第4章 · 原文阅读

计算机网络

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第4章 计算机网络

从古代的驿站、八百里快马，到近代的电报、电话，人类对于通信的追求从未间断，信息的处理与通信技术的革新一直伴随社会的发展。而作为 20 世纪人类最伟大、最卓越的发明——个人计算机的出现与发展，使得人们获得了以前无法想象的信息处理能力，为了将这些强大的信息处理设备连接起来，避免出现信息孤岛现象，就催生了“计算机网络”，这一新时代的通信技术。计算机网络使得其功能得到了大大的加强，范围得到了很大的扩展。

从严谨的定义角度说，计算机网络是指由通信线路互相连接的许多独立自主工作的计算机构成的资源共享集合体，它是计算机技术和通信技术相结合的产物。它的出现推动了信息化的发展，从局域网到互联网，都对信息应用产生了深远的影响。因此这就要求系统架构设计师在设计应用系统时必须了解网络的基础知识与特性，掌握一些相关的基础应用知识。

4.1 网络架构与协议

网络架构是指计算机网络的各层及其协议的集合。计算机之间要交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则，用于规定信息的格式及如何发送和接收信息的一套规则就称为网络协议。为了减少网络协议设计的复杂性，网络设计者并不是设计一个单一、巨大的协议来为所有形式的通信规定完整的细节，而是将庞大而复杂的通信问题转化为若干个小问题，然后为每个小问题设计一个单独的协议。

计算机网络采用分层设计方法，按照信息的传输过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。

4.1.1 网络互联模型

1977 年，国际标准化组织为适应网络标准化发展的需求，制定了开放系统互联参考模型（Open System Interconnection/Reference Model，OSI/RM），从而形成了网络架构的国际标准。OSI/RM 构造了由下到上的七层模型，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

1. OSI/RM 各层的功能

在数据传输过程中，每一层都承担不同的功能和任务，以实现对数据传输过程中的各个阶段的控制。

和“1”，以及接收端如何识别。物理层在传输介质基础上作为系统和通信介质的接口，为数据链路层提供服务。

2. TCP/IP 结构模型

虽然 OSI/RM 已成为计算机网络架构的标准模型，但因为 OSI/RM 的结构过于复杂，实际系统中采用 OSI/RM 的并不多。目前，使用最广泛的可互操作的网络架构是 TCP/IP（Transmission Control Protocol/ Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）结构模型。与OSI/RM 结构不同，不存在一个正式的 TCP/IP 结构模型，但可根据已开发的协议标准和通信任务将其大致分成四个比较独立的层次，分别是网络接口层、网络互联层、传输层和应用层。

4.1.2 常见的网络协议

计算机网络的各层中存在着许多协议，它们是定义通过网络进行通信的规则。接收方与发送方同层的协议必须一致，否则，一方将无法识别另一方发出的信息。

1. 应用层协议

在应用层中，定义了很多面向应用的协议，应用程序通过本层协议利用网络完成数据交互的任务。这些协议主要有 FTP、TFTP、HTTP、SMTP、DHCP、Telnet、DNS 和 SNMP 等。

FTP（File TransportProtocol，文件传输协议）是网络上两台计算机传送文件的协议，运行在 TCP 之上，是通过 Internet 将文件从一台计算机传输到另一台计算机的一种途径。

FTP 的传输模式包括 Bin（二进制）和 ASCII（文本文件）两种，除了文本文件之外，都应该使用二进制模式传输。FTP 在客户机和服务器之间需建立两条 TCP 连接，一条用于传送控制信息（使用 21 号端口），另一条用于传送文件内容（使用 20 号端口）。

TFTP（Trivial FileTransfer Protocol，简单文件传输协议）是用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不复杂、开销不大的文件传输服务。TFTP 建立在 UDP（UserDatagram Protocol，用户数据报协议）之上，提供不可靠的数据流传输服务，不提供存取授权与认证机制，使用超时重传方式来保证数据的到达。

HTTP（Hypertext TransferProtocol，超文本传输协议）是用于从 WWW 服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。HTTP 建立在 TCP之上，它不仅保证计算机正确快速地传输超文本文档，还确定传输文档中的哪一部分，以及哪部分内容首先显示等。

SMTP（Simple Mail TransferProtocol，简单邮件传输协议）建立在 TCP 之上，是一种提供可靠且有效的电子邮件传输的协议。SMTP 是建模在 FTP 文件传输服务上的一种邮件服务，主要用于传输系统之间的邮件信息，并提供与电子邮件有关的通知。

DHCP（Dynamic HostConfiguration Protocol，动态主机配置协议）建立在 UDP 之上，是基于客户机/服务器模型设计的。所有的 IP 网络设定数据都由 DHCP 服务器集中管理，并负责处理客户端的 DHCP 要求；而客户端则会使用从服务器分配下来的 IP 环境数据。

DHCP 通过租约（默认为 8 天）的概念，有效且动态地分配客户端的 TCP/IP 设定。当租约过半时，客户机需要向 DHCP 服务器申请续租；当租约超过 87.5%时，如果仍然没有和当初提供 IP 的 DHCP 服务器联系上，则开始联系其他的 DHCP 服务器。DHCP 分配的 IP 地址可以分为三种方式，分别是固定分配、动态分配和自动分配。

Telnet（远程登录协议）是登录和仿真程序，建立在 TCP 之上，它的基本功能是允许用户登录进入远程计算机系统。以前，Telnet 是一个将所有用户输入送到远程计算机进行处理的简单的终端程序。目前，它的一些较新的版本是在本地执行更多的处理，可以提供更好的响应，并且减少了通过链路发送到远程计算机的信息数量。

DNS（Domain NameSystem，域名系统）在 Internet 上域名与 IP 地址之间是一一对应的，域名虽然便于人们记忆，但机器之间只能互相识别 IP 地址，它们之间的转换工作称为域名解析，域名解析需要由专门的域名解析服务器来完成，DNS 就是进行域名解析的服务器。DNS 通过对用户友好的名称查找计算机和服务。当用户在应用程序中输入 DNS 名称时，DNS 服务可以将此名称解析为与之相关的其他信息，例如，IP 地址。

SNMP（Simple NetworkManagement Protocol，简单网络管理协议）是为了解决 Internet上的路由器管理问题而提出的，它可以在 IP、IPX、AppleTalk 和其他传输协议上使用。SNMP是指一系列网络管理规范的集合，包括协议本身、数据结构的定义和一些相关概念。目前，SNMP 已成为网络管理领域中事实上的工业标准，并被广泛支持和应用，大多数网络管理系统和平台都是基于 SNMP 的。

2. 传输层协议

传输层主要有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议），这些协议负责提供流量控制、错误校验和排序服务。

TCP 是整个 TCP/IP 协议族中最重要的协议之一，它在 IP 协议提供的不可靠数据服务的基础上，采用了重发技术，为应用程序提供了一个可靠的、面向连接的、全双工的数据传输服务。TCP 协议一般用于传输数据量比较少，且对可靠性要求高的场合。

UDP 是一种不可靠的、无连接的协议，可以保证应用程序进程间的通信，与 TCP 相比，UDP 是一种无连接的协议，它的错误检测功能要弱得多。可以这样说，TCP 有助于提供可靠性，而 UDP 则有助于提高传输速率。UDP 协议一般用于传输数据量大，对可靠性要求不是很高，但要求速度快的场合。

3. 网络层协议

网络层中的协议主要有 IP、ICMP（Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议）、IGMP（Internet Group Management Protocol，网际组管理协议）、ARP（Address ResolutionProtocol，地址解析协议）和 RARP（Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议）

等，这些协议处理信息的路由和主机地址解析。

IP 所提供的服务通常被认为是无连接的和不可靠的，它将差错检测和流量控制之类的服务授权给了其他的各层协议，这正是 TCP/IP 能够高效率工作的一个重要保证。网络层的功能主要由 IP 来提供，除了提供端到端的分组分发功能外，IP 还提供很多扩充功能。例如，为了克服数据链路层对帧大小的限制，网络层提供了数据分块和重组功能，这使得很大的 IP数据包能以较小的分组在网络上传输。

ARP 用于动态地完成 IP 地址向物理地址的转换。物理地址通常是指计算机的网卡地址，也称为 MAC（Media Access Control，媒体访问控制）地址，每块网卡都有唯一的地址；RARP用于动态完成物理地址向 IP 地址的转换。

ICMP 是一个专门用于发送差错报文的协议，由于 IP 协议是一种尽力传送的通信协议，即传送的数据可能丢失、重复、延迟或乱序传递，所以需要一种尽量避免差错并能在发生差错时报告的机制，这就是 ICMP 的功能。

IGMP 允许 Internet 中的计算机参加多播，是计算机用作向相邻多目路由器报告多目组成员的协议。多目路由器是支持组播的路由器，它向本地网络发送 IGMP 查询，计算机通过发送 IGMP 报告来应答查询。多目路由器负责将组播包转发到网络中所有组播成员。

4.1.3 IPv6

互联网络能发展到当前的规模，IPv4 协议的建立功不可没。但同时它的缺点也已经充分显现出来，如地址空间耗尽、路由表急剧膨胀、缺乏对 QoS 的支持、本身并不提供任何安全机制、移动性差等问题。尽管采用了许多新的机制来缓解这些问题，如 DHCP 技术、 NAT技术、CIDR 技术等，但都不可避免地要引入其他新的问题，问题没有得到根本解决。于是IETF 从 90 年代起就开始积极探讨下一代 IP 网络，经过几年努力，在广泛听取业界和专家意见的基础上，终于在 1995 年 12 月推出了下一代网络的 RFC 文档——IPv6 协议，该协议最早叫做下一代 IP(IP Next Generation，IPng)。现在它的全称是“互联网协议第 6 版”，即下一代的网际协议。

1.IPv6 地址表示

一个 32 位的 IPv4 地址以 8 个位为一段分成 4 段，每段之间用点“.”分开。而 IPv6地址的 128 位是以 16 位为一段，共分为 8 段，每段的 16 位转换为一个 4 位的 16 进制数字，每段之间用冒号“：”分开。

如 RFC 2373 所定义，有 3 种格式表示 IPv6 地址。首选格式是最长的表示方法，由所有的 32 个 16 进制字符组成。如，下面这个 128 位的 IPv6 地址用 2 进制表示为：

00100000000000010000110110101000110100000000000100000000000000010000000000000000000000000000000000000000000000001100111011001101

先把这 128 位按照 16 位一段分开：

0010000000000001 0000110110101000 110100000000000100000000000000010000000000000000 0000000000000000 00000000000000001100111011001101

把每 16 位一段转换为 4 个字符表示的 16 进制，然后以冒号隔开，可以得到如下表示形式：

2001：0da8：d001：0001：0000：0000：0000：0001

上面这个地址就是首选格式，是一个适合于计算机“思维”的表示法。

2. IP v6 压缩地址表示

在 IPv6 中，常见到使用包含一长串 0 的地址，为了方便书写，对于每一段中的前导0可以进行省略。如前面的首选格式地址经过一次压缩，可以得到：

2001：da8：d001：1：0：0：0：1

对于连续 2 段以上都为 0 的字段，可以使用“：：”（两个冒号）来表示，这样再次压缩，变成：

2001：da8：d001：1：：1

这就是 IPv6 地址的压缩表示法。（注意：每个 IPv6 地址只允许有一个“：：”）。

3.内嵌 IPv4 地址的 IPv6 地址

还有一种表示法就是在 IPv6 地址中使用内嵌的 IPv4 地址。这种表示法的地址的第一部分使用十六进制表示，而 IPv4 部分采用十进制。这是过渡机制所用的 IPv6 地址特有的表示法。如：fe80：：200：5efe：58.20.27.60，这个 IPv6 地址的后半部分就是一个 IPv4 地址。

4.IPv6 地址类型

IPv4 有单播、广播和组播地址类型，在 IPv6 里面，广播已经不再使用了，这对网络管理员来说，应该是个好消息，因为在传统的 IP 网络中，出现的很多问题都是由于广播引起的。IPv6 仍有 3 种地址类型，分别是单播、多播（也称作组播）、泛播（也称作任意播）。

5.IPv6 的优势

与 IPv4 相比，IPv6 具有以下几点优势：

6.IPv4 到 IPv6 的过渡技术

IPv4／IPv6 过渡技术有：

4.2 局域网与广域网

局域网（Local Area Network，LAN）是将分散在有限地理范围内的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络，通过功能完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和资源共享；广域网（Wide Area Network，WAN）是在传输距离较长的前提下所发展的相关技术的集合，用于将大区域范围内的各种计算机设备和通信设备互联在一起，组成一个资源共享的通信网络。

4.2.1 局域网基础知识

当今的计算机网络技术中，局域网已经占据了相当显著的地位。局域网通常具备以下特点：

1. 星形结构

如图 4-1 所示，星形结构方式的网络在直观上就很容易理解，就像是一张蜘蛛网，中间是一个枢纽（网络交换设备），所有的节点都连接到这个枢纽上，最终组成一个星形的拓扑结构的网络。目前一般办公室的局域网便是该结构。

2. 总线结构

如图 4-2 所示，采用总线结构方式的网络，是由一条共享的通信线路将所有节点连接在一起，这条共享的通信线路可以是一根同轴电缆或其他介质。

3. 环形结构

如图 4-3 所示，环形结构方式的网络，与总线结构类似，也是由一条共享的通信线路将所有节点连接在一起。不同的是，环形结构中的共享线路是闭合的，即它将所有的节点排列成一个环，每个节点只与其两个邻居直接相连。若一个节点想要给另一个节点发送信息，消息报文必须经过它们之间的所有节点。

4. 网状结构

如图 4-4 所示，网状结构方式的网络就是任何节点彼此之间都会由一根物理通信线路相连，任何节点出现故障都不会影响到其他节点。采用这种拓扑结构方式的网络的布线比较麻烦，而且网络建设的成本也很高，控制方法也很复杂。在实际应用中，一般很少见到这种网络。

4.2.2 无线局域网

无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）主要运用射频（Radio Frequency， RF）

技术取代原来局域网系统中必不可少的传输介质（例如，同轴电缆、双绞线等）来完成数据的传送任务，有了 WLAN，用户不必因使用有线传输介质而破坏原有的工作环境，可根据需要调整网络节点的位置。同时，便携式计算机更容易接入局域网，这扩大了计算机网络的应用能力和领域。

1. 拓扑结构

无线局域网可分为两大类，分别是有接入点模式（基础设施网络）和无接入点模式（Adhoc 网络）。

在大多数情况下，无线通信通常是作为有线通信的一种补充和扩展。在这种部署配置下，多个 AP 通过线缆连接在有线网络上，以使无线用户能够访问网络的各部分。

2. IEEE 802.11 标准

IEEE 802 委员会为无线局域网开发了一组标准，即 IEEE 802.11 标准。其中定义了媒体访问控制层（MAC 层）和物理层。物理层定义了工作在 2.4GHz 的 ISM（Industrial ScientificMedical，工业、科学和医学）频段上的扩频通信方式，总数据传输速率设计为 2Mbps。而在 MAC 层采取了载波侦听多路访问/冲突避免协议（Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance，CSMA/CA），即采用主动避免碰撞而非被动侦测的方式来解决冲突问题。

由于 IEEE 802.11 的业务主要限于数据存取，在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE 在制定更高速度的标准时，就产生了 802.11a 和 802.11b 两个分支，后来又陆续推出了 802.11g、802.11n、802.11ac 的标准，主要是以物理层的不同作为区分，它们的区别直接表现在工作频段和数据传输率、最大传输距离等指标上。而工作在 MAC 层的标准又分为 IEEE 802.11h、IEEE 802.11e 和 IEEE 802.11i 等。802.11h 是 802.11a 的扩展，目的是兼容其他 5GHz 频段的标准（例如，欧盟使用的 HyperLAN2 等）；802.11e 是 IEEE 为满足 QoS 方面的要求而制定的标准；IEEE 802.11i 规定使用 802.1x 认证和密钥管理方式。

3. 3G 通信技术

3G 是第三代移动通信及其技术的简称，其主流标准包括：WCDMA、CDMA 2000 和TD-SCDMA。

WCDMA（Wideband CDMA，宽频 CDMA）的支持者主要是以 GSM（Global System forMobile Communications，全球移动通信系统）为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中。这套系统能够架设在 GSM 网络上，对于系统提供商而言，可以较轻易地过渡。因此，WCDMA 具有先天的市场优势。目前，中国联合网络通信集团公司获得基于 WCDMA 技术制式的 3G 业务经营许可。

CDMA 2000 也称为 CDMA Multi-Carrier，以美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent 和韩国三星公司都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMA One 数字标准衍生出来的，可以从原有的 CDMA One 结构直接升级到 3G，建设成本低廉。但目前使用 CDMA 的地区只有日本、韩国和北美，所以 CDMA 2000 的支持者不如 WCDMA 多。目前，中国电信集团公司获得基于 CDMA 2000 技术制式的 3G 业务经营许可。

TD-SCDMA 标准是由中国大唐电信制定的3G 标准，该标准将智能天线、同步 CDMA 和软件无线电等技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面具有独特优势。另外，由于中国庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持 TD-SCDMA 标准。目前，中国移动通信集团公司获得基于 TD-SCDMA 技术制式的 3G 业务经营许可。

4. 4G 通信技术

4G 是第四代移动通信及其技术的简称，是集 3G 与 WLAN 于一体并能够传输高质量视频图像且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G 系统能够以 100Mbps的速度下载，比拨号上网快 2000 倍，上传的速度也能达到 20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G 可以在 DSL 和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G 有着不可比拟的优越性。

4G 标准主要有两大方向，即 LTE（Long Term Evolution）与 WiMAX（无线城域网技术中已介绍），而 LTE 又可进一步分为 TD-LTE 与 FDD-LTE。

TD-LTE 即分时长期演进，是由阿尔卡特-朗讯、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通信、中国移动等业者所共同开发的第四代（4G）移动通信技术与标准。TDD 即时分双工（Time Division Duplexing），是移动通信技术使用的双工技术之一，与 FDD 频分双工相对应。TD-LTE 与 TD-SCDMA 实际上没有关系，TD-LTE 是 TDD 版本的 LTE 的技术，FDD-LTE 的技术是 FDD 版本的 LTE 技术。TD-SCDMA 是 CDMA（码分多址）技术，TD-LTE是 OFDM（正交频分复用）技术。两者从编解码、帧格式、空口、信令，到网络架构，都不一样。

FDD-LTE 即频分双工长期演进，目前该标准的产业发展领先于 TD-LTE。FDD-LTE 已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的终端种类最丰富的一种 4G 标准。其演进路线与速率为： GSM(9K) --> GPRS(42K) --> EDGE(172K) --> WCDMA(364K) -->HSDPA/HSUPA(14.4M) -->HSDPA+/HSUPA+(42M) --> FDD-LTE(300M)。

WiMAX：Worldwide Interoperabilityfor Microwave Access，即全球微波互联接入， WiMAX的另一个名字是 IEEE 802.16。WiMAX 技术既被纳入到了 3G 技术，也被纳入到了 4G 技术。

802.16 工作的频段采用的是无需授权频段，范围在 2GHz 至 66GHz 之间，而 802.16a则是一种采用 2G 至 11GHz 无需授权频段的宽带无线接入系统，其频道带宽可根据需求在1.5M 至 20MHz 范围进行调整，具有更好高速移动下无缝切换的 IEEE 802.16m 的技术正在研发。因此，802.16 所使用的频谱可能比其他任何无线技术更丰富，WiMAX 具有以下优点：

不过 WiMAX 网络在网络覆盖面积和网络的带宽上优势巨大，但是其移动性却有着先天的缺陷，无法满足高速(≧50km/h)下的网络的无缝链接。

4.2.3 广域网技术

广域网主要提供面向通信的服务，支持用户使用计算机进行远距离的信息交换，与局域网相比，其覆盖范围广、通信的距离远、需要考虑的因素增多，例如，线路的冗余、带宽的利用和差错处理等。广域网一般由电信部门负责组建、管理和维护，并向全社会提供面向通信的有偿服务、流量统计和计费问题。由于在架构师考试中考广域网的概率极低，所以在此不详细叙述。

4.2.4 网络接入技术

目前，接入 Internet 的主要方式有 PSTN、ISDN、ADSL、FTTx+LAN 和 HFC 接入等五种。

1. PSTN 接入

PSTN（Public SwitchingTelephone Network，公用交换电话网络）是指利用电话线拨号接入 Internet，通常计算机需要安装一个 Modem（调制解调器），将电话线插入到 Modem 上，在计算机上利用拨号程序输入接入号码进行接入。PSTN 的速度较低，一般低于 64Kbps。

2. ISDN 接入

ISDN（IntegratedServices Digital Network，综合业务数字网）俗称“一线通”，是在电话网络的基础上构造的纯数字方式的综合业务数字网，能为用户提供包括语音、数据、图像和传真等在内的各类综合业务。ISDN 的基本速率接口为 2B+D 信道，共 144Kbps 带宽，一般使用 RJ45 接口。

3. ADSL 接入

ADSL（AsymmetricalDigital Subscriber Loop，非对称数字用户线路）的服务端设备和用户端设备之间通过普通的电话线连接，无须对入户线缆进行改造，就可以为现有的大量电话用户提供 ADSL 宽带接入。随着标准和技术的成熟及成本的不断降低，ADSL 日益受到电信运营商和用户的欢迎，成为接入 Internet 的主要方式之一。ADSL 的特点是上行速度和下行速度不一样，并且往往是下行速度大于上行速度。目前，比较成熟的 ADSL 标准主要有两种，分别是 G.DMT 和 G.Lite。G.DMT 是全速率的 ADSL 标准，提供 8Mbps 的下行速率和1.5Mbps 的上行速率，但要求用户安装分离器，而 G.Lite 是一种速率较慢的 ADSL，它不需要在用户端进行线路的分离。G.Lite 标准的最大下行速率为 1.5Mbps，最大上行速率为512Kbps。

4. FTTx+LAN 接入

光纤通信是指利用光导纤维（简称为光纤）传输光波信号的一种通信方法，相对于以电为媒介的通信方式而言，光纤通信的主要优点有传输频带宽，通信容量大；传输损耗小；抗电磁干扰能力强；线径细、重量轻；资源丰富等。

和 FTTH（Fiber To The Home，光纤到户）。

5. 同轴+光纤接入

同轴光纤技术（Hybrid Fiber-Coaxial，HFC）是将光缆敷设到小区，然后通过光电转换节点，利用有线电视（Community Antenna Television，CATV）的总线式同轴电缆连接到用户，提供综合电信业务的技术。这种方式可以充分利用 CATV 原有的网络，由于具有建网快、造价低等特点，使其逐渐成为最佳的接入方式之一。HFC 是由光纤干线网和同轴分配网通过光节点结合而成，一般光纤干线网采用星形结构，同轴电缆分配网采用树形结构。

HFC 的用户端需要使用一个称为 CableModem（电缆调制解调器）的设备，它不单纯是一个调制解调器，还集成了调谐器、加/解密设备、桥接器、网络接口卡、虚拟专网代理和以太网集线器的功能于一身，它无须拨号，可提供随时在线的永远连接。HFC 采用频分复用技术和 64QAM 调制，其上行速率已达 10Mbps 以上，下行速率更高。

4.3 网络互连与常用设备

网络互连是为了将两个以上具有独立自治能力、同构或异构的计算机网络连接起来，实现数据流通，扩大资源共享的范围，或者容纳更多的用户。网络互连包括局域网与局域网的互连、局域网与广域网的互连、广域网与广域网的互连，这可以扩大资源共享的范围，使更多的资源可以被更多的用户共享。

1. 网络互连设备

在网络互连时，各节点一般不能简单地直接相连，而是需要通过一个中间设备来实现。

按照 OSI/RM 的分层原则，这个中间设备要实现不同网络之间的协议转换功能，根据它们工作的协议层不同进行分类，网络互连设备有中继器（实现物理层协议转换，在电缆间转换二进制信号）、网桥（实现物理层和和数据链路层协议转换）、路由器（实现网络层和以下各层协议转换）、网关（提供从最底层到传输层或以上各层的协议转换）和交换机等。在实际应用中，各厂商提供的设备都是多功能组合，向下兼容的。表 4-1 则是对以上设备的一个总结。

随着无线技术运用的日益广泛，目前，市面上基于无线网络的产品非常多，主要有无线网卡、无线 AP、无线网桥和无线路由器等。

2. 交换技术

在计算机网络中，当用户较多而传输的距离较远时，通常不采用两点固定连接的专用线路，而是采用交换技术，使通信传输线路为各个用户公用，以提高传输设备的利用率，降低系统费用。

按照实际的数据传送技术，交换技术又可分为电路交换、报文交换和分组交换，它们的主要特点如下：

根据各自的特点，不同的交换技术适用于不同的场合。例如，对于交互式通信来说，报文交换肯定是不适合的；对于较轻和间歇式负载来说，电路交换是最合适的，因此，可以通过电话拨号线路来实行通信；对于较重或持续的负载来说，使用租用的线路以电路交换方式通信是合适的；对必须交换中等数据到大量的数据时，可用分组交换方法。

3. 路由技术

路由器是工作在网络层的重要网络互连设备，构成了基于 TCP/IP 协议的 Internet 的主体脉络，工作在 Internet 上的路由器也称为 IP 网关。

路由器的主要功能就是进行路由选择。当一个网络中的计算机要给另一个网络中的计算机发送分组时，它首先将分组送给同一个网络中用于网络之间连接的路由器，路由器根据目的地址信息，选择合适的路由，将该分组传递到目的网络用于网络之间连接的路由器中，然后通过目的网络中内部使用的路由选择协议，该分组最后被递交给目的计算机。

根据路由选择协议的应用范围，可以将其分为内部网关协议（ Interior Gateway Protocol，IGP）、外部网关协议（Exterior Gateway Protocol，EGP）和核心网关协议（Gateway GatewayProtocol，GGP）三大类。

从路由协议使用的算法来看，所有的路由协议可以分为以下三类：

4.4 网络工程

网络工程的建设是一个极其复杂的系统工程，是对计算机网络、信息系统建设和项目管理等领域知识的综合利用的过程，系统分析师必须根据用户单位的需求和具体情况，结合当前网络技术的发展和产品化程度，经过充分的需求分析和市场调研，确定网络建设方案，依据方案有计划、分步骤地实施。按照实施过程的先后，网络工程可分为网络规划、网络设计和网络实施三个阶段。

4.4.1 网络规划

网络规划是网络建设过程中非常重要的环节，同时也是一个系统性的过程。网络规划应该以需求为基础，同时考虑技术和工程的可行性。具体来说，网络规划包括网络需求分析、可行性分析和对现有网络的分析与描述。

1.网络需求分析在网络组建之前，首先要进行需求分析，根据用户提出的要求，进行网络的设计，网络建设的成败很大程度取决于网络实施前的规划工作。

需求分析的基本任务是深入调查用户网络建设的背景、必要性、上网的人数和信息量等，然后进行纵向的、更加深入细致的需求分析和调研，在确定地理布局、设备类型、网络服务、通信类型和通信量、网络容量和性能，以及网络现状等与网络建设目标相关的几个主要方面情况的基础上形成分析报告，为网络设计提供依据。需求分析通常采用自顶向下的结构化方法，从以下几个方面着手，逐一深入，在调研的基础上进行充分的分解，从而为网络设计提供基础。

除此之外，系统分析师还应该了解网络的地理位置，以及对运行环境的要求（包括网络操作系统、数据库和应用软件等相关的需求）。

2. 可行性研究

在网络规划阶段，有一个很重要的活动，那就是系统可行性研究，通常从技术可行性、经济可行性、法律可行性和用户使用可行性等方面进行论证。

3. 对现有网络的分析与描述

如果是在现有网络系统的基础上进行升级，那么，网络规划阶段的一项重要工作就是对现有网络进行分析，并系统化地描述出来。对现有网络系统进行调研，主要从以下几个方面进行：

结合对现有网络系统的调研与分析，并在其基础上进行新的网络规划，能够通过以下措施更有效地保证用户的原始投资：

4.4.2 网络设计

网络设计的工作是在网络规划的基础上，设计一个能够解决用户问题的方案。在整个设计过程中，首先要确定网络总体目标和设计原则，然后设计网络的逻辑结构，再设计网络的物理结构。

1. 网络逻辑结构设计

网络逻辑结构设计是体现网络设计核心思想的关键阶段，在这一阶段根据需求规范和通信规范，选择一种比较适宜的网络逻辑结构，并基于该逻辑结构实施后续的资源分配规划、安全规划等内容。

在逻辑网络设计阶段，需要描述满足用户需求的网络行为及性能，详细说明数据是如何在网络上传输的，此阶段不涉及网络元素的具体物理位置。

网络设计者利用需求分析和现有网络体系分析的结果来设计逻辑网络结构。如果现有的软件、硬件不能满足新网络的需求，现有系统就必须升级。如果现有系统能继续运行使用，可以将它们集成到新设计中来。如果不集成旧系统，网络设计小组可以找一个新系统，对它进行测试，确定是否符合用户的需求。

此阶段最后应该得到一份逻辑网络设计文档，输出的内容包括以下几点：

2. 网络物理结构设计

物理网络设计是对逻辑网络设计的物理实现，通过对设备的具体物理分布、运行环境等的确定，确保网络的物理连接符合逻辑连接的要求。在这一阶段，网络设计者需要确定具体的软硬件、连接设备、布线和服务。

如何购买和安装设备，由网络物理结构这一阶段的输出作指导，所以网络物理设计文档必须尽可能详细、清晰，输出的内容如下：

3. 分层设计

为了能够更好地分析与设计复杂的大型互连网络，在计算机网络设计中，主要采用分层（分级）设计模型，它类似于软件工程中的结构化设计。通过一些通用规则来设计网络，就可以简化设计、优化带宽的分配和规划。在分层设计中，引入了三个关键层的概念，分别是核心层、汇聚层和接入层。

通常将网络中直接面向用户连接或访问网络的部分称为接入层，将位于接入层和核心层之间的部分称为分布层或汇聚层。接入层的目的是允许终端用户连接到网络，因此，接入层交换机具有低成本和高端口密度特性。

汇聚层是核心层和接入层的分界面，完成网络访问策略控制、数据包处理、过滤、寻址，以及其他数据处理的任务。汇聚层交换机是多台接入层交换机的汇聚点，它必须能够处理来自接入层设备的所有通信量，并提供到核心层的上行链路，因此，汇聚层交换机与接入层交换机比较，需要更高的性能，更少的接口和更高的交换速率。

网络主干部分称为核心层，核心层的主要目的在于通过高速转发通信，提供优化、可靠的骨干传输结构，因此，核心层交换机应拥有更高的可靠性，性能和吞吐量。核心层为网络提供了骨干组件或高速交换组件，在纯粹的分层设计中，核心层只完成数据交换的特殊任务。

需要根据网络需求的地理距离、信息流量和数据负载的轻重来选择核心层技术，常用的技术包括 ATM、100Base-Fx 和千兆以太网等。在主干网中，考虑到高可用性的需求，通常会使用双星（树）结构，即采用两台同样的交换机，与汇聚层交换机分别连接，并使用链路聚合技术实现双机互联。

4.4.3 网络实施

网络实施是在网络设计的基础上进行设备的购买、安装、调试和系统切换工作。主要包括以下步骤：

4.5 网络存储技术

目前，主流的网络存储技术主要有三种，分别是直接附加存储（Direct Attached Storage，DAS）、网络附加存储（Network Attached Storage，NAS）和存储区域网络（Storage Area Network，SAN）。

1. 直接附加存储

DAS 是将存储设备通过 SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）

电缆直接连到服务器，其本身是硬件的堆叠，存储操作依赖于服务器，不带有任何存储操作系统。因此，有些文献也把 DAS 称为 SAS（Server Attached Storage，服务器附加存储）。

DAS 的适用环境为：

由于 DAS 直接将存储设备连接到服务器上，这导致它在传递距离、连接数量、传输速率等方面都受到限制。因此，当存储容量增加时，DAS 方式很难扩展，这对存储容量的升级是一个巨大的瓶颈；另一方面，由于数据的读取都要通过服务器来处理，必然导致服务器的处理压力增加，数据处理和传输能力将大大降低；此外，当服务器出现宕机等异常状况时，也会波及存储数据，使其无法使用。目前 DAS 基本被 NAS 所代替。

2. 网络附加存储

采用 NAS 技术的存储设备不再通过 I/O 总线附属于某个特定的服务器，而是通过网络接口与网络直接相连，由用户通过网络访问。NAS 存储系统的结构如图 4-5 所示。

NAS 存储设备类似于一个专用的文件服务器，它去掉了通用服务器的大多数计算功能，而仅仅提供文件系统功能，从而降低了设备的成本。并且为方便存储设备到网络之间能以最有效的方式发送数据，它专门优化了系统硬件与软件架构。NAS 以数据为中心，将存储设备与服务器分离，其存储设备在功能上完全独立于网络中的主服务器，客户机与存储设备之间的数据访问不再需要文件服务器的干预，同时它允许客户机与存储设备之间进行直接的数据访问，所以不仅响应速度快，而且数据传输速率也很高。

NAS 技术支持多种 TCP/IP 网络协议，主要是 NFS（Net File System，网络文件系统）和CIFS（Common Internet File System，通用 Internet 文件系统）来进行文件访问，所以 NAS的性能特点是进行小文件级的共享存取。在具体使用时，NAS 设备通常配置为文件服务器，通过使用基于 Web 的管理界面来实现系统资源的配置、用户配置管理和用户访问登录等。

NAS 存储支持即插即用，可以在网络的任一位置建立存储。基于 Web 管理，从而使设备的安装、使用和管理更加容易。NAS 可以很经济地解决存储容量不足的问题，但难以获得满意的性能。

3. 存储区域网络

SAN 是通过专用交换机将磁盘阵列与服务器连接起来的高速专用子网。它没有采用文件共享存取方式，而是采用块（block）级别存储。SAN 是通过专用高速网将一个或多个网络存储设备和服务器连接起来的专用存储系统，其最大特点是将存储设备从传统的以太网中分离出来，成为独立的存储区域网络，SAN 的系统结构如图 4-6 所示。

根据数据传输过程采用的协议，其技术划分为 FC SAN 和 IP SAN。另外，还有一种新兴的 IB SAN 技术。

FC SAN 由三个基本的组件构成，分别是接口（SCSI、FC)、连接设备（交换机、路由器）

和协议（IP、SCSI）。这三个组件再加上附加的存储设备和服务器就构成一个 SAN 系统。它是专用、高速、高可靠的网络，允许独立、动态地增加存储设备，使得管理和集中控制更加简化。

FC SAN 有两个较大的缺陷，分别是成本高和复杂性，其原因就是因为使用了 FC。在光纤通道上部署 SAN，需要每个服务器上都要有 FC 适配器、专用的 FC 交换机和独立的布线基础架构。这些设施使成本大幅增加，更不用说精通 FC 协议的人员培训成本。

在具体应用上，IP 存储主要是指 ISCSI（Internet SCSI）。作为一种新兴的存储技术， ISCSI基于 IP 网络实现 SAN 架构，既具备了 IP 网络配置和管理简单的优势，又提供了 SAN 架构所拥有的强大功能和扩展性。ISCSI 是连接到一个 TCP/IP 网络的直接寻址的存储库，通过使用 TCP/IP 协议对 SCSI 指令进行封装，可以使指令能够通过 IP 网络进行传输，而过程完全不依赖于地点。

ISCSI 优势的主要表现在于，首先，建立在 SCSI、TCP/IP 这些稳定和熟悉的标准上，因此安装成本和维护费用都很低；其次，ISCSI 支持一般的以太网交换机而不是特殊的光纤通道交换机，从而减少了异构网络和电缆；最后，ISCSI 通过 IP 传输存储命令，因此可以在整个 Internet 上传输，没有距离限制。

ISCSI 的缺点在于，存储和网络是同一个物理接口，同时协议本身的开销较大，协议本身需要频繁地将 SCSI 命令封装到 IP 包中及从 IP 包中将 SCSI 命令解析出来，这两个因素都造成了带宽的占用和主处理器的负担。但是，随着专门处理 ISCSI 指令的芯片的开发（解决主处理器的负担问题），以及 10G 以太网的普及（解决带宽问题），ISCSI 将有着更好的发展。

4.6 综合布线

综合布线是一种模块化的、灵活性极高的建筑物内或建筑群之间的信息传输通道。通过它可使话音设备、数据设备、交换设备及各种控制设备与信息管理系统连接起来，同时也使这些设备与外部通信网络相连。它还包括建筑物外部网络或电信线路的连接点与应用系统设备之间的所有线缆及相关的连接部件。综合布线由不同系列和规格的部件组成，其中包括：

传输介质、相关连接硬件（如配线架、连接器、插座、插头、适配器）及电气保护设备等。

根据《综合布线系统工程设计规范》（GB50311-2007），综合布线系统可分为 7 个部分：

工作区、配线子系统、干线子系统、建筑群子系统、设备间、进线间、管理。

📊 章节图表

图4-1

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