网络工程设计与系统集成(3)第1章课件

1、 网络工程设计与系统集成杨 威 人民邮电出版社 （第3版）Network Engineering Design and System Integration（3nd Edition）“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 1山西师范大学网络信息中心网络工程设计与系统集成强调网络设计原理 突出系统集成实践 案例学习贯穿全书问题思考回顾计算机技术类课程，系统集成思想对计算机系统的作用联想你熟悉的“工程项目”，设想计算机网络工程包含的内容学习目标（1）了解系统集成的发展和层面，理解网络工程设计和系统集成的概念。掌握网络系统结构与协议的基本知识，会使用OSI与T

2、CP/IP对比，分析实际网络体系结构。（2）理解域名系统表示与域名解析方法。熟练掌握IPv4子网地址设置与子网掩码设置。（3）了解网络需求分析方法，熟悉网络工程设计书编写要求。了解系统集成体系结构和系统集成步骤，理解网络结构特点与区别，基本掌握网络各种结构的使用范围。（4）了解网络工程设计方法，理解网络工程设计的重点，包括物理组成、层次结构、有线无线融合、云计算特点，以及网络安全措施等。第1章 绪论本章重点：网络系统集成内容和步骤 OSI与TCP/IP体系结构和协议使用OSI与TCP/IP对比，分析实际网络体系结构 IPv4子网划分与子网掩码网络工程需求分析与设计的方法本章难点： IPv4子网

3、划分与子网掩码网络工程需求分析与设计的方法第1章 绪论1.1.1 网络工程概念网件工程（Network Engineering，NE）是从整体出发，合理规划、设计、实施和运用计算机网络的工程技术。根据网络组建需求，综合应用计算机科学和管理科学中有关的思想、理论和方法，对网络系统结构、要素、功能和应用等进行分析，以达到最优规划、最优设计、最优实施和最优管理的目的。 1.1网络工程概述网络工程设计概念网络工程设计是按照用户组网需求，从网络综合布线、数据通信、系统集成等方面综合考虑，选用先进网络技术和成熟产品；为用户提供科学、合理，实用、好用、够用的网络系统解决方案；为网络系统集成提供技术文档和工程

4、实施依据。1.1网络工程概述 网络系统集成是在信息系统工程方法的指导下，根据网络应用的需求，将网络硬件设备、系统软件和应用软件等产品和技术，系统性地集合在一起，成为满足用户需求的、较高性价比的计算机网络系统。1.1.3 网络系统集成的发展网络集成朝着互联和大规模集群的方向发展 LAN-LAN互连和LAN-WAN的互连 云计算（Cloud Computing）模式 网络集成朝着高速率、大容量的方向发展局域网速度已经从共享式10Mbps升级到交换式100Mbps1000Mbps，甚至已达到10Gbps。 1. 网络软硬件产品的集成 网络信道采用传输介质（电缆、光缆）组成，网络通信平台采用信息交换和

5、路由设备（交换机、路由器、收发器）组成，网络信息资源平台采用服务器和操作系统组成 。1.1.4 网络系统集成的层面 2. 网络技术的集成 全双工交换式以太网、1000Mbps以太网、10Gbps以太网，第三层交换，虚拟个人网（VPN，Virtual Private Network），双址（源地址、目标地址）路由，双栈（IPv4、IPv6）路由，多路（CPU）对称处理，网络附加存储（NAS）、区域存储网络（SAN），Client/Server模式、Browser/Server模式和Browser/Application/Server模式，分布式互连网应用结构等。 3. 网络应用的集成 DNS，W

6、WW，E-mail，FTP，VOD（视频点播），杀毒软件（网络版），网络管理与故障诊断系统等 1.1.5 网络系统集成框架 网络协议语法、语义和时序 体系结构 完成计算机间的协同工作，把计算机间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务 1.2.1网络协议与结构 1.2网络体系结构与协议1.2网络体系结构与协议体系结构服务定义协议规格1.2.2 OSI模型数据多层封装与拆封 1. TCP/IP协议 (1)协议集1.2.3 TCP/IP体系结构FTP 文件传输协议；HTTP - 超文本传输协议； SMTP 简单邮件传输协议； DNS 域名解析服务系统；T

7、FTP - 一般文件传输协议；SNMP - 简单网络管理协议；TCP 文件传输控制协议；UDP - 用户报文协议；IP 网际互连协议。 TCP/IP模型TCP/IP起源于美国国防部高级研究规划署(DARPA)的一项研究计划实现若干台主机的相互通信。现在TCP/IP已成为Internet上通信的标准。TCP/IP模型包括4个概念层次：应用层（application）传输层（transport）网际层（internet）网络接口（network interface）TCP/IP体系结构及功能 TCP/IP的应用层应用层协议支持了文件传输、电子邮件、远程登录、网络管理、Web浏览等应用。应用层传输层

8、网络接口网际层文件传输 FTP、TFTP、NFS电子邮件 SMTP、POP3WWW应用 HTTP远程登录 Telnet、rlogin网络管理 SNMP名字管理 DNS TCP/IP的传输层传输层的两项主要功能：流量控制：通过滑动窗口实现；可靠传输：由序号和确认来实现。传输层提供了TCP和UDP两种传输协议：TCP是面向连接的、可靠的传输协议。它把报文分解为多个段进行传输，在目的站再重新装配这些段，必要时重新发送没有收到的段。UDP是无连接的。由于对发送的段不进行校验和确认，因此它是“不可靠”的。 TCP/UDP 端口号TCP和UDP都用端口(socket)号把信息传到上层。端口号指示了正在使用

9、的上层协议。FTPSMTPTFTPDNSTelnetSNMP2123255369161TCP UDP应用层传输层保留的端口号：255，公共应用255-1023，公司1023，未规定应用层传输层网络接口网际层 IP ICMP ARP RARPTCP/IP网际层的四个主要协议TCPUDP617IP传输层网际层IP数据报的协议域确定目的端的上层协议网际控制报文协议（ICMP）ICMP消息被封装在IP数据报里，用来发送差错报告和控制信息。ICMP定义了如下消息类型：目的端无法到达（Destination unreachable）数据报超时（Time exceeded）数据报参数错（Parameter

10、problem）重定向（Redirect）回声请求（Echo）回声应答（Echo reply）信息请求（Information request）信息应答（Information reply）地址请求（Address request）地址应答（Address reply）最常用的是“目的无法到达”和“回声”消息AB数据网发数据给Z到Z的数据 我不知道如何到达Z？用ICMP通知A目的端无法到达路由器用ICMP通知目的地不可达的示意图ABB可以到达吗？ICMP回声请求 可以，我在这里。ICMP回声应答用PING命令产生的回声及其应答示意图地址解析协议(ARP, Address Resolution

11、Protocol)ARP用于将一个已知的IP地址映射到MAC地址。方法：1）检查ARP高速缓存表；2）若地址不包含在表中，就向网上发广播来寻找。具有该IP地址的目的站用其MAC地址作为响应。ARP只能用于具有广播能力的网络。AC我需要的MAC地址IP = MAC = ? 我就是。这是我的MAC地址IP = MAC = 0800.0020.2C0AB反向地址解析协议(RARP, Reversed ARP)RARP用于将一个已知的MAC地址映射到IP地址。RARP要依赖于RARP服务器，该服务器中有一张MAC地址与IP地址的映射表。需要查找自己IP地址的站点向网上发送包含有其MAC地址的RARP广

12、播，RARP服务器收到后将该MAC地址翻译成IP地址予以响应。RARP同样只能用于具有广播能力的网络。AC我的IP地址是什么？MAC: 0800.0020.2C0AIP = ? 我听到广播了。这是你的IP地址MAC = 0800.0020.2C0AIP = BRARP Server 1.2.4 网络拓扑结构选择拓扑结构考虑因素:费用 、灵活性 、可靠性 首选 目前正在使用的IP协议是第四版的，称之为“IPv4”，IPv4地址采用32位。按照IP协议规定Internet上的地址共有A、B、C、D、E五类 1.2.5 IPv4协议相关知识类别第一字节范围网络地址长度最大的主机数目适用的网络规模A1

13、1261个字节16,387,064大型网络B1281912个字节64,516中型网络C1922233个字节254小型网络IP数据报（IP分组、IP包）版本号报头长度服务类型数据报长度DFMF段偏移0 3 7 15 19 31 标识生存时间TTL协议报头校验和源IP地址目的IP地址选项和填充（最大为40字节）数据区保留的IP地址00.000000 . 000011.111111 . 1111本机本网中的主机局域网中的广播对指定网络的广播回路00.00主 机 号1111 . 1111网络号127任 意 值以下这些IP地址具有特殊的含义:一般来说，主机号部分为全“1 ”的IP地址保留用作广播地址；

14、主机号部分为全“0 ”的IP地址保留用作网络地址。0000 . 0000网络号网络地址子网（Subnet）划分因特网规模的急剧增长，对IP地址的需求激增。带来的问题是：IP地址资源的严重匮乏路由表规模的急速增长解决办法：从主机号部分拿出几位作为子网号 这种在原来IP地址结构的基础上增加一级结构的方法称为子网划分。前提：网络规模较小IP地址空间没有全部利用。例如：三个LAN，主机数为20，25，48，均少于C类地址允许的主机数。为这三个LAN申请3个C类IP地址显然有点浪费。子网划分举例例如：C类网络，主机号部分的前三位用于标识子网号，即： 11000000 00001010 00000001

15、xxxyyyyy网络号+子网号新的主机号部分子网号为全“0”全“1”不能使用，于是划分出23-2=6个子网，子网地址分别为： 11000000 00001010 00000001 00100000 - 2 11000000 00001010 00000001 01000000 - 4 11000000 00001010 00000001 01100000 - 6 11000000 00001010 00000001 10000000 - 28 11000000 00001010 00000001 10100000 - 60 11000000 00001010 00000001 11000000

16、 - 92子网掩码（Subnet Mask）子网划分后，如何识别不同的子网？解决：采用子网掩码来分离网络号和主机号。子网掩码格式：32比特，网络号(包括子网号)部分全为“1”，主机号部分全为“0”。“网络号+子网号”部分“主机号”部分11 11 00 . 00 子网掩码计算前面的例子中：网络号24位，子网号3位，总共27位。所以子网掩码为： 11111111 11111111 11111111 11100000即 255 . 255 . 255 . 224缺省子网掩码：A类： B类： C类：子网地址计算子网掩码 IP地址，结果就是该 IP地址的网络号。例如：IP地址07，子网掩码24 1100

17、1010 01110101 00000001 110 01111 11111111 11111111 11111111 111 00000 11001010 01110101 00000001 110 00000子网地址为：92 主机号为：15 主机之间要能够通信，它们必须在同一子网内，否则需要使用路由器（或网关）实现互联。子网规划举例网络分配了一个C类地址：。假设需要20个子网，每个子网有5台主机。试确定各子网地址和子网掩码。1）对C类地址，要从最后8位中分出几位作为子网地址： 242025，选择5位作为子网地址，共可提供 30个子网地址。2）检查剩余的位数能否满足每个子网中主机台数的要求：

18、 子网地址为5位，故还剩3位可以用作主机地址。而 235+2，所以可以满足每子网5台主机的要求。3）子网掩码为48。 （11111000B = 248 ）4）子网地址可在8、16、24、32、240共30个地 址中任意选择20个。 DNS用于将主机名转换为IP地址。 采用名字来标记一台主机便于记忆。DNS服务主要基于UDP来实现，端口号=53。三个组成部分：域名空间、名字服务器、解析程序域名空间：分布式的、层次型（分级）的树形结构，根没有名字，顶层域由组织域（如org、com、edu）和国家域（如cn）构成。在往下分还可分为若干层子域，如下页图。通常用点来分隔域的层次，如 域名服务DNS根IN

19、TCNMILNETCOMJPIBMintelengwwwjackedunetsxtuwwwftp山西师大的Web服务器：WWW.SXTU.EDU.CNDNS名字服务器：存放域树结构和主机信息的数据库。为减小查询流量负载，提高可靠性，DNS名字空间被划分成若干不交叉的区域（Zone），分别存放在该区域的DNS服务器中。解析程序：从名字服务器中提取信息把主机域名翻译成IP地址。 解析过程为：首先从本地Hosts文件查找。没找到就向本地DNS名字服务器发出请求；若本地DNS服务器也找不到，它就把请求发给负责该域的顶层域名字服务器，然后由顶层域名字服务器把请求传递给相应子域的名字服务器。最后由该名字服

20、务器把域名对应的IP地址按相反的路径传递给发出请求的站点。域名服务DNS例如： 想要知道的IP地址，则查询过程如下：原始服务器eng，ibm 服务器edu服务器sxtu，edu 服务器WWW服务器域名服务DNS智能DNS 普通的DNS服务器只负责为用户解析出IP记录，而不去判断用户从哪里来，这样会造成所有用户都只能解析到固定的IP地址上。面对一个域名对应多个IP地址的情况，需要构建智能域名解析系统（Intelligence DNS，IDNS） IDNS具有负载均衡，改善外网用户访问门户网站性能的作用 问题时间1.3 网络工程需求分析需求分析是从软件工程学和管理信息系统引入的概念，是任何一个网络

21、项目开始的第一个环节，也是关系一个网络项目成功与否的关键。用户需求分析 技术需求分析 需求分析文档编写1.3.1需求分析思想 网络设备选型要突出实用、好用、够用的原则，不可能也没必要实现所谓“一步到位”了解用户方网络建设的需求，或用户对原有网络升级改造的要求 网络需求分析做得透，网络工程方案的设计就会赢得用户方青睐；网络体系结构设计的好，网络系统实施就相对容易得多如果没有对用户网络组建需求进行充分的调研，不能与用户方达成共识；那么随意需求就会贯穿整个网络组建项目的始终，并破坏网络组建项目的计划和预算 网络工程人员组成 1项目经理（1）职责。制定网络工程的目标；制定各个工作的详细任务表，跟踪这些

22、任务的执行情况并进行控制；组织会议对工程进行评审；综合具体情况，对各种不同方案进行取舍并做出决定；协调项目参与人员之间的关系；项目费用估算、风险评测；项目分包和项目验收鉴定等工作。（2）人员要求。对网络工程有激情、具有领导才能；对问题能正确而迅速地做出确定；能充分利用各种渠道和方法来解决问题；能跟踪任务，有很好地日程观念；能在压力下工作。网络工程人员组成2系统分析员（1）职责。了解用户需求，写出网络工程需求规约；建立用户网络工程原型。（2）人员要求。担任系统分析员的人员应该善于协调，并且具有良好的沟通技巧；担任此角色的人员必须要有具备系统工程理论、网络工程业务和技术领域知识的才能。3工程设计员

23、（1）职责。定义综合布线、网络拓扑的结构和子系统划分以及各个子系统之间的关联；画出综合布线图、网络拓扑图及网络体系结构图，进行网络工程详细设计。（2）人员要求。掌握网络工程分析与设计技术，熟悉2-3种综合布线、网络设备产品的功能和技术指标。4综合布线员（1）职责。按项目的要求进行综合布线材料和通信介质选型；进行工作区子系统、水平区子系统、管理子系统、干线子系统、建筑子系统、设备间子系统的设计、安装及布线系统测试。（2）人员要求。具有良好的综合布线技能和工程测试技术。比如，获得AMP综合布线、Fluke测试等认证的网络布线工程师。5系统集成员（1）职责。按项目的要求进行设备选型、安装调试；进行网

24、络操作系统平台构建、网络应用基础平台构建，以及网络工程测试和验收等。重点解决系统集成项目的技术性问题。（2）人员要求。具有良好的系统集成技能和工程测试技术。比如，获得CCNA（CCNP）、MCSE（MDBA）等认证的网络系统工程师。6. 程序设计员（1）职责。按项目的要求定义应用系统的开发方法、软件模块化属性以及各个模块之间的关联，画出软件体系结构图；进行数据库设计；按项目的要求进行编码和单元测试。（2）人员要求。掌握面向对象的分析与设计技术；具有良好的编程技能和测试技术。 7工程测试员（1）职责。进行综合布线测试、网络系统（硬件、软件）测试，描述测试结果，提出问题解决方案。（2）人员要求。了

25、解被测试的系统，具备诊断和解决问题的技能和工程技能。1.3.3需求调查文档记录 在整个需求分析的过程中，按照一定的规范编写需求分析的相关文档，不但可以帮助项目成员将需求分析结果更加明确化，也为以后系统集成做了文本形式的备忘；并且为网络系统集成商日后的类似项目提供有益的借鉴和范例，是网络系统集成商在项目开发中积累的符合自身特点的经验财富。需求分析中需要编写的文档主要是“网络工程设计描述书”，这是整个需求分析的结果性文档，也是开发与实施过程中项目成员主要可供参考的文档。还需要编写“用户调查报告”和“市场调研报告”来辅助说明。各种文档最好有一定的规范和固定格式，以便增加文档的可读性，方便阅读者快速理

26、解文档内容。1.3.4 用户调查活动内容 调查的主要内容如下：（1）网络当前及日后可能出现的功能需求。（2）客户对网络的性能（如访问速度、平滑升级）的要求和可靠性的要求。（3）客户现有的网络设施和计算机的数量，准备增加的计算机数量。（4）网络中心机房的位置和实际运行环境。（5）综合布线信息点的数量和安装位置。（6）综合布线设备间、配线间的数量和安装位置。1.3.3 用户调查活动内容（7）网络应用系统总体风格及美工效果（必要的时候用户可以提供参考系统，或者由网络系统集成商向用户提供）。（8）网络应用系统的功能及用户可投入的资金分配。（9）网络安全性、可管理性及对可维护性的要求。（10）项目完成时

27、间及进度（可以根据合同确定）。（11）明确项目完成后的维护责任。 1.3.5 市场调研活动内容 市场调研的重点应该放在主要竞争对手的产品，或类似网络系统的有关信息上。 （1）市场调研可以包括下列内容： 市场中同类网络产品的确定。 调研网络的使用范围和访问人群。 调研网络系统的功能设计 简单评价所调研的网络情况。1.3.4 市场调研活动内容 （2）对市场同类产品或系统调研结束后，所撰写“市场调研报告”主要包括以下要点： 概要说明。 内容说明。 被调研网络应用系统的可借鉴的功能设计。 被调研网络应用系统的不可借鉴的功能设计 分析同类网络系统和主要竞争对手产品或已完成的系统集成项目的弱点和缺陷，以及

28、本公司在系统集成方面的优势。 资料汇编。1.3.6 网络工程设计描述书 （1）网络系统总体功能和各组成部分的细节功能。（2）网络用户界面（初步）。（3）网络运行的软/硬件环境（交换机，路由器，服务器，操作系统等）。（4）网络系统性能定义。（5）网络系统的软件和硬件接口与配置清单。（6）确定网络维护的要求。（7）确定网络系统运行环境的要求（机房，设备间、配线间，光缆、电缆敷设，供配电，电气保护，接地和防雷击等）。（8）网络应用系统的总体风格及美工效果。（9）网络应用系统数据的大概数量。（10）网络管理及维护总体功能和各组成部分的细节功能。（11）网络安全与可靠的总体功能和各组成部分的细节功能。（

29、12）网络测试与验收指标。（13）Web页面特殊效果及其数量。（14）项目完成时间及进度（根据合同确定）。（15）明确项目完成后的维护责任。 1. 引言 1.1 整体描述 1.2网络工程项目约束2. 网络描述 2.1网络内容表示 2.2 网络拓扑结构 2.3网络层次表示 核心 汇聚 接入3. 功能描述 3.1功能划分 3.2功能描述 处理说明 限制局限 性能需求 设计约束 支撑图 3.3 管理描述 管理规格说明 设计约束4. 行为描述 4.1系统安全、稳定状态 4.2 事件和响应5. 检验标准 5.1.性能范围 5.2测试种类 5.3 期望的网络响应 5.4 特殊的考虑6. 参考文献7. 附录

30、网络需求规格说明书框架 问题时间1.4.1 网络物理拓扑结构 网络系统集成通常采用以太网交换技术。以太网的逻辑拓扑是总线结构，以太网交换机之间的连接，可称为物理拓扑。中小型、小型网络一般可采用星型结构，如图1.11所示。对于大中型网络考虑链路传输的可靠性，可采用冗余结构（网状型），如图1.12所示。 图1.11 星型拓扑图 图1.12双星型冗余拓扑图 1.4 网络工程设计基础1.4.1 网络物理拓扑结构 确定网络的物理拓扑结构是整个网络方案规划的基础。选择物理拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点 ： （1）地理环境 （2）传输介质与距离 （3）可靠性 典型的三层结构核心层汇聚层接入层1.4

31、.2 网络系统层次划分 主干网络称为核心层，主要连接全局共享服务器、建筑楼宇等，或在一个较大型建筑物内连接多个交换机配线间。连接信息点的“毛细血管”线路及网络设备称为接入层。汇聚层的存在与否，取决于网络规模的大小。根据需要在中间设置汇聚层，汇聚层上连核心层、下连接入层。 分层设计有助于分配和规划带宽，有利于信息流量的局部化，也就是说全局网络对某个部门的信息访问的需求很少（如财务部门的信息，只能在本部门内授权访问），在这种情况下部门业务服务器即可放在汇聚层。这样局部的信息流量传输不会波及到全网，使部门内的信息尽可能在本部门局域网内传输，以减轻主干信道的压力和确保信息不被非法监听。 1.4.2 网

32、络系统层次划分汇聚层的存在与否，取决于网络规模的大小。交换机间如果采用级连方式，即将一组固定端口交换机上联到一台背板带宽和性能较高的汇聚交换机上，再由汇聚交换机上联到主干网的核心交换机。如果采用多台交换机堆叠方式扩充端口密度，其中一台交换机上联，则网络中就只有接入层，如图1.13所示。 图1.13 汇聚层和接入层的两种模式 高效的扁平结构网络结构扁平化，通过扩展核心节点、压缩掉汇聚节点，接入层直连核心层的技术措施，减少了网络物理和逻辑连接级数，提供了网络服务响应速度。 1.4.3 有线网与无线网的融合 云计算是一种计算模式：把IT资源、数据、应用作为服务通过网络提供给用户云计算是一种基础架构管

33、理方法论：把大量的高度虚拟化的资源管理起来，组成一个大的资源池，用来统一提供服务1.4.4 云计算数据中心 云计算的分类私有云公有云混合云操作系统+应用服务引擎应用系统基础设施(IaaS)应用平台(PaaS)应用软件(SaaS)Infrastructure as a Service以服务的形式提供虚拟硬件资源，如虚拟主机/存储/网络/数据库管理等资源。用于无需购买服务器、网络设备、存储设备，只需通过互联网租赁即可搭建自己的应用系统Platform as a Service提供应用服务引擎，如互联网应用编程接口/运行平台等。用户基于该应用服务引擎，可以构建该类应用。Software as a S

34、ervice用户通过Internet (如浏览器)来使用软件。用户不必购买软件，只需按需租用软件 面向外部用户需求，通过开放网络提供云计算服务 IDC，GoogleApp，Saleforce在线CRM大型企业按照云计算的架构搭建平台，面向企业内部需求提供云计算服 企业内部数据中心等 兼顾以上两种情况的云计算服务 Amazon Web Server等既为企业内部又为外部用户提供云计算服务按提供的服务类型按云服务的对象云计算的特点能够监控计算资源，并根据已定义的规则自动地平衡资源的分配。动态性计算资源的物理位置及底层的基础架构对于用户来说是透明和不相关的虚拟性可以将复杂的工作负载分解成小块的工作，并将工作分配到可逐渐扩展的架构中。扩展性基于服务为导向的架构，动态地分配和部署共享的计算资源。有效性灵活性可以支持多种计算机应用类型，且同时支持消费者应用和商业应用。云计算为用户带来的价值简化了IT管理工作提高了IT管理的效率节约了成本，保护环境排放热量减少60%以上空间占用减少80%灾难恢复时间减少85%快速满足业务需求高校云计算数据中心模型 1.4.5 网络安全问题考虑网络安全前期防范网络安全在线保护 网络安全有效性与实用性 网络安全等级划分与管理管理/人员安全数据/信息安全运行安全实体/物理安全信息安全分层结构面向应用的信息安全框架机密性(Confident