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第1章网络及其系统设计本章要点：1.1网络的基本概念1.2局域网、城域网与广域网1.3宽带城域网的设计与管理1.4接入网技术1.1网络的基本概念1.1.1网络的定义1.1.2网络的发展过程1.1.3计算机网络的分类1.1.4计算机网络的应用1.1.1网络的定义计算机网络是指将地理位置不同的功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。组建计算机网络的根本目的是为了实现资源共享。这里既包括计算机网络中的硬件资源，如磁盘空间、打印机、绘图仪等，也包括软件资源，如程序、数据等。1.1.2网络的发展过程1．终端-通信线路-计算机阶段人们通过通信线将计算机与终端（terminal）相连，通过终端进行数据的发送与接收。2．计算机-计算机网络阶段以通信子网为中心，多主机多终端。1969年在美国建成的ARPAnet是这一阶段的代表。在ARPAnet上首先实现了以资源共享为目的的不同计算机互连的网络，它是今天因特网的前身。3．计算机网络成熟阶段国际标准化组织于1984年颁布了“开放系统互连基本参考模型”问题的研究，即为OSI参考模型。4．高速的计算机网络阶段光纤在各国的信息基础建设中被逐渐广泛使用，这为建立高速的网络辅垫了基础。千兆乃至万兆传输速率的Ethernet已经被越来越多地用于局域网和城域网中，而基于光纤的广域网链路的主干带宽也已达到10G数量级。1.1.3计算机网络的分类1．以通信所使用的介质分类有线网络和无线网络2．以使用网络的对象分类公众网络和专用网络3．以网络传输技术分类广播式网络和点到点式网络4．以网络传输速度的高低分类低速网络和高速网络5．按互连规模与通信方式分类局域网、城域网与广域网图1-1点到点网络与广播式网络1.1.4计算机网络的应用1．办公自动化计算机网络能够将一个企业或机关的办公电脑及其外部设备联成网络，可以实现在信息共享和公文流传。2．企业的信息化通过在企业中实施基于网络的管理信息系统（MIS）和资源制造计划（ERP），可以实现企业的生产、销售、管理和服务的全面信息化，从而有效提高生产率。3．电子银行电子银行是基于电子商务平台和银行支付系统的网上金融服务系统。4．远程教育远程教育是利用internet技术，与教育资源相结合，在计算机网络上进行的教学方式。E-Learning即是指通过internet或其他数字化内容进行学习与教学的活动。5．娱乐与消遣网络给我们带了新的丰富多彩的娱乐和消遣方式，如网上聊天、在线点播、新闻浏览以及现在最流行的网络在线游戏等。1.1.5计算机网络的结构及其特点计算机网络首先是一个通信网络，早期的计算机网络主要是广域网，它的结构是由负责数据处理的主计算机与终端以及负责数据通信处理的通信控制处理设备与通信线路所这两部分所组成。从资源构成的角度讲，计算机网络是由硬件和软件组成的。并从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网。图1-2资源子网与通信子网的二级子网结构1.2局域网、城域网与广域网1.2.1局域网1.2.2城域网1.2.3广域网局域网（LAN）是当今计算机网络技术应用与发展非常活跃的一个领域。公司、企业、政府部门及至住宅小区内的计算机机都在通过LAN连接起来，以达到资源共享、信息传递和数据通信的目的。1.2.1局域网1．LLC与MAC协议LLC能够提供以下三种服务（1）无确认无连接的服务（2）面向连接方式的服务（3）有确认有连接的服务根据介质访问控制的方式，可以将MAC分为以下三种方式：（1）循环式：每个站轮流得到发送机会，如果一段时间内有许多站发送数据，则方式很有效，如果只有很少站发数据，则该方式开销太大。（2）预约式：将传输介质的使用时间划分为时间糟，而预约管理可以是集中控制，也可以分布控制。（3）竞争式：不对各个工作站的发送权限进行控制，而是自由竞争，它适合于分布式控制，优点在于简单，轻负载下效率高，重负载时效率下降得很快。2．CSMA/CD协议CSMA/CD即是带冲突检测的载波侦听多址访问。它的基本原理是：每个节点都共享网络传输信道，在每个站要发送数据之前，都会检测信道是否空闲，如果空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，则对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。载波侦听主要是指网络中的各个站点都具备一种对总线上所传输的信号或载波进行监测的功能，其策略即是“信道空闲时，立即发送；信道忙时，继续监听”。冲突检测是指一种检测或识别冲突的机制，这是实现冲突退避的前提。3．令牌总线协议采用令牌总线协议的网络，虽然在物理上它们还是连接在一条总线上，但是在逻辑上是组成了一个首尾相连的环。通过一个称为令牌的特殊帧来控制网络的访问。4．令牌环协议令牌环使用中继器将单个的点到点线路链接成为物理的环形结构。它的基本原理是：令牌在网络上依次顺序传递，等待捕获一个空令牌，然后将要发送的信息附加到后面，往下一站发送，直到目标站，将令牌释放；如果工作站要发送数据时，经过的令牌不是空的，则等待令牌释放。5．无线局域网无线局域网主要可以使用红外线、扩展频谱和窄带微波技术三种通信技术。无线局域网分为两个研究方向，一是由面向数据通信的计算机局域风发展而来的，采用的是无连接协议，即IEEE801.11标准；另一个是致力于面向语音蜂窝电话，采用的是基于连接的协议，即HiperLAN-2标准。1.2.2城域网1．FDDI技术FDDI以光纤为传输介质，传输速率可以达到100Mbps，采用单环和双环两种拓扑结构。2．城域网的业务特点（1）传输速率高（2）用户投入少，接入简单（3）技术先进、安全3．城域网的主要用途及其适用范围（1）高速上网（2）互动游戏（3）VOD视频点播与网络电视（4）远程医疗、会议、教育（5）远程监控（6）家庭证券交易系统（7）智能设区（8）带宽及管道出租业务1.2.3广域网广域网是一种跨地区的数据通讯网络,通常包含一个国家或地区。广域网通常由两个或多个局域网组成。1．综合业务数字网（ISDN）2．数据数字网（DDN）3．X.25分组交换网4．帧中继（FR）5．异步传输模式（ATM）1.3宽带城域网的设计与管理1.3.1宽带城域网的结构与设计1.3.2宽带城域网的管理与运营1.3.3宽带城域网设计方案1.3.1宽带城域网的结构与设计1．宽带城域网的结构宽带城域网的总体结构是由网络平台、业务平台、管理平台与城市宽带出口等部分组成。从逻辑上分，宽带城域网的网络平台又包含了核心交换层、边缘汇聚层与用户接入层三部分。图1-4宽带城域网的总体结构2．宽带城域网网络平台的主要功能（1）核心交换层核心交换层为整个网络提供一个高速，宽带的中心连接，并能提供所有城域网出去Internet所需要的路由服务。（2）边缘汇聚层也称汇聚层，它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（3）用户接入层也称接入层，它是直接面对用户的一个层面，目的是允许终端用户连接到网络，它为广大的用户提供10/100M的高速接入。它称为网络的“最后一公里”。3．宽带城域网的组建及其原则可运营性可管理性可盈利性可扩展性1.3.2宽带城域网的管理与运营宽带城域网位于广域网与接入网的交汇处，各种业务和协议都在此汇聚分流和进出核心网，直接面对终端用户，应用环境复杂。所以其内部是多种交换技术和业务网络并存，因此我们在设计与组建宽带城域网的同时要注意网络成功组建和运营的关键技术。宽带城域网管理与运营的关键技术包括：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以及网络安全等。1.3.3宽带城域网设计方案1．基于SDH的城域网SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体系）是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络。SDH的核心就是应用了波分多路复用技术,就是一条光纤信道上传输多条信号，SDH网络是ATM，DDN等中继网络服务的承载网。2．基于10GE的城域网1999底成立了IEE802.3ae工作组进行万兆以太网技术（10Gb/s）的研究，2002年正式发布802.3ae10GE标准。21世纪初，提出了光以太网的概念，它的技术核心是：利用光纤的巨大带宽资源和以太网的成熟与易用为运营商建造新一代的宽带城域接入网。光以太网技术用于建设宽带城域网，必须满足对城域网的几个基本要求：（1）高可靠性（2）可提供服务等级协议（SLA）（3）高可扩展性（4）用户管理图1-6成长中的万兆以太网3．基于PRP的城域网弹性分组环技术是一种在环形结构上优化数据业务传送的新型MAC层协议，能够适应多种物理层（如SDH、以太网、DWDM等），可有效地传送数据、话音、图像等多种业务类型。图1-7基于RPR的城域网应用实例RPR技术的主要特点可归纳如下：（1）支持50ms的快速保护（2）实现灵活的环路带宽管理（3）支持环路带宽的公平分配1.4接入网技术1.4.1接入网技术概况1.4.2接入技术的主要功能特点1.4.3各种接入技术的特点1.4.1接入网技术概况1．接入网技术的发展与接入服务的界定接入网（AccessNetwork，AN）是指交换局到用户终端之间的所有机线设备，它的主干系统为传统的电缆和光缆，一般长数千米；配线系统也可能是电缆和光缆，其长度一般几百米，而引入线通常长几米到几十米。它是泛指用户网络接口（UNI）与业务节点接口（SNI）间实现传送承载功能的实体网络。其目标是建立一种标准化的接口方式，以一个可监控的接入网络，使用户能够获得话音、租用线业务、数据多媒体、有线电视等综合业务。2．接入技术与“数字会聚”、“三网融合”电信网、计算机网和有线电视网三大网络的高层业务应用的融合。三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务三网融合，在概念上从不同角度和层次上分析，可以涉及到技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合。1.4.2接入技术的主要功能特点与分类1．接入网的主要功能：（1）用户口功能（UPF）（2）业务口功能（SPF）（3）核心功能（CF）（4）传送功能（TF）（5）AN系统管理功能（SMF）2．接入网的特点（1）主要完成复用、交叉连接和传输功能，不具备交换功能。（2）提供开放的V5标准接口（3）光纤化程度高（4）能提供各种综合业务，接入网除接入交换业务外，还可接入数据业务、视像业务以及租用线业务等。（5）对环境的适应能力强（6）组网能力强（7）可采用HDSL、ADSL、有源或无源光网络、HFC和无线网等多种接入技术。（8）接入网可独立于交换机进行升级（9）接入网提供了功能较为全面的网管系统3．接入网技术的分类接入网技术从接入技术分，可分为有线接入与无线接入两类；按接入方式分，它涉及用户的环境与需求，可以分成家庭接入、校网接入、机关接入与企业接入。图1-8接入网技术按接入技术分类图图1-9为接入网技术按接入方式分类图1.4.3各种接入技术的特点1．xDSL接入xDSL是DSL（DigitalSubscriberLine）的统称,意即数字用户线路,是以铜电话线为传输介质的点对点传输技术。DSL技术在传统的电话网络（POTS）的用户环路上支持对称和非对称传输模式。xDSL具有以下特征：（1）与话音工作于不同频段，基本不影响电话的正常使用，话音所占频带为0－4KHz；xDSL调制频带为4.4KHz－1MHz。（2）在以办公室和家庭为中心一定距离范围内可以提供较高的数据传输率。（3）铜线的具体条件、天气和片断对话可能将影响传输性能。xDSL中“x”表任意字符或字符串，根据采取不同的调制方式，获得的信号传输速率和距离不同以及上行信道和下行信道的对称性不同，xDSL可以分为以下若干类型：（1）ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine，不对称数字用户线路）（2）HDSL（High-data-rateDigitalSubscriberLine，高速率数字用