計算機(jī)四級網(wǎng)絡(luò)工程師之網(wǎng)絡(luò)及其系統(tǒng)設(shè)計概述

1、第1章 網(wǎng)絡(luò)及其系統(tǒng)設(shè)計本章要點(diǎn)： 1.1 網(wǎng)絡(luò)的基本概念 1.2 局域網(wǎng)、城域網(wǎng)與廣域網(wǎng) 1.3 寬帶城域網(wǎng)的設(shè)計與管理 1.4 接入網(wǎng)技術(shù)1.1 網(wǎng)絡(luò)的基本概念1.1.1 網(wǎng)絡(luò)的定義 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指將地理位置不同的功能相對獨(dú)立的多個計算機(jī)系統(tǒng)通過通信線路相互連在一起、由專門的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)資源共享的系統(tǒng)。 重點(diǎn)提示：重點(diǎn)提示：組建計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的根本目的是為了實(shí)現(xiàn)資源共享。這里既包括計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的硬件資源，如磁盤空間、打印機(jī)、繪圖儀等，也包括軟件資源，如程序、數(shù)據(jù)等。1.1.2 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程 1終端-通信線路-計算機(jī)階段 人們通過通信線將計算機(jī)與終端（terminal）相連，通

2、過終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。2計算機(jī)-計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)階段 以通信子網(wǎng)為中心，多主機(jī)多終端。1969年在美國建成的ARPAnet是這一階段的代表。在ARPAnet上首先實(shí)現(xiàn)了以資源共享為目的的不同計算機(jī)互連的網(wǎng)絡(luò)，它是今天因特網(wǎng)的前身。 3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成熟階段 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1984年頒布了“開放系統(tǒng)互連基本參考模型”問題的研究，即為OSI參考模型。4高速的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)階段 光纖在各國的信息基礎(chǔ)建設(shè)中被逐漸廣泛使用，這為建立高速的網(wǎng)絡(luò)輔墊了基礎(chǔ)。千兆乃至萬兆傳輸速率的Ethernet已經(jīng)被越來越多地用于局域網(wǎng)和城域網(wǎng)中，而基于光纖的廣域網(wǎng)鏈路的主干帶寬也已達(dá)到10G 數(shù)量級。 1.1.3 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的

3、分類 1以通信所使用的介質(zhì)分類 有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò) 2以使用網(wǎng)絡(luò)的對象分類 公眾網(wǎng)絡(luò)和專用網(wǎng)絡(luò) 3以網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)分類 廣播式網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)到點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò) 4以網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的高低分類 低速網(wǎng)絡(luò)和高速網(wǎng)絡(luò) 圖1-1 點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)與廣播式網(wǎng)絡(luò)5按互連規(guī)模與通信方式分類 局域網(wǎng)、城域網(wǎng)與廣域網(wǎng) 重點(diǎn)提示：重點(diǎn)提示：最常用的兩種計算機(jī)分類方法為：（1）按傳輸技術(shù)將其分為廣播式網(wǎng)絡(luò)與點(diǎn)-點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)；（2）按覆蓋范圍與規(guī)模將其分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)與廣域網(wǎng)。1.1.4 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 1辦公自動化 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能過將一個企業(yè)或機(jī)關(guān)的辦公電腦及其外部設(shè)備聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)在信息共享和公文流傳。2企業(yè)的信息化 通過在企業(yè)中實(shí)施基

4、于網(wǎng)絡(luò)的管理信息系統(tǒng)（MIS）和資源制造計劃（ERP），可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)、銷售、管理和服務(wù)的全面信息化，從而有效提高生產(chǎn)率。 4遠(yuǎn)程教育 遠(yuǎn)程教育是利用Internet技術(shù)，與教育資源相結(jié)合，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的教學(xué)方式。E-Learning即是指通過Internet或其他數(shù)字化內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)與教學(xué)的活動 。5娛樂與消遣 網(wǎng)絡(luò)給我們帶了新的豐富多彩的娛樂和消遣方式，如網(wǎng)上聊天、在線點(diǎn)播、新聞瀏覽以及現(xiàn)在最流行的網(wǎng)絡(luò)在線游戲等。 1.1.5 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn) 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)首先是一個通信網(wǎng)絡(luò)，早期的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要是廣域網(wǎng)，它的結(jié)構(gòu)是由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的主計算機(jī)與終端以及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信處理的通信控制

5、處理設(shè)備與通信線路所這兩部分所組成。從資源構(gòu)成的角度講，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由硬件和軟件組成的。并從功能上將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)邏輯劃分為資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)。 圖1-2 資源子網(wǎng)與通信子網(wǎng)的二級子網(wǎng)結(jié)構(gòu)1.2 局域網(wǎng)、城域網(wǎng)與廣域網(wǎng)1.2.1 局域網(wǎng)（LAN，Local Area Network） 局域網(wǎng)（LAN）是當(dāng)今計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展非?；钴S的一個領(lǐng)域。公司、企業(yè)、政府部門及至住宅小區(qū)內(nèi)的計算機(jī)機(jī)都在通過LAN 連接起來，以達(dá)到資源共享、信息傳遞和數(shù)據(jù)通信的目的。1. IEEE 802 為局域網(wǎng)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，主要有如下12 種。LLC能夠提供以下三種服務(wù)（1）無確認(rèn)無連接的服務(wù)（2）面向連接方式的

6、服務(wù)（3）有確認(rèn)有連接的服務(wù)根據(jù)介質(zhì)訪問控制的方式，可以將MAC分為以下三種方式：（1）循環(huán)式：每個站輪流得到發(fā)送機(jī)會，如果一段時間內(nèi)有許多站發(fā)送數(shù)據(jù)，則方式很有效，如果只有很少站發(fā)數(shù)據(jù)，則該方式開銷太大。（2）預(yù)約式：將傳輸介質(zhì)的使用時間劃分為時間糟，而預(yù)約管理可以是集中控制，也可以分布控制。（3）競爭式：不對各個工作站的發(fā)送權(quán)限進(jìn)行控制，而是自由競爭，它適合于分布式控制，優(yōu)點(diǎn)在于簡單，輕負(fù)載下效率高，重負(fù)載時效率下降得很快。 2CSMA/CD協(xié)議 CSMA/CD即是帶沖突檢測的載波偵聽多址訪問。它的基本原理是：每個節(jié)點(diǎn)都共享網(wǎng)絡(luò)傳輸信道，在每個站要發(fā)送數(shù)據(jù)之前，都會檢測信道是否空閑，如果空

7、閑則發(fā)送，否則就等待；在發(fā)送出信息后，則對沖突進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沖突時，則取消發(fā)送。載波偵聽主要是指網(wǎng)絡(luò)中的各個站點(diǎn)都具備一種對總線上所傳輸?shù)男盘柣蜉d波進(jìn)行監(jiān)測的功能，其策略即是“信道空閑時，立即發(fā)送；信道忙時，繼續(xù)監(jiān)聽”。沖突檢測是指一種檢測或識別沖突的機(jī)制，這是實(shí)現(xiàn)沖突退避的前提。3令牌總線協(xié)議 采用令牌總線協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，雖然在物理上它們還是連接在一條總線上，但是在邏輯上是組成了一個首尾相連的環(huán)。通過一個稱為令牌的特殊幀來控制網(wǎng)絡(luò)的訪問。4令牌環(huán)協(xié)議 令牌環(huán)使用中繼器將單個的點(diǎn)到點(diǎn)線路鏈接成為物理的環(huán)形結(jié)構(gòu)。它的基本原理是：令牌在網(wǎng)絡(luò)上依次順序傳遞，等待捕獲一個空令牌，然后將要發(fā)送的信息附加到

8、后面，往下一站發(fā)送，直到目標(biāo)站，將令牌釋放；如果工作站要發(fā)送數(shù)據(jù)時，經(jīng)過的令牌不是空的，則等待令牌釋放。 6無線局域網(wǎng) 無線局域網(wǎng)主要可以使用紅外線、擴(kuò)展頻譜和窄帶微波技術(shù)三種通信技術(shù)。無線局域網(wǎng)分為兩個研究方向，一是由面向數(shù)據(jù)通信的計算機(jī)局域風(fēng)發(fā)展而來的，采用的是無連接協(xié)議，即IEEE 801.11標(biāo)準(zhǔn)；另一個是致力于面向語音蜂窩電話，采用的是基于連接的協(xié)議，即HiperLAN-2標(biāo)準(zhǔn)。 重點(diǎn)提示：重點(diǎn)提示：應(yīng)用是局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展真正的動力，局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，目前已在企 業(yè)、機(jī)關(guān)、學(xué)校和信息管理與服務(wù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.2.2 城域網(wǎng)（MAN，Metropolitan AreaN

9、etwork）1FDDI技術(shù) FDDI 以光纖為傳輸介質(zhì)，傳輸速率可以達(dá)到100Mbps，采用單環(huán)和雙環(huán)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 2城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)（1） 傳輸速率高 （2） 用戶投入少，接入簡單 （3） 技術(shù)先進(jìn)、安全 3城域網(wǎng)的主要用途及其適用范圍（1） 高速上網(wǎng) （2） 互動游戲 （3） VOD視頻點(diǎn)播與網(wǎng)絡(luò)電視 （4） 遠(yuǎn)程醫(yī)療、會議、教育 （5） 遠(yuǎn)程監(jiān)控 （6） 家庭證券交易系統(tǒng) （7） 智能設(shè)區(qū) （8） 帶寬及管道出租業(yè)務(wù) 1.2.3 廣域網(wǎng)（WAN，Wide Area Network） 廣域網(wǎng)是一種跨地區(qū)的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò),通常包含一個國家或地區(qū)。廣域網(wǎng)通常由兩個或多個局域網(wǎng)組成。 1綜合業(yè)

10、務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN） 2數(shù)據(jù)數(shù)字網(wǎng)（DDN） 3X.25分組交換網(wǎng) 4幀中繼（FR）5異步傳輸模式（ATM） 1.3 寬帶城域網(wǎng)的設(shè)計與管理1.3.1 寬帶城域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 1寬帶城域網(wǎng)的結(jié)構(gòu) 寬帶城域網(wǎng)的總體結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)絡(luò)平臺、業(yè)務(wù)平臺、管理平臺與城市寬帶出口等部分組成。從邏輯上分，寬帶城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺又包含了核心交換層、邊緣匯聚層與用戶接入層三部分。2寬帶城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺的主要功能（1）核心交換層 核心交換層為整個網(wǎng)絡(luò)提供一個高速，寬帶的中心連接，并能提供所有城域網(wǎng)出去Internet所需要的路由服務(wù)。 圖1-4 寬帶城域網(wǎng)的總體結(jié)構(gòu)（2）邊緣匯聚層也稱匯聚層，它是多臺接入層交換機(jī)的匯聚點(diǎn)，

11、它必須能夠處理來自接入層設(shè)備的所有通信量，并提供到核心層的上行鏈路 （3）用戶接入層 也稱接入層，它是直接面對用戶的一個層面，目的是允許終端用戶連接到網(wǎng)絡(luò)，它為廣大的用戶提供10/100M的高速接入。它稱為網(wǎng)絡(luò)的“最后一公里”。 3寬帶城域網(wǎng)的組建及其原則 可運(yùn)營性、可管理性、可盈利性、可擴(kuò)展性 重點(diǎn)提示：重點(diǎn)提示：要組建與成功運(yùn)營一個寬帶城域網(wǎng)需要遵循的基本原則是：必須能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可運(yùn)營性、可管理性、可盈利性與可擴(kuò)展性。1.3.2 寬帶城域網(wǎng)的管理與運(yùn)營 寬帶城域網(wǎng)位于廣域網(wǎng)與接入網(wǎng)的交匯處，各種業(yè)務(wù)和協(xié)議都在此匯聚分流和進(jìn)出核心網(wǎng)，直接面對終端用戶，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜。所以其內(nèi)部是多種交換技術(shù)

12、和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)并存，因此我們在設(shè)計與組建寬帶城域網(wǎng)的同時要注意網(wǎng)絡(luò)成功組建和運(yùn)營的關(guān)鍵技術(shù)。寬帶城域網(wǎng)管理與運(yùn)營的關(guān)鍵技術(shù)包括：帶寬管理、服務(wù)質(zhì)量QoS、網(wǎng)絡(luò)管理、用戶管理、多業(yè)務(wù)接入、統(tǒng)計與計費(fèi)、IP地址的分配與地址轉(zhuǎn)換以及網(wǎng)絡(luò)安全等。1.3.3 寬帶城域網(wǎng)設(shè)計方案1基于SDH的城域網(wǎng) SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）是一種將復(fù)接、線路傳輸及交換功能融為一體、并由統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)操作的綜合信息傳送網(wǎng)絡(luò)。SDH的核心就是應(yīng)用了波分多路復(fù)用技術(shù),就是一條光纖信道上傳輸多條信號，SDH網(wǎng)絡(luò)是ATM，DDN等中繼網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的承載網(wǎng)。2基于10GE的城域網(wǎng) 19

13、99 底成立了IEE802.3ae 工作組進(jìn)行萬兆以太網(wǎng)技術(shù)（10Gb/s）的研究，2002 年正式發(fā)布802.3ae 10GE 標(biāo)準(zhǔn)。21世紀(jì)初，提出了光以太網(wǎng)的概念，它的技術(shù)核心是：利用光纖的巨大帶寬資源和以太網(wǎng)的成熟與易用為運(yùn)營商建造新一代的寬帶城域接入網(wǎng)。光以太網(wǎng)技術(shù)用于建設(shè)寬帶城域網(wǎng)，必須滿足對城域網(wǎng)的幾個基本要求：（1）高可靠性（2）可提供服務(wù)等級協(xié)議（SLA）（3）高可擴(kuò)展性（4）用戶管理圖1-6 成長中的萬兆以太網(wǎng)3基于RPR的城域網(wǎng) 彈性分組環(huán)技術(shù)是一種在環(huán)形結(jié)構(gòu)上優(yōu)化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送的新型MAC層協(xié)議，能夠適應(yīng)多種物理層（如SDH、以太網(wǎng)、DWDM等），可有效地傳送數(shù)據(jù)、話音、

14、圖像等多種業(yè)務(wù)類型。圖1-7 基于RPR的城域網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例 RPR技術(shù)的主要特點(diǎn)可歸納如下： （1）支持50ms的快速保護(hù)（2）實(shí)現(xiàn)靈活的環(huán)路帶寬管理（3）支持環(huán)路帶寬的公平分配 重點(diǎn)提示：重點(diǎn)提示：寬帶城域網(wǎng)建設(shè)最大的風(fēng)險是基本技術(shù)方案的選擇，一般有三類選擇：基于SDH的城域網(wǎng)方案、基于10Ge的城域網(wǎng)方案和基于RPR的城域網(wǎng)方案。 1.4.1 接入網(wǎng)技術(shù)概況 1接入網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與接入服務(wù)的界定 接入網(wǎng)（Access Network，AN）是指交換局到用戶終端之間的所有機(jī)線設(shè)備，它的主干系統(tǒng)為傳統(tǒng)的電纜和光纜，一般長數(shù)千米；配線系統(tǒng)也可能是電纜和光纜，其長度一般幾百米，而引入線通常長幾米到幾十

15、米。它是泛指用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）與業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)接口（SNI）間實(shí)現(xiàn)傳送承載功能的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)。其目標(biāo)是建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的接口方式，以一個可監(jiān)控的接入網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠獲得話音、租用線業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)多媒體、有線電視等綜合業(yè)務(wù)。1.4 接入網(wǎng)技術(shù)2接入技術(shù)與“數(shù)字會聚”、“三網(wǎng)融合” 電信網(wǎng)、計算機(jī)網(wǎng)和有線電視網(wǎng)三大網(wǎng)絡(luò)的高層業(yè)務(wù)應(yīng)用的融合。三大網(wǎng)絡(luò)通過技術(shù)改造，能夠提供包括語音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合多媒體的通信業(yè)務(wù)三網(wǎng)融合，在概念上從不同角度和層次上分析，可以涉及到技術(shù)融合、業(yè)務(wù)融合、行業(yè)融合、終端融合及網(wǎng)絡(luò)融合。 重點(diǎn)提示：重點(diǎn)提示：作為用戶接入鋼的主要有三類：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電信通信網(wǎng)與廣播電視網(wǎng)。數(shù)字化使這三種

16、網(wǎng)絡(luò)之間的界限越來越模糊，這造成了通信、計算機(jī)與廣播電視等產(chǎn)業(yè)的會聚，出現(xiàn)了經(jīng)營業(yè)務(wù)相互融合，進(jìn)而促進(jìn)這些產(chǎn)業(yè)的重時，同時開辟大量新的信息服務(wù)市場，即現(xiàn)了所謂的“三網(wǎng)融合”與“數(shù)字會聚”。1.4.2 接入技術(shù)的主要功能特點(diǎn)與分類 1接入網(wǎng)的主要功能 ： （1）用戶口功能（UPF） （2）業(yè)務(wù)口功能（SPF） （3）核心功能（CF） （4）傳送功能（TF） （5）AN系統(tǒng)管理功能（SMF） 2接入網(wǎng)的特點(diǎn)（1）主要完成復(fù)用、交叉連接和傳輸功能，不具備交換功能。（2）提供開放的V5標(biāo)準(zhǔn)接口（3）光纖化程度高（4）能提供各種綜合業(yè)務(wù)，接入網(wǎng)除接入交換業(yè)務(wù)外，還可接入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視像業(yè)務(wù)以及租用線業(yè)務(wù)等

17、。（5）對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)（6）組網(wǎng)能力強(qiáng)（7）可采用HDSL、ADSL、有源或無源光網(wǎng)絡(luò)、HFC和無線網(wǎng)等多種接入技術(shù)。（8）接入網(wǎng)可獨(dú)立于交換機(jī)進(jìn)行升級（9）接入網(wǎng)提供了功能較為全面的網(wǎng)管系統(tǒng)3接入網(wǎng)技術(shù)的分類 接入網(wǎng)技術(shù)從接入技術(shù)分，可分為有線接入與無線接入兩類；按接入方式分，它涉及用戶的環(huán)境與需求，可以分成家庭接入、校網(wǎng)接入、機(jī)關(guān)接入與企業(yè)接入。 圖1-8 接入網(wǎng)技術(shù)按接入技術(shù)分類圖圖1-9 為接入網(wǎng)技術(shù)按接入方式分類圖1.4.3 各種接入技術(shù)的特點(diǎn)1xDSL接入 xDSL是DSL（Digital Subscriber Line）的統(tǒng)稱,意即數(shù)字用戶線路,是以銅電話線為傳輸介質(zhì)的點(diǎn)對點(diǎn)

18、傳輸技術(shù)。DSL技術(shù)在傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)（POTS）的用戶環(huán)路上支持對稱和非對稱傳輸模式。 xDSL具有以下特征： （1） 與話音工作于不同頻段，基本不影響電話的正常使用，話音所占頻帶為04kHz；xDSL調(diào)制頻帶為4.4kHz1MHz。（2） 在以辦公室和家庭為中心一定距離范圍內(nèi)可以提供較高的數(shù)據(jù)傳輸率。（3） 銅線的具體條件、天氣和片斷對話可能將影響傳輸性能。 xDSL中“x”表任意字符或字符串，根據(jù)采取不同的調(diào)制方式，獲得的信號傳輸速率和距離不同以及上行信道和下行信道的對稱性不同，xDSL可以分為以下若干類型：（1）ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Lin

19、e，不對稱數(shù)字用戶線路）圖1-10 用戶室內(nèi)使用ADSL結(jié)構(gòu)（2）HDSL（High-data-rate Digital Subscriber Line，高速率數(shù)字用戶線路） （3）VDSL（Very-high-data-rate Digital Subscriber Line，極高速率數(shù)字用戶線路）（4）RADSL（Rate-Adaptive Digital Subscriber Line，速率自適應(yīng)數(shù)字用戶線路）2HFC接入圖1-11 HFC的結(jié)構(gòu)示意圖 按不同的分類方式可以把Cabel MODEM分成為同的類型，主要的分類方式有以下幾種：（1）按接入角度分：可分為個人的Cabel MODEM和寬帶多用戶的Cabel MODEM。（2）按接口角度分：可分為內(nèi)置式、外置式和交互