网络的基本概念与系统设计

第1章网络及其系统设计本章要点：1.1网络的基本概念1.2局域网、城域网与广域网1.3宽带城域网的设计与管理1.4接入网技术1.1网络的基本概念1.1.1网络的定义

计算机网络是指将地理位置不同的功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。

※重点提示：组建计算机网络的根本目的是为了实现资源共享。这里既包括计算机网络中的硬件资源，如磁盘空间、打印机、绘图仪等，也包括软件资源，如程序、数据等。1.1.2网络的发展过程1．终端-通信线路-计算机阶段人们通过通信线将计算机与终端（terminal）相连，通过终端进行数据的发送与接收。2．计算机-计算机网络阶段以通信子网为中心，多主机多终端。1969年在美国建成的ARPAnet是这一阶段的代表。在ARPAnet上首先实现了以资源共享为目的的不同计算机互连的网络，它是今天因特网的前身。3．计算机网络成熟阶段

国际标准化组织于1984年颁布了“开放系统互连基本参考模型”问题的研究，即为OSI参考模型。4．高速的计算机网络阶段光纤在各国的信息基础建设中被逐渐广泛使用，这为建立高速的网络辅垫了基础。千兆乃至万兆传输速率的Ethernet已经被越来越多地用于局域网和城域网中，而基于光纤的广域网链路的主干带宽也已达到10G数量级。1.1.3计算机网络的分类1．以通信所使用的介质分类有线网络和无线网络2．以使用网络的对象分类公众网络和专用网络3．以网络传输技术分类广播式网络和点到点式网络4．以网络传输速度的高低分类低速网络和高速网络图1-1点到点网络与广播式网络5．按互连规模与通信方式分类局域网、城域网与广域网

※重点提示：最常用的两种计算机分类方法为：（1）按传输技术将其分为广播式网络与点-点式网络；（2）按覆盖范围与规模将其分为局域网、城域网与广域网。1.1.4计算机网络的应用

1．办公自动化计算机网络能过将一个企业或机关的办公电脑及其外部设备联成网络，可以实现在信息共享和公文流传。2．企业的信息化通过在企业中实施基于网络的管理信息系统（MIS）和资源制造计划（ERP），可以实现企业的生产、销售、管理和服务的全面信息化，从而有效提高生产率。4．远程教育远程教育是利用Internet技术，与教育资源相结合，在计算机网络上进行的教学方式。E-Learning即是指通过Internet或其他数字化内容进行学习与教学的活动。5．娱乐与消遣网络给我们带了新的丰富多彩的娱乐和消遣方式，如网上聊天、在线点播、新闻浏览以及现在最流行的网络在线游戏等。

1.1.5计算机网络的结构及其特点计算机网络首先是一个通信网络，早期的计算机网络主要是广域网，它的结构是由负责数据处理的主计算机与终端以及负责数据通信处理的通信控制处理设备与通信线路所这两部分所组成。从资源构成的角度讲，计算机网络是由硬件和软件组成的。并从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网。图1-2资源子子网与与通信信子网网的二二级子子网结结构1.2局域网网、城城域网网与广广域网网局域网网（LAN，LocalAreaNetwork）局域网网（LAN）是当当今计计算机机网络络技术术应用用与发发展非非常活活跃的的一个个领域域。公公司、、企业业、政政府部部门及及至住住宅小小区内内的计计算机机机都都在通通过LAN连接起起来，，以达达到资资源共共享、、信息息传递递和数数据通通信的的目的的。1.IEEE802为局域域网制制定了了一系系列标标准，，主要要有如如下12种。LLC能够提提供以以下三三种服服务（1）无确确认无无连接接的服服务（2）面向向连接接方式式的服服务（3）有确确认有有连接接的服服务根据介介质访访问控控制的的方式式，可可以将将MAC分为以以下三三种方方式：：（1）循环环式：：每个个站轮轮流得得到发发送机机会，，如果果一段段时间间内有有许多多站发发送数数据，，则方方式很很有效效，如如果只只有很很少站站发数数据，，则该该方式式开销销太大大。（2）预约约式：：将传传输介介质的的使用用时间间划分分为时时间糟糟，而而预约约管理理可以以是集集中控控制，，也可可以分分布控控制。。（3）竞争争式：：不对对各个个工作作站的的发送送权限限进行行控制制，而而是自自由竞竞争，，它适适合于于分布布式控控制，，优点点在于于简单单，轻轻负载载下效效率高高，重重负载载时效效率下下降得得很快快。2．CSMA/CD协议CSMA/CD即是带带冲突突检测测的载载波侦侦听多多址访访问。。它的的基本本原理理是：：每个个节点点都共共享网网络传传输信信道，，在每每个站站要发发送数数据之之前，，都会会检测测信道道是否否空闲闲，如如果空空闲则则发送送，否否则就就等待待；在在发送送出信信息后后，则则对冲冲突进进行检检测，，当发发现冲冲突时时，则则取消消发送送。载载波侦侦听主主要是是指网网络中中的各各个站站点都都具备备一种种对总总线上上所传传输的的信号号或载载波进进行监监测的的功能能，其其策略略即是是“信信道空空闲时时，立立即发发送；；信道道忙时时，继继续监监听””。冲冲突检检测是是指一一种检检测或或识别别冲突突的机机制，，这是是实现现冲突突退避避的前前提。。3．令牌总线线协议采用令牌总总线协议的的网络，虽虽然在物理理上它们还还是连接在在一条总线线上，但是是在逻辑上上是组成了了一个首尾尾相连的环环。通过一一个称为令令牌的特殊殊帧来控制制网络的访访问。4．令牌环协协议令牌环使用用中继器将将单个的点点到点线路路链接成为为物理的环环形结构。。它的基本本原理是：：令牌在网网络上依次次顺序传递递，等待捕捕获一个空空令牌，然然后将要发发送的信息息附加到后后面，往下下一站发送送，直到目目标站，将将令牌释放放；如果工工作站要发发送数据时时，经过的的令牌不是是空的，则则等待令牌牌释放。6．无线局域域网无线局域网网主要可以以使用红外外线、扩展展频谱和窄窄带微波技技术三种通通信技术。。无线局域域网分为两两个研究方方向，一是是由面向数数据通信的的计算机局局域风发展展而来的，，采用的是是无连接协协议，即IEEE801.11标准；另一一个是致力力于面向语语音蜂窝电电话，采用用的是基于于连接的协协议，即HiperLAN-2标准。※重点提示：：应用是局域域网技术发发展真正的的动力，局局域网技术术的发展十十分迅速，，目前已在在企业、机关、、学校和信信息管理与与服务领域域得到了广广泛的应用用。城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）1．FDDI技术FDDI以光纤为传传输介质，，传输速率率可以达到到100Mbps，采用单环环和双环两两种拓扑结结构。2．城域网的的业务特点点（1）传输速速率高（2）用户投投入少，接接入简单（3）技术先先进、安全全3．城域网的的主要用途途及其适用用范围（1）高速上上网（2）互动游游戏（3）VOD视频点播与与网络电视视（4）远程医医疗、会议议、教育（5）远程监监控（6）家庭证证券交易系系统（7）智能设设区（8）带宽及及管道出租租业务广域网（WAN，WideAreaNetwork）广域网是一一种跨地区区的数据通通讯网络,通常包含一一个国家或或地区。广广域网通常常由两个或或多个局域域网组成。。1．综合业务务数字网（（ISDN）2．数据数字字网（DDN）3．X.25分组交换网网4．帧中继（（FR）5．异步传输输模式（ATM）1.3宽带城域网网的设计与与管理宽带城域网网的结构与与设计1．宽带城域域网的结构构宽带带城城域域网网的的总总体体结结构构是是由由网网络络平平台台、、业业务务平平台台、、管管理理平平台台与与城城市市宽宽带带出出口口等等部部分分组组成成。。从从逻逻辑辑上上分分，，宽宽带带城城域域网网的的网网络络平平台台又又包包含含了了核核心心交交换换层层、、边边缘缘汇汇聚聚层层与与用用户户接接入入层层三三部部分分。。2．宽宽带带城城域域网网网网络络平平台台的的主主要要功功能能（1）核核心心交交换换层层核心心交交换换层层为为整整个个网网络络提提供供一一个个高高速速，，宽宽带带的的中中心心连连接接，，并并能能提提供供所所有有城城域域网网出出去去Internet所需需要要的的路路由由服服务务。。图1-4宽带带城城域域网网的的总总体体结结构构（2）边边缘缘汇汇聚聚层层也称称汇汇聚聚层层，，它它是是多多台台接接入入层层交交换换机机的的汇汇聚聚点点，，它它必必须须能能够够处处理理来来自自接接入入层层设设备备的的所所有有通通信信量量，，并并提提供供到到核核心心层层的的上上行行链链路路（3）用用户户接接入入层层也称称接接入入层层，，它它是是直直接接面面对对用用户户的的一一个个层层面面，，目目的的是是允允许许终终端端用用户户连连接接到到网网络络，，它它为为广广大大的的用用户户提提供供10/100M的高高速速接接入入。。它它称称为为网网络络的的““最最后后一一公公里里””。。3．宽宽带带城城域域网网的的组组建建及及其其原原则则可运运营营性性、、可可管管理理性性、、可可盈盈利利性性、、可可扩扩展展性性※重点点提提示示：：要组组建建与与成成功功运运营营一一个个宽宽带带城城域域网网需需要要遵遵循循的的基基本本原原则则是是：：必必须须能能够够保保证证网网络络的的可可运运营营性性、、可可管管理理性性、、可可盈盈利利性性与与可可扩扩展展性性。。宽带带城城域域网网的的管管理理与与运运营营宽带带城城域域网网位位于于广广域域网网与与接接入入网网的的交交汇汇处处，，各各种种业业务务和和协协议议都都在在此此汇汇聚聚分分流流和和进进出出核核心心网网，，直直接接面面对对终终端端用用户户，，应应用用环环境境复复杂杂。。所所以以其其内内部部是是多多种种交交换换技技术术和和业业务务网网络络并并存存，，因因此此我我们们在在设设计计与与组组建建宽宽带带城城域域网网的的同同时时要要注注意意网网络络成成功功组组建建和和运运营营的的关关键键技技术术。。宽宽带带城城域域网网管管理理与与运运营营的的关关键键技技术术包包括括：：带带宽宽管管理理、、服服务务质质量量QoS、网络管理、、用户管理、、多业务接入入、统计与计计费、IP地址的分配与与地址转换以以及网络安全全等。宽带城域网设设计方案1．基于SDH的城域网SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体体系）是一种种将复接、线线路传输及交交换功能融为为一体、并由由统一网管系系统操作的综综合信息传送送网络。SDH的核心就是应应用了波分多多路复用技术术,就是一条光纤纤信道上传输输多条信号，，SDH网络是ATM，DDN等中继网络服服务的承载网网。2．基于10GE的城域网1999底成立了IEE802.3ae工作组进行万万兆以太网技技术（10Gb/s）的研究，2002年正式发布802.3ae10GE标准。21世纪初，提出出了光以太网网的概念，它它的技术核心心是：利用光光纤的巨大带带宽资源和以以太网的成熟熟与易用为运运营商建造新新一代的宽带带城域接入网网。光以太网网技术用于建建设宽带城域域网，必须满满足对城域网网的几个基本本要求：（1）高可靠性（2）可提供服务务等级协议（（SLA）（3）高可扩展性性（4）用户管理图1-6成长中的万兆兆以太网3．基于RPR的城域网弹性分组环技技术是一种在在环形结构上上优化数据业业务传送的新新型MAC层协议，能够够适应多种物物理层（如SDH、以太网、DWDM等），可有效效地传送数据据、话音、图图像等多种业业务类型。图1-7基于RPR的城域网应用用实例RPR技术的主要特特点可归纳如如下：（1）支持50ms的快速保护（2）实现灵活的的环路带宽管管理（3）支持环路带带宽的公平分分配※重点提示：宽带城域网建建设最大的风风险是基本技技术方案的选选择，一般有有三类选择：：基于SDH的城域网方案案、基于10Ge的城域网方案案和基于RPR的城域网方案案。接入网技术概概况1．接入网技术术的发展与接接入服务的界界定接入网（AccessNetwork，AN）是指交换局局到用户终端端之间的所有有机线设备，，它的主干系系统为传统的的电缆和光缆缆，一般长数数千米；配线线系统也可能能是电缆和光光缆，其长度度一般几百米米，而引入线线通常长几米米到几十米。。它是泛指用用户网络接口口（UNI）与业务节点点接口（SNI）间实现传送送承载功能的的实体网络。。其目标是建建立一种标准准化的接口方方式，以一个个可监控的接接入网络，使使用户能够获获得话音、租租用线业务、、数据多媒体体、有线电视视等综合业务务。1.4接入网技术2．接入技术与与“数字会聚聚”、“三网网融合”电信网、计算算机网和有线线电视网三大大网络的高层层业务应用的的融合。三大大网络通过技技术改造，能能够提供包括括语音、数据据、图像等综综合多媒体的的通信业务三三网融合，在在概念上从不不同角度和层层次上分析，，可以涉及到到技术融合、、业务融合、、行业融合、、终端融合及及网络融合。。※重点提示：作为用户接入入钢的主要有有三类：计算算机网络、电电信通信网与与广播电视网网。数字化使使这三种网络络之间的界限限越来越模糊糊，这造成了了通信、计算算机与广播电电视等产业的的会聚，出现现了经营业务务相互融合，，进而促进这这些产业的重重时，同时开开辟大量新的的信息服务市市场，即现了了所谓的“三三网融合”与与“数字会聚聚”。接入技术的主主要功能特点点与分类1．接入网的主主要功能：：（1）用户口功能能（UPF）（2）业务口功能能（SPF）（3）核心功能（（CF）（4）传送功能（（TF）（5）AN系统管理功能能（SMF）2．接入网的特特点（1）主要完成复复用、交叉连连接和传输功功能，不具备备交换功能。。（2）提供开放的的V5标准接口（3）光纤化程度度高（4）能提供各种种综合业务，，接入网除接接入交换业务务外，还可接接入数据业务务、视像业务务以及租用线线业务等。（5）对环境的适适应能力强（6）组网能力强强（7）可采采用HDSL、ADSL、有源源或无无源光光网络络、HFC和无线线网等等多种种接入入技术术。（8）接入入网可可独立立于交交换机机进行行升级级（9）接入入网提提供了了功能能较为为全面面的网网管系系统3．接入入网技技术的的分类类接入网网技术术从接接入技技术分分，可可分为为有线线接入入与无无线接接入两两类；；按接接入方方式分分，它它涉及及用户户的环环境与与需求求，可可以分分成家家庭接接入、、校网网接入入、机机关接接入与与企业业接入入。图1-8接入网网技术术按接接入技技术分分类图图图1-9为接入入网技技术按按接入入方式式分类类图各种接接入技技术的的特点点1．xDSL接入xDSL是DSL（DigitalSubscriberLine）的统统称,意即数数字用用户线线路,是以铜铜电话话线为为传输输介质质的点点对点点传输输技术术。DSL技术在在传统统的电电话网网络（（POTS）的用用户环环路上上支持持对称称和非非对称称传输输模式式。xDSL具有以以下特特征：：（1）与与话音音工作作于不不同频频段，，基本本不影影响电电话的的正常常使用用，话话音所所占频频带为为0－4kHz；xDSL调制频频带为为4.4kHz－1MHz。（2）在在以办办公室室和家家庭为为中心心一定定距离离范围围内可可以提提供较较高的的数据据传输输率。。（3）铜铜线的的具体体条件件、天天气和和片断断对话话可能能将影影响传传输性性能。。xDSL中“x”表任意意字符符或字字符串串，根根据采采取不不同的的调制制方式式，获获得的的信号号传输输速率率和距距离不不同以以及上上行信信道和和下行行信道道的对对称性性不同同，xDSL可以分分为以以下若若干类类型：：（1）ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine，不对对称数数字用用户线线路））图1-10用户室室内使使用ADSL结构（2）HDSL（High-data-rateDigitalSubscriberLine，高速速率数数字用用户线线路））（3）VDSL（Very-high-data-rateDigitalSubscriberLine，极高高速率率数字字用户户线路路）（4）RADSL（Rate-AdaptiveDigitalSubscriberLine，速率率自适适应数数字用用户线线路））2．HFC接入图1-11HFC的结构构示意意图按不同同的分分类方方式可可以把把CabelMODEM分成为为同的的类型型，主主要的的分类类方式式有以以下几几种：：（1）按接接入角角度分分：可可分为为个人人的CabelMODEM和宽带带多用用户的的CabelMODEM。（2）按接接口角角度分分：可可分为为内置置式、、外置置式和和交互互式机机顶盒盒三种种（3）按传传输方方式分分：可可分为为双向向对称称式传传输和和