計算機四級網絡工程師_第1章__網絡及其系統(tǒng)設計

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

2、過終端進行數(shù)據的發(fā)送與接收。2計算機-計算機網絡階段 以通信子網為中心，多主機多終端。1969年在美國建成的ARPAnet是這一階段的代表。在ARPAnet上首先實現(xiàn)了以資源共享為目的的不同計算機互連的網絡，它是今天因特網的前身。 3計算機網絡成熟階段 國際標準化組織于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高速的計算機網絡階段 光纖在各國的信息基礎建設中被逐漸廣泛使用，這為建立高速的網絡輔墊了基礎。千兆乃至萬兆傳輸速率的Ethernet已經被越來越多地用于局域網和城域網中，而基于光纖的廣域網鏈路的主干帶寬也已達到10G 數(shù)量級。 1.1.3 計算機網絡的

3、分類 1以通信所使用的介質分類 有線網絡和無線網絡 2以使用網絡的對象分類 公眾網絡和專用網絡 3以網絡傳輸技術分類 廣播式網絡和點到點式網絡 4以網絡傳輸速度的高低分類 低速網絡和高速網絡 圖1-1 點到點網絡與廣播式網絡5按互連規(guī)模與通信方式分類 局域網、城域網與廣域網 重點提示：重點提示：最常用的兩種計算機分類方法為：（1）按傳輸技術將其分為廣播式網絡與點-點式網絡；（2）按覆蓋范圍與規(guī)模將其分為局域網、城域網與廣域網。1.1.4 計算機網絡的應用 1辦公自動化 計算機網絡能過將一個企業(yè)或機關的辦公電腦及其外部設備聯(lián)成網絡，可以實現(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)中實施基

4、于網絡的管理信息系統(tǒng)（MIS）和資源制造計劃（ERP），可以實現(xiàn)企業(yè)的生產、銷售、管理和服務的全面信息化，從而有效提高生產率。 4遠程教育 遠程教育是利用Internet技術，與教育資源相結合，在計算機網絡上進行的教學方式。E-Learning即是指通過Internet或其他數(shù)字化內容進行學習與教學的活動 。5娛樂與消遣 網絡給我們帶了新的豐富多彩的娛樂和消遣方式，如網上聊天、在線點播、新聞瀏覽以及現(xiàn)在最流行的網絡在線游戲等。 1.1.5 計算機網絡的結構及其特點 計算機網絡首先是一個通信網絡，早期的計算機網絡主要是廣域網，它的結構是由負責數(shù)據處理的主計算機與終端以及負責數(shù)據通信處理的通信控制

5、處理設備與通信線路所這兩部分所組成。從資源構成的角度講，計算機網絡是由硬件和軟件組成的。并從功能上將計算機網絡邏輯劃分為資源子網和通信子網。 圖1-2 資源子網與通信子網的二級子網結構1.2 局域網、城域網與廣域網1.2.1 局域網（LAN，Local Area Network） 局域網（LAN）是當今計算機網絡技術應用與發(fā)展非?；钴S的一個領域。公司、企業(yè)、政府部門及至住宅小區(qū)內的計算機機都在通過LAN 連接起來，以達到資源共享、信息傳遞和數(shù)據通信的目的。1. IEEE 802 為局域網制定了一系列標準，主要有如下12 種。LLC能夠提供以下三種服務（1）無確認無連接的服務（2）面向連接方式的

6、服務（3）有確認有連接的服務根據介質訪問控制的方式，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)送機會，如果一段時間內有許多站發(fā)送數(shù)據，則方式很有效，如果只有很少站發(fā)數(shù)據，則該方式開銷太大。（2）預約式：將傳輸介質的使用時間劃分為時間糟，而預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)送權限進行控制，而是自由競爭，它適合于分布式控制，優(yōu)點在于簡單，輕負載下效率高，重負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)點都共享網絡傳輸信道，在每個站要發(fā)送數(shù)據之前，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，則對沖突進行檢測，當發(fā)現(xiàn)沖突時，則取消發(fā)送。載波偵聽主要是指網絡中的各個站點都具備一種對總線上所傳輸?shù)男盘柣蜉d波進行監(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制，這是實現(xiàn)沖突退避的前提。3令牌總線協(xié)議 采用令牌總線協(xié)議的網絡，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絡的訪問。4令牌環(huán)協(xié)議 令牌環(huán)使用中繼器將單個的點到點線路鏈接成為物理的環(huán)形結構。它的基本原理是：令牌在網絡上依次順序傳遞，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，直到目標站，將令牌釋放；如果工作站要發(fā)送數(shù)據時，經過的令牌不是空的，則等待令牌釋放。 6無線局域網 無線局域網主要可以使用紅外線、擴展頻譜和窄帶微波技術三種通信技術。無線局域網分為兩個研究方向，一是由面向數(shù)據通信的計算機局域風發(fā)展而來的，采用的是無連接協(xié)議，即IEEE 801.11標準；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標準。 重點提示：重點提示：應用是局域網技術發(fā)展真正的動力，局域網技術的發(fā)展十分迅速，目前已在企 業(yè)、機關、學校和信息管理與服務領域得到了廣泛的應用。1.2.2 城域網（MAN，Metropolitan AreaN

9、etwork）1FDDI技術 FDDI 以光纖為傳輸介質，傳輸速率可以達到100Mbps，采用單環(huán)和雙環(huán)兩種拓撲結構。 2城域網的業(yè)務特點（1） 傳輸速率高 （2） 用戶投入少，接入簡單 （3） 技術先進、安全 3城域網的主要用途及其適用范圍（1） 高速上網 （2） 互動游戲 （3） VOD視頻點播與網絡電視 （4） 遠程醫(yī)療、會議、教育 （5） 遠程監(jiān)控 （6） 家庭證券交易系統(tǒng) （7） 智能設區(qū) （8） 帶寬及管道出租業(yè)務 1.2.3 廣域網（WAN，Wide Area Network） 廣域網是一種跨地區(qū)的數(shù)據通訊網絡,通常包含一個國家或地區(qū)。廣域網通常由兩個或多個局域網組成。 1綜合業(yè)

10、務數(shù)字網（ISDN） 2數(shù)據數(shù)字網（DDN） 3X.25分組交換網 4幀中繼（FR）5異步傳輸模式（ATM） 1.3 寬帶城域網的設計與管理1.3.1 寬帶城域網的結構與設計 1寬帶城域網的結構 寬帶城域網的總體結構是由網絡平臺、業(yè)務平臺、管理平臺與城市寬帶出口等部分組成。從邏輯上分，寬帶城域網的網絡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寬帶城域網網絡平臺的主要功能（1）核心交換層 核心交換層為整個網絡提供一個高速，寬帶的中心連接，并能提供所有城域網出去Internet所需要的路由服務。 圖1-4 寬帶城域網的總體結構（2）邊緣匯聚層也稱匯聚層，它是多臺接入層交換機的匯聚點，

11、它必須能夠處理來自接入層設備的所有通信量，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絡，它為廣大的用戶提供10/100M的高速接入。它稱為網絡的“最后一公里”。 3寬帶城域網的組建及其原則 可運營性、可管理性、可盈利性、可擴展性 重點提示：重點提示：要組建與成功運營一個寬帶城域網需要遵循的基本原則是：必須能夠保證網絡的可運營性、可管理性、可盈利性與可擴展性。1.3.2 寬帶城域網的管理與運營 寬帶城域網位于廣域網與接入網的交匯處，各種業(yè)務和協(xié)議都在此匯聚分流和進出核心網，直接面對終端用戶，應用環(huán)境復雜。所以其內部是多種交換技術

12、和業(yè)務網絡并存，因此我們在設計與組建寬帶城域網的同時要注意網絡成功組建和運營的關鍵技術。寬帶城域網管理與運營的關鍵技術包括：帶寬管理、服務質量QoS、網絡管理、用戶管理、多業(yè)務接入、統(tǒng)計與計費、IP地址的分配與地址轉換以及網絡安全等。1.3.3 寬帶城域網設計方案1基于SDH的城域網 SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）是一種將復接、線路傳輸及交換功能融為一體、并由統(tǒng)一網管系統(tǒng)操作的綜合信息傳送網絡。SDH的核心就是應用了波分多路復用技術,就是一條光纖信道上傳輸多條信號，SDH網絡是ATM，DDN等中繼網絡服務的承載網。2基于10GE的城域網 19

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

14、圖像等多種業(yè)務類型。圖1-7 基于RPR的城域網應用實例 RPR技術的主要特點可歸納如下： （1）支持50ms的快速保護（2）實現(xiàn)靈活的環(huán)路帶寬管理（3）支持環(huán)路帶寬的公平分配 重點提示：重點提示：寬帶城域網建設最大的風險是基本技術方案的選擇，一般有三類選擇：基于SDH的城域網方案、基于10Ge的城域網方案和基于RPR的城域網方案。 1.4.1 接入網技術概況 1接入網技術的發(fā)展與接入服務的界定 接入網（Access Network，AN）是指交換局到用戶終端之間的所有機線設備，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。它是泛指用戶網絡接口（UNI）與業(yè)務節(jié)點接口（SNI）間實現(xiàn)傳送承載功能的實體網絡。其目標是建立一種標準化的接口方式，以一個可監(jiān)控的接入網絡，使用戶能夠獲得話音、租用線業(yè)務、數(shù)據多媒體、有線電視等綜合業(yè)務。1.4 接入網技術2接入技術與“數(shù)字會聚”、“三網融合” 電信網、計算機網和有線電視網三大網絡的高層業(yè)務應用的融合。三大網絡通過技術改造，能夠提供包括語音、數(shù)據、圖像等綜合多媒體的通信業(yè)務三網融合，在概念上從不同角度和層次上分析，可以涉及到技術融合、業(yè)務融合、行業(yè)融合、終端融合及網絡融合。 重點提示：重點提示：作為用戶接入鋼的主要有三類：計算機網絡、電信通信網與廣播電視網。數(shù)字化使這三種

16、網絡之間的界限越來越模糊，這造成了通信、計算機與廣播電視等產業(yè)的會聚，出現(xiàn)了經營業(yè)務相互融合，進而促進這些產業(yè)的重時，同時開辟大量新的信息服務市場，即現(xiàn)了所謂的“三網融合”與“數(shù)字會聚”。1.4.2 接入技術的主要功能特點與分類 1接入網的主要功能 ： （1）用戶口功能（UPF） （2）業(yè)務口功能（SPF） （3）核心功能（CF） （4）傳送功能（TF） （5）AN系統(tǒng)管理功能（SMF） 2接入網的特點（1）主要完成復用、交叉連接和傳輸功能，不具備交換功能。（2）提供開放的V5標準接口（3）光纖化程度高（4）能提供各種綜合業(yè)務，接入網除接入交換業(yè)務外，還可接入數(shù)據業(yè)務、視像業(yè)務以及租用線業(yè)務等

17、。（5）對環(huán)境的適應能力強（6）組網能力強（7）可采用HDSL、ADSL、有源或無源光網絡、HFC和無線網等多種接入技術。（8）接入網可獨立于交換機進行升級（9）接入網提供了功能較為全面的網管系統(tǒng)3接入網技術的分類 接入網技術從接入技術分，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、校網接入、機關接入與企業(yè)接入。 圖1-8 接入網技術按接入技術分類圖圖1-9 為接入網技術按接入方式分類圖1.4.3 各種接入技術的特點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的點對點

18、傳輸技術。DSL技術在傳統(tǒng)的電話網絡（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可以提供較高的數(shù)據傳輸率。（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，根據采取不同的調制方式，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 用戶室內使用ADSL結構（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，速率自適應數(shù)字用戶線路）2HFC接入圖1-11 HFC的結構示意圖 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：可分為內置式、外置式和交互