第1章 网络系统结构与设计的基本原理

基础知识

计算机网络的分类

局域网

* 有限的地理范围
* 高数据传输码率（10Mbps ~ 100Gbps）
* 易于建立、维护与拓展

介质访问控制方法分类：

1. 共享介质式局域网
2. 交换式局域网

传输介质类型分类：

1. 有线局域网
2. 无线局域网

城域网

* 几十公里范围

广域网

* 几十公里到几千公里

计算机网络结构的特点

资源子网

* 负责全网的数据处理业务
* 负责向网络用户提供各种网络资源与网络服务

通信子网

* 网络数据传输、转发等通信处理任务

广域网技术的发展

用于构成广域网的典型网络类型和技术

* 公共电话交换网PSTN
* 综合业务数字网ISDN
* 数字数据网DDN
* X.25分组网
* 帧中继FR网
* 异步传输模式ATM网
* GE与10GE的光以太网

局域网技术的发展

以太网 令牌环网络 令牌总线网络

以太网技术发展方向：

1. 提高数据传输速率
2. 大型局域网划分多个网桥或路由器互联的网络
3. 将共享介质方式改为交换介质方式

城域网技术的发展

* 以光纤作为传输介质
* 45Mbps到150Mbps高数传输速率
* 支持数据、语音、图形与视频综合业务数据传输
* 50km到100km的城市范围

光纤环网（早期）

其中有FDDI
* 采用光纤作为传输介质
* 传输速率为100Mbps
* 100km范围内的局域网互联
* 支持双环结构
* 具备快速环自愈能力
* MAC子层使用802.5单令牌环网络介质访问控制MAC协议，
  LLC子层使用IEEE802.2协议，能够适应城域网主干网建设的需要

实训任务

宽带城域网的结构

宽带城域网的逻辑结构

网络平台的层次结构

核心交换层、边缘汇聚层与用户接入层的主要功能

核心交换层的基本功能

1. 连接多个汇聚层，为汇聚层的网络提供高速分钟转发，为整个城域网提供一个高速、安全与具有Qos保障能力的数据传输环境。
2. 实现与主干网络的互联，提供城市的宽带IP数据出口。
3. 提供用户访问Internet所需要的路由服务。

汇聚层的基本功能

1. 汇聚接入层的用户流量，进行数据分组传输的汇聚、转发与交换。
2. 根据接入层用户的流量，本地路由、过滤、流量均衡、Qos优先级管理，以及安全控制、IP地址转换、流量整形等处理。
3. 根据处理结果把用户流量转发到核心交换层或在本地进行路由处理

接入层的基本功能

1. 通过各种接入技术，连接最终用户。
2. 为它所覆盖范围内的用户提供访问Internet以及其它的信息服务。

城域网设计的一个重要出发点

在降低网络造价的前提下，系统能够满足当前的数据交换量、接入的用户数与业务类型的要求，并具有可扩展的能力

宽带城域网组建的基本原则

可运营性、可管理性、可营利性和可扩展性

可管理性

* 对用户的身份认证、使用权限认证和计费功能
* IP地址分配功能，能够支持动态和静态地址分配，支持网络地址NAT功能
* 为用户提供带宽保证，实现流量工程，提供个性化用户策略的Qos保证

管理和运营宽带城域网的关键技术

带宽管理、服务质量Qos、网络管理、用户管理、多业务接入、统计与计费、IP地址的分配与地址转换、网络安全等

服务质量Qos

* 资源预留（RSVP）
* 区分服务（Diff-Serv）
* 多协议标记交换（MPLS）

网络管理

1. 带内管理：利用数据通信网（DCN）或公共交换电话网（PSTN）拨号，对网络设备进行数据配置。（利用传统的电信网络）
2. 带外管理：利用网络管理协议（SNMP）建立网络管理系统，实时采集网络数据，产生警告信息，显示网络拓扑，分析各类通信数据，供网络管理人员了解、维护网络设备与系统运行状态。（利用IP网络及协议）
3. 对汇聚层及其以上设备采取带外管理，以下采用带内管理。

构建宽带城域网的基本技术与方案

基于SDH技术的城域网

早期的SONET/SDH是为传统电信业务服务的，它并不适合于传输IP分组。
基于新一代SONET/SDH技术的多业务传输平台（MSTP）将取代功能单一的分叉复用器（ADM）和数字交叉系统（DCS），使IP over SONET/SDH方案更为可行。（将以太信号封装在SONET/SDH线路中进行传输）

光以太网的特征（以太网与DWDM技术相结合）

1. 设备和线路符合电信网络99.999%的高运行可靠性
2. 能够根据终端用户的实际应用需求分配带宽
3. 具有认证与授权功能
4. 提高计费功能
5. 支持VPN和防火墙
6. 支持MPLS，具有一定的服务质量保证，提高分等级的Qos网络服务
7. 能够方便、快速、灵活地适应用户和业务的扩展。

基于10G Ethernet技术的宽带城域网（光以太网）

* 光以太网是SONET的1/5，是ATM的1/10
* 10Mbps、100Mbps、1Gbps到10Gbps的以太网技术标准化了，100Gbps正在研究中
* 如果宽带城域网的各个层次都使用同一个技术，那么网络在设计、组建、运行、管理和人员培训都很方便、有效

基于弹性分组环RPR技术的城域网（光以太网）

* 光纤上高效传输IP分组
* 工作基础上Cisco公司提出的动态分组传送（DPT）技术
* 采用双环结构
* 两结点间的裸光纤的最大长度可以达到100km
* 顺时针传输的光纤环叫做外环
* 逆时针传输的光纤环叫做内环
* 内外环都可以用统计时分多路复用的方法传输分组，同时实现“自愈环”的功能
* 内外环都可以传输数据分组与控制分组

1. 带宽利用率高：双环结构传输数据分组和控制分组，数据帧由目的结点从环中收回
2. 公平性好：每个结点都执行SRP公平算法
3. 快速保护和恢复能力强：50ms内隔离出现故障的结点和光纤段
4. 保证服务质量：对不同的业务数据分配不同的优先级

网络接入技术与方法

接入网类别：计算机网络 电信通信网 广播电视网 物联网
接入方式：地面有线通信系统  无线通信和移动通信网 卫星通信网 有线电视网 地面广播网
宽带接入技术：数字用户线xDSL技术 光纤同轴电缆混合网HFC技术 光纤接入技术 无线接入技术局域网接入技术（无线接入又可以分为无线局域网接入、无线城域网接入与无线Ad hoc接入）

各种接入技术的特点

数字用户线xDSL接入技术（一对铜双绞线）

* 足够的带宽
* 性能和可靠性有 明显的优势
* 利用现有的铜双绞线，经济实惠

ADSL 非对称数字用户线
HDSL 高比特率数字用户线
RADSL 速率自适应数字用户线
VDSL 甚高比特率数字用户线

ADSL的技术特点
1. ADSL允许用户保留他们已经申请的模拟电话业务
2. 不需要专门为获得ADSL服务而重新铺设电缆
3. 提供的非对称带宽特性，用户可以根据需要选择上行和下行速率

光纤同轴电缆混合网HFC（新一代有线电视网络）

传统有线电视网络：有线电视头端 长距离干线 放大器 馈线 下引线

* HFC是一个双向传输系统
* 光纤节点通过同轴电缆下引线可以为500～2000个用户服务
* 改善了信号质量，提供了可靠线，带宽达到1GHz
* 使用Cable Modem，通过电视宽带接入Internet，数据传输速率可达10～36Mbps

Cable Modem
把用户计算机与有线电视同轴电缆连接起来
利用频分复用的方法将双向信道分为上行信道和下行信道
上行信道采用的载波频道范围为5～42MHz，带宽在200kbps～10Mbps
下行信道采用的载波频道范围为450～750MHz，带宽最高可达36Mbps

光纤接入技术

标准化：
1. OC-3，155.520Mbps的对称业务
2. 上行OC-3，155.520Mbps，下行OC-12，622.080Mbps的不对称业务
传输介质可以是一根或者两根单模光纤，双向传输通过波分复用WDM实现
OC-1 51.84Mbps

以ATM为基础的宽带无源光网络
1. 在PON的网络上，实现基于信元的ATM传输
2. 允许接入网的多个用户共享整个宽带
优点：
* 系统稳定，可靠
* 可以适应不同带宽、传输质量的需要
* 每个用户可占用独立的带宽，而不会发生用塞
* 接入距离可以达到20～30km

宽带无线接入技术

802.11标准的无线局域网（WLAN）
* 只能满足一定地理范围内的用户接入需求
* 解决局域网范围的移动结点通信问题
* 定义了红外、跳频扩频与直接序列扩频技术，数据传输速率为1Mbps或2Mbps的无线局域网标准
* 802.11b定义了使用直序扩频技术，传输速率为1Mbps、2Mbps、5.5Mbps与11Mbps的无线局域网标准
* 802.11a将传输速率提高到54Mbps

802.16标准的无线城域网（WMAN)
* 远距离传输
* 可以在50km范围内提供最高70Mbps的传输速率
* WiMAX技术
* 解决建筑物之间的数据通信问题
* 工作在2～66MHz
* 每个建筑物上建立基站，基站之间采用全双工、宽带通信方式工作
* 规定无线网络使用更高的10～66GHz波段的频率（毫米波）
* 工作组对应的论坛组织是WiMAX
* 最高传输速率为134Mbits/s

Ad hoc接入技术
1. 无线传感器网络WSN（军事和特定行业发展和应用）
2. 无线网格网WMN（民用的接入网）