【文章內(nèi)容簡介】 對模 擬法而言，就是利用計算機在實際系統(tǒng)所得的模型上進(jìn)行模擬試驗，系統(tǒng)模型和復(fù)雜性的限制比較小。模擬法比較適合大型系統(tǒng)的性能預(yù)測。利用模擬法可以較快的達(dá)到對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測的目的，而且花費的代價較小，僅為人工編程模擬程序和上機運行并對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析的時間。 綜合評價法 三種方法的比較 校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能分析與優(yōu)化 xii 分析法 這種方法對系統(tǒng)規(guī)模一般有限制。對于分析模型來說，需要花費很大的力氣去解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，而有些問題本身是不能求出解析解的。分析方法的困難在于難以求出解析解，但一旦求出了理論解的話，則所要求的參數(shù)和變量之間的關(guān) 系就一目了然了。但當(dāng)所作的假設(shè)太多、太牽強時，往往又使模型失去了實際意義?！?19】 模擬法 模擬結(jié)果和理論值之間，一般是存在誤差的。采用模擬方法不是為了獲取一個絕對數(shù)值解，而是為了獲得一個相對的數(shù)值解。模擬法具有其他方法無法比擬的優(yōu)點，能迅速對幾種方案進(jìn)行評判，從中選擇最佳方案，而不必去構(gòu)造系統(tǒng)，省時省力，節(jié)省費用，而且靈活性大?！?l9】 測量法 這種方法的優(yōu)點是準(zhǔn)確性較高，因為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實際情況比如響應(yīng)時間、吞吐量等都能從使用現(xiàn)場實測得到。測量法對于評價和鑒定一個己經(jīng)存在并正常使用的網(wǎng)絡(luò)是非常合 適的。但這種方法局限性很明顯，不能在網(wǎng)絡(luò)建立之前預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能。測量法易于實現(xiàn)，但必須進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集，才能對所研究的網(wǎng)絡(luò)得出比較準(zhǔn)確的性能評價。 另外，對系統(tǒng)性能的評價還取決于測試設(shè)備與手段，比如說數(shù)據(jù)采集。 根據(jù)用戶的需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的各項性能指標(biāo)，給出其綜合性能指標(biāo)。這是一種從用戶角度考慮的方法，主要用于網(wǎng)絡(luò)選型等適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化決策支持系統(tǒng)中。 3 網(wǎng)絡(luò)性能的量度及定量研究工具 3. 1 網(wǎng)絡(luò)性能的量度 C 容量常常被不規(guī)范地稱作速率或速度，它表示單位時間內(nèi)信道上最多可以傳輸 的比特數(shù)，用位 /秒 (bps)或分組 /秒 (packets / s)來衡量。對于硬件而言容量就是帶寬。容量決定了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量上限。 目標(biāo)站點成功接收的信息量。最大吞吐量也就是系統(tǒng)的容量。理想化的吞吐量等于系統(tǒng)提供的負(fù)載。任何情況下吞吐量只能介于提供的負(fù)載和系統(tǒng)的容量之間。 U 系統(tǒng)處于忙狀態(tài)的時間百分比。 D 延遲指的是在計算機之間傳輸一位數(shù)據(jù)需要花費多少時間。精確起見，通常需指校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能分析與優(yōu)化 xiii 明最大延遲和平均延遲。延遲可細(xì)分為四種 :傳播延遲、交換延遲、使用延遲和隊列延遲。 傳播延遲與信號的傳播距離成正比，因信號通過有線或無線信道進(jìn)行，傳播需要時間。交換延遲是由于網(wǎng)絡(luò)中的電子設(shè)備如集線器、交換機等在傳輸包之前要等待包的所有數(shù)據(jù)都到達(dá)，而且發(fā)送前選擇下一站也需要時間。使用延遲是由于競爭共享介質(zhì)造成的，因為只有當(dāng)介質(zhì)空閑時才能進(jìn)行通信，像 CSMA / CD 中的沖突檢測、令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的令牌傳遞均需要花費一些時間。所謂隊列延遲，指的是在包交換中存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程要花一定的時間。 緩沖區(qū)中排隊隊列的長度，一般正比于延遲時間。 L 幀長對局域網(wǎng)性能也有一定 影響。若幀太長，一是對短信息容易造成浪費，二是容易導(dǎo)致交互性能下降。但幀又不能太短，否則可能檢測不出沖突。為靈活起見，常采用可變長度的幀。 G 提供的負(fù)載既包括一個站點成功發(fā)送的幀，也包括由于沖突或出錯需要重發(fā)的幀，是注入到網(wǎng)絡(luò)中的實際負(fù)載。 N 當(dāng)每個站點提供的負(fù)載一定時，網(wǎng)絡(luò)的總負(fù)載隨站點個數(shù)的增加而增加。我們希望網(wǎng)絡(luò)工作在低延遲區(qū)域，避免進(jìn)入高延遲區(qū)域特別是無限延遲區(qū)域，所以有必要確定局域網(wǎng)的性能邊界，這與站點個數(shù)密切相關(guān)。 丟失率對網(wǎng)絡(luò)的性能也有影 響，一般由于誤碼或系統(tǒng)擁塞造成。若誤碼率較高，會導(dǎo)致出錯和重發(fā)的機會增多，降低性能。但在局域網(wǎng)中，由于目前硬件的可靠性較高，線路長度有限，誤碼率很低。但即便如此，仍須在幀中加上校驗碼，高層協(xié)議亦需要對差錯進(jìn)行處理。 影響局域網(wǎng)性能的因素很多，比如網(wǎng)卡和集線器的好壞對局域網(wǎng)的性能就有直接的影響。本文討論的是連接的具體設(shè)備無關(guān)的情況，這樣總結(jié)出的模型才一具有一般性。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇要考慮網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性、可靠性、可擴充性和性能。拓?fù)溥x擇是設(shè)計局域網(wǎng)全部工作的一部 分，不能孤立地進(jìn)行。 一般而言，總線 /樹型拓?fù)渥顬殪`活，可以說總線形是樹形地一個特例，樹形是總校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能分析與優(yōu)化 xiv 線的一般化?？偩€ /樹形拓?fù)淠苓m應(yīng)較大的范圍，且容易布線。環(huán)形拓?fù)溆刑峁┳畲笸掏铝康臐摿Γ秉c是部分故障易使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。星形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是自然布線，適用于短距離、設(shè)備數(shù)量不太多的情況，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速率的傳輸。 傳輸媒體的選擇是拓?fù)溥x擇是相互關(guān)系的。媒體選擇要考慮系統(tǒng)的容量、可靠性、地理覆蓋范圍和適用環(huán)境等。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的影響 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對局域網(wǎng)的性能影響很大。組建一個局域網(wǎng)首先確定采用支持哪一種協(xié)議的產(chǎn)品。不同 協(xié)議各有優(yōu)缺點，一般而言，總線型網(wǎng)有這較好的交互性能而環(huán)形網(wǎng)能滿足大吞吐量的要求。 OSI 參考模型將計算機數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)分成七個層次，從底向上分別是 :物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。在局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)鏈路層改為邏輯鏈路控制層 ((LLC)和媒體訪問控制層 (MAC)，而且對于同一個 LLC,提供幾種不同的 MAC選擇。 MAC 可以分為同步、異步兩種，同步又可分為頻分多路和時分多路 。異步又可分為三種，其中時間片輪轉(zhuǎn)法適合每個站點定時發(fā)送信息的情況 。獨占方式適合連續(xù)數(shù)據(jù)的發(fā)送，一般要對時間分 槽 。爭用方式適合突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸。 其它因素的影響 其它因素如穩(wěn)定性、公平性、堅定性、故障模式、延遲變化范圍【 8】、網(wǎng)絡(luò)使用高峰時的負(fù)載情況、網(wǎng)絡(luò)的配置狀態(tài)、路由節(jié)點的 CPU 類型、緩沖區(qū)的數(shù)量和大小、入網(wǎng)報文的到達(dá)率、主機要處理的網(wǎng)絡(luò)以外工作的優(yōu)先級等【 34】 常用的定量研究工具 概率論是研究網(wǎng)絡(luò)性能、對模型進(jìn)行分析的最基本的數(shù)學(xué)工具。因為概率論的研究對象是大量隨機現(xiàn)象的統(tǒng)計與分布規(guī)律，而網(wǎng)絡(luò)中的信息不論其產(chǎn)生還是到達(dá)的時間都是隨機的，數(shù)據(jù)包的長度也符合一定的概率分布。隨機過程論對研究網(wǎng)絡(luò)性 能亦有很大的幫助。但適合的數(shù)學(xué)工具是派對論理論，因為網(wǎng)絡(luò)中的信息流和派對論中的顧客流非常類似。 概率論與隨機過程 指數(shù)分布的概率密度函數(shù)為 :f(x)=λ eλ x λ 0,x=0 概率分布函數(shù)為 : F(x)=1 eλ x 指數(shù)函數(shù)具有無記憶性 (或馬爾科夫后效性 ) 泊松過程是最基本的到達(dá)過程，泊松分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 :Pk(t)=(λ t)k/k!.eλ上式表示平均到達(dá)速率為入的泊松過程在時間 t 時間間隔中有 k次到達(dá)的概率。可以證校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能分析與優(yōu)化 xv 明泊松分布的均值和 方差均為λ :A(t)=P(到達(dá)間隔=t)=1 eλ x 上式兩邊對 t求導(dǎo)，可得到到達(dá)間隔的概率密度為 :a(t)= λ eλ x 上式說明了在一個泊松到達(dá)過程中，顧客的到達(dá)間隔為指數(shù)分布。其逆定理也成立?？梢宰C明 :m 個泊松過程的合成仍為泊松過程，此即泊松合成定理。 排隊論 排隊論又稱隨機服務(wù)系統(tǒng)理論，它廣泛應(yīng)用于計算機通信領(lǐng)域，是計算機通信網(wǎng)的基礎(chǔ)理論之一?！?1】 排隊是日常生活中常見的現(xiàn)象。例如，人們到商店去購物，當(dāng)售貨員較 少而顧客較多時就會出現(xiàn)排隊，計算機通信網(wǎng)也有類似的現(xiàn)象。因為計算機通信網(wǎng)目前大多數(shù)采用分組交換，數(shù)據(jù)信息以分組為單位傳送的，各分組到達(dá)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 (即分組交換機 )進(jìn)行存儲一轉(zhuǎn)發(fā)的過程中當(dāng)多個分組要去往同一電路，那么就要進(jìn)行排隊。 排隊系統(tǒng)的基本參數(shù)包括 :顧客到達(dá)率 a，服務(wù)員數(shù)目 m 和服務(wù)員服務(wù)速率 b。 (1)顧客到達(dá)率 a 是單位時間平均到達(dá)排隊系統(tǒng)的顧客數(shù)量 (具體互計算機通信網(wǎng)， a就是單位時間內(nèi)到達(dá)分組交換節(jié)點的分組數(shù)量 )。 a反映了顧客到達(dá)系統(tǒng)的快慢速度， a越大，說明系統(tǒng)的負(fù) 載越重。 一般排隊系統(tǒng)中顧客的到達(dá)是隨機的，即任意相鄰兩顧客到的時間間隔 Ti 是一個隨機變量。 Ti 的統(tǒng)計平均值 T就是顧客到達(dá)的平均時間間隔，其倒數(shù)即顧客到達(dá)率 a， a=1/T，若在觀察時間 t內(nèi)有。 n(t)個顧客到達(dá)，在平穩(wěn)重要條件下，有 a=lim n(t)/t (t 趨向于無窮大 ) (2)服務(wù)員數(shù)目 m 服務(wù)員數(shù)目 m就是排隊系統(tǒng)內(nèi)可以同時提供服務(wù)的設(shè)備或窗口數(shù)，它表證服務(wù)機構(gòu)的資源。在計算機通信網(wǎng)中， m 通常指分組交換節(jié)點的輸出信道數(shù)量。 (3)服務(wù)員服務(wù)速率 b 服務(wù)員服務(wù)速率 b指的是單位時間內(nèi)由一 個服務(wù)員進(jìn)行服務(wù)所離開排隊系統(tǒng)的平均顧客數(shù)，對于 m=1 的單服務(wù)員系統(tǒng)， b就是系統(tǒng)的服務(wù)速率 。對于 m 1 的多服務(wù)員系統(tǒng)，則系統(tǒng)的服務(wù)速率為 m的 b次方，即單位時間內(nèi)接受服務(wù)后離開系統(tǒng)的平均顧客數(shù)為 m的 b次方。 假設(shè)每個服務(wù)員的服務(wù)速率均為 b， b 的倒數(shù) z=1/b 就是單個服務(wù)員對顧客的平均服務(wù)時間，也就是一個顧客在系統(tǒng)內(nèi)接受服務(wù)的平均時間。需要說明的是 :在計算機通信網(wǎng)中，習(xí)慣上用 1 / b (bit)表示分組的平均長度 (這是用排隊論分析計算機通信網(wǎng)時的習(xí)慣表示方法 )，分組交換節(jié)點的一個輸出信道容量為 C（ bit/s)(即數(shù)據(jù)信息的最大校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能分析與優(yōu)化 xvi 傳輸速率 )。由此可以推出，傳送一個分組的平均時間，即分組的平均發(fā)送時間為1/bc(s)，每個輸出信道發(fā)送分組的速率為 c(它對應(yīng)著一個服務(wù)員的服務(wù)速率均為 b )。而對于有 m條輸出信道的分組交換節(jié)點 (它相當(dāng)于一個排隊系統(tǒng) )來說，發(fā)送分組的速率(即系統(tǒng)的服務(wù)速率 )。為 m 的 b 次方乘以 c,總而言之，一般計算機通信網(wǎng)中的 ,bc 對應(yīng)著排隊論中的 b。一般一個排隊系統(tǒng)由三個部分組成 :顧客、服務(wù)機構(gòu)和排隊隊列。顧客指排隊服務(wù)的服務(wù)對象，在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流或數(shù)據(jù)包 :服務(wù)機構(gòu)是若干服務(wù)員組成的處理服務(wù)對象 的實體 。隊列是當(dāng)服務(wù)員忙時，暫時得不到服務(wù)的顧客在系統(tǒng)中等候服務(wù)而排成的隊列，隊列可以有很多個。 Little 定律 Little 定律是排隊論中應(yīng)用最廣的定律之一，適用于各種排隊系統(tǒng)。其數(shù)學(xué)表 達(dá)式為 :N=λ T這里 N 為系統(tǒng)中的平均顧客數(shù)，λ為顧客平均到達(dá)速率， T 為顧客在系統(tǒng)的平均等待時間。上式適用于不同的顧客到達(dá)模式、服務(wù)時間分布、服務(wù)員個數(shù)和服務(wù)規(guī)則。 4 局域網(wǎng)性能的分析與評價 ①正確地建立模擬模型是模擬法的關(guān)鍵。②當(dāng)不能求出系統(tǒng)的解析解時，至少有必 要性進(jìn)行定性分析，以保證模擬結(jié)果有一理論上的依據(jù)。③注意分析模擬精度，盡量消除影響模擬精度的因素。對模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計處理，以保證模擬結(jié)果的較高可信度。 局域網(wǎng)的性能受諸多因素的影響，主要有：（ 1）局域網(wǎng)的地理范圍（ 2）局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（ 3） MAC 協(xié)議（ 4）數(shù)據(jù)傳輸速率（ 5）數(shù)據(jù)包的長度（ 6）節(jié)點總數(shù)（ 7）數(shù)據(jù)流的到達(dá)模式、高層協(xié)議的影響等 ,要在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上盡量簡化模型，防止不可解。 應(yīng)防止數(shù)學(xué)模型與實際系統(tǒng)之間的偏差太大。 在研究局域網(wǎng)的性能時，一般假設(shè)物理層保持完全的可操作性，認(rèn)為誤碼率為 0可忽略或差錯可被高層協(xié)議處理。 通常會作以下假定 : 1)誤碼率為 0 2)傳播時間遠(yuǎn)小于傳輸時間 3)重發(fā)等待時間隨機且服從均勻分布 4)報文的產(chǎn)生速率各站相同 5)報文的長度固定 校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能分析與優(yōu)化 xvii 、評價的主要步驟 1)模型具有三個特征 :首先，模型是現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象 。其次，模型由分析現(xiàn)實系統(tǒng)有關(guān)的元素組成 。最后，模型能反映元素之間的相互關(guān)系。模型的求解 :數(shù)學(xué)分析法、計算機模擬法 (在系統(tǒng)的模型上進(jìn)行實驗 )。模 型的分類 :物理、數(shù)學(xué) 。靜態(tài)、動態(tài) 。確定性、隨機性 。連續(xù)性、離散性 。線性、非線性等。 2)建模的原則 : ① 型要有一定的高度，必須反映現(xiàn)實系統(tǒng)的本質(zhì)，失真太大就失去了意義：也不可能十分精確，把原型的所有細(xì)節(jié)都包含進(jìn)去，否則難以控制。 ② 模型要足夠簡單，若太復(fù)雜，與實際系統(tǒng)差不多，則失去意義。建模應(yīng)抓住主要的本質(zhì)的因素。 ③ 令模型須反復(fù)修改、完善。根據(jù)評價結(jié)果，找出不合適的地方及原因，適當(dāng)進(jìn)行改。 ④ 現(xiàn)有模型應(yīng)充分利用。 模型的分析 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流通常是隨機的、非均勻的，總之是不確定的，無論數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間按、長度還是處理時間都是隨機變量。性能分析要做的工作就是在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，找出性能的定量參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，比如吞吐量與提供負(fù)載之間的關(guān)系、延遲隨負(fù)載的變化情況等，使用數(shù)學(xué)的工具主要是概率論與排隊論。 模型的評價 編寫一個程序，使它的行為和它所描述的模型系統(tǒng)一樣或非常接近，通過統(tǒng)計、分析這個程序的運行結(jié)果來評價模型系統(tǒng)的行為。模擬法是一種非常有用的方法，系統(tǒng)模擬的三個階段是 :編制模擬程序、運行程序并測試它的行為、對模擬程序的行為進(jìn)行統(tǒng)計分析。在模擬過程中不得不作一些近似，要注意盡可能限制近似 的程度。為精確起見，盡可能不能增加程序運行的時間。 結(jié)果的統(tǒng)計、分析及與實際系統(tǒng)的比較 抽