基于有限带宽条件下信息应用系统的带宽优化

张凌之，斯江平

（中海油信息科技有限公司，北京 100012）

基于有限带宽条件下信息应用系统的带宽优化

张凌之，斯江平

（中海油信息科技有限公司，北京 100012）

由于卫星链路带宽有限、时延长等客观因素，海上油气田用户在使用各种应用系统时响应速度慢，访问应用系统后台数据库耗时较长，影响到工作的效率；同时海上油气田网络中还存在链路带宽分配不合理的现象，大量非办公性网页访问和其他非核心应用占用卫星链路带宽。本文运用成熟的优化手段和管理措施，通过测试分析，建立起一套信息应用系统链路带宽分配标准，从而为海上油气田网络架构优化实施奠定基础。

海上油气田网络架构；信息应用系统；带宽优化

1 引言

中海油深圳分公司现今拥有四个海上作业区，分别为：流花作业区、番禺气田作业区、西江作业区、陆丰作业区。其中流花作业区包括南海挑战号平台、南海胜利号油轮；番禺气田作业区包括番禺30-1平台、珠海终端；西江作业区包括西江23-1平台、西江24-3平台、西江30-2平台、海洋石油115油轮；陆丰作业区包括陆丰13-1平台、陆丰13-2平台、南海盛开号油轮、陆丰13-2B平台。

海上各作业区常用的应用系统包括Maximo，Notes，ISA系统、DFS系统和钻井实时数据库等，同时随着深圳分公司业务量的快速发展，海上油气田应用办公系统不断增加。然而各作业区卫星链路带宽有限，卫星链路本身存在响应时延较长的瓶颈，并且海上油气田缺乏有效的互联网应用管控措施，卫星链路带宽分配不合理，大量非办公性网页访问和其他非核心应用占用有限的卫星链路资源，导致海上油气田用户在使用各种应用系统时响应速度慢，影响到正常的生产和办公效率。

为了保障关键应用优先响应，解决因链路资源被相互抢占而出现的网络拥塞、带宽严重浪费等问题，提高卫星链路的有效利用率，同时能按需求为每套重要应用系统动态分配链路带宽，满足海上油气田用户正常生产办公的需要，采用有效的卫星链路带宽管理机制势在必行。

2 现状分析

结合调研工作，现对海上油气田（以流花作业区为试点单位）网络架构和应用系统现状进行分析说明。

2.1 网络拓扑架构描述

（1）流花平台和陆地主站之间建有一条双向卫星链路，为网络、语音、数据、传真等业务提供主干通道。

（2）流花平台与油轮之间建立有两套微波系统（HARRIS微波和MDS LEDR数传电台），两套微波互为备份，用于油轮与平台的通信，传输网络、语音、数据、中控业务。

（3）流花油轮与陆地主站之间新增一条双向卫星链路，用于网络、语音、数据等业务的通信，同时也作为冗余链路，提供陆地与海上双链路保障及负载均衡功能，优化卫星链路拓扑架构。

（4）在陆地的核心交换节点处部署有一台卫星加速器，同时在流花平台与油轮上分别部署有一台卫星加速器，用于卫星链路加速，降低卫星链路时延。

2.2 海上油气田应用系统现状

（1）由于平台卫星链路带宽的限制，Maximo，Notes这些基于C/S（客户端/服务器）访问模式的应用系统，每次访问刷新数据库时，均会实时访问陆地上的应用服务器，这就造成每次访问响应后台服务器的速率过慢，用户对应用系统的实时操作将存在较高的延迟，对海上用户的办公效率带来一定影响。

（2）ISA系统具有网页缓存功能，对用户经常访问的网页、链接进行实效性的缓存，优化了海上用户互联网访问速率。

（3）平台、油轮上部署的DFS分布式文件系统，通过建立虚拟共享文件夹，能集中用户的访问，简化操作，提高文件存取速率。

（4）海上油气田卫星链路暂未建立合理的应用系统带宽分配机制，大量的互联网和非核心应用抢占有限的链路资源，关键应用链路带宽得不到保障。

3 测试分析

3.1 测试方式

通过在陆地上搭建模拟海上油气田网络架构拓扑环境，分别采用以下测试方式：

（1）在出口链路速率一定的情况下（1.0M），通过流量控制网关（网络带宽管理设备）对模拟海上油气田的各种应用系统（Maximo，Notes等）智能分配速率（管道），结合分析统计的测试数据，确定各应用系统的最高及最低传输速率。

（2）在出口链路速率一定的情况下（1.0M），测试流量控制网关对模拟海上油气田各应用系统分配速率（管道）预留和抢占功能的有效性，通过对流量的智能管理，以达到对卫星链路的最优化使用。

3.2 应用系统测试列表项

模拟测试环境下应用系统的各测试列表项如表1所示。

表1 应用系统测试列表

3.3 测试环境

模拟测试环境拓扑结构如图1所示，其中测试用电脑为完全模拟海上油气田用户标准配置办公电脑：

电脑型号：Lenovo M8000t

CPU：Intel(R) Core(TM)2 Duo E7500 @2.93GHz

内存：2G

硬盘：320G

图1 海上模拟环境搭建网络拓扑图

3.4 测试内容

3.4.1 使用流量控制网关测试

1. Maximo应用系统测试

测试思路：

（1）在流量控制网关上建立速率通道，上传速率1 024kb/s，下载速率1 024kb/s，并且该速率通道全部给Maximo系统（预先自定义协议）使用。

（2）在测试PC上访问Maximo系统，对系统进行登录、各种报表查询、形成打印报表、打开统计分析报表等待一段时间，查询系统在这段时间内所产生的流量变化趋势，确认Maximo系统需要的最大（波峰）最小（波谷）链路速率。

（3）在流量控制网关上建立速率通道，上传速率150kb/s，下载速率150kb/s，并且该速率通道全部给Maximo系统（预先自定义协议）使用，观察速率通道变小后，Maximo系统对流量的需要是否有所变化。

测试效果（1 024kb/s）：见图2，图3。

图2 Maximo流量变化趋势（面积图）

图3 Maximo流量变化趋势（二维表）

测试效果（150kb/s）：见图4，图5。

图4 Maximo流量变化趋势（面积图）

图5 Maximo流量变化趋势（二维表，单位同图3）

测试小结：

在速率通道大小为1 024kb/s及150kb/s条件下Maximo对链路速率的要求大致相同，最高峰值大致为120kb/s，具体数值请参考测试汇总表（表2）。

图6 Notes流量变化趋势（面积图）

图7 Notes流量变化趋势（二维表-第1次，单位同图3）

2. Notes应用系统测试

测试思路：

（1）在流量控制网关上建立速率通道，上传速率1 024kb/s，下载速率1 024kb/s，并且该速率通道全部给Notes（预先自定义协议）使用。

（2）在测试PC访问Notes系统，对系统进行如打开公司首页，打开大附件邮件（大于3M）、邮件收发等一段时间，查询系统在这段时间内所产生的流量变化趋势，确认Notes需要的最大（波峰）最小（波谷）链路速率。

（3）在流量控制网关上建立速率通道，上传速率200kb/s，下载速率200kb/s，并且该速率通道全部给Notes（预先自定义协议）使用，观察速率管道变小后，Notes系统对流量的需要是否有所变化。

第一次测试效果（1 024kb/s）见图6，图7。

第二次测试效果（1 024kb/s）见图8，图9。

图8 Notes流量变化趋势（面积图-第2次）

图9 Notes流量变化趋势（二维表-第2次）

测试效果（200kb/s）见图10。

图10 Notes流量变化趋势（200kb/s）

测试小结：

（1）在管道大小为1 024kb/s及200kb/s条件下Notes对链路速率的要求有较大差别，具体数值请详细参考测试数据汇总表（表2）。

（2）访问Notes邮件，附件大小>3M时，管道速率为1 024kb/s的情况下，打开下载附件产生的流量较大，但相同大小的附件（大小＞3M），第二次相同的操作所产生的流量与第一次相比有较大的差别。原因可能是Notes系统本地存在缓存，第二次相同的操作将直接从本地调用缓存而无需到陆地服务器上读取数据，因此第二次访问时链路速率占用量较第一次要小。

（3）根据应用系统访问速率要求实行相应管道速率控制（制定200kb/s管道最大将不会超过这个数值）。

测试数据汇总如表2所示。

表2 测试数据汇总表

3.4.2 测试流量控制网关对链路速率的有效管理

1. 链路速率限制

功能说明：用户使用迅雷等P2P软件进行下载，或者使用流媒体软件pplive在线观看网络电视，将会严重侵占有限的链路速率资源，使得关键应用得不到保障，用户正常办公受到很大影响。通过链路速率（管道）限制功能，将内部P2P、流媒体、在线视频等应用流量限制在一定的流量范围（如200kb/s），只要有P2P、流媒体、在线视频等流量，其流量将不能超过200kb/s，优化网络资源使用，提高链路的有效利用率。

图11 链路速率限制

测试思路：配置流量控制策略，限制测试专用台式电脑迅雷下载速率为100kb/s，观察台式电脑在策略生效前后迅雷下载的流量变化。

测试效果：流控策略生效前，迅雷下载速率为60.36KB/s（图12）。

图12 迅雷下载速率为60.36KB/s

流控策略生效后，迅雷下载速率为10.45KB/s（换算单位速率约为83.6kb/s），如图13所示。

图13 迅雷下载速率为10.45KB/s

测试小结：

流量控制网关能有效控制各种应用链路速率，避免由于流量过大导致网络拥塞。

2. 链路速率保障

功能说明：在总链路速率出口中划分速率通道（管道），并且其管道的优先级最高。将应用放入此管道，当ITM检测有此应用流量通过ITM时，可以优先保障此应用所需的链路速率，并且可以优先从别的空闲管道中抢占链路速率，最终达到保障链路速率的目的。

当链路中没有此应用时，别的管道可以使用此管道中的链路速率，从而使链路的使用效率最高。此功能用于保障内部关键业务系统，当出现拥挤时，关键应用能及时抢占链路速率以达到此应用所需的最佳速率值。

图14 链路速率保障

测试思路：卫星链路出口速率为1M，建立速率管道，主通道速率大小240kb/s(30KB/s)，主通道中划分子通道速率大小200kb/s（25KB/s）。

图15 链路速率管道

将台式电脑和笔记本的所有流量放入主通道中，将笔记本迅雷进行链路速率保障200kb/s，台式电脑和笔记本均同时开启迅雷下载同一资源，查看笔记本在链路速率保障后对流量的抢占变化效果。

图16 链路速率保障后的流量变化

测试效果：

（1）笔记本未做迅雷速率管道保障策略前台式电脑下载速率，约28KB/s（总速率30KB/s），如图17所示。

图17 链路速率保障前下载速率

（2）笔记本未做迅雷速率管道保障策略前，笔记本对链路速率的抢占情况，不会超过5KB/s（见图18）。

图18 链路速率保障前速率抢占情况

（3）笔记本迅雷速率管道保障策略启用后，下载速率立即抢占至25KB/s（见图19）。

图19 链路速率保障后下载速率

（4）台式电脑在笔记本迅雷速率管道保障策略启用后，链路速率已经基本被抢占完，速率仅为1.43KB/s（见图20）。

图20 链路速率保障后速率抢占情况

查看台式电脑对流量占用的变化统计，从第6分钟开始，流量开始被抢占（图21）。

图21 台式电脑对流量的占用情况

查看笔记本对流量占用的变化统计，从第6分钟开始，开始抢占流量（图22）。

图22 笔记本电脑对流量的占用情况

测试小结：

（1）流量控制网关能有效实现关键业务应用系统对流量的及时抢占，以满足关键业务应用对链路速率的合理要求。

（2）当链路中没有保障的应用时，别的管道可以使用此管道中的链路速率，从而使链路的使用效率达到最优。

3. 链路速率预留

功能说明：在总链路速率出口中划分独立速率通道（管道），将应用放入此管道，且此应用将独享此通道速率，无论出口如何拥塞，均不能抢占此管道中的链路速率。此功能用于保障内部重要应用系统的链路速率，不会因为链路流量过大而影响重要应用系统的使用效果。如图23所示，可以对Maximo系统预留速率通道250kb/s。

图23 链路速率预留

测试思路：对笔记本电脑的迅雷流量进行速率预留，预留速率为600kb/s（75KB/s），如图24所示。

台式电脑开启迅雷，查看笔记本迅雷下载流量是否被抢占。

图24 预留速率为600kb/s

测试效果：启用策略后，笔记本的迅雷下载速率恒定在60～70KB/S左右（见图25）。

图25 链路速率预留后下载速率

测试小结：

开启速率预留策略后，流量不会被抢占，可以有效保障重要应用系统的链路速率。

3.5 测试结论

通过对上述测试数据和链路速率的需求分析比较，总结应用系统如Maximo，Notes的合理链路速率分配要求如下：（卫星链路速率为1 024kb/s）

Maximo系统：链路速率范围120kb/s～150kb/s。

Notes系统：链路速率范围300kb/s～400kb/s。

同时通过流量控制网关对应用系统进行带宽分配保障与优先级设置，使得海上油气田关键业务应用得到优先及时响应，保障重要应用系统所需链路带宽，限制非核心互联网应用带宽占用，提高卫星链路有效利用率，满足海上用户日常生产与办公需要。

4. 优化建议

根据海上油气田现有的网络拓扑架构及优化管理目标，进行了详细的应用系统链路带宽分配与保障措施的测试，最终建议在陆地核心交换机与海上油气田各卫星链路所汇聚的路由器之间透明部署一台流量控制网关设备，承担海上油气田各作业区卫星链路带宽的优化及管理。部署和安装非常方便，不影响现有的网络架构，实施简单。整体部署方案如图26所示。

图26 海上油气田作业区网络拓扑图

为了达到良好管控的效果，建议对应用系统和用户应用做以下的管控策略（表3）。

表3 管控策略

5 结束语

通过海上油气田网络架构带宽优化测试，使用流量控制网关设备对应用系统所需带宽进行限制、保障和预留，从而建立一整套应用系统带宽分配、优先级设置的链路保障机制。结合现有的通信方式，通过冗余和负载均衡来实现链路保障，加强海上油气田应用系统链路访问的可靠性，形成标准化网络拓扑架构，最终达到海上油气田网络带宽优化的目标。

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A

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