网络系统结构与系统设计的基本原则

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一、计算机网络的基本结构

典型的计算机网络从逻辑功能上分为 资源子网 和 通信子网 两部分。

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。资源子网由主计算机系统、各种终端与联网设备、各种软件与信息资源等组成。

通信子网负责进行网络数据传输、转发等通信处理任务,由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成。通信控制处理机是通信子网中的主要设备，也被称为网络节点。

二、计算机网络分类及其互联方式

1.局域网

局域网(Local Area Network, LAN)是一种覆盖一座或几座大楼、一个校园或者一个单位等较小地理区域的计算机网络,一般是方圆几千米以内。

常用于构建个人计算机局域网、大型计算设备群的后端网络与存储区域网络、高速办公室网络、企业与学的主干局域网。
局域网的技术特点主要表现在以下几个方面：

• 局域网覆盖的地理范围有限,一般属于一个单位所有,易于建立、维护与扩展。
• 局域网具有较高的数据传输速率(10Mbit/s-100Gbit/s)与较低的误码率,提供又快又准的数据传输环境。从介质访问控制方法来看，局域网可以分为共享介质式局域网与交换式局域网；而从使用的传输介质类型的角度来看,局域网又可以分为使用有线介质的有线局域网与使用无线通信信道的无线局域网。

2.城域网

城域网(Metropolitan Area Network,MAN)是介于广域网与局域网之间的一种高速网络,覆盖一个城市的地理范围,用来将同一区域内的多个局域网互联起来,属于中等范围的计算机网络。

城域网的设计目标是满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输。

3.广域网

广域网(Wide Area Network,WAN)是最早出现的计算机网络。广域网在结构上分成两个部分:负责数据处理的主计算机与终端;

广域网是一种用来实现不同地区的局域网或城域网的互联,提供不同地区、城市和国家之间的计算机通信的远程计算机网,所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。

4.计算机网络的互联方式

互联的广域网、城域网与局域网是构成现代网络系统的基本单元。

小提示:路由器是进行各种网络互联的设备,即局域网与城域网、城域网与广域网、广域网与广域网的互联都通过路由器来实现的。

三、局域网技术

局域网主要有以太网(Ethernet)、令牌环(Token Ring)网络与令牌总线(Token Bus)网络 3个主要产品。

网络操作系统Windows NT Server、 NetWare、IBM LAN Server及Linux、UNIX的应用,使得以太网技术更加成熟。

1990年IEEE 802.3协议在物理层提出了10Base T的标准,此标准中明确提出10Mbit/s以太网的传输介质可利用双绞线。同年，标志着交换式以太网出现的以太网交换机产品也相继问世。

以太网技术的发展有如下3个方向:
1、数据传输速率的提高
目前以太网的传输速率已经由10Mbit/s提高到100Mbit/s、 1Gbit/s,甚至是10Gbit/s、 100Gbit/s。但是以太网帧的结构基本保持不变。10Mbit/s的以太网简称为传统以太网, 100Mbit/s的以太网简称为快速以太网(FastEthernet),即FE,吉比特以太网简称为GE, 10Gbit/s的以太网简称为10GE。

2.局域网互联技术的发展
可以通过减少单个网络内部的节点数来提高网络的性能。CSMA/CD是子网内部所采用的介质访问控制方法。

3.交换式局域网技术的发展
将共享介质方式改为交换方式,是以太网发展的另一个方向。局域网交换机是交换局域网的核心设备,它可以在多个端口之间同时建立多个并发连接。所以局域网又可以分为:共享式局域网(Shared LAN)和交换式局域网(Switched LAN)。我们常用的虚拟局域网(Virtual LAN, VLAN)也是在交换式局域网的基础上发展而来的。

四、城域网技术

1.城域网的概念

IEEE 802委员会最初对城域网的定义是这样的:城域网是以光纤为传输介质,能够提供45Mbit/s到150Mbit/s高传输速率,支持数据、语音、图形与视频综合业务数据传输,覆盖范围在50km到100km的城市范围内,实现高速宽带传输的数据通信网络。

早期城域网的首选技术是光纤环网,其典型产品是光纤分布式数据接口(Fiber Distributed Data Interface, FDDI） 。FDDI可以实现高速、高可靠性和大范围内局域网的连接。IEEE 802委员会对城域网的定义正是在总结FDDI技术特点的基础上提出的,并相对于广域网与局域网而产生。

FDDI以光纤为传输介质,传输速率为100Mbit/s,可以用于100km范围内的局域网互联。它支持双环结构,具备快速环自愈能力,在基本技术上与局域网的IEEE 802.5令牌环网络有很多相同之处。FDDI的MAC子层使用了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。

着眼于当前城域网技术的应用，城域网即指：网络运营商在城市内部于各种信提供的基于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。

正在运营的城域网能够提供较高的传输速率,也可以保证服务质量(Quality of Service,QoS),所以传统意义上的城域网已经很自然地扩展成了宽带城域网。

2.宽带城域网建设产生的影响

（1）应用是推动城域网技术发展的真正动力，城市范围内大量局域网互联的需求是城域网技术快速发展的原动力。
(2)宽带城域网的建设与应用对全世界的电信业传输网络与服务业务有重大影响。

• 广域网、城域网与局域网的技术上的区别越来越小。
• Internet的应用与电信服务业务的区别逐渐模糊。
• 广播电视网、电信传输网与计算机网络之间的界限逐渐模糊。
• 电信传输网技术与计算机网络技术的界限已不明显。

3.推动城域网快速发展的应用领域与业务

具体应用领域与业务有:高速上网服务与网络互联服务;电子政务、电子商务服务与智能社区服务;远程教育与远程医疗服务;带宽与管道出租服务等。

五、广域网技术

广域网是一种公共数据网络(Public Data Network,PDN),宽带核心交换技术是广域网技术研究的重点。广域网则主要用来研究远距离、宽带、高服务质量的核心交换技术。

目前,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, GE (Gigabit Ethernet,吉比特以太网)与10Gbit/s的光以太网(OpticalEthernet)。

为了在电信网络的基础上,实现传统的语音传输业务和数据传输业务的结合,出现了ISDN、 X.25以及WDM的研究与应用。

X.25网: 1974年问世,伴随光纤的应用,一种简化的X. 25协议的网络(即帧中继网)得到快速发展
DDN: DDN是一种基于点对点连接的窄带公共数据网,与X.25网在早期的广域网建设中发挥了一定作用
ATM网络: 由从事电话交换与电信网工作的技术人员提出,试图将语音与数据传输放在同一网络中进行,且要求覆盖从局域网到广域网的整个领域。

当前,物理层接口标准、数据链路层协议与网络层IP协议已成为研究人员的重点研究问题。 由于局域网的以太网技术已经相当成熟,研究人员把重心放在了高速局域网的设计思路上,即在速率为1Gbit/s的GE与10Gbit/s的10GE物理层设计中,利用光纤作为远距离传输介质,发展光以太网技术,这样将以太网技术从局域网扩大到城域网和广域网。

六、宽带城域网的结构

1.宽带城域网的逻辑结构

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个平台与城市宽带一个出口。

宽带城域网的网络平台从逻辑上分为：核心交换层（核心层）、边缘汇聚层（汇聚层）与用户接入层（接入层）。

2.宽带城域网网络平台各层的主要功能

宽带城域网网络平台的核心层主要承担高速数据交换的功能,汇聚层主要承担路由与流量汇聚的功能，接入层主要承担用户接入与本地流量控制的功能。

（1） 宽带城域网网络平台的核心交换层的结构设计,重点考虑的是它的可靠性、可扩展性与开放性,具体功能有如下几点。

• 实现与主干网络的互联,提供城市宽带IP数据出口。
• 提供宽带城域网用户访问Internet所需要的路由服务。
• 将多个汇聚层连接起来,为汇聚层的网络提供高速分组转发,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) 宽带城域网网络平台的汇聚层处于宽带城域网核心交换层的边缘,具体功能如下。

• 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。
• 汇接接入层的用户流量,进行数据分组传输的汇聚、转发与交换。
• 根据接入层的用户流量,进行本地路由、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) 宽带城域网网络平台的接入层的具体功能如下。

• 接入层解决的是“最后一公里”问题。通过各种接入技术,连接最终用户,为它覆盖范围内的用户提供访问Internet以及其他信息服务。
  宽带城域网的核心层、汇聚层与接入层三个层次是一个全集。网络运营商完全可以根据自己的网络规模、用户数量、业务分布和发展阶段等因素决定宽带城域网的结构与层次。

七、宽带城域网组建原则

要组建与成功运营一个宽带城域网需要遵循的基本原则是 :必须能够保证网络的可管理性、可运营性、可盈利性和可扩展性。

1.宽带城域网的可管理性
宽带城域网必须具备可管理性。实际运营的宽带城域网相较于向公众提供宽带业务的局域网而言,必须具备强大的网络管理能力。这种能力表现在电信级的业务管理、接入管理、网络安全、IP地址分配、QoS保证、计费能力等方面。

(1)宽带城域网的电信级接入管理包括对用户的开户、销户和用户权限的保护。
(2)宽带城域网必须能够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。
(3)宽带城域网必须提供根据使用时间、流量、业务等多种方式计算的计费手段,支持对固定用户和流动用户的计费。

2.宽带城域网的可运营性
宽带城域网必须具备可运营性。宽带城域网是一个出售全新电信服务的系统,必须保证系统在确保服务质量的前提下能够提供7天×24小时的服务。

3.宽带城域网的可盈利性
宽带城域网一定是要能够盈利的,每一个运营商都很关心这点。

(1)首先要确定如何能够开展Internet接入业务、话音业务、数据专线业务、视频与多媒体业务、内容提供业务等。
(2)定位客户群,要区分高价值用户和普通用户。
(3)培育和构建合理的宽带价值链。

4.宽带城域网的可扩展性
设计宽带城域网时还必须充分考虑到网络的可扩展性,具体需要考虑如下几个方面：

• 宽带城域网组网的灵活性,对新业务与网络规模、用户规模扩展的适应性。
• 由于宽带网络技术的发展具有很大的不确定性,而且其服务产品的更新与新的应用领域的出现都难以预测,所以在方案设计与组网设备的选择上必须慎重,应最大限度地降低运营商的投资风险。
• 对宽带城域网的组建不能奢望一步到位,其间必然会受到技术发展与投资规模的限制。组建可扩展的宽带城域网必须制定统一的规划,分阶段、分步骤地实施,减少一次性投资的风险。根据业务的开展,逐步调整建设步骤和规模。

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