网络设计复习

/第一章计算机网络设计引言3.系统集成的困难性系统集成的困难性体现在：技术、成员、环境、约束四个方面，它们之间互为依存关系。网络工程常用工具软件软件名称网络操作系统软件说明WindowsServer微软公司网络操作系统RedHatLinux红帽子公司网络操作系统FreeBSD美国伯克利分校UNIX操作系统CiscoIOS思科公司网络设备操作系统1.3.1OSI/RM网络体系结构定义：网络的功能分层和各层通信协议的集合称为网络体系结构。主要网络体系结构：OSI/RM（开放式系统互联参考模型）TCP/IP（传输限制协议/互联网协议）OSI/RM网络模型应用层物理层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层7654321二进制位流传输：激活和维持系统间的物理链路介质访问限制：供应介质传输限制，如差错限制寻址和路由：确定数据从一处传输到另一处的最佳路径端到端连接：数据流分段和重组，供应牢靠的端到端传输主机间通信：建立、维持和管理应用系统之间的会话数据表示：供应数据表示、代码格式和语法协商处理网络应用：为应用系统供应网络服务1.3.2TCP/IP网络体系结构TCP/IP适用于连接多种不同网络。TCP/IP已成为目前事实上的国际工业标准。TCP/IP是目前异种网络互联的唯一协议。TCP/IP协议分层：应用层、传输层、网络层、网络接口层。TCP/IP存在的问题：地址空间不足、QoS、平安等。TCP/IP网络体系结构的特点：网络协议。TCP/IP没有严格定义网络接口层的具体规范，而是选择Ethernet作为默认通信标准，这种看似不严格的方法，为TCP/IP适用其他网络形式供应了良好的基础。软件和设备。应用层一般采纳软件实现，这样具有功能的多样性，实现的敏捷性；其他层由硬件实现则提高了网络处理性能。网络寻址。应用层采纳进程寻址；传输层采纳端口号寻址；网络层采纳IP地址；网络接口层采纳MAC地址寻址。1.4.1网络工程分层设计模型1．网络分层设计模型的基本结构网络规模的不断扩大，产生了以下问题：园区局域网主机数达到了数千台；有限带宽和无限需求的冲突越来越突出；网络之间的互连变得更加困难；网络平安问题变得严峻；局域网技术正逐步应用到城域网中。Cisco等公司提出了层次化网络设计的概念。网络设计分为：核心层、汇聚层和接入层三个层次。网络层次化设计的优点：可以将网络分解成很多小的单元，降低了网络设计的困难性。更简洁处理广播风暴、信号循环等问题。网络简洁升级到最新的技术，升级随意层次的网络不会对其他层次造成影响。层次结构降低了设备配置的困难性，网络故障也易于定位，使网络更简洁管理。网络层次化设计的缺点：不适用于结构简洁的小型局域网。核心层某个设备或某个链路失效时，会导致整个网络遭到严峻破坏。分层设计中往往采纳设备冗余、路由冗余等设计方法，这会导致网络困难性的增加。1.4.2网络工程设计基本原则ACM/IEEECC2001提出了计算机领域中12个反复出现的重要慨念和基本原则。1.关联网络协议之间的关联性；网络设备之间的关联性；操作系统和网络服务软件之间的关联性；网络工程实施中的关联性；网络工程各种约束条件之间的关联性；企业组织结构和网络结构的关联性等。2.大问题的困难性网络规模越大，涉及的约束条件越多，所耗费的资源也会越多。问题的大小和困难性干脆相关。例如，对以太局域网来说，100个用户的网络设计是一个小问题，而10万个用户的城域以太网设计则是一个大问题。笛卡尔《方法论》：将大问题分解为多个规模适当的小问题，然后再进行解决。有些问题须要采纳“系统论”的方法来解决。3.慨念和形式的模型80-20模型企业设计部门或办公部门，保证一个子网数据流量的80%是在该子网内的本地通信，只有20%的数据流量发往其他子网；对市场部或公共机房，则80%的网络流量会发送到外部网络，内部网络流量只有20%左右。核心简洁边缘困难原则核心层结构简洁，但性能要求高；接入层结构困难，但性能要求低于核心层。4.一样性和完备性冗余原则网络核心设备应当考虑部件的冗余，当某一部件出现故障时，可作为容错备份。热插拔，自动备份，快速复原等功能，都是特别重要的技术指标。2用2备原则主干光纤布线特别麻烦，在主干光纤布线时，应考虑2根光纤正常运用，另外预留2根光纤用于链路备份，便利系统今后的扩展。5.效率效率是一个双刃剑，美国经济学家奥肯在《同等和效率》中断言：“为了效率就要牺牲某些同等，并且为了同等就要牺牲某些效率”。例如，多台交换机采纳“级联”方式互连时，网络设备利用率高，但是对最底层交换机用户不同等；采纳“堆叠”方式互连时，全部交换机用户都同等共享网络带宽，但是网络设备投资较大，资金利用效率不高。技术简洁性原则在满意网络业务需求的前提下，尽可能选择简洁好用的技术和设备。否则，今后的运行管理、故障维护都须要专业人员，管理开销过大。奥卡姆剃刀原则不要把简洁的事情困难化。困难的网络结构会提高系统运营成本，并且使网络难于管理。只有在有特殊要求的状况下，或者能够带来很好性价比的状况下，增加网络困难性才是合理的。弱路由原则路由器简洁成为网络中的性能瓶颈。一般在连接外网时运用路由器，而内网中尽量运用3层交换机。1.4.3网络设计中的冲突分析先进性、好用性、平安性、易用性、牢靠性、经济性等，这些指标往往是相互冲突的。一个满意以上全部指标的网络设计方案，是一个充溢冲突的设计。一个优秀的网络工程师，应当在满意其中少量几个主要指标后，对其他相互冲突的指标做出折中处理。1．主流技术和新技术的冲突主流技术的观点网络技术发展快速，大多数网络工程师无法看清10年甚至5年后技术的发展，所以在网络设计中应当采纳成熟的网络技术，选用成熟的主流产品。在网络设计中选择主流技术可以削减用户培训和管理费用。新技术的观点成熟的网络技术处于发展的顶峰，接下来会进入技术淘汰期。采纳先进网络技术进行设计，可为网络带来较高的性能，为今后的扩展供应较好的基础。2．平安性和易用性的冲突从易用角度上做出的很多权衡和折中带来了太多的平安漏洞和隐患。例如，Windows采纳图形操作界面，易用性很好，但很简洁造成平安漏洞。而UNIX采纳字符界面，结构相对简洁，不简洁造成平安漏洞。Windows操作系统的权限管理比较简洁，运用便利，但是平安性不好。UNIX的权限管理特别完备，特殊是可执行代码，权限限制更为严格。只有系统管理员才能执行某些特定程序。但是UNIX困难的权限管理造成了系统易用性不好。3．牢靠性和经济性的冲突网络系统每年工作365天（客户端除外），每天供应24小时不间断服务，因此网络设计必需考虑网络的牢靠性。高牢靠性网络可以通过链路冗余，设备冗余，数据远程备份冗余等技术实现。网络系统牢靠性设计以增加系统成本为代价。在满意系统需求前提下，应尽可能设计出网络拓扑结构简洁、网络设备利用率高的设计方案。其次章网络用户需求分析2.2.1用户类型的分析不同行业对网络系统的需求存在很大差异，行业性在肯定程度上确定了网络设计的技术选型，拓扑结构，设备性能等技术要求。1．个人用户主要是因特网业务。512kb/s的带宽能满意大部分用户的最低需求。数据平安的需求大大低于企业。运用时间集中在20：00～24：00之间。2.企业用户小型企业网络（信息点100以下）网络节点较少，地理分布范围较小。主要利用因特网进行用户业务。接入带宽一般10Mb/s以下。通常采纳以太网技术。中低档路由器接入中型企业网络（１００－１０００个用户）地理分布范围在一个区域内。主要用于企业内部网络通信。接入带宽在10～100Mb/s之间。对数据平安性要求较高。通常采纳以太网技术设计网络。大型企业网络往往以企业总部为中心。总部运用高端路由器并做冗余备份。分支机构采纳中低端路由器做接入。线路采纳租用专线，也可采纳VPN。网络基本结构需求分析1、拓扑结构需求分析(1)网络分层采纳核心、汇聚和接入3层或是2层。小型局域网，一般采纳2层或1层。园区网和城域网，一般采纳3层。(2)网络的拓扑结构。小型局域网，一般采纳星形或树型园区网，一般采纳树型结构加网状形城域网一般采纳环形、树形等综合结构(3)用户是否须要采纳VLAN进行工作划分。(4)用户是否须要采纳无线通信网络。(5)用户网络接入点的类型和数量。(6)用户本地网络是否须要和远程网络互连。(7)用户是否须要组建一个大型行业城域网。2.网络节点需求分析网络节点的设备处理实力是否满意要求网络节点服务器布置（核心层、汇聚层考虑）终端设备（如PC）的分布状况传输介质转接点(光纤收发器等)的位置分布状况综合布线设备间的位置等2.2.4网络投资约束条件分析任何资本的投入都期望得到回报。依据专家估计，在网络系统生命周期中，前期网络工程费用也许占30%左右，大部分费用发生在网络运行管理和维护中。网络系统的收益类型：一次性收益。非一次性收益。不行定量的收益。网络系统投资成本一览表一次性投入的服务器、PC、交换机、路由器、网络其它设备、平安产品、布线设备、系统建设一次性投入、周期性升级系统软件周期性费用网络维护、线路接入、网络管理、人员培训2.3用户高级要求需求分析2.3.1网络扩展性需求分析网络扩展性要求：(1)新用户或新部门能简洁接入；(2)新业务能无缝在网络运行；(3)网络拓扑无需大的更改；(4)原有设备能有效利用；(5)网络性能恶化在用户允许范围内。（2.3还有一道小题）一、推断题(1)弱路由原则：一般在连接外网时运用路由器，而内网尽量运用3层交换机。(2)一个计算机网络可以同时满意平安性和易用性；(3)计算机网络中牢靠性和经济性是冲突的，即不行能同时满意两个要求；(4)局域网的80/20模型，就是指80%的数据流量在子网，而20%数据流量发往其它子网。(5)一个面对市场的计算机网络系统应当满意全部用户的需求。二、选择题(1)用户网页阅读时的通信流量属于a.间或少量的通信，可忽视；b.突发性通信c.固定带宽的流式传输d.不定带的数据传输应用(2)下列不具有网络扩展性的设备是a.刀片式服务器b.固定式交换机c.模块化路由器d.兼容性的网卡(3)计算机网络避开单点故障体现了a.网络扩展性b.网络性能需求c.网络牢靠性d.网络平安需求(4)下列哪些投资不是一次性投入的a.交换机b.布线设备c.路由器d.系统软件(5)汇聚层交换机安装时发觉找不到电源供应，缘由是a.未明确网络环境分析b.未明确网络设备分析c.未明确用户对业务网络服务的需求d.未能网络性能进行分析三、填空题：(1).最终用户的平均最低接入带宽是;(2).对于小型局域网，一般采纳拓扑结构或拓扑结构；对于园区网，一般采纳拓扑结构加拓扑结构。四、问答题：(1)网络七层协议是哪七层？(2)怎么解决计算机网络中大问题的困难性？(3)网络扩展时应满意哪些要求？第三章网络拓扑结构设计3.1.1点对点网络的特点网络通信方式：点对点点对多点(广播)点对点网络将主机以点对点方式连接，主机通过单独的链路进行数据传输，并且两个节点之间可能会有多条单独的链路。点对点网络主要用于园区网、城域网和广域网广播式网络：在网络中只有一个单一的通信信道，由这个网络中全部的主机所共享。即多个计算机连接到一条通信线路上的不同分支点上，随意一个节点所发出的报文分组被其他全部节点接受。发送的分组中有一个地址域，指明白该分组的目标接受者和源地址。一台机器收到了一个分组以后，它检查地址域。假如该分组正是发送给它的，那么它就处理该分组；假如该分组是发送给其他机器的，那么就忽视该分组广播网络广泛用于局域网通信。广播网络优点：在一个网段内，任何两个节点之间的通信，最多只须要“2跳”的距离；广播网络缺点：网络流量很大时，简洁导致网络性能急剧下降。广播网络没有用于广域网的缘由：主机协调通信须要占用大量的通信资源；主机长距离通信会带来较大的信号延迟；长距离高带宽的信道特别昂贵。网络类型拓扑结构类型主要应用网络扩展牢靠性投资点对点链路形MAN、WAN中等低低环形MAN、WAN困难高高网状形MAN、WAN困难高高广播总线形LAN中等低低星形LAN简洁高低蜂窝形WLAN简洁高高3.1.2链路形拓扑结构链路形网络由点对点串联而成。链路网和总线网结构相同，工作原理不同。链路网和总线网的区分：总线网络采纳广播方式进行数据传输；而链路形网络采纳点对点方式进行信号传输。链路形网络拓扑结构简洁，易于布线，节约传输介质(一般为光缆)，用于主干传输链路。支持链路结构的网络有：SDH、DWDM等。点对点可看作是链路形网的一种特殊状况。链路形结构的优点设备无关性。独立性。平安性。非中心化。链路形结构的缺点连接较多。时延较大。3.1.3环形拓扑结构环网中，各个节点通过环接口，连接在一条首尾相接的闭合环形通信线路中。环网结构有：单环多环环相切环内切环相交环相连等[P42图3-3]SDH环网结构应用环网特点每个节点都和两个相临的节点相连，因而是一种点对点通信模式。环网信号单向传输，假如N+1节点须要将数据发送到N节点，要绕环网络一周才能到达N节点。环网在节点过多时会产生较大的信号时延。N+1N在工程实施中，往往在环的两端实现环封闭。因此环网在物理上呈总线形态，逻辑上仍旧是环型结构。双环网络的自愈功能单环网络中，假如环网中某一节点断开，环上全部节点的通信就会终止。环网采纳双环或多环结构。在SDH环网正常工作时，外环（数据通路）传输数据，内环（爱护通路）作为备用环路。当环路发生故障时，信号会自动从外环切换到内环，这种功能称为环网的“自愈”功能。3.1.4网状形拓扑结构网状形拓扑结构采纳点对点通信方式网络中任何两个节点之间都有直达链路连接，在通信建立过程中，不须要任何形式的信号转接。网状形结构类型：半网状形结构全网状形结构网状结构一般用于城域网和广域网中3.2有大题3.2.1广播网络的特点广播网络工作原理广播网络一般采纳CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）原理进行工作。广播网络有一个信道，网络上全部节点共享这个信道。数据包广播传输时，网络中全部节点都会接收到数据包。各个节点一旦收到数据包，就对这个数据包进行检查，看是否发送给本节点，假如是则接收，否则丢弃这个数据包。广播网络信号传输方式单播多播组播。多个同学一个门HUB冲突域多个同学一个门HUB冲突域的大小会影响到网络的性能。交换机、路由器等设备可以隔离冲突域。广播域：广播域就是说假如站点发出一个广播信号后能接收到这个信号的范围广播会占用大量网络资源，影响网络带。冲突域就是连接在同一导线上的全部工作站的集合，或者说是同一物理网段上全部节点的集合冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到全部被发送的帧冲突域和广播域的对比：冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到全部被发送的帧;广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的全部设备的集合;冲突域：基于第一层（物理层）;广播域：基于其次层（数据链路层）;以太网中，冲突域是由hub组成的，一个hub就是一个冲突域交换机的每个端口都是一个冲突域。3.3有图示题双中心结构常用于园区网设计优点：网络结构较为简洁，实现了设备冗余和链路冗余，这提高了网络的牢靠性，也可以很好地进行网络负载均衡。[图P53]双中心结构[[图P53]双中心结构[图P53]单中心结构[案例]双中心网络结构第四章地址规划和路由技术4.1.1IP地址类型和规定1．IP地址类型IETF（因特网工程小组）将IP地址分为五类，其中A、B、C是主类地址，D类为组播地址，E类保留。IPv4地址总数=232=42亿个类型IP地址格式段1取值范围A网络号.主机.主机.主机1～126B网络号.网络号.主机.主机128～191C网络号.网络号.网络号.主机192～2232．公有地址和私有地址公有地址：在互联网上运用的IP地址；这类地址不允许出现重复，用户必需向NIC（网络信息中心）申请。私有地址：允许在内部网络中重复运用。私有地址无须向NIC申请。私有地址不能在因特网上运用。特殊IP地址网络号或主机号为全0或全1的地址有特殊的意义，它们不安排给主机运用。全1的意义为“全部”，全0的意义为“这个”，网络号主机号说明案例全0全0本机0．0．0．0全1全1本网段广播地址，路由器不转发255．255．255．255全0全1本网段的广播地址0．0．255．255全1全0本网络掩码255．255．0．0全0主机ID本网段的某个主机0．0．96．33网络ID全0标识一个网络，常用在路由表中96．33．0．0网络ID全1从一个网络向另一个网络广播96．33．255．255127任何值本机测试回送地址（loopback）127．0．0．14.1.3CIDR子网划分技术CIDR（无类别域间路由ClasslessInter-DomainRouting）是地址安排和路由归纳技术。CIDR的路由基于IP地址的掩码进行，而不管IP地址的类别(A类、B类或C类)。CIDR地址格式：表示超网地址；y为网络前缀位数（掩码位）；最大可用网络前缀为/30，保留2位给主机运用。采纳CIDR地址后，路由表中的很多表项归并成更少的数目。可以表示为192.168.8.0/21CIDR地址块划分时，网络前缀中的二进制位必需是连续的1。CIDR网络地址规划案例某ISP安排给某高校的CIDR地址块为：。网络前缀为/22；网络掩码为：；地址范围为：～；网络最大有1024个地址。某高校接着将以上地址划分为5个子块，校内地址规划如图所示。某ISP安排给某公司的CIDR地址块为：。网络前缀为？；网络掩码为：？；地址范围为：？；某公司接着将以上地址划分为？个子块，公司内部地址规划？；网络最大有？个地址。静态路由和动态路由静态路由依据网络工程师预先设计好的路径进行路由选择。动态路由可以依据网络结构，通信量等改变，自动调整路由。采纳动态路由时，路由器能自动建立路由表，并且能依据网络改变的状况适时进行调整。2.静态路由的特点静态路由由网络工程师手工在路由器中配置。静态路由可以削减路由数据过载问题，对于拓扑结构极少改变的网络可以运用静态路由。大型和困难的网络环境通常不宜采纳静态路由。第五章路由技术原理5.1引言路由器工作在网络层，它接收各网络入口的分组，并把分组从其相应的出口转发出去。它依靠于协议，所以路由器本质上是软件设备。路由器不仅可以连接局域网，还可以连接广域网。路由器是互联网最关键的设备。路由器要实现数据转发的功能，必需解决两个基本问题：路由策略——依据数据包的目的地址和网络的拓扑结构选择一条最佳路径，把对应不同目的地址的最佳路径存放在路由表中。路由机制——搜寻路由表，确定向哪个接口转发数据，并执行相应的操作。5.3选路协议的选择路由器选路路由器负责接收来自各个网络入口的分组，并把分组从其相应的出口转发出去。这涉及两方面的问题：找到分组的相应出口。查找路由表来实现。将分组从入口送到出口。由路由器的体系结构确定。路由表中的内容涉及到选路协议工作的范畴，选择合适的选路协议很重要。路由器在网络中的作用：多种网络的互连不同网络的地址映射分组和重组协议转换网络间的隔离流量限制和拥塞限制网络地址转换（NAT）选路协议都有一个共同的目标：和其他路由器共享可达性信息。而不同的协议实行了不同的方法。另外，选路协议在可扩缩性和性能特性上各有特点。距离矢量算法每个路由器维护一张表（即是一个矢量），表中列出了当前已知的到每个目标的最佳距离，以及所运用的链路。这些表通过邻居之间的相互交换信息而不断的实现更新。距离矢量算法特点：好消息反应快速；坏消息反应迟钝。初始：A停机，并且B，C，D，E知道这个状况。A启动后B-E路由改变状况。初始：A正常，并且B，C，D，E知道这个状况。A停机后B-E路由改变状况。运用距离矢量算法的网络出现故障须要较长的时间才能是邻近路由器知道。要改善这个缺点，有几种方法：水平分割：路由器区分不同的接口，从一个接口收到了路由更新信息，那么同样的信息就不能通过本接口再送回去。毒性逆转：从一个接口来的一个路由表项目在通过同样的接口发送出去时，就要将其度量置为16。触发更新：一旦网络发生改变，路由器就发送新的路由表。即不用等30秒的间隔时间。链路状态选路算法：<变种为IS-IS，OSPF大型网络和Internet的主要路由算法>每一个路由器须要完成5件事，算法才能正常工作：1发觉它的邻居节点，并了解其网络地址。2设置到每个邻居节点的距离或者成本度量值。3构建一个包含全部刚刚获得的链路信息包。4将这个包发送给其他的路由器，并接受全部其他路由器的信息包。5计算出到每个路由器的最短路径。5.4IP数据报传输和处理过程主机A的路由表子网掩码目的网络下一路由器干脆投递路由器R1的路由表子网掩码目的网络下一路由器干脆投递干脆投递路由器R2的路由表子网掩码目的网络下一路由器干脆投递干脆投递路由器R3的路由表子网掩码目的网络下一路由器干脆投递干脆投递主机B的路由表子网掩码目的网络下一路由器干脆投递假如主机A的某个应用程序须要发送数据到主机B的某个应用程序，IP数据报在互联网中的传输和处理大致要经验如下过程：1主机发送IP数据报假如主机A要发送数据给互联网上的另一台主机B，那么，主机A首先要构造一个目的IP地址为主机B的IP数据报（目的IP地址），然后对数据报进行路由选择。主机A的路由表子网掩码目的网络下一路由器干脆投递目的主机B和主机A不在同一网络，须要将该数据报转发到默认路由器R2（IP地址）。主机A怎样将数据报发送给下一路由器呢？a在发送数据报之前，主机A首先调用ARP地址解析软件，得到下一默认路由器IP地址和MAC地址的映射关系。b以该MAC地址为帧的目的地址形成一个帧，并将IP数据报封装在帧的数据区。c最终由具体的物理网络完成数据报的真正传输。2路由器R2处理和转发IP数据报路由器R2接收到主机A发送给它的帧后，去掉帧头，并把IP数据报提交给IP软件处理。由于该IP数据报的目的地并不是路由器R2，因此R2须要将它转发出去。路由器R2的路由表子网掩码目的网络下一路由器干脆投递干脆投递3路由器R3处理和转发IP数据报路由器R2相同，路由器R3接收到路由器R2发送的帧后也须要去掉帧头，并把IP数据报提交给IP软件处理。和路由器R2不同，路由器R3在路由选择过程中发觉该数据报指定的目的网络和自己干脆相连，可以干脆投递。路由器R3的路由表子网掩码目的网络下一路由器干脆投递干脆投递路由器R3调用ARP地址解析软件得到主机B的IP地址和MAC地址的映射关系，利用该MAC地址作为帧的目的地址，将IP数据报封装成帧，并由以太网实现数据的真正传递。4主机B接收IP数据报当封装IP数据报的帧到达主机B后，主机B对该帧进行解封装，并将IP数据报送主机B上的IP软件处理。IP软件确认该数据报的目的IP地址为自己的IP地址后，将IP数据