新版PPT《网络工程规划与设计》第8章 网络建模设计.ppt

1、网络工程规划与设计网络工程规划与设计第8章 网络建模网络建模设计 介绍基本的通信网络设计概念、网络建模标记，并演示如何将基本的设计问题公式化。首先概述网络设计中用到的流量概念，并介绍网络建模设计中的任务。其次讨论网络设计问题建模和公式化的标记约定，并介绍所采取的符号表示法。最后给出一组特殊的技术相关的网络设计例子，介绍了特定的技术驱动的需求和约束情况下如何公式化的方法。通信网络设计概述通信网络设计问题:能否找到更好的路径?在哪里最适合增加更多的带宽?在哪里或什么地方增加新的网络的节点（和链路）?网络技术或协议的固有性质是怎样影响设计的?对于特定网络如何抽象概括才能满足建模的需求，以便获取具有实

2、际意义的结果？在考虑网络性质的同时应该怎样去设计一个低成本的核心和骨干，或如何进行网络设计。这里所提出的许多问题可以用公式化数学模型表示，并设计有效的优化算法以解决问题。通信网络和网络供应商 通信网络包括的范围很广，如电话网和因特网等。为不同的客户网络提供传输通信的物理设施提供商一般是指大型的电信网络提供商。三种不同的因特网服务提供商（ISP）2.使用同一传输提供商的三个不同的管理域 3.使用多个传输提供商的一个管理域 1.一个传输提供商同时提供多种服务 网络通信量和通信量需求 网络提供商控制着自己管理域内的网络设计和管理，对每个提供商最重要的要求是确定各自网络的通信量需求。考虑网络上所有节点

3、，由其中任何两个节点之间的通信量容量形成的通信容量矩阵或需求容量矩阵必须是确定的。因特网电话网传输（或转发）网络的通信量网络通信量和通信量需求因特网上的通信量?使用TCP/IP协议栈 网络上可能发生通信量拥塞、延时、丢失数据分组的情况 请求是随机的，数据分组的到达也是随机的因特网数据通信量具有统计属性，最好描述为服从重尾分布的自相似通信量，而不同于常见的标准正态分布或指数分布.假定数据分组的到达服从泊松随机过程，数据分组大小是按指数分布的，那么系统就可以被看作是著名的M/M/1排队系统；对于排队就可以计算出平均的分组延迟。如果平均分组大小由Kp位表示，并且链路容量（速度）由C位/秒给出，那么链

4、接的平均服务速率是=C/Kp pps。如果平均的到达速率由pps表示，那么平均的延迟（s）可表示为：网络通信量和通信量需求使用M/M/1延迟公式的平均延迟 使用M/M/1延迟公式和假定延迟公式的平均延迟 为什么要关注11.11ms这样小的延迟？可以从以下两个方面回答该问题。（1）该延迟仅与队列相关的延迟相关（还受其他因素影响，如传播和节点处理延迟）；（2）该延迟只适用于单个链路，对于端对端延迟，分组可能需要穿越因特网多条链路。因特网测量结果表明，到达过程不服从泊松过程并且延迟比用泊松过程假设计算的要更差。这就意味着，延迟曲线是高于M/M/1延迟曲线；为了说明这一点，除了在如图8-7所示的M/M

5、/1曲线之外还应画出该延迟曲线。缩放比例的设计问题。网络通信量和通信量需求电话网络中的通信量与因特网相似，电话网络也是随机到达的。电话网络中，通信量需求的确定不仅仅需要平均电话呼叫到达速率.t是平均的呼叫到达速率.t是平均的呼叫电话持续时间，提供负荷或提供的通信量 为 如果c是一个链路的容量，呼叫阻塞对于提供的负载a由ErlangB损耗公式：传输网络需求数据分组通信量需求，需要考虑某一标准（例如延迟或利用率）以决定需要多少带宽。从服务网络来说，将每一个因特网、电话网和专线服务输出带宽需求，作为下一层的输入需求。当考虑规模经济时，在传输网上存在节点调整以便结合其他形式的需求和容量单位。实际上，在

6、服务层水平，通信量的到达在本质上是随机的；从这一点看，可预测的通信量（与市场部的评估一起）就可以用来确定网络的带宽需求；当该带宽需求按要求成为下一层的输入时，需要注意的是需求是周期性的更新。因此，在本质上是确定的或精确的底层要求的输入，表现出特定的周期性，尽管该要求可以映射到多个时间段。在该层当然也有某种服务质量的含义。通信量和传输网络的区别 通信量网络是一种需求，本质上是随机的，与服务的数据率无关，并且有交换/路由功能，可以按需求处理短期请求。传输网络提供需要建立在半永久或永久的高数据速率服务，并且对这些服务请求的建立是周期性的。需求容量和容量的一般命名 需求容量单位（DVU）和链路容量单位

7、（LCU）。DVU可以用pps、Erl或模块化数据速率表示，具体根据网络设计而定 LCU可以用T1（或欧洲的E1）、T3、OC3等 一个简单的网络设计例子 安装有两个链路的三节点例子 对于服务质量需求，如果要求将任何链路的利用率阈值都维持在60%以下 路由和流量概念 在通信和计算机网络中以两种不同的方式使用术语路由：（1）从路由特定的数据分组或连通一个电话呼叫的角度来指示所发生的情况；（2）从一定量的通信量是否可能在某条路径上被路由的角度来指示发生的情况。与路由相关的通信量可被称为流量，流量和路由一样至关重要。网络结构：多层网络 多层网络设计是网络设计要考虑的重点问题。通信量（逻辑）网络和传输

8、网络视图 网络结构：多层网络 功能视图 网络结构：多层网络网络体系结构视图 网络管理周期 激活不同功能性时间线 网络管理周期网络管理周期和通信/服务网络的反馈过程 网络管理周期传输网络的管理周期 网络设计数学建模的范围 给出网络设计问题的简单示例并构建适当的方程式和条件（8.2节）；提供一系列有代表性的、由于使用不同的网络技术，譬如IP、异步传输模式、数字交换、数字和光纤的传播所引起的网络设计问题（8.3节）。网络设计数学建模的范围三维标记（1）不同问题种类由不同的技术需求表示；（2）网络对故障的健壮性和负载波动的适应性；（3）多层结构的网络资源。三维视图 网络设计问题的符号化表示 运用数学符

9、号方法可对网络设计问题进行正式的表述。一个好的数学符号的优点在于它能紧凑而清晰地表现一个具体的设计问题，而且它最终有助于理解所面临的问题。理解不同的问题如何使用符号标记是很重要的，因为它对理解所涉及的不同的设计模型是必不可少的。因此，本节包括两个方面的内容：介绍解决网络设计问题所使用的数学符号；通过简单的例子来阐述网络设计问题的公式化。连接尺寸问题 4节点网络例子 连接尺寸问题4节点网络例子：需求容量和链路费用 连接尺寸问题 链路-路径关系 edp 连接尺寸问题4节点网络例子：分配 连接尺寸问题DP的最短路径分配规则：对每个需求，按照链路单位费用和候选路径将整个需求空间分配给最短路径。如果对于

10、某一需求存在多于一条的最短路径，那么需求容量能够以任意方式在最短路径之间分配。一般来说，当需要非分支解决方案时，流程中附加的限制条件必须被显式地利用，以此来得到单路径解决方案。对于给定链路容量仅存在分支解但不存在非分支解 与技术相关的网络建模实例 1 IP网络：域内通信量工程 2 MPLS网络：隧道优化 3 ATM网络：虚拟通道设计4 数字电路交换电话网络：单忙时和多忙时网络的大小5 SONET/SDH传输网络：容量和保护设计 6 SONET/SDH环：环带宽设计7 WDM网络：光交叉连接可恢复设计 8 SONET之上的IP：组合二层设计 1.IP网络：域内通信量工程域内IP网络 最大链路利用

11、率的最小化可以公式化如下：2 MPLS网络：隧道优化 MPLS网络 3 ATM网络：虚拟通道设计 ATM网络 为了最小化总的容量费用，ATM VP网络容量设计问题可以写成：4 数字电路交换电话网络：单忙时和多忙时网络的大小 电路交换网络 多时问题的公式化 5 SONET/SDH传输网络：容量和保护设计 SONET体系结构的组成 SONET多路复用接口 在SDH网络中，常用的保护机制称为链路保护。该机制恢复失去的链路的传输容量而不是单个的流（后一种机制时常称为路径保护）。保护设计问题在于将必需的链路保护容量的费用最小化如下：6 SONET/SDH环：环带宽设计 双向线性交换式环（BLSR）BLS

12、R的节点和分段 7 WDM网络：光交叉连接可恢复设计 WDM网络 8 SONET之上的IP：组合二层设计 SONET之上的IP：两层体系结构 本章小结 本章系统地介绍了网络设计建模的过程，即如何公式化符号表示基本的网络问题，并给出特定的技术驱动的需求和约束后的网络的数学建模过程。但没有给出如何求解问题的具体方法。因此，进一步的工作还需要寻找有效的算法求解。本章复习题1使用式（8-13）指定三节点网络中的一个实例问题DP。2考虑图8-19中描述的带有链路容量修改如下：所有链路容量等于1除了链路3-5的容量为链路3-4利4-5具有同样的容量。在ECMP规则下是否存在一个可导入一个的权重系统?3对于

13、图8-21中的网络导出PF解。4式（8-20）的变种：考虑原来分配给正常状态的流在失效时不能重新安排的恢复设计例子，方程组和不等式如何做出相应的改变（式（8-20）?5修改式（8-32）并确定其他适用于MPLS网络的目标。6事实上，在8.1.4节中讨论过的例子也能像在8.3.3节中考虑的ATM VP设计例子一样公式化。以多商品流量公式的形式（式（8-34）写出8.1.4节中的例子。本次作业用手工方式解决。7分析式（8-12）的例子，将该公式由原来一个时间周期扩充到在两个时间周期的需求量（举例来说，早晨和午后）。使用现有的一次时间周期的需求量；第二次时间周期需求容量如下：h1=20，h2=5，h3=15。