第一章 计算机网络设计概述

第一章计算机网络设计概述•尽管目前的网络设备的性能和传输介质的容量有了提高，网络设计仍然是一项比较困难的工作，主要在于越来越复杂的网络环境，包括介质的多样化和独立于任何一个组织所能控制的局域网之间的互连。良好的网络设计是保证网络快速稳定运行的关键之一，如果网络设计不完善，就会遇到许多预见不到的问题。阻碍整个网络的发展。因此，网络设计确实是一项深层次的工作。•在本章中，提出了网络设计的总体方法。另外，还对局域网设计目标、网络设计中的问题、网络设计方法以及网络拓扑的发展做了讨论。网络生命周期网络规划基本原则和目标可靠性原则􀁺可扩展性原则􀁺可运营性原则􀁺可管理原则􀁺追求最佳性能价格比网络设计规划流程客户需求分析的目的分析管理目标与需求􀁺用户的商业目的􀁺用户公司的组织结构􀁺用户的实际业务情况􀁺地理位置分布􀁺现有和未来的员工情况􀁺单位与行业的相关政策和规定􀁺决策者的建设思路与预算分析技术目标与需求􀁺可扩展性􀁺技术兼容性􀁺网络性能要求􀁺安全性􀁺可管理性􀁺易用性􀁺适应性􀁺可购买性（性能和价格比）分析技术目标与需求（续）了解客户网络中的应用信息􀁺应用类型􀁺使用该应用的客户端数量􀁺流量情况，对带宽的需求􀁺应用在安全性，可靠性，实时性等方面的需求了解网络现状了解现存网络的运行情况􀁺网络拓扑和设备􀁺地址规划􀁺运行的主要协议和协议特征􀁺网络性能指标（资源利用率，带宽延迟，安全性，可靠性等）用户需求分析•一般要牢记用户对网络的要求：网络要为不同的群体提供服务，网络要否划VLAN；任何节点都有权访问Internet；要用一系列服务器来实现各种功能；要保证网络至少7~10年内有效运行，因此所有的设计思想要对局域网的未来发展有全面考虑；网络通信速率至少达到多少？例如，主干千兆(1Gbps)、支干百兆(100Mbps)、到桌面十兆(10Mbps)网络中允许运行的协议（例如只允许TCP/IP协议IPX/SPX、NetBEUI…..)了解用户现有网络特性收集用户现有网络的所有数据建立现有网络的应用、使用的协议、网络拓扑、采用的设备和用户数等文档。评定现有网络的健康状况和升级能力了解网络使用的操作系统、网管软件和应用软件确定瓶颈确定网络扩张将带来的问题承诺现有网络必须融合进新的设计中以保护前期投资挖出用户的新需求–确定用户新网络的应用、协议、用户数、使用高峰、安全性和网络管理的需求–绘制新应用信息流图表–确定新网络的管理方案和采用的管理软件–分析新网络对性能方面的要求，例如效率、延迟和出错率–对多媒体应用问题–新网络的拓扑、网络技术、设备选型的意图–服务质量（QoS)可行性分析基于用户提出的要求，给出技术和经费两个方面解决问题的可行性分析。首先找出解决用户提出的要求的方案，并将它们放到一个完整的网络系统中，同时可以得到经费预算。在给出网络系统结构时，还应做出经费预算，包括以下三个方面的内容：1)投资设备投资安装培训和用户支持常常容易忽视对后二项的估计，其实它们将占总投资的一半左右，因为在网络的整个生命期，第二项费用总是要开销的。2)效益用户生产力的提高服务质量、产品质量的提高其它通信费用的降低在评估效益时，关键是把从网络系统取得的益处尽可能考虑周到，并予以量化，例如，节省了多少时间，等于多少人的工作量，相当于多创造多少产值。网络设计目标•要设计网络，第一步就是建立和记录设计目标。各单位网络的设计目标不尽相同，但在任何网络设计中，都要体现如下特定的要求：1)功能性——网络必须是可运行的。也就是说，网络可完成用户提出的各项任务和需求；2)可升级性——网络必须是可扩展的；3)可适应性——网络设计必须着眼于未来技术的发展，网络对新技术的实现不应有所限制；4)可管理性——网络应设计成能为保证网络稳定运行提供方便的检测和管理功能。5)成本有效性——网络设计成本必须控制在财政预算的限制之内。网络标准选择•网络标准有多种，其中最常用的有：1）FDDI主干网络FDDI（FiberDistributedDataInterface——光纤分布式数据接口）从80年代开始就采用，技术比较成熟。该网络标准由美国国家标准局（ASNI）开发，用于高速局域网的介质访问控制标准，也是针对100Mbps光纤定时令牌传送局域网的ISO标准。它采用光纤传输介质、令牌访问方式、反向旋转的双环拓扑结构，并实现100Mbps的数据传输速率。可以使用的通信介质包括传输距离达100米以上的5类双绞线，用多模光纤或单模光纤作为传输介质，传输距离分别可达4公里和60公里，FDDI环最多可连接500个站点。2）ATM网络•异步传输模式（ATM）ATM是英语AsynchronousTransferMode的缩写。ATM是对网络技术的革命性变革，因为ATM对局域网环境中的网络前提作了彻底的改变，在完全的ATM方案中，工作站适配器、交换机以及可能的网络层协议等全部都需更换。ATM是一种非常灵活的技术，适用于从工作组应用到WAN互连网络应用的各种情况。这种技术将提供无缝的网络结构，它可以根据需求基本上无限制地提供带宽。ATM也将成为未来的多服务网络的基础。3）以太网（Ethernet)•以太网是IEEE制定的标准，采用CSMA/CD介质访问控制方法，以太网从低速到高速、从共享到交换一系列的标准。10Base-T100Base-T1000Base-T在10/100/1000Mbps以太网之间转接简单，可以平滑升级；在1000Mbps速率时可以进行全/半双工操作。网络上支持星型拓扑结构。10MEthernet(标准以太网）100MEthernet(快速以太网）1000MEthernet(千兆以太网）10000MEthernet(万兆以太网）最近千兆以太网又有了新进展，新标准为以太网MAC层定义一个接口GMII（GigabitMediaIndependentInterface）,还定义了管理、中继器操作、拓扑规则及四种物理层信令系统：1000Base-SX(短波长光纤)、1000Base-LX（长波长光纤）、1000Base-CX（短距离铜线）和1000Base-T（100米4对UTP）。值得指出，1000Base-CX为150Ω、平衡屏蔽的特殊电缆集合，线速1.25Gbps，使用基于光通道的8B/10B编码方式，其时间帧与光纤连接相同。光纤传输距离表：光纤规格（芯纤/护皮）62.5/125μm(多模）50/125μm(多模）9（10）/125μm（单模）纤芯模式带宽（MHz-km)160/500200/500400/400500/500NA100Base-FX（850or1310nm)0-2000mNA1000Base-SX(850nm)220m275m500m550mNA1000Base-LX(1310nm)550m550m550m550m5km1000Base-LH(1550nm)10km以上资料取自Cisco光模块传输距离，其他公司生产的光模块不一定参数完全相同。光纤的损耗和所传输的光波波长有关。在某些波长附近光纤的损耗最低。这些波段称为光纤的低损耗“窗口”或“传输窗口”。最佳传输窗口多模两个850nm和1310nm，单模也是两个1310和1550nm。万兆以太网使用的光纤介质万兆以太网能够使用多种光纤媒体。这些光纤媒体的型号具体表示方法为：10GBase-[媒体类型][编码方案][波长数]，或更加具体些，[1，3]表示为：10GBase-[E/L/S][R/W/X][/4]。在光纤媒体表示方法的媒体类型中，S为短波长(850nm)，用于多模光纤在短距离(约为35m)传送数据；L为长波长，用于在校园的建筑物之间或大厦的楼层间进行数据传输，当使用单模光纤时可支持10km的传输距离，而在使用多模光纤时，传输距离为900m；E为特长波长，用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1550nm波长的单模光纤时，传输距离可达40km。在光纤媒体的表示方法的编码方案中，X为局域网物理层中的8B/10B编码，R为局域网物理层中的64B/66B编码，W为广域网物理层中的64B/66B编码(简化的SONET/SDH封装)。最后的波长数可以为4，使用的是宽波分复用(WWDM)。在进行短距离传输时，WWDM要比密集波分复用(DWDM)适宜得多。如果不使用波分复用，则波长数就是1，并且可将其省略。以太网技术（一）以太网是目前全球使用最广泛的局域网技术。它成功的原因在于“与时俱进”，在过去20年里，其标准一直随着网络的需求不断改进。作为IP网络的一种极具吸引力的解决方案，以太网具有下列关键特性：可扩充性；灵活的部署距离，支持从短距离局域网（大约100m）到长距离城域网（40km以上）的各种网络应用；易于使用和管理；出色的性价比、灵活性和互操作性是其优势，与大多数技术解决方案一样，成本将是决定其发展速度的重要因素。以太网设备的价格则随着大规模的应用和生产而逐渐下调。以太网不仅成为局域网网络技术的主流，随着千兆和万兆技术的成熟，它正逐步延伸至城域网和广域网以太网技术（二）在10→100→1000→10000M升级以太网解决方案时，用户不需担心既有的程序或服务是否会受到影响，因此升级的风险是非常低的。这不仅可以从过去以太网一路升级到千兆以太网中得到证明，同时在未来升级到万兆，甚至四万兆（40G），十万兆（100G）都将是一个很明显的优势。目前，网络拓扑设计和操作已经随着智能化万兆以太网多层交换机的出现发生了转变。以太网带宽可以从10Mbps扩大到10Gbps，而不影响智能化网络服务，比如第三层路由和第四层至七层智能，包括服务质量(QoS)、服务级别(CoS)、高速缓存、服务器负载均衡、安全性和基于策略的网络功能。由于部署IEEE802.3ae后整个环境的以太网性质相同，因此这些服务可以按线速提供到网络上，而且局域网、城域网和广域网中的所有网络物理基础设施都支持这些服务。万兆以太网为什么基本上都采用以太网？网络设备的选择正确选择网络设备是重要的任务之一。这里所谈的网络设备的选择有两种含义：一种是从应用需要出发所进行的选择；另一种是从众多厂商的产品中选择性能／价格比高的产品。设备选型需要参考的因素􀁺可靠性􀁺转发性能􀁺业务支持能力􀁺端口支持􀁺扩展能力􀁺价格因素常见网络设备常见网络设备（续）常见网络设备（续）网络拓扑结构选择当进行网络设计时，硬件和拓扑结构的选择尤为重要。用户对硬件和拓扑结构的选择，在相当程度上决定了网络将来的性能好坏。计算机网络中各节点相互连接方式和形式称为网络的拓扑。拓扑结构定义了网络中数据链路和节点的布局。拓扑又分为物理拓扑和逻辑拓扑。物理拓扑描述了看得见摸得着的布线结构。逻辑拓扑则是描述了看不见摸不到的电气上的功能与结构。局域网在网络拓扑上主要采用了星形、总线型、环形、树形和混合形等。网络拓扑的选择要素1)相关性网络拓扑与传输媒体存取控制方式密切相关。2)费用省拓扑结构在物理上的实现即布线和安装，布线涉及到穿墙、打洞、排管、拉线等，比较理想的是在建楼的同时进行总体规划和一次性实施，并充分考虑今后扩展的要求。3)灵活性要充分考虑设备的搬动、节点的删除和加入时能容易地重新配置网络拓扑。4)可靠性局域网中一般有两类故障，一类是网络中个别节点的故障，但这对局部有影响；另一类是整个网络的故障。网络拓扑的选择要使这些故障的检测和隔离较为便利。网络拓扑层次设计建立分级三层设计模型在网络设计中，没有一种设计方法可以适合所有的网络。网络设计技术非常复杂而且更新很快。Cisco提出了网络设计方法学，使用分级三层模型建立整个网络的拓扑结构。这种设计模型有时也称为结构化设计模型（Hierarchicalnetworkdesignmodel）。在分级三层模型里，网络可以划分为核心层(Core)分布层(Distribution)接入层(Access)对应于网络拓扑，每一级都