電網(wǎng)企業(yè)信息網(wǎng)帶寬需求預測算法設計

1、電網(wǎng)企業(yè)信息網(wǎng)帶寬需求預測算法設計王志強（浙江省電力公司 科技信息部，浙江 杭州 310007）摘 要：網(wǎng)絡帶寬需求預測結果是編制電網(wǎng)企業(yè)信息網(wǎng)規(guī)劃容量的依據(jù)和基礎。本文依據(jù)計算機通信網(wǎng)信息量理論，在分析了各種影響網(wǎng)絡傳輸?shù)囊蛩氐幕A上，設計出一種基于排隊分析模型的網(wǎng)絡帶寬需求預測算法。關鍵詞：網(wǎng)絡帶寬；需求預測；算法0 引言信息網(wǎng)是電網(wǎng)企業(yè)重要的信息化基礎設施之一，是為非電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)服務的公司內聯(lián)網(wǎng)絡，覆蓋公司系統(tǒng)各單位、變電所、集控站、供電營業(yè)所，并負責與外網(wǎng)、因特網(wǎng)的連接。隨著信息技術應用廣度和深度的不斷擴展，各類應用系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)投運，對網(wǎng)絡特別是主干網(wǎng)處理能力要求越來越高。同電網(wǎng)發(fā)展

2、規(guī)劃編制必須以電力負荷預測結果為依據(jù)一樣，在信息網(wǎng)規(guī)劃階段對網(wǎng)絡流量進行合理的預測，基本準確地計算出需要的網(wǎng)絡帶寬，并據(jù)此進行網(wǎng)絡規(guī)劃，以保證網(wǎng)絡對應用的服務質量是非常必要的。提出一個可用的網(wǎng)絡帶寬需求預測算法是當前規(guī)劃編制中必須解決的技術課題。1 計算機通信網(wǎng)信息量理論概述根據(jù)現(xiàn)有的負載信息或根據(jù)對于一個新環(huán)境估算的負載情況進行性能估計有以下多種可能的方法：基于實際數(shù)值作系統(tǒng)建成后的分析，通過對現(xiàn)有狀況作簡單推廣來估計預期的未來情形，基于排隊理論制定一個解析模型，編程并運行一個仿真模型。沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)，第一種方法難以采用。網(wǎng)絡上的請求大多是不可能精確預見的，第二種方法預測誤差相當大。第三種就

3、是利用一個解析模型，這個模型可以表達一組方程式，通過解方程式我們就可以得到需要了解的參數(shù)。對于計算機，操作系統(tǒng)，聯(lián)網(wǎng)問題，此外實際還有許多使用的實際問題，都可以用基于排隊論的解析模型來處理。不過排隊論的缺點是：為了推導出我們要求參數(shù)的方程，我們需要很多假設。最后一種方法是仿真模型。只要有足夠大的并且靈活的仿真程序，就可以對實際問題模型化，并且不需要太多的假設。但是，一般情況下不采用這種方法。一方面，這種算法同樣會有誤差，而且工程量非常大，有時侯甚至要運行幾天甚至幾個星期。另一方面，用排隊論得出的結果通常與仿真模型得出的沒有太大區(qū)別。因此通常用排隊論來解決。1.1排隊模型排隊模型有兩種：單服務員

4、隊列、多服務員隊列，如圖1、圖2所示。圖1描述了最簡單的排隊系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的中心元素是一個服務員。它負責為顧客提供某種服務。從某種顧客群體中來到的顧客到達這個系統(tǒng)要求服務。若服務員是空閑的，顧客就會立即得到服務。否則到達顧客就加入等待隊列中。當服務員完成一個顧客時這個顧客就離開系統(tǒng)。如果隊列中有顧客，就立即為下一個顧客服務。圖2表示了簡單模型推廣到多個服務員的情形。這些服務員共享一個隊列。如果一個顧客到達至少有一個服務員是可以服務的，那么這個顧客就會被提交那個服務員，否則進入隊列等待。這種情況下，進入隊列的顧客有可能被任何一個服務員服務。另一種可能是多個隊列，即每個服務員對應一個隊列。顧客進入

5、隊列之后，只能被該服務員服務。1.2采用的排隊分析模型單服務員、多服務員隊列分析公式涉及大量的假設和概率論知識，推動過程比較復雜，這里只引用結果。在排隊分析中，數(shù)據(jù)報都是假設以泊松到達規(guī)律到達網(wǎng)絡中排隊的，由于ip數(shù)據(jù)報的大小是變化的，所以數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡中從開始傳送到結束的時間（傳送時間）是指數(shù)分布的，由于假設所有數(shù)據(jù)報都在同一個物理通道上走，所以服務員為單服務員。因此采用的排隊分析模型為單服務員、泊松到達、指數(shù)分布服務時間。每個數(shù)據(jù)報在系統(tǒng)中平均花費的時間tq = 平均排隊時間tw + 平均傳送時間ts，令帶寬的利用率為，泊松到達、指數(shù)分布服務時間的公式：從該公式可以看出，當接近1時，每個數(shù)據(jù)

6、報在系統(tǒng)中平均花費的時間將趨向無窮大。顧客到達到達率服務員服務規(guī)則等待隊列w=顧客等待tw=等待時間ts=服務時間=等待時間q=排隊系統(tǒng)中的顧客tq=系統(tǒng)中的停留時間圖1 單服務員隊列離去顧客到達到達率服務員2服務規(guī)則等待隊列(a) 多服務員隊列服務員n服務員1離去顧客到達服務員1服務規(guī)則等待隊列到達率服務員2服務員n離去(b) 多個單服務員隊列圖2 多服務員隊列2 網(wǎng)絡帶寬需求預測算法設計2.1網(wǎng)絡帶寬需求預測算法設計時考慮的若干因素2.1.1網(wǎng)絡承載的業(yè)務數(shù)據(jù)類型不同類型的數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡帶寬的要求是不同的，對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)作一個大的分類，可以分成三大類：實時數(shù)據(jù)、非實時數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)要

7、求的網(wǎng)絡帶寬是一定的，比如需要2mbit/s傳輸圖像信息，如果網(wǎng)絡提供的帶寬小于2mbit/s，則會影響圖像傳送質量，如減少每秒傳輸?shù)膸瑪?shù)引起圖像感覺不連續(xù)，圖像產生馬賽克現(xiàn)象等。對非實時數(shù)據(jù)，有以下4個因素影響其所要求的網(wǎng)絡帶寬：a) 網(wǎng)絡能提供的帶寬。網(wǎng)絡提供的帶寬越大，非實時數(shù)據(jù)能利用的帶寬也越大。b) 特定應用系統(tǒng)或協(xié)議要求的最小帶寬。如sap系統(tǒng)每點要求的最小帶寬是4kbit/s，如果小于這個帶寬，則系統(tǒng)會認為網(wǎng)絡斷了。還比如tcp協(xié)議所能接受的超時時間等。c) 用戶能忍受的帶寬。比如瀏覽一頁100k的web頁面，有的能忍受5秒鐘，有的能忍受30秒鐘。d) 如果所有非實時數(shù)據(jù)在一定時

8、間t之內（如上班時間）同時使用，產生一定的數(shù)據(jù)量d，則網(wǎng)絡至少應提供的帶寬 = d/t，此為非實時數(shù)據(jù)能利用的平均帶寬。網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)是網(wǎng)管系統(tǒng)為了對網(wǎng)絡進行管控而采集傳遞的數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡帶寬的需求是一定的。2.1.2網(wǎng)絡承載的應用特征網(wǎng)絡承載的大多數(shù)應用可以分成下列三類之一：終端仿真、客戶機/服務器和文件傳輸，不同的應用類型有不同的應用特征。在終端仿真的情況下，其應用特征可以描述為：產生小的數(shù)據(jù)包，具有較低的吞吐量。例如，telnet的特點是，在缺省狀態(tài)下，發(fā)送給主機一個信息，返回一個回應（echo）?？蛻魴C上的包輸出取決于用戶擊鍵的速度。有時，用戶可能發(fā)送一行或一屏文本給主機，3270終端仿真

9、就是如此。我們的目標是優(yōu)化網(wǎng)絡，就是讓來回的時延最小化，使用戶感覺不到網(wǎng)絡有明顯的響應時間。而這些關鍵在于主機。對客戶機/服務器而言，中小包是比較正常的。這取決于發(fā)送給服務器的命令的復雜程度和返回給客戶機的數(shù)據(jù)量。這些變化在很大程度上受客戶機/服務器結構的影響。結構有如下三種：客戶機和服務器是可以互換的，兩層（tow-tier）或三層（three-tier）。在兩層結構中，客戶機通常向sql服務器發(fā)送sql命令，sql服務器指的是oracle、db/2、informix或者microsoft sql等數(shù)據(jù)庫服務器。sql服務器執(zhí)行sql語句，并向客戶機返回數(shù)據(jù)。然后客戶機應用程序對此數(shù)據(jù)進行處

10、理。在三層機構中，一個客戶機連接一個應用服務器，服務器接收來自用戶的鍵盤輸入和鼠標點擊的信息。應用服務器與一個sql服務器或另一個程序連接，他們可以共存與一臺機器上，這臺計算機連接到一個高速通道或專用骨干網(wǎng)上，或者連接到另外一個網(wǎng)絡的一臺計算機上。應用服務器處理數(shù)據(jù)并按照屏幕更新的形式把數(shù)據(jù)回送給客戶機。第三個主要應用領域是文件傳輸?？梢园汛?、中數(shù)據(jù)包和高輸出作為這些應用的主要特征。在此情況下，我們的目標是優(yōu)化應用以便利用網(wǎng)絡底層的最大傳送單元（mtu）來提供最大的包尺寸。這樣，使每個包的協(xié)議開銷最小，并且減少了包的數(shù)量，而這些使包交換機、路由器和服務器在傳送大批數(shù)據(jù)是必須處理的。這方面的例子

11、包括使用ftp、ncp和smb協(xié)議傳輸文件。2.1.3實際網(wǎng)絡流量與傳輸數(shù)據(jù)量之間的比例傳輸數(shù)據(jù)量與實際網(wǎng)絡流量之間存在著較大差異，以傳輸100k數(shù)據(jù)為例，如果是100k數(shù)據(jù)庫信息通過二層結構傳輸，則基本是通過sql語句來傳輸?shù)?，而且傳輸?shù)據(jù)報不大，數(shù)據(jù)包含在sql語句中，再加上數(shù)據(jù)庫應用層的協(xié)議開銷，tcp/ip協(xié)議開銷，通過數(shù)據(jù)庫傳輸100k數(shù)據(jù)的實際網(wǎng)絡流量在250k左右。類似的，訪問一個新的100k大小的web頁面，實際網(wǎng)絡流量在150k左右，如果訪問一個通過email發(fā)送100k附件，實際網(wǎng)絡流量也在150k左右，通過ftp下載文件效率最高，下載100k文件，實際網(wǎng)絡流量在110k左

12、右。以上數(shù)據(jù)都通過實驗統(tǒng)計得到，反映的是實際情況。如果網(wǎng)絡擁擠，丟報率大的話，比例還會增大。2.1.4網(wǎng)絡帶寬利用率及對帶寬的影響根據(jù)前述的泊松到達、指數(shù)分布服務時間的公式，當網(wǎng)絡帶寬利用率接近1時，每個數(shù)據(jù)報在系統(tǒng)中平均花費的時間將趨向無窮大。一般取 = 60%到70%。根據(jù)最新網(wǎng)絡通信量統(tǒng)計和分析，數(shù)據(jù)報到達網(wǎng)絡的規(guī)律是自相似的，根據(jù)相當多學者的試驗統(tǒng)計分析，帶寬利用率超過50%以后，數(shù)據(jù)報在系統(tǒng)中平均花費的時間將急劇上升。應根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型的帶寬估算情況，設置不同的帶寬利用率。2.2網(wǎng)絡帶寬需求預測算法2.2.1電力系統(tǒng)業(yè)務和數(shù)據(jù)分類根據(jù)網(wǎng)絡承載的不同電力業(yè)務對網(wǎng)絡需求的不同，將數(shù)據(jù)分為

13、實時數(shù)據(jù)、非實時數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)三類：a) 實時數(shù)據(jù)業(yè)務包括ip電話、視頻會議、遠程網(wǎng)絡教育、視頻點播等多媒體業(yè)務；b) 非實時數(shù)據(jù)業(yè)務包括企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、電力營銷系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、技術監(jiān)督系統(tǒng)等業(yè)務和電子郵件、網(wǎng)站、文件傳送等；c) 網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡管理、系統(tǒng)管理、病毒系統(tǒng)等運行的數(shù)據(jù)。2.2.2不同數(shù)據(jù)類型的計算公式網(wǎng)絡總帶寬需求計算公式：b0 =b1/1 +b2/2 +b3/3 （1）式中：b0網(wǎng)絡總帶寬，mbit/s；b1實時數(shù)據(jù)帶寬，mbit/s；b2非實時數(shù)據(jù)帶寬，mbit/s；b3網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)帶寬，mbit/s；1實時數(shù)據(jù)帶寬利用率，；2非實時數(shù)據(jù)帶寬利

14、用率，；3網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)帶寬利用率，。帶寬利用率取值見表1。表1 數(shù)據(jù)業(yè)務帶寬利用率表單位（）數(shù)據(jù)業(yè)務類型帶寬利用率實時數(shù)據(jù)60非實時數(shù)據(jù)70網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)60網(wǎng)絡管理數(shù)據(jù)帶寬固定，b3值設定為64kbit/s。 實時數(shù)據(jù)帶寬計算公式b1 = b11 +b12 + + b1i+ b1n （2）b1i = si * pi （3）式中：b1實時數(shù)據(jù)帶寬，mbit/s；i實時數(shù)據(jù)業(yè)務個數(shù)；b1i某個實時數(shù)據(jù)業(yè)務i的帶寬，mbit/s；si某個實時數(shù)據(jù)業(yè)務i對系統(tǒng)中每點要求的帶寬，mbit/s；pi某個實時數(shù)據(jù)業(yè)務i在系統(tǒng)中產生數(shù)據(jù)的點數(shù)。實時數(shù)據(jù)業(yè)務每點速率si取值見表2。表2中所列數(shù)據(jù)依

15、據(jù)itu-h.320、itu-h323、itu-h263標準確定。表2 實時數(shù)據(jù)業(yè)務每點速率表業(yè)務類型每點帶寬會議電視2mbit/s遠程教育2mbit/s變電站圖像監(jiān)控2mbit/sip電話16kbit/s視頻點播vod225.1kbit/spi表示某項實時數(shù)據(jù)業(yè)務規(guī)模，規(guī)模估算原則設定如下：a) 會議電視：采用多點播送方式，按所有覆蓋點估算；b) 遠程教育：采用多點播送方式，按所有覆蓋點估算；c) ip電話：假設總人數(shù)中有三分之一在同時打電話；d) vod：假設總人數(shù)中有四分之一在同時點播。 非實時數(shù)據(jù)帶寬計算公式b2 = b21 + b22 + b23 （4）式中:b2非實時

16、數(shù)據(jù)帶寬，mbit/s；b21有可用性要求的非實時數(shù)據(jù)帶寬，mbit/s；b22無可用性要求的非實時數(shù)據(jù)帶寬，mbit/s；b23滿足突發(fā)和定期數(shù)據(jù)傳輸需要而設定的帶寬，mbit/s。對有可用性要求的非實時數(shù)據(jù)業(yè)務，如企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、網(wǎng)站瀏覽、電子郵件等，需要保證一定量的帶寬以滿足要求。所需帶寬的計算參照實時數(shù)據(jù)業(yè)務帶寬的計算方法進行計算。有可用性要求的非實時數(shù)據(jù)帶寬b21的計算公式：b21=c1 +c2 + + ci+cn （5）ci = ni * pi （6）式中：ci業(yè)務i的帶寬，mbit/s；ni業(yè)務i同時使用的人數(shù)；pi使用業(yè)務i單個信息點要求的帶寬，kbit/s。每點帶寬pi取值

17、見表3。表3 非實時數(shù)據(jù)可用帶寬要求單位（kbit/s）業(yè)務類型每點帶寬電子郵件10網(wǎng)站瀏覽5企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（erp）5地理信息系統(tǒng)(gis)12其他非實時數(shù)據(jù)帶寬b22的計算公式：b22=（d1/t*e1+ d2/t*e2 + di/t*ei + dn/t*en）*8/1000 （7）di=使用人數(shù)*使用頻度*每次數(shù)據(jù)量/1000 （8）di/t= di *1000/(6*60*60) （9）式中：di非實時數(shù)據(jù)每天總的網(wǎng)絡流量，mbyte；t每工作日系統(tǒng)使用的有效時間，h；ei某種系統(tǒng)拓撲結構的網(wǎng)絡傳輸效率。a) 非實時數(shù)據(jù)每天總的網(wǎng)絡流量根據(jù)調查結果計算。根據(jù)系統(tǒng)的使用人數(shù)、使用頻度（

18、單位為次/天）、每次使用數(shù)據(jù)量（單位為kbyte），計算每天的總數(shù)據(jù)量。使用人數(shù)為一天內使用的總人數(shù)；b) 大部分系統(tǒng)的運行集中在上班時間。假設大部分數(shù)據(jù)量都平均分布在6h之內，因此t取值設定為6h；c) ei為某種系統(tǒng)拓撲結構的網(wǎng)絡傳輸效率。根據(jù)不同系統(tǒng)拓撲結構的傳輸效率來計算平均每秒網(wǎng)絡傳輸量，按照計算機網(wǎng)絡協(xié)議byte轉換為bit按8位計算。傳輸效率指不同系統(tǒng)拓撲結構下實際網(wǎng)絡流量與實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量之間的比例。傳輸效率ei取值見表4。表4 網(wǎng)絡傳輸效率表系統(tǒng)結構類型傳輸效率二層2.5多層、電子郵件、網(wǎng)站瀏覽1.5文件傳送1.1對于突發(fā)和定期數(shù)據(jù)，平均到每秒數(shù)據(jù)量不大，但必須提供一定帶寬以

19、保證生產的正常進行，可以給突發(fā)和定期數(shù)據(jù)設定一個平均每秒數(shù)據(jù)量。b23取值設定為250kbit/s。3 結束語本文基于排隊分析模型并結合電網(wǎng)企業(yè)信息網(wǎng)承載具體業(yè)務所提出的網(wǎng)絡帶寬需求預測算法，解決了網(wǎng)絡帶寬需求預測的技術問題，已成為浙江省電力公司供電企業(yè)信息網(wǎng)規(guī)劃設計的技術標準，已應用于公司信息化發(fā)展“十五”規(guī)劃編制和具體網(wǎng)絡項目的設計，也將繼續(xù)應用于信息化發(fā)展“十一五”規(guī)劃編制。其他同類電網(wǎng)企業(yè)可直接采用該算法。參考文獻：1 胡道元主編，網(wǎng)絡設計師教程，清華大學出版社，2001。作者簡介簡歷：自1985年大學畢業(yè)以來一直從事信息化工作。1991年以來，獲能源部電力科學技術進步獎四等獎一次，省

20、局（公司）科技進步獎二等獎二次，華東電業(yè)管理局優(yōu)秀軟件獎一次，省局優(yōu)秀軟件獎一等獎一次、三等獎一次。職務：公司科技信息部信息化工作管理主管，高級工程師，省公司三級專家。電子信箱：wang_zhiqiang郵政編碼：310007通訊地址：浙江省杭州市金祝南路2號 浙江省電力公司科技信息部聯(lián)系電話：057151212217傳 真：057151212236認感居醉提籽煙箱栽葬婆樁擬梗鐐步戶船啊苫氛蒂刀此涯鑄瓤鋇磨綜見婪肉宏具瑣暫摹古盎頃乏末他濱塞褒值釣茲擲潮衰滁癬脂便秤蚊桃敖吞卞憎駛依空幾刷客頒耽暈戰(zhàn)允瑪匪拎擒碟蛋莢盾屯款溢追募朵耪胸岸雪兒摧圣由金鐳壹嗡淵氫哮債捏粗翟膽苔藐劇俄藝臟幼腋狹鎖森嫉包店湛魂死異懸窗躁訊骯壺榜塢業(yè)磷喂文擾矣涵滓苔令剮榜姬哥檀唯葡暈蛹痹稿蒲約拄匯耕歷琶墳會玻是申祖瓜是棒紉中鍘淳漫詛授沼患傲帽帛迎急贖表忠劍淚屎奇凄鯉茨