南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学院（系） ： 专 学 业： 生：国际教育学院 工商管理 付娜 李向江指导教师：完成日期2012
年2月校园网网络性能分析与优化南阳理工学院本科生毕业设计（论文）校园网网络性能分析与优化The Network Performance Analysis and Optimization in Campus Network总 表 插计： 格： 图 ：页 个 幅ii校园网网络性能分析与优化论文） 南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）校园网网络性能分析与优化 The Network Performance Analysis and Optimization in Campus Network学 院（系） ： 专 业：国际教育学院 工商管理学 生 姓 名： 学 号：
李向江 （讲师）指 导 教 师（职称） ： 评 阅 教 师： 完 成 日 期：2012 年 2 月 14 日南阳理工学院 Nanyang Institute of Technologyiii校园网网络性能分析与优化iv校园网网络性能分析与优化校园网网络性能分析与优化工商管理专业 付娜［摘 要］研究计算机网络的性能对于提高网络的速度、克服网络的瓶颈具有十分重 要的意义。对网络的性能进行分析和评价，也是进行网络规划和优化的基础，因为一个 真正满足用户需求的网络必须是一个高性能的网络。网络性能的研究，对于网络协议的 评价、改善和开发也具有重要的参考价值。 本文首先研究并总结了网络性能的定量描述指标，找出了影响网络性能的主要因 素，求出反映定量指标关系的数学表达式是研究网络性能的目标之一，而概率论、随机 过程和排队论是进行网络性能分析的重要数学工具。 本文重点对 CSMA/CD 总线网的性能进行了详细的分析和评价。数学分析法、计算机模 拟法和实际测量法是三种基本的分析、评价方法。然后对校园网络管理做了进一步的概 述。 最后，本文根据 CSMA/CD 总线网性能分析提出了校园网性能优化的几种建议。对校 园网的合理规划和建设具有理论意义和实践意义。 ［关键词］校园网;性能评价;网络性能；性能分析 关键词］The Network Performance Analysis and Optimization in Campus NetworkBusiness Administration Major Fu NaAbstract:It is of great significance to study the performance of computer networks in order to raise the network speed and overcome the network bottleneck. The networkperformance analysis and evaluation is also the basis of network plan and optimization,for a network that fully fills the requirement of its user should be a high performance one. Meanwhile, the research of network performance has important reference value for evaluating, improving and developing network protocols. In this thesis, the performance measures and key factors, which have influence onv校园网网络性能分析与优化performance, are studied and summarized. One target to study the network performance is tovi校园网网络性能分析与优化find out the mathematical expressions between each measure. Probability, Random Process and Queuing Theory are important and useful mathematical tools for network analysis. This thesis mainly analyzes and evaluates the performance of CSMA/CD campus networks.Mathematical analysis, computer simulation and spot testing are three basic methods for performance analysis and evaluation. Then I give a further outline of the management of campus network. Finally, this text according to the performance analysis of CSMA/CD to propose the campus network performance optimized several kinds of suggestions. It also has theoretical significance and realistic significance for the rational program and construction of campus network. performance evaluation；performance Key words:campus netwok； analysisvii校园网网络性能分析与优化目录中文摘要………………………………………………………………i 英文摘要………………………………………………………………ii 第 1 章 绪论……………………………………………………………1 1.1 论文的选题背景及意义………………………………………………4 1.2 课题的研究现状及发展趋势…………………………………………5 1.3 本文研究范围及内容组织 第 2 章 网络性能分析的基本方法…………………………………………………1 2.1 网络优化与网络性能……………………………………………………1 2.2 网络性能分析、评价的一般方法…………………………………………2 2.2.1 测量法……………………………………………………………………2 2.2.2 数学分析法……………………………………………………………3 2.2.3 计算机模拟法………………………………………………………………3 2.2.4 综合评价法………………………………………………………………… 第 3 章 网络性能的量度及定量研究工……………………………………………………… 3.1 网络性能的量度…………………………………………………………6 3.2 性能的影响因素…………………………………………………………8 3.2.1 网络拓扑结构的影响……………………………………………………8 3.2.2 网络协议的影响…………………………………………………………9 3.2.3 其它因素的影响........................................................................................9 3.3 常用的定量研究工具..........................................................................................9 3.3.1 概率论与随机过程.................................................................................10 3.3.2 排队论.....................................................................................................10 3.3.3 Little 定律...............................................................................................14 第 4 章局域网性能的分析与评价...............................................................................17 4.1 建立性能模型应考虑的几个问题...................................................................17 4.2 进行性能分析、评价的主要步骤...................................................................18 4.2.1 建立数学模型……………………………………………………………… 4.2.2 模型的分析………………………………………………………… 4.2.3 模型的分析………………………………………………………… 4.2.4 结果的统计、分析及实际系统的比较……………………………… 4.3 总线网(CSMA/CD)性能分析评价...............39viii校园网网络性能分析与优化4.3.1 系统概况................................................................................................39 4.3.2 功能说明................................................................................................41 第 5 章 校园网络性能管理概括………………………………………………………… 5.1 校园网简介…………………………………………………………………… 5.2 校园网管理…………………………………………………………6 5.2.1 校园网管理的内容……………………………………………… 5.2.2 校园网管理的目标及重要性………………………………………… 5.2.3 校园网管理的发展方向……………………………………………… 5.2.4 校园网络的性能管理……………………………………………… 5.2.5 性能管理的实现方法……………………………………………… 5.2.6 性能管理的目的和功能……………………………………………… 5.2.7 反映校园网性能的参数……………………………………………… 第 6 章 校园网性能优化方法....................................................................................... 6.1 概述.................................................................................................................... 6.2 几种网络性能优化技术.................................................................................... 6.2.1 QoS ...........................................................................................................46 6.2.2 组播.........................................................................................................47 6.2.3 虚拟局域网.............................................................................................47 6.2.4 Web Cache Server...................................................................................48 6.3 校园网性能的优化............................ 6.3.1 QoS 在校园网流量中的应用.................................................................48 6.3.2 组播在应用系统中的实现.....................................................................49 6.3.3 VLAN 的应用.........................................................................................50 6.3.4 Web Cache Serve:技术的应用..............................................................51 第 7 章 结束语.............................................................................................................53 7.1 本文的主要工作...............................................................................................53 7.2 进一步的工作....................................................................................................53 参考文献...................................................................................................................53 致谢.........................................................................................................................54ix校园网网络性能分析与优化1 绪论1.1 论文的选题背景及意义网络性能检测这一学科领域从 20 世纪 80 年代起逐渐受到重视， 国际上有许多针对 网络性能监控问题的研究项目和研究成果，有些得到了广泛的应用。目前主要包括第二 代工 Internet 划中的 Surveyor 工程、NSF 资助的 AMP 工程和 NIMI 工程、Windmill 工 程等。这些研究项目都着眼于 Internet 应用的未来发展，即对高速率和高服务质量的 强调。研究主要集中于两个方面:主动式网络性能监控和被动式网络性能监控。主动式 网络性能监控研究端到端的性能测量和分析优化，主要成果有 Surveyor 软件系统，可 以监测端到端的单程延迟。 被动式网络性能监控即流量分析， 主要成果有 Coral/OCXmon 监测平台。 随着网络规模不断的扩大，网络用户不断的增加要求网络安全、可靠。近一段时间 由于计算机病毒爆发网络安全危机等因素，网络设备超负荷运转，从而导致网络性能不 断下降。这就需要对网络设备的性能进行检测和分析，及时改善和提高网络性能。 当前， Internet 性能监控的研究正面临诸多挑战。 国际上有许多针对网络性能监控 问题的前沿研究项目正在展开。 随着我校网络扩建工程这一项目的建成，快速、先进的校园网成为学校吸引生源、 提高竞争力的必不可少的公共服务体系。远程教学、网上录取和办公自动化应用己经改 变了学校的运行方式。新一代的网络技术(如千兆以太网、光纤网络、IP QoS 和基于策 略的网络等)层出不穷，多媒体应用正改变着学校的教学模式、推动教学方式的改革， 这一切应用都要求网络安全、可靠。因此，设计开发智能化的校园网并能扩展到城域网 的网络性能分析系统势在必行。1.2 课题的研究现状及发展趋势在网管协议和技术的开发中，90 年代工 Internet 的成长起到了关键作用。起初 IAB(Internet Architecture Board)试图采纳 OSI 的管理方案，但当时 Internet 的规 模增长使得对管理的需求非常紧迫，而 OSI 管理组正忙于讨论 OSI 管理框架。由于不可 能在短期内实现 OSI 管理，IAB 要求 IETF 制定一个暂时的标准。IETF 在一年以后完成 了 SNMP(Simple Network Management Protocols)。之后各厂商开始开发兼容 SNMP 的产 品。虽然 SNMP 在许多方面表现出低效，它己成为网络管理信息交换事实上的工业标准。 IETF 没有提供完整的网络管理体系结构的标准， ETF 主要致力于网管协议和 MIB 的开 工 发。 当前主要的网管标准和协议都源于 ISO (The InternationalOrganization for Standardization)的思想和定义。ISO 主要开发概念性的标准，由于 ISO/ OSI 网络体x校园网网络性能分析与优化系结构标准没有相应的物理实现，基于 OSI 的网络管理体系结构只能作为开发实用体系 结构的参考。ITU(International Telecommunication Union)主要针对电信网络开发标 准，对于计算机网络的管理，ITU 标准中有许多思想可资借鉴，但却无法作为完整的体 系结构解决方案。工 ETF 是 SNMP 的缔造者，SNMP 规定了管理信息交换的体系结构和标 准，但是相对于整个网络性能监控体系结构而言，SNMP 仅仅定义了底层标准，因而也是 不完整的。除此之外，其它一些标准规范也都各自针对一些局部问题。缺乏透视全局的 指导标准，是当前网络性能管理研究偏向于一隅的主要原因。1.3 本文研究范围及内容组织本文的研究范围为校园网，重点分析各种因素，尤其是网络流量，访问协议对网 络性能的影响，某些方法和结论也同样适用于城域网。 本文首先研究并总结了几个对网络性能最有影响的参数，找出了影响性能的主要 因素并概述了这些性能指标间的关系。然后重点对常用的局域网拓扑一总线网的性能进 行了系统的分析与评价。 为了验证模型的正确性和分析结果的准确性与可靠性，本文最后给出了系统的软 件实现。因为数学分析的结果一般是在做了一些假定的情况下推倒出来的，与实际情况 是否相符必须进行验证。计算机模拟提供了一种很好的评价方法，尤其适用于模型太复 杂、数学分析难以得出结果的情况，把数学分析结果与计算机模拟结果进行对比，可以 确定模型的正确性。 最后，根据以上的分析提出了校园网网络性能优化的一些建议。2 网络性能分析的基本方法2.1 网络优化与网络性能网络规划设计的关键之一是建立网络的优化模型。对网络进行优化需要对网络的 性能进行分析，目的是在网络的建设开始之前，就可以有效地设计，模拟网络的运行环 境，在网络实施之前就能获得网络的性能指标，以便优化网络结构，提高网络性能，节 省用户投资。 网络性能分析就是分析协议网络性能的影响，分析在执行某一确定的协议时，网 络所表现出来的性能情况。性能分析意味着建立和研究数学模型，以便尽可能精确地预 测网络的性能。进行性能分析和讨论应当以事实为基础，即以己知 LAN 的设计方案为对 象。 性能分析与设计过程有关， 通常将几种不同的设计方案及性能同时加以研究和比较。 特定的媒介访问技术往往有几种不同的实现方案，由此产生不同的性能模型。网络性能xi校园网网络性能分析与优化评价指在网络分析的基础上，对比不同协议所提供的网络性能，为规划与设计局部网络 提供基础。网络性能分析研究的目的，还在于找出协议中影响网络性能的因素，进一步 改进协议及提高性能的方法。如何根据用户要求来选择和设计相应的 LAN，性能分析的 结论是选择和设计网络的指导。 认识影响 LAN/WAN 或工 Intranet 性能因素及相互关系，探讨其性能分析、评价方 法，建立评价模型，目的是优化网络配置以提高网络的性能。开发新的网络协议，也要 充分考虑软件协议对性能的影响。未来的计算机网络应满足用户的各种需求，尤其是多 媒体方面的需求。目前的大多数协议都难以很好地支持音频、视频的快速传播，研究怎 样提高网络的性能，对开发新一代高性能的网络协议很有帮助。 规划、设计网络和总体结构，建立本单位的内部网络，然后接入 Internet，一方 面可以方便、 快捷地访问所需的信息资源， 另一方面可以把自己的信息快速发布到网上， 和全世界建立密切联系。高等院校乃至中、小学的校园网、企业内部网以及城域网的建 设方兴未艾，研究网络的性能评价、测试方法，对于确定网络的结构，优化资源的配置， 加快上网速度，以及节省投资，提高效率等都具有重大的现实意义。 不管是扩充一个现有网络的功能还是规划一个待建的网络，都要在满足用户使用 需求的基础上使网络的配置尽可能最优，即应该在最优可能导致网络出现瓶颈的地方加 大投资，即使设备昂贵也要购买较好的。规划一个网络应使资源的配置尽可能合理，这 是网络优化要做的工作。 网络的性能分析与评价是网络优化的前提，也是进行网络规划不可缺少的一个步 骤。首先，对网络的性能进行分析、评价，获得网络性能的总体情况，可以评估、鉴定 和验收一个现有网络的性能。根据用户的业务特点，选择何种网络拓扑，工作站的个数 最多可有多少，以及网络应受哪些限制，扩充的余地还有多大等等，这些都要事先进行 一定的理论分析，单凭经验往往很被动。网络性能分析、 2.2 网络性能分析、评价的一般方法对网络性能进行分析、 评价的方法很多。 简单的分为定性分析、 评价的定量分析、 评价两种。所谓定性分析，指的是技术人员根据自己的经验对一个已有或待建的网络进 行大致的性能估计，判断网络配置能否满足用户的需要。用这种方法显然是不准确的， 常常要在安装或使用过程中动态的作出一些调整，以满足用户的需求。 定量分析就是运用数学工具或测量方法找出反映网络性能的定量指标间的数值 关系以及某个或某些变化时对网络性能的影响。相比定性分析，定量分析更精确的反映 了网络性能的实际情况，为技术人员设计和规划网络提供了更准确、详细的依据，使决 策更科学。常用的定量分析方法有数学分析法、计算机模拟法和实际测量法及综合评价 法四种。xii校园网网络性能分析与优化2.2.1 测量法 测量法指对已建立网络进行硬件或软件直接、实际的动态数据测试，获得各种统 计数据对网络性能进行分析和评价。 【2】 使用软件或专业硬件设备，对己经建立并正常运营的网络进行动态数据的收集和 统计分析。目前流行的大多数网络测试软件及设备均属于这种情况。一般使用一台笔记 本电脑作为网络分析机。 网络测试是保证网络高性能、高可靠性和高可用性的基本手段，最典型、最重要 的是网络协议分析仪，其典型功能是数据包的捕捉、协议的解码、统计分析和数据流的 产生。用它可以捕捉网上的世界流量、提取流量的特征，据此对网络系统的流量进行模 型化和特征化。此外，还可以主动地产生大量的数据包施加到网络上，分析网络的响应 或对网络系统进行加重测试。像 HP 的 Internet Advisor,WG 的 Domino 等都属于网络协 议分析仪。 2.2.2 数学分析法 分析法指用数学表达式去描述在确定的拓扑结构及通信协议下，网络所表现出来 的性能参数的表达式，并用分析方法去确定网络中各项参数对性能参数的影响。 【7】 数学分析法主要运用数学公式反映网络性能指标间的关系。只要得到了每一个性 能的量度与其它量度及影响因素之间的数学表达式，那么整个网络的性能就可以准确把 握了。这对于网络设计、优化具有重要的意义。 采用数学分析法，需要为网络建立适当的数学模型，把一个实际的网络抽象成一 个理论上的相对简单但又能反映真实网络情况的模型。建立模型的过程中必须做一些合 理的假定，否则是很困难的，而且即便建立了模型，其求解也是非常复杂的，甚至得不 到明确的解析解。 数学分析法主要运用概率论、随机过程论和排队论等数学工具，尤其是排队论， 是进行网络性能分析的有力武器。因为一个系统往往可以等价于一个排队系统。 2.2.3 计算机模拟法 模拟法又称蒙待卡洛((Monte Carlo)方法，即人为地构造一个模型，使其特性参 数恰为所考虑的物理模型的参数，然后根据模型借助计算机进行随机模拟，在很短的时 间内就可以模拟出实际系统需长时间运行而显现出的系统性能。 【19】 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。 2.2.4 综合评价法 三种方法的比较xiii校园网网络性能分析与优化分析法 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1.容量 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。 2.吞吐量 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。 3.利用率 U 系统处于忙状态的时间百分比。 4.延迟 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xiv校园网网络性能分析与优化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。 5.队列长度 缓冲区中排队队列的长度，一般正比于延迟时间。 6.帧的长度 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。 7.提供的负载 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。 8.站点的个数 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。 9.丢失率 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。3.2 性能的影响因素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。 3.2.1 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xv校园网网络性能分析与优化线的一般化。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。 3.2.2 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。 3.2.3 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】3.3 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。3.3.1 概率论与随机过程1.指数分布 指数分布的概率密度函数为:f(x)=λe-λx 概率分布函数为: F(x)=1- e-λx 指数函数具有无记忆性(或马尔科夫后效性) 2.泊松过程 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)=(λt)k/k!.e-λ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xviλ&0,x&=0校园网网络性能分析与优化明泊松分布的均值和方差均为λt.泊松过程的到达间隔分布函数为:A(t)=P(到达间隔 =&t)=1 -e-λx 上式两边对 t 求导，可得到到达间隔的概率密度为:a(t)= λe-λx 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。 3.3.2 排队论3.3.2.1 排队论的基本概念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。3.3.2.2 排队系统的基本参数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。 的统计平均值 T 就是顾客到达的平均时间间隔， Ti 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xvii校园网网络性能分析与优化传输速率)。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。 3.3.3 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=λT 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4.1 建立性能模型应考虑的几个问题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xviii校园网网络性能分析与优化4.2 进行性能分析、评价的主要步骤 进行性能分析、4.2.1.建立数学模型 4.2.1.建立数学模型 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 ② ③ 行改。 ④ 现有模型应充分利用。 4.2.2 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。 4.2.3 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、 4.2.4 结果的统计、分析及与实际系统的比较 抽样值的平均值称为抽样均值，大数定理指出:如果抽样次数足够多，则抽样均值 就非常接近于所期望的平均值。进行统计分析时，要考虑置信区间和置信度。 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 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 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 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。 要的本质的因素。总线网(CSMA/CD) (CSMA/CD)性能分析评价 4.3 总线网(CSMA/CD)性能分析评价4.3.1 系统概况 本文的软件实现部分主要完成以下工作:对本文提出的局域网性能模型进行程序 模拟，以便与数学分析结果相比较，证明性能分析的正确性;对一些重要的定量关系， 绘出与数学公式对应的图形或曲线，以便直观地考察不同参数之间的关系及相互影xix校园网网络性能分析与优化响。对给定的网络进行性能分析和评价，设计了网络性能分析/评价系统。分析/评价系 统根据用户输入的网络的参数用数学分析的方法计算出网络的主要的性能指标，然后进 行性能分析，评价了该网络的优点和缺点，并提出了改进网络的建议，供用户参考。 软件实现系统中的一些设定: 1. CSMA/CD 的模拟程序中的重发时间不是从均匀分布中单独选择，也不是从二进制 指数分布中选择，而是从随机分布中选择。 2. CSMA/CD 的模拟程序中帧服务策略是 FIFO，因为是随机访问。 3. CSMA/CD 的模拟程序因为是随机访问，所以服务为非穷尽式。 4.只有非持续型时隙 CSMA/CD 的时延分析结果由 Tobagi 和 Hunt 找出了数 值解答，其它的没有。因此，本人设计了模拟和解决时延分析问题。 5.用户数无限大，泊松到达，包括新分组和碰撞分组; 6.任意两站间传播时延为 t 秒; 7.固定长分组和传输时间 P; 8.任何时候，各站最多只有一个准备发送的分组，包括曾碰撞的; 9.载波侦听的动作发生在瞬间，而且发送到接收中间无倒转时延; 10.传输失败仅由碰撞造成无噪声; 11.两个分组的任何部分发生重叠，都会导致破坏性的干扰，故都必须重发; 12.退避策略:采用二进制指数法 k=min(10} r), 2 的 k 次方，2t; 13.重发时间：从均匀分布中单独选择，从泊松分布中单独选择 14.该模拟模型的定位:为单服务员，非排队系统，为随机访问机制，仅能根据到达 的时间先后进行模拟;不排队，要么发送，要么延迟一段时间，即退避一段时间。 15.针对各种变化需求，给出网络变动后的结果和影响; 16.使用网络图示工具生成更简明的报表; 17.模拟:平均时延=(等待时间+传播时间+传送时间)的总和/发送帧个数; 吞吐量=完成传送的帧长和/时间；介质利用率=有效传送时间/总时间; 18.分析/评价系统实现五种协议: 非持续型 CSMA/CD 非持续型时隙 CSMAJCD 1 一持续型时隙 CSMA/CD 19.评价方法: 吞吐量:如 S&0.36，过大，必然造成延时增多(负载过重) 如 S 趋近于 0，过小，延时少，资源浪费严重(负载过轻) 如 0.1&S&0.36，合适，较好利用资源，而又延时短(负载合适) 延时:如 T&…过慢(由模拟程序确定)xx校园网网络性能分析与优化如 T&…过慢 如…&T&.…合适 介质利用率:如 u&0.4，过大，造成延时增多(CSMA/CD) 如 u&0.1，过小，资源浪费严重;如 0.1 &u&0.4，合适;如 u&0.8，过大，造成延 时增多;如 u&0.05，过小.如 0.05&u&0.8，合适; 20. CSMA/CD 模拟: 空闲：凡是(发送时间一当前时钟)&t 的发送帧，都应准备; 忙：只要信道忙，凡是准备好的都应退避; S：凡是(发送时间一当前时钟)&t 的发送帧都应准备; t:凡是(发送时间一当前时钟)&P 的发送帧都应准备; 冲突:只要信道有冲突阻塞信号，凡是准备好的都应退避; S:凡是(发送时间一当前时钟)&t 的发送帧，都应准备; t:凡是(发送时间一当前时钟)&J+t 的发送帧，都应准备; 21. CSMA/CD 模拟系统定时子程序:准备的帧应为哪些到达的帧，当系统状态不同 时，对准备的帧的到达时间的约束不同;4.3.2 功能说明模拟系统进入主用户界面后，可根据情况选择不同功能。对于性能模拟而言，可以 进行总线网局域网模型的模拟。运行前要输入一些必要的参数，否则将使用系统的默认 值，运行相应时间后可得出平均延迟等结果。中间结果数据可保存在数据库中，供统计 分析使用，并与理论计算的结果进行比较，用以评价模型正确性与可靠性。 绘图子系统可以绘出一些重要的曲线供直观地了解性能情况，对于性能的比较提供 了很好的依据。 网络性能分析/评价系统进入主界面后，可输入各种网络参数，单击性能分析按钮， 可完成对给定网络的性能分析，单击提高建议按钮，可完成提高网络性能的各种建议。5 校园网络性能管理概述5.1 校园网简介校园网络通常是指利用网络设备、通信媒质和相应的协议及各类系统管理软件， 将校园内计算机和各种终端设备有机的集成在一起，同时又通过防火墙与外部的 Internet 网络连接，以用于教学、科研、学校管理信息资源共享和远程教育等方面的局 域网。校园网络是 INTERNET 网的一个组成部分。校园网的硬件通常由服务器、工作站、 网间互连设备、传输媒质等部分组成。 (1)服务器:服务器是指网络上一种为客户端计算机提供各种服务的高性能的计算xxi校园网网络性能分析与优化机。 (2)工作站:校园网中，工作站是一台客户机，即网络服务的一个用户。 (3)网络互连设备:集线器，交换机，路由器，网关，防火墙等。 (4)常用的网络传输媒质:双绞线，光纤。 校园网的日常业务: (1)信息发布:学校的 Web 主页犹如学校的一个窗口，学校可以通过这扇窗口向世界 各地的人们充分展示学校的形象。一般来说，学校主页的主要内容包括:学校历史、院 系、部门介绍、专业设置等信息。 (2)教学应用:校园网的主要功能就是教学应用，它可以有网络教学平台提供支持， 以网络教学信息资源库作为信息来源，运用多种网络工具完成网络教学任务。 (3)管理应用:建立在校园网络基础上的学校管理信息系统可以为学校在人事、教 务、财务、日程安排、后勤管理等方面，提供一个先进的分布式管理系统。 (4)科研应用:校园网络可以使用户共享各类计算机软、硬件资源以及学术信息资 源，从而提高科研的效率。另一方面，校园网络还可以降低科研的成本。 (5)数字化图书馆:数字图书馆是以数字化格式存储海量的多媒体信息，同时能对这 些信息资源进行高效的操作，它的资源数字化、联系网络化、获取自主化等优点是传统 图书馆无法比拟的。5. 2 校园网管理校园网管理是指对校园网络(包括构成校园网的软硬件)的运行状态进行监测和控 制，使其能够有效、可靠、安全、经济的服务【9】 5.2.1 校园网管理的内容 国际标准化组织(工 SO)在网络管理框架模型(工 S07498-4)中把网络管理分为五大 部分【10】 1.性能管理:主要考察网络运行的好坏。性能管理使网络管理员能够监视网络运行 的参数，如吞吐率、响应时间、网络的可用性等。 2.故障管理:检测、定位和排除网络硬件和软件中的故障。当出现故障时，该功能 确认故障，并记录故障，找出故障的位置并尽可能地排除这些故障。 3.配置管理:掌握和控制网络的状态，包括网络内各个设备的状态及其连接关系。 配置管理的典型方法是，用逻辑图来描绘所有的网络设备及其逻辑关系，并将网络的确 切物理布局，以适当的比例映射到这个逻辑图上。用精心设计的各种图标来表示各种网 络对象，而这些图标又往往涂上不同颜色表示相应设备的不同状态。 4.计费管理:记录各个用户和应用程序对网络资源的使用情况。计费管理提供计算 一个特定网络或网段的运行成本的手段。xxii校园网网络性能分析与优化5.安全管理:是对网络资源及其重要信息访问的约束和控制，包括验证网络用户的 访问权限和优先级、检测和记录未授权用户企图进行的不应有的操作。 对校园网的各项管理功能需要通过网络管理系统来实现。在校园网的管理中，网络 管理员不但要负责主干网和服务器的运行和维护，还必须提供直接面向广大师生的各种 应用服务。随着网络规模的扩大，入网用户数的增多，网络管理员提供给用户的服务也 日趋复杂和繁重。因此，校园网络管理系统在网络管理中的五大功能域之外，还增加一 个信息管理功能模块，它包括校园网用户信总和管理信息两大部分: (1)用户管理:将所有与具体用户密切相关的信息集中起来，结合 DBMS 加以有效管 理，并在与其他管理模块相配合的基础上，完成基于用户的各项服务。其功能包括:帐 户管理、个人信息管理、安全信息管理、计费信息管理、配置信息管理和维护信息管理 等。 (2)内部管理:目标是把校园网的日常管理电子化，实现数据共享，其功能包括:值 班记录、主干设备功能及参数描述、主干设备技术文档、设备故障维护记录、工作规划 及安排、FAQ 及布线管理等。 5.2.2 校园网管理的目标及重要性 校园网络管理的目标是最大限度地利用网络资源，提高网络的运行质量和效率，向 广大师生提供优质的各项网络服务。 校园网管理的重要性是由校园网所具备的各项业务功能所决定，校园网是否能够 安全，稳定，高效的实现各项业务功能，直接取决于我们是否能够对其进行高效的日常 管理。因此，我们可将校园网管理的重要性概括如下: (1)确保网络教学和网络办公不致中断。 (2)高性能的网络有助于提高工作效率和学校的竞争力。 (3)可以确保网络的规模和性能随新的教学和办公业务的扩展而增长。 (4)可以确保学校数据的安全和一致性。 (5)可实时监控校园网络运行状况，降低网络维护的成本。 5.2.3 网络管理的发展方向 随着网络技术进步以及 Internet 上的应用快速增长，网络管理技术也正朝着智能 化、集成化和基于 WEB 的管理方式等方向发展。 基于 WEB 技术的网络管理(Web-Based Management，简称 WBM)将网络管理与 WEB 技术结合起来，其特有的灵活性，易操作性等特点赢得了许多开发商和用户的青睐，已 经成为国际上的流行趋势。 目前，基于 Web 的网络管理有两种基本的实现方式，即代理方式和嵌入方式【11】 【12】 。 (1)代理方式xxiii校园网网络性能分析与优化就是将一个 Web 服务器加到一个内部工作站(代理)上，这个工作站轮流与端设备通 信，浏览器用户通过 HTTP 协议与代理通信，同时代理通过 SNMP 协议与端设备通信。一 种典型的实现方法:提供商将 Web 服务加到一个已经存在的网管设备上去。 例如 3Co。 的 Transcend Enterprise Manager。 这样做可以平衡像数据库访问、 SNMP 轮询等功能。 【14】 代理方式保留了现存的基于工作站的网管系统及设备的全部优点，同时还增加了访 问灵活的优点。既然代理与所有网络设备通信，那么它当然能提供一个公司的所有物理 设备的全体映像，就像一个虚拟的网那样。代理与设备之间的通信沿用 SNMP，所以这种 方案的实施只需要那些“传统”的设备即可。 (2)嵌入方式 将 Web 能力真正地嵌入到网络设备中，每个设备有它自己的 Web 地址，管理人员可 轻松地通过浏览器访问到该设备并且管理它。 嵌入方式给各独立设备带来了图形化的管理。这一点保障了非常简单易用的接口， 她优于现在的命令行或基于菜单的远程登录界面。Web 接口可提供更简单的操作而不损 失功能。 未来的网络中，基于代理和基于嵌入的两种网管方案都将被应用。一个大型的机构 可能需要继续通过所谓的代理方式来进行全部网络的网络监测与管理，而且代理方案也 能够充分管理大型机构中的纯粹 SNMP 设备。与此同时嵌入方式也将有着强大的生命力， 例如这种方式在不断前进的界面以及在安装新设备配置设备方面就极具优势。 5.2.4 校园网络的性能管理 校园网管理就是对网络的性能、品质进行监测和控制的过程。监测即跟踪网络的行 为;控制即调整和改进网络的性能，包括性能管理、故障管理、配置管理、记费管理和 安全管理五大管理功能域，其中性能管理是优化服务质量(QoS)的需要，它定义了网络 的动态评估方法，以便于检验网络所保持的服务水平，确定实际的和潜在的网络性能瓶 颈。根据网络的各项运行指标的趋势.为制定和规划 管理决策产生报告【13】 。随着校园网的飞速发展，广大师生对网络资源的需求空 前增长，校园网服务质量也越来越受到校园用户的关注，因此，校园网性能管理也随之 受到学校领导和网络管理者的重视。 5.2.5 性能管理的实现方法 网络性能管理主要是实现对网络的检测和控制，检测即跟踪网络的行为，控制即调 整和改进网络的功能，其实现方法是: (1)实时监控网络设备和响应的所有连接，监视设备和线路的使用率和出错率及相 应的闽值，并进行闭值报警; (2)定期分析历史数据，及时提示管理者和决策者做出设备和线路的升级计划，保 证设备和线路不会由于过度使用而出现网络性能急剧下降的情况。在校园网的日常管理xxiv校园网网络性能分析与优化工作中，很重要的一部分工作就是对网络的性能进行监控，而网络性能数据的采集又是 性能管理的基础，通过专用软件工具对采集到的各项性能参数(如可靠性、时延、吞吐 量、网络利用率等)进行分析，从而能够确定当前网络中哪些设备的性能是否符合工作 要求。对那些性能下降或过负荷的设备，可通过相应的管理手段进行调整，以保证校园 网安全、稳定、高效的运行。 5.2.6 性能管理的目的和功能 性能管理的目的是对网络、网络单元或设备进行性能监视，采集相关的性能统计数 据，评价网络和网络单元的有效性，报告网络设备的状态，支持网络规划和网络分析。 性能管理功能大体上可以分为 (1)性能质量保证:是一组为了适应新技术的发展和客户要求的变化，支持对网络作 出正确评价的管理功能。 (2)性能监视:是根据确定的性能指标，从通信设备中采集与性能管理有关的管理参 数。 (3)性能分析:是对采集到的性能管理参数进行分析 (4)性能控制:是在性能分析的基础上，根据性能分析的结果，对网络实行改善网络 性能的操作。 5.2.7 反映校园网络性能的参数 性能管理中必须定义一组能够精确、全面而又简捷地反映网络过去和当前性能的参 数。参数中有代表当时性能水平的，有反映长期性能变化过程的。最典型的当然是吞吐 量和时延两个参数。 网络性能管理的有关标准文本中定义了可以用于度量分组交换数据网性能的几个 关键特性和运行参数，这些参数也适用于校园网。目前已经定义的度量内容有【10】 。 .吞吐量 .工作负荷 .传输时延 .响应时间 .服务质量 Qos(Quality of Service)6 校园网性能优化方法6.1 概述xxv校园网网络性能分析与优化随着 Internet 的迅猛发展，Internet 已经成为全球范围内的通信方式，人们几乎 可以通过 Internet 获取其报需要的任何信息。同样，校园网的发展速度也相当快，校 园网上教学资源大多采用多媒体流形式， 需要满足数字、 语音、 图形图像等多媒体信息、 综合科研信息等的传输和处理需求，在设计校园网时，必须考虑网络的带宽能否支持多 媒体流的应用，并且具有 Qos 特性，为其运行集成的信息提供保证。 校园网数据流量越来越大，并发用户数迅猛增长，也对网络性能的要求越来越高。 因此，在校园网建设中，可利用己有网络设备支持的相关协议和标准去优化网络性能， 如 Qos、组播、ULAN, Web eache serve:等技术来优化网络性能。 随着 Internet 的迅猛发展，Internet 已经成为全球范围内的通信方式，人们几乎 可以通过 Internet 获取其所需要的任何信息。同样，校园网的发展速度也相当快，校 园网上教学资源大多采用多媒体流形式， 需要满足数字、 语音、 图形图像等多媒体信息、 综合科研信息等的传输和处理需求。 。在设计校园网时，必须考虑网络的带宽能否支持 多媒体流的应用，并且具有 QoS 特性，为其运行集成的信息提供保证。 校园网数据流量越来越大，并发用户数迅猛增长，也对网络性能的要求越来越高。 因此，在校园网建设中，可利用己有网络设备支持的相关协议和标准去优化网络性能， 如 QoS、组播、VLAN、Web cache server 等技术来优化网络性能。6.2 几种网络性能优化技术6.2.1 QoS Internet 正 在 向 一 个 多 业 务 数 据 网 络 演 进 ， 而 其 中 的 关 键 技 术 之 一 就 是 QoS( Quality of Service )，即网络服务质量。QoS 是网络上互相通信的用户之间关于 信息传输与共享的约定，例如，传输延迟允许时间、最小传输画面失真度以及声像同步 等。通过 QoS，用户能够对网络上传输的视音频流等对实时性要求较高的数据流提供优 先服务，从而保证较低的延迟【21】 。 当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃影响，同时保证网络 的高效运行【22】 。 QoS0 提供以下重要特性: 1)保证网络应用更高的可用性和可靠性，为用户提供更迅速的响应; 2)帮助减轻并非带宽总能解决的越来越多的网络需求负担，充分利用现有的 带宽; 3)拥有对网络使用的控制权，避免不良使用; 4)可以有效地利用网络，节省费用，并提高效率。 6.2.2 组播 随着 IP 网络成为基础信息平台和多媒体流应用技术的发展，常会出现一个大的文xxvi校园网网络性能分析与优化件在骨干网上形成多个传输流，造成骨干网带宽巨大浪费的现象。解决这类问题可使用 组播(Multicast )技术，组播作为一种节省带宽的网络技术，适合在视频类实时多媒体 流应用中使用。如现场直播或重播会议、活动等等，或者是 VOD 点播、网络电视等应用。 组播是在多播环境下使用的协议，它位于网际层，是一个重要的协议，它将多媒体 流组播占用的网络带宽降到最低，从而部分地保证服务质量。组播主要有如下特点： 1)媒体流服务器不必知道某个客户端的存在，它只负责按组播地址将媒体流播放出 去即可，而且仅仅播放一份; 2)媒体流数据在网上仅仅传送一份即可，即使有成千上万个客户端; 3)客户端不必向媒体流服务器注册，如果希望接收某媒体流服务器的数据时，只需 加入该媒体流服务器所播放数据所在的多播组即可。 6.2.3 虚拟局域网 虚拟局域网，又称 VLAN (Virtual Local Area Network )，是由位于不同物理局域 网段的设备组成，是网络结点逻辑分段的方法。通过 VLAN 用户能方便地在网络中移动 和快捷地组建宽带网络，而无需改变任何硬件和通信线路【23】 。 当一个物理网络中的设备达到一定数目后，网络中的广播、冲突等会极大地降低网 络的使用效率，合理地划分子网便是有效提高网络使用率的一个方法。 VLAN 划分具有以下优点:1)控制网络的广播风暴;2)能确保网络的安全性;3)简化 网络管理，提高网络性能;4)相比传统的局域网布局，VLAN 技术更加灵活。 6.2.4 Web Cache Server 根据 CERNET 网络中心流量分析结果显示，目前 80%左右的国际流量是基于 WWW 的， 其中有相当大的冗余成分。而且用户年龄段比较集中，兴趣爱好重叠性也比较大。Web cache server 可以将用户经常访问的 WWW 内容暂时存储在离用户很近的地方，当其他用 户再次访问这些内容时可以快速地获得它们，缩短了响应时间，从而达到提高网络访问 速度和降低通信费用的目的。所以，Web cacheserver 是巧妙地利用信息的可复制性和 可共享性，在最佳地点复制和保存供大家使用率高的信息，减少对网络瓶颈设备和高延 迟设备的依赖，从而可提高用户的使用效率，是一种高效存储模式技术。 构建 Cache Server 可以是一台普通的 PC 服务器加上 cache 软件构成，也可以是软 硬件系统和一台专门的 cache 服务器。目前较流行的 Cache Server 主要有:Squid、 CacheFlow、Inktomi。国际上一般采用 ICP(Internet Cache Protocol,RFC) 进行 cache 系统分级互联。ICP 可以定义 Cache Server 之间的相互关系(上下级之间定 义为“父子” ，同级之间定义为“同伴”)。6.3 校园网性能的优化6.3.1 Qos 在校园网流量中的应用xxvii校园网网络性能分析与优化针对校园网中网络应用种类繁多的特点，可以按照不同网络设备上不同的网络应用 进行网络带宽和路由的分配，保证各种应用端到端的服务质量。可在网络体系结构核心 层使用先进的路由交换机，采用千兆以太网作为骨干，提供高的吞吐量和路由能力，为 声音和图像等多媒体数据流的应用提供低延迟通道。 在校园千兆位以太网上实现 QoS，在大部分时间里可能有足够的可用带宽，但在某 个高峰时刻，网络仍然会拥塞。在这些高峰期内，通过分类确定流量的优先权，并对较 高的优先权提供最好的性能服务。目前大部分交换机多通过队列分类、队列管理技术来 实现拥塞控制和服务质量控制。并根据 QoS 实现不同的队列调度算法，即先进先出或优 先队列，通过基于优先队列的 WFQ (Weighted FairQueuing)调度算法保证网络的带宽、 时延、时延抖动等网络性能参数【24】 。 根据校园网的实际应用可将校园网流量分为五大类，针对不同类型的流量分配不同 的速率限制和服务级别。 1)校园网内部或校区间办公网段的流量，由于办公网段是校园网的一个重要服务对 象，必须首先保证其服务质量，设为最高的优先级。 2)访问管理网段的流量，通过利用 VLAN，将所有不同地理位置上的交换机和 IP 地 址管理集中在某个管理网段。从网络安全考虑，拒绝其它网段流量到管理网段。 3)宿舍网段的流量，对这部分流量可作端口速率的限制，并对 TCP/UDP 端口范围 作限制，控制用户随意扫描端口，流量的服务级别为次高。 4)访问校内 FTP, VOD 和网络电视服务器的多媒体流应用流量，此类流量较大，对 课件播放时段的多媒体流设置相应优先级。 5)校园网代理服务的流量，在当今校园网的发展过程中，很多学校为了提高教育 网到公网的访问速度都有访问公网的代理服务器，常通过代理方式和访问控制来实现访 问路由。为了便于校内用户访问公网，对本部分流量一般不作速率限制和优先级设置 【25】 。 组播在应用系统中的实现 6.3.2 组播在应用系统中的实现 组播用户通过 IGMP 加入组播组，用户可以登记加入多个组播组。与用户直接相连 的组播路由器，根据 IGMP 的信令机制，及时地加入或去掉该用户的组播连接。如果用 户已经退出组播组或关机，则组播路由器会自动在组播树上进行剪枝和嫁接的过程，以 保证组播信息的到达以及网络带宽的合理利用。要完成将组播信息发送到组播组的每个 用户，须在网络上形成一棵组播树【26】 ，遍历组播组的所有成员。 通常在校园网中，远程教学网站上动态发布直播课堂、VOD 和网络电视等均采用组 播技术。用户在校园网上点击网络电影等即可观看，如在视频点播中，若服务器端以 5OOkb/s 的速率播放一个 5OOM 的电影，时间为 2h，在视频服务器上可观察到:无论用户 数多少，服务器端只发送一个 5OOkb/s 的数据流。同样在核心交换机、二级交换机均在xxviii校园网网络性能分析与优化每棵组播分配树上发送一个 5OOkb/s 的数据流，极大地节省了网络带宽【27】 。 组播在应用系统中的工作流程如下:1)当用户请求接收视频媒体时，建立一个到视 频服务器的 TCP/IP 连接，客户端指明其允许组播;2)若这个媒体是一个直播流，视频服 务器就在己建立的 TCP/IP 连接上发回一个消息， 通知客户端组播地址和组播端口 【28】 。 如果此前没有发送组播包，就在组播地址范围内扫描找到第一个可用的地址并发送;3) 客户端创建两个 UDP 连接，将包路由到客户端所在网络;4)客户端开始过滤组播地址上 的数据包。 6.3.3 ULAN 的应用 基于交换机的 VLAN 能够为校园网一定程度上解决冲突域、广播域、带宽及管理问 题。结合校园网的实际应用需求和现有网络设备的特点，利用 VTP omain,Trunk 等合理 实现了基于 VLAN 技术的逻辑网络， 并利用 VTP 裁剪、 STP 等设置对校园网做进一步的性 能优化【29】 。 VLAN 的划分可以根据网络用户的位置、 作用、 部门或者根据网络用户所使用的应用 程序和协议来进行分组。限制冲突和无谓的广播是必须要解决的问题，一般认为每个广 播域的节点数不应超过 254。 由于网络中运行的某些特殊应用软件要依赖于广播来实现， 所以实际划分中还要根据某个范围内网络应用与通信流量的特点来缩小这个数目。如在 学校的一些机房使用了多媒体教学管理软件，这种软件要利用广播在某个局域网中来实 现，对于这些机房，必须划分为各自独立的 VLAN 才能不互相干扰，保证软件的正常运 行。6.3.3.1 VLAN 性能优化VLAN 的良好性能给我们带来了方便， 但是它的实现是需要有带宽开销的。 尤其作为 核心交换机，承载了大部分 VLAN 的流量，由于 VLAN 跨接的情况不一定很多、多数交换 机不必将本地端口配置到多个 VLAN 中，所以很多流量不必经过核心交换机，广播到无 需运载它们的链路上。STP (Spanning Tree Protocol)能够提供路径冗余，若在网络中 有多条有效路径引起不正常的环路，使用 STP 便可以使两个终端中只有一条有效路径。 接入层交换机分布于校园的各个单位，范围广位置复杂，如果被意外构成环形连接，对 网络性能会有很大影响且难于排查。因此，适当在 VLAN 中启用 STP，有利于提高网络性 能。6.3.3.2 Web Cache Server 技术的应用在设计校园网时，应该仔细分析校园网络应用的特点，找出网络数据流量规律，合 理安排服务器。通常在实际应用中，可在网络中心布置一台较高档的服务器，作为校园 网的 parent cache，在网络流量较大的图书馆、计算机中心等部分，分别布置 PC 服务 器作为 sibling cache，把用户经常访问的网站内容存储到缓存中，这样，校园网内部 用户再访问那些网站时，就可以从缓存里调用。网络中心的 parentcache server 同时xxix校园网网络性能分析与优化又可是教科网上的一台 sibling cache，与其它院校开放的 cacheserve:互为利用。当 然，各学校可以将国家中心的 cache 系统设为 parent，与国家级的。ache 系统建立二 级互联关系【29】 。 同样，当校园网分布在多个校区时，可在主校区布置一台高档的服务器，作为整个 校园网的 parent cache，而在各个分校区布置 PC 服务器作为 sibling cache 把分校区 内主要访问的网站内容存储到缓存中，这样当分校区内的用户再访问那些命中率高的网 站时，就可以从本校区的缓存里调用，从很大程度上减轻了校区间主干链路和主服务器 的负荷。这对拥有多个校区的大型校园网，而只在某个校区内有业务服务器来说，是一 种很好的网络性能优化方法。 这样，一方面可以加快内部网浏览因特网的速度，提高客户机的访问命中率;另一 方面，可以减少通过广域网链路上的通信流量负担。在用户量集中的部分，建立各自的 Web cache server，并互相设置为 sibling cache，在校园网内部也起到了负载均衡的 作用。7 结束语7.1 本文的主要工作1)对总线网的性能进行了分析，在性能模型和合理假设的基础上，应用概率论和排 队论等推导出关于性能的数学表达式，通过这些数学公式可以清楚地考察网络的性能情 况。 2)对总线网的性能进行了计算机模拟。因为网络中的数据流具有不确定性，为了分 析的方便要做一些假设，不做必要的假设有时根本无法得到明确的数学公式。分析得出 的结论与模型系统的接近程度如何，需要通过模拟手段进行验证。从另一种意义上说， 模拟法也是一种性能分析方法，适用于大型复杂系统或无法用数学分析法得出明确解析 解的系统。 总之，本文完成了对总线网性能进行数学分析，再到模拟其运行情况的全过程，以 及网络性能分析评价系统的设计。文中运用的一些方法同样可以用于分析更复杂的系 统。本文的研究虽然主要针对局域网，但部分结论也同样适用于城域网。7.2 进一步的工作本文需要进一步完成的工作： 1)分析和模拟用网桥或交换机等设备连接多个网段的情况。xxx校园网网络性能分析与优化2)考虑各种到达模式的情况。 3)考虑通信非对称分布的情况。 4)能对协议进行编辑和形式化，实现分析、模拟的自动化。 5)考虑实时的情况。 随着网络性能研究的不断深入，人们一定能够对网络的性能及影响性能的各种因素 及其相互关系获得全面而深刻的认识，从而能够对网络的性能进行直接的控制，以至能 够满足人们对网络性能标准的需求，加快社会信息化的步伐。参考文献 [1].申普兵，行明顺，王兆祥，何殿华，冯寿朋.计算机网络与通信.人民邮电出版 社.2006-10. 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