1.4通信流量分析
1.4.1通信流量分析的方法
明确应用和数据流的分布特征，可以更有效地进行资源分布，如流量的传输决定了服务器放置的物理位置。在整个通信流量分析过程中，需要根据对通信模式、通信边界的分析，明确不同类型的信息流在网络不同区域、边界的分布，从而获得区域、边界上总的信息流量。
对于部分较为简单的网络，不需要进行复杂的通信流量分布分析，仅采用一些简单的方法，例如80/20规则、20/80规则等。但是对于复杂的网络，仍必须进行复杂的通信流量分布分析。
1．80/20规则
80/20规则是传统网络中广泛应用的一般规则。80/20规则是基于这样的可能性：通信流量的80%是在某个网段中流动，只有20%的通信流量访问其他网段，如图1-9所示。
图1-9 80/20规则示意图
利用80/20规则进行通信流量分布，对一个网段内部的通信流量不进行严格的分析，仅仅是根据用户和应用需求进行统计，产生网段内的通信总量大小，认为总量的80%是在网段内部，而20%是对网段外部的流量。
80/20规则不仅仅是一种设计思路，也是一种特殊的优化方法，通过这种方式可以限制用户的不合理需求，是最优化地使用网络骨干和使用昂贵的广域网连接的一种行之有效的方法。例如，如果核心交换机容量为100Mbps，局域网至外部的带宽应限制在20Mbps以内。
80/20规则适用于内部交流较多、外部访问相对较少、网络较为简单、不存在特殊应用的网络或网段。
2．20/80规则
随着因特网络的发展，一些特殊的网络不断产生，例如小区内计算机用户形成的局域网络、大型公司用于实现远程协同工作的工作组网络等。这些网络的特征是：网段的内部用户之间相互访问较少，大多数对网络的访问都是对网段外的资源进行访问。对于这些流量分布恰好位于另一个极端的网络或网段，则可以采用20/80规则。
利用20/80规则进行通信流量分布的设计，要根据用户和应用需求的统计产生网段内的通信总量大小，认为总量的20%是在网段内部的流量，而80%是网段外部的流量。
这是一些简单的规则，但是这些规则是建立在大量的工程经验基础上的，通过这些规则的应用，可以很快完成一个复杂网络中大多数网段的通信流量分析工作，可以合理减少大型网络中的设计工作量。
1.4.2通信流量分析的步骤
对于复杂的网络，需要进行复杂的通信流量分析。通信流量分析从对本地网段上和通过网络骨干某个特定部分的通信量进行估算开始，可采用如下步骤。
1．把网络分成易管理的网段
在通信量分析的过程中，首要任务是依据需求阶段得到的网络分段需求和工程经验，将网络工程划分成若干个物理或者逻辑网段，并进行编号，同时选择适当的广域网拓扑结构，最终形成相应的各类网络边界。然后从估算每个网段的通信模式和通信容量开始，分析这些部分之间的信息流动方式，最后才产生通信流量。
网段划分要考虑用户的需求。对于升级的网络，可以对现有网段划分方式进行改进，形成新的划分方案。对于新建网络，则是和网络管理员一起商量网段划分方式。一般情况是按照工作组或部门来划分网段，因为相同工作组或部门中的用户通常使用相同的应用程序，并且具有相同的基本需求。
由于网段属于局域网络范畴，在进行分析工作前，需要确定网段的局域网通信边界。如果网段的通信边界是物理边界，则这个网段需要独立进行分析。如果多个网段的通信边界是逻辑边界，则这些网段不需要独立进行分析，而作为一个整体网段来进行分析。无论是物理网段分析，还是多个虚拟网段构成的整体网段分析，都可以采用局部分析法。局部分析法的实质在于只关注于一个网段，并将该网段边界外的其他部分内容等同于一个外部网络来进行分析。
图1-10是一个较为复杂的网络，其中路由器A是一个局域网的物理边界，路由器C连接的局域网络较为复杂，存在多个VLAN，这些VLAN的通信边界是逻辑的，而路由器C则是这些VLAN和其他区域的共同物理边界。
图1-10 某复杂网络结构图
在进行局部分析法时，对整个网络进行抽象，形成如图1-11所示的网络分段，其中图1-11（a）是路由器A所连接的物理网段，图1-11（b）是路由器C所连接的多个逻辑网段的抽象图。
图1-11 局部分析法形成的抽象图
2．确定个人用户和网段的通信量
在通信量分析中，第二步是复查需求说明书中的业务需求、用户需求、应用需求、网络需求部分的内容，并根据通信流量的分析进行再次确定。在需求收集阶段，已经明确了用户对各种应用程序的估算使用量，其中反映流量的主要是应用需求和网络需求。但是这些估算不仅没有包含网络流量，也没有根据通信模式进行流量分布分析。这个步骤的工作在于将需求分析中不同格式的统计表格转化为统一的流量表格，以便于开始后续的分析工作。
3．确定本地和远程网段上通信流量
分别确定本地和远程网段上的通信流量分布是分析工作的第三步。这个步骤的重要任务是明确多少通信流量存在于网络内部，而多少通信流量是用于访问其他网段的。下面以一个拥有物理边界的网段为例，借助于前两步的分析结果进行通信流量分布分析。
假设一个专用网络中拥有4个物理网段，编号为1～4号，这4个网段直接通过路由器进行连接，如图1-12所示。其中的网段l为整个网络的核心网段，所有的服务器都托管在网段1，而网段2至网段4为普通的工作网段。对网段2进行分析，网段2中的用户主要是使用以下几种应用。
图1-12 四网段网络示意图
（1）工作邮件。用户需要通过邮件客户端访问置于网段1的邮件服务器。
（2）办公自动化系统。办公系统应用服务器位于网段1，B/S模式提供服务。
（3）生产管理系统。服务器位于网段l，B/S模式提供服务，主要用于满足生产工作管理需要。
（4）文件共享服务。服务器位于网段1，主要采用Windows网络文件系统提供C/S服务。
（5）视频监控。用户可以互相调阅不同网段的视频监控流，不需要经过流媒体服务器的管理，属于典型的P2P应用。
（6）内部交流。指用户借助于部分局域网通信软件，进行内部交流。
在需求分析中，可以形成表1-5所示的表格。
表1-5 应用需求分析表
可以根据下面的公式计算出应用需要传递信息的速率。应用总信息传输速率=平均事务量大小×每字节位数×每个会话事务数×平均用户数/平均会话长度。根据这个公式，计算出结果如下。
工作邮件：1×8×2×200/60=53Mbps
办公自动化系统：0.02×8×4×400/60≈4.3Mbps
生产管理系统：0.05×8×8×200/60≈10.7Mbps
文件共享服务：l00×8×1×l00/600≈133.4Mbps
视频监控：400×8×1×20/3600≈17.8Mbps
内部交流：0.01×8×4×800/60≈4.3Mbps
同时，由于三个工作网段基本上是类似网段，用户在三个网段的分布基本一致，所以网段2所承担的各应用的比例都是l/3，各应用的信息传递速率是总速率的1/3。由于各应用的通信模式不同，各应用在网段2中的通信流量分布也不同，分析通信模式后形成表1-6所示的表格。
表1-6 应用流量分布表
注意：由于工作邮件、文件共享服务的网络通信模式为客户端/服务器模式，这种模式双向流量大，因此在网段流量分布上应用的总流量在两个方向上各占50%；办公自动化系统、生产管理系统属于浏览器/服务器模式，在估算时客户端至服务器按20%进行估算，反向按80%进行估算，在实际项目中可根据测试情况进行调整；内部交流主要在网段内部，不产生外部流量：视频监控主要是根据用户在网段的比例，网段内部用户数量为总用户的1/3，而其他网段则占2/3。
在本例中没有考虑TCP协议、IP协议封装所引起的流量，如需要考虑这些协议封装而增加的流量，则需要统计各应用的平均协议包长度，并根据协议包头长度和有效负载长度算出实际的网络层流量。例如，假设经过统计或者根据经验，工作邮件的平均IP包长度为1200字节，则IP包头为20字节、TCP包头为20字节，其余的为有效负载部分，则工作邮件客户端至服务器端应用流量实际产生的网络层流量为26.5×1200/1160≈27.4Mbit/s。基于以上分析，可以形成表1-7所示的总流量分布。
表1-7网段2总流量分布表
由于以太网的最小帧长为64字节，其中有效负载为56字节，因此可以根据这种极端情况计算出所需要的最大网络流量。由表1-7可知，网段2内部的网络设备必须提供13.5Mbit/s的网络吞吐率，而网段2和网段1之间的往来流量分别为110Mbit/s和120Mbit/s。由网段2访问其他网段的双向流量为13.5Mbit/s，则内部交换机的吞吐率必须大于13.5Mbit/s，网段2的边界路由器必须提供大于110+l20+13.5=243.5Mbit/s；而网段2的边界路由器到内部交换设备的连接应提供正向110+13.5/2=l16.75Mbit/s，反向120+l3.5/2=126.75Mbit/s的传输速率，则在设计时可以采用千兆以太线路并将线路的双向传输速率都限制在200Mbit/s以内。同时，表1-7可以作为广域网和网络骨干的计算依据。
需要注意的是，以上仅仅是根据用户需求、应用需求计算网络流量的一种示例，由于不同的设计人员采用的需求分析方式和表格不同，其计算的方法也不同，但是都可以获取网络层流量。例如，有些设计人员喜欢用在线用户数量、每个在线用户的平均流量来进行计算；有些设计人员喜欢用应用的用户每秒事务量和事务量大小来计算流量；还有些设计人员会考虑峰值情况，并以峰值速率作为设计依据，以避免网络在峰值时段出现拥塞。
4．对每个网段重复上述步骤
对每个网段重复上述步骤，其中个人应用收集的信息是每一个应用和网段都要用到的。然后，确定每一个本地网段的通信量以及该网段对整个广域网和网络骨干的通信量。
5．分析广域网和网络骨干的通信流量
通过对每个网段的分析，除了形成各网段自身的通信要求外，还可以形成与本网段有关的广域网、骨干网的通信要求。不同网络工程中，用户对广域网拓扑结构的要求和建议不同，即使拓扑相同，但由于信息的路由不同，对于网络设备的要求也是不同的。因此，对广域网和网络骨干的通信流量分析必须参考用户意见，并且应当做到灵活机动。
通信流量计算完成后，要把它们整理总结成一份文件，该文件将成为最终的通信规范说明书的一部分。同时，用这些新的信息来提高当前逻辑网络图的质量，标明广播域、冲突域和子网的边界。如果通过通信流量计算，表现出了定向通信模式，也应在图上标出。
1.4.3 估算网络中的通信量
估算网络中的通信量主要有两个方面：根据业务需求和业务规模估算通信量的大小；根据流量汇聚原理确定链路和节点的容量。
1．估算通信量应该注意的问题
（1）必须以满足当前业务需要为最低标准。
（2）必须考虑到未来若干年内的业务增长需求。
（3）能对选择何种网络技术提供指导。
（4）能对冲突域和广播域的划分提供指导。
（5）能对选择何种物理介质和网络设备提供指导。
2．上行链路和下行链路
上行链路指的是从工作站流向核心网络设备的链路。下行链路指的是从核心网络设备流向工作站的链路，如图1-13所示。上行链路的容量衡量了核心设备和线路的容量，影响了骨干网技术的选择。下行链路的容量则给出了某种骨干网技术能满足的客户端应用的能力。
图1-13上行链路和下行链路
例如：假设核心层交换机所使用的连接数为8，而每个端口下连交换机的带宽是100MB/s，也使用了8个端口，在交换机满负荷工作概率为60%的条件下，按照交换机的特点，干线容量的计算方式为：8×100MB/s×60%=480MB/s，核心交换机的容量为：8×480MB/s×60%=2304MBps。由此可以得出对主干线路的技术要求：
（1）最佳选择是光纤作为传输介质，最大可以提供1000MB/s的带宽。
（2）廉价的选择是以全双工工作的6类UTP双绞线。
（3）核心层交换机的背板容量至少在2.3G以上才不会造成网络瓶颈。