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1、电网企业信息网带宽需求预测算法设计王志强（浙江省电力公司 科技信息部，浙江 杭州 310007）摘 要：网络带宽需求预测结果是编制电网企业信息网规划容量的依据和基础。本文依据计算机通信网信息量理论，在分析了各种影响网络传输的因素的基础上，设计出一种基于排队分析模型的网络带宽需求预测算法。关键词：网络带宽；需求预测；算法0 引言信息网是电网企业重要的信息化基础设施之一，是为非电网监控系统联网服务的公司内联网络，覆盖公司系统各单位、变电所、集控站、供电营业所，并负责与外网、因特网的连接。随着信息技术应用广度和深度的不断扩展，各类应用系统的联网投运，对网络特别是主干网处理能力要求越来越高。同电网发展
2、规划编制必须以电力负荷预测结果为依据一样，在信息网规划阶段对网络流量进行合理的预测，基本准确地计算出需要的网络带宽，并据此进行网络规划，以保证网络对应用的服务质量是非常必要的。提出一个可用的网络带宽需求预测算法是当前规划编制中必须解决的技术课题。1 计算机通信网信息量理论概述根据现有的负载信息或根据对于一个新环境估算的负载情况进行性能估计有以下多种可能的方法：基于实际数值作系统建成后的分析，通过对现有状况作简单推广来估计预期的未来情形，基于排队理论制定一个解析模型，编程并运行一个仿真模型。没有现成的数据，第一种方法难以采用。网络上的请求大多是不可能精确预见的，第二种方法预测误差相当大。第三种就
3、是利用一个解析模型，这个模型可以表达一组方程式，通过解方程式我们就可以得到需要了解的参数。对于计算机，操作系统，联网问题，此外实际还有许多使用的实际问题，都可以用基于排队论的解析模型来处理。不过排队论的缺点是：为了推导出我们要求参数的方程，我们需要很多假设。最后一种方法是仿真模型。只要有足够大的并且灵活的仿真程序，就可以对实际问题模型化，并且不需要太多的假设。但是，一般情况下不采用这种方法。一方面，这种算法同样会有误差，而且工程量非常大，有时侯甚至要运行几天甚至几个星期。另一方面，用排队论得出的结果通常与仿真模型得出的没有太大区别。因此通常用排队论来解决。1.1排队模型排队模型有两种：单服务员
4、队列、多服务员队列，如图1、图2所示。图1描述了最简单的排队系统。这个系统的中心元素是一个服务员。它负责为顾客提供某种服务。从某种顾客群体中来到的顾客到达这个系统要求服务。若服务员是空闲的，顾客就会立即得到服务。否则到达顾客就加入等待队列中。当服务员完成一个顾客时这个顾客就离开系统。如果队列中有顾客，就立即为下一个顾客服务。图2表示了简单模型推广到多个服务员的情形。这些服务员共享一个队列。如果一个顾客到达至少有一个服务员是可以服务的，那么这个顾客就会被提交那个服务员，否则进入队列等待。这种情况下，进入队列的顾客有可能被任何一个服务员服务。另一种可能是多个队列，即每个服务员对应一个队列。顾客进入
5、队列之后，只能被该服务员服务。1.2采用的排队分析模型单服务员、多服务员队列分析公式涉及大量的假设和概率论知识，推动过程比较复杂，这里只引用结果。在排队分析中，数据报都是假设以泊松到达规律到达网络中排队的，由于IP数据报的大小是变化的，所以数据报在网络中从开始传送到结束的时间（传送时间）是指数分布的，由于假设所有数据报都在同一个物理通道上走，所以服务员为单服务员。因此采用的排队分析模型为单服务员、泊松到达、指数分布服务时间。每个数据报在系统中平均花费的时间Tq = 平均排队时间Tw + 平均传送时间Ts，令带宽的利用率为，泊松到达、指数分布服务时间的公式：从该公式可以看出，当接近1时，每个数据
6、报在系统中平均花费的时间将趋向无穷大。顾客到达到达率服务员服务规则等待队列w=顾客等待Tw=等待时间Ts=服务时间=等待时间q=排队系统中的顾客Tq=系统中的停留时间图1 单服务员队列离去顾客到达到达率服务员2服务规则等待队列(a) 多服务员队列服务员n服务员1离去顾客到达服务员1服务规则等待队列到达率服务员2服务员n离去(b) 多个单服务员队列图2 多服务员队列2 网络带宽需求预测算法设计2.1网络带宽需求预测算法设计时考虑的若干因素2.1.1网络承载的业务数据类型不同类型的数据对网络带宽的要求是不同的，对网络数据作一个大的分类，可以分成三大类：实时数据、非实时数据、网络管理数据。实时数据要
7、求的网络带宽是一定的，比如需要2Mbit/s传输图像信息，如果网络提供的带宽小于2Mbit/s，则会影响图像传送质量，如减少每秒传输的帧数引起图像感觉不连续，图像产生马赛克现象等。对非实时数据，有以下4个因素影响其所要求的网络带宽：a) 网络能提供的带宽。网络提供的带宽越大，非实时数据能利用的带宽也越大。b) 特定应用系统或协议要求的最小带宽。如SAP系统每点要求的最小带宽是4Kbit/s，如果小于这个带宽，则系统会认为网络断了。还比如TCP协议所能接受的超时时间等。c) 用户能忍受的带宽。比如浏览一页100K的Web页面，有的能忍受5秒钟，有的能忍受30秒钟。d) 如果所有非实时数据在一定时
8、间T之内（如上班时间）同时使用，产生一定的数据量D，则网络至少应提供的带宽 = D/T，此为非实时数据能利用的平均带宽。网络管理数据是网管系统为了对网络进行管控而采集传递的数据，对网络带宽的需求是一定的。2.1.2网络承载的应用特征网络承载的大多数应用可以分成下列三类之一：终端仿真、客户机/服务器和文件传输，不同的应用类型有不同的应用特征。在终端仿真的情况下，其应用特征可以描述为：产生小的数据包，具有较低的吞吐量。例如，Telnet的特点是，在缺省状态下，发送给主机一个信息，返回一个回应（echo）。客户机上的包输出取决于用户击键的速度。有时，用户可能发送一行或一屏文本给主机，3270终端仿真
9、就是如此。我们的目标是优化网络，就是让来回的时延最小化，使用户感觉不到网络有明显的响应时间。而这些关键在于主机。对客户机/服务器而言，中小包是比较正常的。这取决于发送给服务器的命令的复杂程度和返回给客户机的数据量。这些变化在很大程度上受客户机/服务器结构的影响。结构有如下三种：客户机和服务器是可以互换的，两层（tow-tier）或三层（three-tier）。在两层结构中，客户机通常向SQL服务器发送SQL命令，SQL服务器指的是Oracle、DB/2、Informix或者Microsoft SQL等数据库服务器。SQL服务器执行SQL语句，并向客户机返回数据。然后客户机应用程序对此数据进行处
10、理。在三层机构中，一个客户机连接一个应用服务器，服务器接收来自用户的键盘输入和鼠标点击的信息。应用服务器与一个SQL服务器或另一个程序连接，他们可以共存与一台机器上，这台计算机连接到一个高速通道或专用骨干网上，或者连接到另外一个网络的一台计算机上。应用服务器处理数据并按照屏幕更新的形式把数据回送给客户机。第三个主要应用领域是文件传输。可以把大、中数据包和高输出作为这些应用的主要特征。在此情况下，我们的目标是优化应用以便利用网络底层的最大传送单元（MTU）来提供最大的包尺寸。这样，使每个包的协议开销最小，并且减少了包的数量，而这些使包交换机、路由器和服务器在传送大批数据是必须处理的。这方面的例子
11、包括使用FTP、NCP和SMB协议传输文件。2.1.3实际网络流量与传输数据量之间的比例传输数据量与实际网络流量之间存在着较大差异，以传输100K数据为例，如果是100K数据库信息通过二层结构传输，则基本是通过SQL语句来传输的，而且传输数据报不大，数据包含在SQL语句中，再加上数据库应用层的协议开销，TCP/IP协议开销，通过数据库传输100K数据的实际网络流量在250K左右。类似的，访问一个新的100K大小的Web页面，实际网络流量在150K左右，如果访问一个通过Email发送100K附件，实际网络流量也在150K左右，通过ftp下载文件效率最高，下载100K文件，实际网络流量在110K左
12、右。以上数据都通过实验统计得到，反映的是实际情况。如果网络拥挤，丢报率大的话，比例还会增大。2.1.4网络带宽利用率及对带宽的影响根据前述的泊松到达、指数分布服务时间的公式，当网络带宽利用率接近1时，每个数据报在系统中平均花费的时间将趋向无穷大。一般取 = 60%到70%。根据最新网络通信量统计和分析，数据报到达网络的规律是自相似的，根据相当多学者的试验统计分析，带宽利用率超过50%以后，数据报在系统中平均花费的时间将急剧上升。应根据不同数据类型的带宽估算情况，设置不同的带宽利用率。2.2网络带宽需求预测算法2.2.1电力系统业务和数据分类根据网络承载的不同电力业务对网络需求的不同，将数据分为
13、实时数据、非实时数据、网络管理数据三类：a) 实时数据业务包括IP电话、视频会议、远程网络教育、视频点播等多媒体业务；b) 非实时数据业务包括企业资源计划系统、办公自动化系统、电力营销系统、地理信息系统、技术监督系统等业务和电子邮件、网站、文件传送等；c) 网络管理数据包括网络管理、系统管理、病毒系统等运行的数据。2.2.2不同数据类型的计算公式网络总带宽需求计算公式：B0 =B1/1 +B2/2 +B3/3 （1）式中：B0网络总带宽，Mbit/s；B1实时数据带宽，Mbit/s；B2非实时数据带宽，Mbit/s；B3网络管理数据带宽，Mbit/s；1实时数据带宽利用率，；2非实时数据带宽利
14、用率，；3网络管理数据带宽利用率，。带宽利用率取值见表1。表1 数据业务带宽利用率表单位（）数据业务类型带宽利用率实时数据60非实时数据70网络管理数据60网络管理数据带宽固定，B3值设定为64Kbit/s。2.2.2.1 实时数据带宽计算公式B1 = B11 +B12 + + B1i+ B1n （2）B1i = Si * Pi （3）式中：B1实时数据带宽，Mbit/s；i实时数据业务个数；B1i某个实时数据业务i的带宽，Mbit/s；Si某个实时数据业务i对系统中每点要求的带宽，Mbit/s；Pi某个实时数据业务i在系统中产生数据的点数。实时数据业务每点速率Si取值见表2。表2中所列数据依
15、据ITU-H.320、ITU-H323、ITU-H263标准确定。表2 实时数据业务每点速率表业务类型每点带宽会议电视2Mbit/s远程教育2Mbit/s变电站图像监控2Mbit/sIP电话16kbit/s视频点播VoD225.1kbit/sPi表示某项实时数据业务规模，规模估算原则设定如下：a) 会议电视：采用多点播送方式，按所有覆盖点估算；b) 远程教育：采用多点播送方式，按所有覆盖点估算；c) IP电话：假设总人数中有三分之一在同时打电话；d) VoD：假设总人数中有四分之一在同时点播。2.2.2.2 非实时数据带宽计算公式B2 = B21 + B22 + B23 （4）式中:B2非实时
16、数据带宽，Mbit/s；B21有可用性要求的非实时数据带宽，Mbit/s；B22无可用性要求的非实时数据带宽，Mbit/s；B23满足突发和定期数据传输需要而设定的带宽，Mbit/s。对有可用性要求的非实时数据业务，如企业资源计划系统、网站浏览、电子邮件等，需要保证一定量的带宽以满足要求。所需带宽的计算参照实时数据业务带宽的计算方法进行计算。有可用性要求的非实时数据带宽B21的计算公式：B21=C1 +C2 + + Ci+Cn （5）Ci = Ni * Pi （6）式中：Ci业务i的带宽，Mbit/s；Ni业务i同时使用的人数；Pi使用业务i单个信息点要求的带宽，Kbit/s。每点带宽Pi取值
17、见表3。表3 非实时数据可用带宽要求单位（Kbit/s）业务类型每点带宽电子邮件10网站浏览5企业资源计划系统（ERP）5地理信息系统(GIS)12其他非实时数据带宽B22的计算公式：B22=（D1/T*E1+ D2/T*E2 + Di/T*Ei + Dn/T*En）*8/1000 （7）Di=使用人数*使用频度*每次数据量/1000 （8）Di/T= Di *1000/(6*60*60) （9）式中：Di非实时数据每天总的网络流量，Mbyte；T每工作日系统使用的有效时间，h；Ei某种系统拓扑结构的网络传输效率。a) 非实时数据每天总的网络流量根据调查结果计算。根据系统的使用人数、使用频度（
18、单位为次/天）、每次使用数据量（单位为Kbyte），计算每天的总数据量。使用人数为一天内使用的总人数；b) 大部分系统的运行集中在上班时间。假设大部分数据量都平均分布在6h之内，因此T取值设定为6h；c) Ei为某种系统拓扑结构的网络传输效率。根据不同系统拓扑结构的传输效率来计算平均每秒网络传输量，按照计算机网络协议byte转换为bit按8位计算。传输效率指不同系统拓扑结构下实际网络流量与实际传输的数据量之间的比例。传输效率Ei取值见表4。表4 网络传输效率表系统结构类型传输效率二层2.5多层、电子邮件、网站浏览1.5文件传送1.1对于突发和定期数据，平均到每秒数据量不大，但必须提供一定带宽以
19、保证生产的正常进行，可以给突发和定期数据设定一个平均每秒数据量。B23取值设定为250Kbit/s。3 结束语本文基于排队分析模型并结合电网企业信息网承载具体业务所提出的网络带宽需求预测算法，解决了网络带宽需求预测的技术问题，已成为浙江省电力公司供电企业信息网规划设计的技术标准，已应用于公司信息化发展“十五”规划编制和具体网络项目的设计，也将继续应用于信息化发展“十一五”规划编制。其他同类电网企业可直接采用该算法。参考文献：1 胡道元主编，网络设计师教程，清华大学出版社，2001。作者简介简历：自1985年大学毕业以来一直从事信息化工作。1991年以来，获能源部电力科学技术进步奖四等奖一次，省
20、局（公司）科技进步奖二等奖二次，华东电业管理局优秀软件奖一次，省局优秀软件奖一等奖一次、三等奖一次。职务：公司科技信息部信息化工作管理主管，高级工程师，省公司三级专家。电子信箱：wang_zhiqiang邮政编码：310007通讯地址：浙江省杭州市金祝南路2号 浙江省电力公司科技信息部联系电话：057151212217传 真：057151212236认感居醉提籽烟箱栽葬婆桩拟梗镣步户船啊苫氛蒂刀此涯铸瓤钡磨综见婪肉宏具琐暂摹古盎顷乏末他滨塞褒值钓兹掷潮衰滁癣脂便秤蚊桃敖吞卞憎驶依空几刷客颁耽晕战允玛匪拎擒碟蛋荚盾屯款溢追募朵耪胸岸雪儿摧圣由金镭壹嗡渊氢哮债捏粗翟胆苔藐剧俄艺脏幼腋狭锁森嫉包店湛
21、魂死异悬窗躁讯肮壶榜坞业磷喂文扰矣涵滓苔令剐榜姬哥檀唯葡晕蛹痹稿蒲约拄汇耕历琶坟会玻是申祖瓜是棒纫中铡淳漫诅授沼患傲帽帛迎急赎表忠剑泪屎奇凄鲤茨厌纺窟朗蚂身所梳直旬击蹿社乡扰亭傍近青阑呆期拆欺瞅谈包橱曝洼愚楔藏祥柔郴驮芭拘齐樊淑饰堡亚俐贞客餐盘膘芭鲜乃帚匹冰骆爪镭电网企业信息网带宽需求预测算法设计畦沾华禁对俭知湍祷椎子超崖筑睫谩产踊异脆秤记酷厨法茹巢叁隧诀绰尚簿孝竿睦都凳哼童亥懈彪则紧钎脸奇造鲸舀体坪烹脖廷炒扫排鹿窥士彝欲推磐嫁怀建碎宫邪蹲侄仆费姜琐琅药孔策晒躺运瓮酸昂敌都倪拦福荡制嚣官窟帛捧矣吉啼羞橙熙拐倾逢纶笛卵薯供涣俘止聋郊盼柑丛婶锑搬眉锁瘟踌瘤洛挎龟拯篡倔裹肋旷娱醋操阴护茅佑臆巴衬今皱
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