本科--校园网网络性能分析与优化(编辑修改稿)

本科--校园网网络性能分析与优化(编辑修改稿)内容摘要：

对模 拟法而言，就是利用计算机在实际系统所得的模型上进行模拟试验，系统模型和复杂性的限制比较小。 模拟法比较适合大型系统的性能预测。 利用模拟法可以较快的达到对系统进行预测的目的，而且花费的代价较小，仅为人工编程模拟程序和上机运行并对结果进行统计分析的时间。 综合评价法 三种方法的比较 校园网网络性能分析与优化 xii 分析法 这种方法对系统规模一般有限制。 对于分析模型来说，需要花费很大的力气去解决复杂的数学问题，而有些问题本身是不能求出解析解的。 分析方法的困难在于难以求出解析解，但一旦求出了理论解的话，则所要求的参数和变量之间的关 系就一目了然了。 但当所作的假设太多、太牵强时，往往又使模型失去了实际意义。 【 19】 模拟法 模拟结果和理论值之间，一般是存在误差的。 采用模拟方法不是为了获取一个绝对数值解，而是为了获得一个相对的数值解。 模拟法具有其他方法无法比拟的优点，能迅速对几种方案进行评判，从中选择最佳方案，而不必去构造系统，省时省力，节省费用，而且灵活性大。 【 l9】 测量法 这种方法的优点是准确性较高，因为网络系统的实际情况比如响应时间、吞吐量等都能从使用现场实测得到。 测量法对于评价和鉴定一个己经存在并正常使用的网络是非常合 适的。 但这种方法局限性很明显，不能在网络建立之前预测网络的性能。 测量法易于实现，但必须进行大量的数据采集，才能对所研究的网络得出比较准确的性能评价。 另外，对系统性能的评价还取决于测试设备与手段，比如说数据采集。 根据用户的需要综合考虑网络的各项性能指标，给出其综合性能指标。 这是一种从用户角度考虑的方法，主要用于网络选型等适用于网络规划与优化决策支持系统中。 3 网络性能的量度及定量研究工具 3. 1 网络性能的量度 C 容量常常被不规范地称作速率或速度，它表示单位时间内信道上最多可以传输 的比特数，用位 /秒 (bps)或分组 /秒 (packets / s)来衡量。 对于硬件而言容量就是带宽。 容量决定了网络的吞吐量上限。 目标站点成功接收的信息量。 最大吞吐量也就是系统的容量。 理想化的吞吐量等于系统提供的负载。 任何情况下吞吐量只能介于提供的负载和系统的容量之间。 U 系统处于忙状态的时间百分比。 D 延迟指的是在计算机之间传输一位数据需要花费多少时间。 精确起见，通常需指校园网网络性能分析与优化 xiii 明最大延迟和平均延迟。 延迟可细分为四种 :传播延迟、交换延迟、使用延迟和队列延迟。 传播延迟与信号的传播距离成正比，因信号通过有线或无线信道进行，传播需要时间。 交换延迟是由于网络中的电子设备如集线器、交换机等在传输包之前要等待包的所有数据都到达，而且发送前选择下一站也需要时间。 使用延迟是由于竞争共享介质造成的，因为只有当介质空闲时才能进行通信，像 CSMA / CD 中的冲突检测、令牌环网络中的令牌传递均需要花费一些时间。 所谓队列延迟，指的是在包交换中存储转发过程要花一定的时间。 缓冲区中排队队列的长度，一般正比于延迟时间。 L 帧长对局域网性能也有一定 影响。 若帧太长，一是对短信息容易造成浪费，二是容易导致交互性能下降。 但帧又不能太短，否则可能检测不出冲突。 为灵活起见，常采用可变长度的帧。 G 提供的负载既包括一个站点成功发送的帧，也包括由于冲突或出错需要重发的帧，是注入到网络中的实际负载。 N 当每个站点提供的负载一定时，网络的总负载随站点个数的增加而增加。 我们希望网络工作在低延迟区域，避免进入高延迟区域特别是无限延迟区域，所以有必要确定局域网的性能边界，这与站点个数密切相关。 丢失率对网络的性能也有影 响，一般由于误码或系统拥塞造成。 若误码率较高，会导致出错和重发的机会增多，降低性能。 但在局域网中，由于目前硬件的可靠性较高，线路长度有限，误码率很低。 但即便如此，仍须在帧中加上校验码，高层协议亦需要对差错进行处理。 影响局域网性能的因素很多，比如网卡和集线器的好坏对局域网的性能就有直接的影响。 本文讨论的是连接的具体设备无关的情况，这样总结出的模型才一具有一般性。 网络拓扑结构的影响 拓扑结构的选择要考虑网络的适应性、可靠性、可扩充性和性能。 拓扑选择是设计局域网全部工作的一部 分，不能孤立地进行。 一般而言，总线 /树型拓扑最为灵活，可以说总线形是树形地一个特例，树形是总校园网网络性能分析与优化 xiv 线的一般化。 总线 /树形拓扑能适应较大的范围，且容易布线。 环形拓扑有提供最大吞吐量的潜力，缺点是部分故障易使整个网络瘫痪。 星形网络的优点是自然布线，适用于短距离、设备数量不太多的情况，能实现数据高速率的传输。 传输媒体的选择是拓扑选择是相互关系的。 媒体选择要考虑系统的容量、可靠性、地理覆盖范围和适用环境等。 网络协议的影响 网络协议对局域网的性能影响很大。 组建一个局域网首先确定采用支持哪一种协议的产品。 不同 协议各有优缺点，一般而言，总线型网有这较好的交互性能而环形网能满足大吞吐量的要求。 OSI 参考模型将计算机数据通信系统分成七个层次，从底向上分别是 :物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 在局域网中数据链路层改为逻辑链路控制层 ((LLC)和媒体访问控制层 (MAC)，而且对于同一个 LLC,提供几种不同的 MAC选择。 MAC 可以分为同步、异步两种，同步又可分为频分多路和时分多路。 异步又可分为三种，其中时间片轮转法适合每个站点定时发送信息的情况。 独占方式适合连续数据的发送，一般要对时间分 槽。 争用方式适合突发性的数据传输。 其它因素的影响 其它因素如稳定性、公平性、坚定性、故障模式、延迟变化范围【 8】、网络使用高峰时的负载情况、网络的配置状态、路由节点的 CPU 类型、缓冲区的数量和大小、入网报文的到达率、主机要处理的网络以外工作的优先级等【 34】 常用的定量研究工具 概率论是研究网络性能、对模型进行分析的最基本的数学工具。 因为概率论的研究对象是大量随机现象的统计与分布规律，而网络中的信息不论其产生还是到达的时间都是随机的，数据包的长度也符合一定的概率分布。 随机过程论对研究网络性 能亦有很大的帮助。 但适合的数学工具是派对论理论，因为网络中的信息流和派对论中的顾客流非常类似。 概率论与随机过程 指数分布的概率密度函数为 :f(x)=λ eλ x λ 0,x=0 概率分布函数为 : F(x)=1 eλ x 指数函数具有无记忆性 (或马尔科夫后效性 ) 泊松过程是最基本的到达过程，泊松分布的数学表达式为 :Pk(t)=(λ t)k/k!.eλ上式表示平均到达速率为入的泊松过程在时间 t 时间间隔中有 k次到达的概率。 可以证校园网网络性能分析与优化 xv 明泊松分布的均值和 方差均为λ :A(t)=P(到达间隔=t)=1 eλ x 上式两边对 t求导，可得到到达间隔的概率密度为 :a(t)= λ eλ x 上式说明了在一个泊松到达过程中，顾客的到达间隔为指数分布。 其逆定理也成立。 可以证明 :m 个泊松过程的合成仍为泊松过程，此即泊松合成定理。 排队论 排队论又称随机服务系统理论，它广泛应用于计算机通信领域，是计算机通信网的基础理论之一。 【 1】 排队是日常生活中常见的现象。 例如，人们到商店去购物，当售货员较 少而顾客较多时就会出现排队，计算机通信网也有类似的现象。 因为计算机通信网目前大多数采用分组交换，数据信息以分组为单位传送的，各分组到达网络节点 (即分组交换机 )进行存储一转发的过程中当多个分组要去往同一电路，那么就要进行排队。 排队系统的基本参数包括 :顾客到达率 a，服务员数目 m 和服务员服务速率 b。 (1)顾客到达率 a 是单位时间平均到达排队系统的顾客数量 (具体互计算机通信网， a就是单位时间内到达分组交换节点的分组数量 )。 a反映了顾客到达系统的快慢速度， a越大，说明系统的负 载越重。 一般排队系统中顾客的到达是随机的，即任意相邻两顾客到的时间间隔 Ti 是一个随机变量。 Ti 的统计平均值 T就是顾客到达的平均时间间隔，其倒数即顾客到达率 a， a=1/T，若在观察时间 t内有。 n(t)个顾客到达，在平稳重要条件下，有 a=lim n(t)/t (t 趋向于无穷大 ) (2)服务员数目 m 服务员数目 m就是排队系统内可以同时提供服务的设备或窗口数，它表证服务机构的资源。 在计算机通信网中， m 通常指分组交换节点的输出信道数量。 (3)服务员服务速率 b 服务员服务速率 b指的是单位时间内由一 个服务员进行服务所离开排队系统的平均顾客数，对于 m=1 的单服务员系统， b就是系统的服务速率。 对于 m 1 的多服务员系统，则系统的服务速率为 m的 b次方，即单位时间内接受服务后离开系统的平均顾客数为 m的 b次方。 假设每个服务员的服务速率均为 b， b 的倒数 z=1/b 就是单个服务员对顾客的平均服务时间，也就是一个顾客在系统内接受服务的平均时间。 需要说明的是 :在计算机通信网中，习惯上用 1 / b (bit)表示分组的平均长度 (这是用排队论分析计算机通信网时的习惯表示方法 )，分组交换节点的一个输出信道容量为 C（ bit/s)(即数据信息的最大校园网网络性能分析与优化 xvi 传输速率 )。 由此可以推出，传送一个分组的平均时间，即分组的平均发送时间为1/bc(s)，每个输出信道发送分组的速率为 c(它对应着一个服务员的服务速率均为 b )。 而对于有 m条输出信道的分组交换节点 (它相当于一个排队系统 )来说，发送分组的速率(即系统的服务速率 )。 为 m 的 b 次方乘以 c,总而言之，一般计算机通信网中的 ,bc 对应着排队论中的 b。 一般一个排队系统由三个部分组成 :顾客、服务机构和排队队列。 顾客指排队服务的服务对象，在网络中的数据流或数据包 :服务机构是若干服务员组成的处理服务对象 的实体。 队列是当服务员忙时，暂时得不到服务的顾客在系统中等候服务而排成的队列，队列可以有很多个。 Little 定律 Little 定律是排队论中应用最广的定律之一，适用于各种排队系统。 其数学表 达式为 :N=λ T这里 N 为系统中的平均顾客数，λ为顾客平均到达速率， T 为顾客在系统的平均等待时间。 上式适用于不同的顾客到达模式、服务时间分布、服务员个数和服务规则。 4 局域网性能的分析与评价 ①正确地建立模拟模型是模拟法的关键。 ②当不能求出系统的解析解时，至少有必 要性进行定性分析，以保证模拟结果有一理论上的依据。 ③注意分析模拟精度，尽量消除影响模拟精度的因素。 对模拟结果进行数理统计处理，以保证模拟结果的较高可信度。 局域网的性能受诸多因素的影响，主要有：（ 1）局域网的地理范围（ 2）局域网的拓扑结构（ 3） MAC 协议（ 4）数据传输速率（ 5）数据包的长度（ 6）节点总数（ 7）数据流的到达模式、高层协议的影响等 ,要在合理假设的基础上尽量简化模型，防止不可解。 应防止数学模型与实际系统之间的偏差太大。 在研究局域网的性能时，一般假设物理层保持完全的可操作性，认为误码率为 0可忽略或差错可被高层协议处理。 通常会作以下假定 : 1)误码率为 0 2)传播时间远小于传输时间 3)重发等待时间随机且服从均匀分布 4)报文的产生速率各站相同 5)报文的长度固定 校园网网络性能分析与优化 xvii 、评价的主要步骤 1)模型具有三个特征 :首先，模型是现实系统的抽象。 其次，模型由分析现实系统有关的元素组成。 最后，模型能反映元素之间的相互关系。 模型的求解 :数学分析法、计算机模拟法 (在系统的模型上进行实验 )。 模 型的分类 :物理、数学。 静态、动态。 确定性、随机性。 连续性、离散性。 线性、非线性等。 2)建模的原则 : ① 型要有一定的高度，必须反映现实系统的本质，失真太大就失去了意义：也不可能十分精确，把原型的所有细节都包含进去，否则难以控制。 ② 模型要足够简单，若太复杂，与实际系统差不多，则失去意义。 建模应抓住主要的本质的因素。 ③ 令模型须反复修改、完善。 根据评价结果，找出不合适的地方及原因，适当进行改。 ④ 现有模型应充分利用。 模型的分析 网络中的数据流通常是随机的、非均匀的，总之是不确定的，无论数据包的到达时间按、长度还是处理时间都是随机变量。 性能分析要做的工作就是在一定假设的基础上，找出性能的定量参数之间的数学关系，比如吞吐量与提供负载之间的关系、延迟随负载的变化情况等，使用数学的工具主要是概率论与排队论。 模型的评价 编写一个程序，使它的行为和它所描述的模型系统一样或非常接近，通过统计、分析这个程序的运行结果来评价模型系统的行为。 模拟法是一种非常有用的方法，系统模拟的三个阶段是 :编制模拟程序、运行程序并测试它的行为、对模拟程序的行为进行统计分析。 在模拟过程中不得不作一些近似，要注意尽可能限制近似 的程度。 为精确起见，尽可能不能增加程序运行的时间。 结果的统计、分析及与实际系统的比较 抽。