取

16、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l需要从分析网络应用目标和分析网络应用约束入手l需要掌握网络分析的技术指标，特别是关键的技术指标421.网络需求分析的目标是什么？简述网络需求分析的重要性。2.试给出主要的网络性能参数，它们的定义和度量的方法。其中哪些网络性能指标更为基本，更易于获取。3.简述因特网流量特点所反映出的基本规律。43l需求分析l问题：设计网络为什么要首先确定用户有效完成工作所需的网络服务和性能水平？l网络分析的技术指标l问题：列举几个你认为最重要的网络性能技术指标45461.分析网络应用目标2.分析网络应用约束3.网络分析的技术指标4.

17、因特网流量的特点6.网络工程案例教学47l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无疑为网络设计提供了依据48l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l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l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l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49l能够根据使用一个或一组特定

18、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50l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451l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l在某些应用中，流量是双向的且对称的l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l在广播式应用中，流量是单向非对称的l测量方式大体可分为两类一是主动式，它

19、通过主动发送的测试分组序列来测量网络行为二是被动式，它通过被动俘获流经测试点的分组来测量网络行为l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l填写有网络的通信流量表(有时难以测量)52流源1流源2流源n信源1 Mpbs路径 Mpbs路径 Mpbs路径信源2信源n53l客户机/服务器方式l对等方式l服务器/服务器方式l分布式计算方式l终端/主机方式54l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55对象类型长度( kpbs)终端屏幕4电子邮件

20、信息10Web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2,000高分辩率图像(打印质量)50,000多媒体对象100,000数据库备份1,000,0005657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服务器应用应用每子网分布率每子网分布率模拟会话模拟会话平均事务大小平均事务大小总访问容量总访问容量电子邮件33/33/33150/秒3KB4.6 Mpbs文件传输25/25/50100文件/小时4.5MB560 kpbsWeb浏览50/25/25200网页/秒50KB10 MpbsCAD服务器0/50/

21、5065/小时40MB5.78 Mpbs58591.分析网络应用目标2.分析网络应用约束3.网络分析的技术指标4.因特网流量的特点5.分析网络流量l案例教学要求：掌握设计规模达几十台PC的专用LAN的技能与方法掌握用Visio绘制该LAN网络拓扑图的方法案例教学环境：PC 1台，Microsoft Visio软件1套l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配置交换机的链路聚合功能60l一个具有80台PC的网络实验室仍然属于一个小型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

22、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：61l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l80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l要求在10秒内从一台服务器向外输出量将约达250MB，即约199Mpbsl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62每40台PC共享一台服务器

23、，这样共需两台服务器由于目前的专用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个这样的交换机每10组用一个16端口的百兆交换机互联，形成多星结构为了增加容错能力，我们还将这两台16端口的百兆交换机用百兆双绞线连接起来6364l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

24、通常为光纤介质65l案例教学要求：掌握设计规模达200台PC的办公LAN的技能与方法掌握用Visio绘制该网络拓扑图的方法l案例教学环境：PC1台，Microsoft Visio软件1套l设计要点：办公环境设计局域网，需要进行网络需求分析。该办公环境大约有200台PC，它们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66l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l办公环境覆盖范围可达400500米，并可能覆盖

25、几个楼层l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l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l各网络信息服务器与中心交换机相连676869l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。l其中的设计要点是：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；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；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。7071l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

26、，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l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7273l包括逻辑网络图、物理网络图和目录服务图这三部分功能 l逻辑网络图表示网络中的设备以及如何进行相互连接l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l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l采用适当的分析网络流量的方法，对于网络需求分析是十分重要l设计网络实验室局域网和办公环境局域网的技术最为实用741.参照“案例1：网络实验室局域网的设计”中所给的设计条件，只是这时实验室的PC为60台，并且每6台为一组。试进行相关设计并用Visio画出设计方案示意图。2.参照“案例2：办公环境局域网的设计”中所给的设计条件，只是这时办公环境覆盖4层楼，联网PC约为300台。试进行相关设计并用Visio画出设计方案示意图。75