NCRE 三级 网络技术 笔记
网络系统结构与设计的基本原则
以太网速率分类
- 传统以太网：传输速率为 10Mbit/s 的以太网；
- 快速以太网(Fast Ethernet), 即FE：传输速率为 100Mbit/s 的以太网；
- 吉比特以太网简称为 GE ：传输速率为 10Gbit/s 的以太网简称为 10GE。
CSMA/CD 与 CSMA/CA
- CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, 带有冲突检测的载波侦听多路存取) 。是子网内部所采用的介质访问控制方法。
- CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, 带有冲突检测的载波监听的多路访问)。利用ACK信号来避免冲突的发生。
构成广域网的典型网络类型和技术
有综合业务数字网 (ISDN), 公共电话交换网 (PSTN), 数字数据网 (DDN), X.25分组交换网, 帧中继 (Frame Replay, FR) 网, 异步传输模式 (Asynchronous Transfer Mode, ATM) 网, 吉比特以太网 (Gigabit Ethernet, GE) 与 10Gbit/s 的光以太网 (Optical Ethernet)。
光纤分布式数据接口 (FDDI)
- FDDI 可以实现高速、高可靠性和大范围内局域网的连接。
- FDDI 以光纤为传输介质, 传输速率为 100 Mbit/s, 可以用于 100 km 范围内的局域网互联。
- 支持双环结构, 具备快速环自愈能力,
城域网概念及宽带城域网
城域网的基本概念
城域网是指网络运营商在城市内部提供的基于各种信息服务业务的所有网络, 它以 TCP/IP 协议为基础, 以宽带光传输网络为开放平台, 借助各种网络互联设备, 实现语音、数据、图像、多媒体视频、IP 电话、IP 接入和各种增值服务业务与智能业务, 并与广域网、广播电视网、电话交换网互联互通, 形成城市本地内部的综合业务网。
宽带城域网的结构 完整的宽带城域网主要包括网络平台、业务平台、管理平台 3个平台与1个城市宽带出口。
“数字会聚” “三网融合” 与接入技术
“数字会聚”“三网融合”
- 数字会聚：通信、计算机、广播电视等产业的会聚, 出现经营业务相互融合现象, 进而促进这些产业的重组, 同时开辟大量新的信息服务市场。
- 三网融合：计算机网络、电信通信网与广播电视网
宽带接入技术特征
- 宽带接入技术主要有：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、局域网接入技术以及无线接入技术。
- 无线接入分为：无线局域网接入、无线城域网接入与无线 Ad hoc接入。
- xDSL 技术根据上行 (用户到交换局) 和下行 (交换局到用户) 的速率是否相同分为：速率对称型和速率非对称型两种。
xDSL 技术
- 非对称数字用户线 (Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL)。 上行速率在 64～640kbit/s, 下行速率在 500kbit/s～7Mbit/s。
- 高比特率数字用户线 (High bit rate DSL, HDSL)。
- 速率自适应数字用户线 (Rate adaptive DSL, RADSL)。
- 甚高比特率数字用户线 (Very high bit rate DSL, VDSL)。
xDSL 技术的上行与下行速率等参数特征 |xDSL|上/下行速率 (距离 5.5 km)|上/下行速率 (距离 3.6 km)|是否对称|线对数| |:--:|:--:|:--:|:--:|:--:| |ADSL|64 kbit/s / 1.5 Mbit/s|640 kbit/s / 6 Mbit/s|否|1| |HDSL|1.544 Mbit/s|1.544 Mbit/s|是|2| |ADSL|2.3 Mbit/s / 51 Mbit/s|2.3 Mbit/s / 51 Mbit/s|否|2| |RADSL|64 kbit/s / 1.5 Mbit/s|640 kbit/s / 6 Mbit/s|否|1|
光纤同轴电缆混合网 (HFC)
- HFC 是一个双向传输系统。
- HFC 为有线电视用户提供了一种 Internet 接入方式。
- HFC 光纤节点通过同轴电缆下引线为用户提供服务。
- HFC 接入方式采用共享式的传输方式，所有电缆调制解调器信号的发送、接收使用同一个上行和下行信道。
- HFC 通过 Cable Modem 连接了用户计算机与有线电视同轴电缆。
- Cable Modem 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
- 从传输方式上, Cable Modem 可以分为双向对称式传输和非对称式传输两类。
- 对称式传输速率：2～4 Mbit/s，最高能达到 10 Mbit/s。
- 非对称式传输：下行速率为 30 Mbit/s，上行速率为 500 kbit/s～2.56 Mbit/s。
光纤接入概念
- 光纤到路边 (Fiber to the Curb，FTTC)
- 光纤至小区 (Fiber to the Zone，FTTZ)
- 光纤到大楼 (Fiber to the Building，FTTB)
- 光纤到办公室 (Fiber to the Office，FTTO)
- 光纤到户 (Fiber to the Home，FTTH)。
无源光纤网(PON)
无源光纤网按 ITU 标准可分为两个部分：
- OC-3，155.520Mbit/s 的对称业务。
- 上行 OC-3，155.520Mbit/s; 下行 OC-12，622.080Mbit/s 的不对称业务。
OC-n: Optical Carrier level \(n\)（光载体等级）。“OC”是 Optical Carrier 的缩写，这是光纤传输的一种单位，它通常表示为 OC-n, 其中 \(n\) 是多路传输技术中基本速率 51.84Mbit/s 的倍数。
APON
APON 在 PON 的网络上，实现基于信元的 ATM 传输，它允许接入网中的多个用户共享整个带宽。PON 为多个用户提供廉价的共享传输媒介，ATM技术则为从低速到高速的各种多媒体业务提供可靠的接口。
APON 优点：系统稳定、可靠；可以适应不同带宽、传输质量的需求；每个用户可占用独立的带宽，不会发生拥塞；接入距离可以达到 20～30km。
中小型网络系统总体规划与设计
网络系统层次比
- 不同层次之间的上联与下联带宽之比为1∶20。
- 同层次之间的上联与下联带宽之比一般为1∶1。
路由器关键技术指标
吞吐量
路由器的吞吐量是指它的包转发能力, 涉及两个方面的内容：端口吞吐量与整机吞吐量。端口吞吐量是指路由器的某一个端口的包转发能力, 而整机吞吐量是指路由器整机的包转发能力。路由器的吞吐量与路由器的端口数量和速率、包类型、包长度关系密切。
背板能力
背板是路由器输入端与输出端之间的物理通道, 它决定了路由器的吞吐量。高性能路由器一般采用交换式结构, 而传统的路由器采用的是共享背板的结构。
延时与延时抖动
从数据包的第一个字节进入路由器, 到该帧的最后一个字节离开路由器所经历的时间就是延时。延时与包长度、链路传输速率有关, 它标志着路由器转发包的处理时间。 延时的变化量就是延时抖动。语音、视频业务对延时抖动要求较高。
丢包率
丢包率是指在持续的、稳定的负荷情况下, 由于包转发能力的限制而造成的包丢失的概率。它常被用作路由器超负荷工作时的性能衡量指标。
突发处理能力
常以最小帧间隔发送数据包而不引起丢失的最大发送速率来衡量突发处理能力。
服务质量
路由器的服务质量主要表现在队列管理机制、端口硬件队列管理和支持 QoS 协议上。
路由表容量
路由表是路由器用来决定包转发路径的主要依据。路由表容量是指路由器可以存储的最多的路由表项的数量。
可靠性与可用性。
典型的高端路由器的可靠性与可用性指标：
- 无故障连续工作时间 (MTBF) 大于 10 万小时, 且系统故障恢复时间小于30min。
- 系统具有自动保护切换功能, 主备用切换时间小于 50 ms。
- SDH 与 ATM 接口自动保护切换功能, 切换时间小于 50 ms。
- 路由器系统内部不存在单故障点。
- 主处理器、主存储器、交换矩阵、电源、总线管理器与网络管理接口等主要部件需要有热拔插冗余备份, 线卡要求有备份, 并提供远程测试诊断能力。
网管能力。
路由器的网络管理能力表现在网络管理员可以通过网络管理程序和通用的网络管理协议 SNMPv2等, 对网络资源进行集中管理与操作。
交换机的主要技术指标
交换机的主要技术指标包括：背板带宽、全双工端口总带宽、交换方式、帧转发速率、延时、模块式或固定端口配置、支持 VLAN 能力等。
背板带宽
指交换机输入端与输出端之间的物理通道。背板带宽越宽, 交换机的数据处理能力就越快, 数据包转发延迟就越小, 性能也就越优越。
全双工端口带宽
全双工端口带宽的计算方法如下：
全双工端口带宽 = 端口数\(\times\)端口速率\(\times 2\)
如果一种交换机具有 24个 10／100BASE-TX 端口与 1 个可扩展的 1000BASE-X 端口, 那么在交换机满配置的情况下, 其全双工端口的总带宽为 (24×100×2)+(1×1000×2)=6.8(Gbit/s)。交换机背板带宽的选择应该大于这个值, 例如, 选取背板带宽为 8Gbit/s。
背板带宽／全双工端口的总带宽的比值越高, 交换机就越趋近于高性能线速无阻塞交换机, 性能越好, 造价越高。
帧转发速率。
帧转发速率是指交换机每秒能够转发的帧的最大数量。延时是指从帧的第一个字节进入交换机, 到该帧最后一个字节离开交换机输出端口的时间。
支持VLAN能力。
除了部分支持 Cisco 专用的组管理协议 (CGMP) 的交换机外, 大部分交换机都支持 802.1Q 协议。VLAN 的划分可以基于端口、MAC地址或IP 地址。
模块式交换机 (机箱式交换机) 的扩张能力。
可扩展性是模块式交换机的主要特点。
网络服务器分类
按照网络服务器主机的硬件角度来看：
基于复杂指令集 CISC 处理器的 Intel 结构的 PC 服务器
- 优点：配置简单且通用性好, 第三方支持软件丰富, 系统维护方便, 性价比高。
- 缺点：CPU 处理能力与系统 I/O 能力较差, 不适宜作为高并发应用和大型数据库服务器。
基于精简指令集 RISC 结构处理器的服务器；
与相应的 PC 服务器相比, CPU 处理能力提高了 50%~75%。各种大型、中型计算机和超级服务器都采用RISC结构处理器, 操作系统采用 UNIX, 所以通常将此类服务器称作 UNIX 服务器。
小型机服务器。
小型机服务器一般用于大型企业级服务器或数据密集型的应用。
服务器技术描述
热拔插技术。
热拔插技术可以实现用户在不断电的情况下进行故障硬盘、板卡等部件的更换 (备用电源也可更换) , 所以使得系统应对突发事件能力大大提高。
集群(Cluster)技术。
集群技术大大提高了系统的数据处理能力。如果其中某台主机出现故障, 该主机所运行的程序将立即转移到其他主机运行。不影响系统正常服务。
高性能存储与智能 I/O 技术。
磁盘容量和存取 I/O 速度是评价高性能存储技术的主要指标。
解决硬盘的存取速度问题：存储系统总线必须采用小型机系统接口(SCSI)标准, 同时采用独立磁盘冗余阵列(RAID)技术, 将若干个硬盘驱动器组成一个整体, 由阵列管理器管理；在提高磁盘容量的基础上, 通过改善并行读写能力, 提高磁盘的存取速度和吞吐量；通过磁盘容错处理来解决系统的可靠性。
对称多处理(SMP)技术。
对称多处理(SMP)技术可以实现多 CPU 结构的服务器中的均衡负荷, 从而提高系统效率。
应急管理端口(EMP)技术。
非一致内存访问(NUMA)技术。
非一致内存访问(NUMA)技术是在多达 64 个或更多CPU 的服务器之中, 将集群技术与对称多处理技术结合起来应用, 以求获得较高的性价比。
服务处理器与 Intel 服务器控制(ISC)技术。
高性能服务器一般利用专用的服务处理器, 对服务器系统的运行状况进行监控。
停机时间 & 系统可用性
系统高可用性
\[\dfrac{MTBF}{MTBF+MTBR}\] 其中, MTBF 为平均无故障时间；MTBR 为平均修复时间。 \[MTBF+MTBR=365\times24\times60\]
如果系统高可用性达到 \(99.9\%\), 那么每年的停机时间 \(\leq8.8 h\)；系统高可用性达到 \(99.99\%\), 每年的停机时间 \(\leq53 min\)；系统高可用性达到 \(99.999\%\), 每年的停机时间 \(\leq5min\)。
B/S (浏览器／服务器) 模式应用服务器特点
- 应用服务器将网络应用建立在 Web 服务的基础上, 在客户与服务器之间采用浏览器／服务器模式进行软件系统的设计。
- 无须用户进行专门配置, 使用方便, 性价比高。应用服务器产品提供商安装专用的应用软件、选择适合的硬件平台来满足具体应用需求。
- 采用三层体系结构。应用服务器使用中间件与通用数据库接口技术, 客户计算机利用 Web 浏览器访问应用服务器, 而应用服务器的后端连接的是数据库服务器。
服务器集群接入核心层的两种方案
目前应用于核心层网络的技术标准主要是 GE/10GE, 核心设备是高性能交换路由器, 连接核心路由器的是具有冗余链路的光纤。
核心层网络中存在着为整个网络服务的服务器集群的连接, 从提高服务器集群可用性的角度, 连接方案有两种：
- 采取链路冗余的办法直接连接两台核心路由器, 其特点是直接利用了核心路由器的带宽, 但是占用的核心路由器端口较多, 而高端路由器的端口价格很高, 所以设备成本会上升；
- 采取专用服务器交换机, 在两台核心路由器之上再增加一台连接服务器集群的交换机, 同时采用链路冗余的办法, 间接地连接到两台核心路由器, 其优点是可以分担核心路由器的带宽, 缺点是会形成带宽瓶 颈, 存在单点故障的潜在危险。
网络需求分析内容
网络需求详细分析主要包括：网络总体需求分析、结构化布线需求分析、网络可用性与可靠性分析、网络安全性需求分析, 以及分析网络工程造价估算几个方面。
IP 地址规划技术
IP 地址
IPv4 的地址长度为 32 bit, 每 8 位为一组，用点分十进制表示。
每 8 位为一组，每组最大取值为 \(28-1=255\)，每组取值范围为 \([0,\,255]\)。
地址类型 主机地址范围 可分配网络数 每个网络内可分配的最大主机数 A 类 1.0.0.0 ~ 127.255.255.255 \(2^7=128\) \(2^{24}-2\)