网络工程规划与设计-第3章

网络工程规划与设计工业和信息化人才培养规划教材————Content︳第1页目录网络工程规划与设计第2页第3章网络逻辑设计第3章网络逻辑设计本章学习目标12掌握IP地址的相关知识，能够进行网络IP地址设置。了解网络的体系结构和网络协议的相关知识。了解和掌握网络拓扑结构的相关知识，能够进行网络拓扑结构设计。第3章网络逻辑设计本章知识结构3.1网络拓扑结构设计3.2计算机网络协议3.3IP地址规划和域名确定3.4实践项目第3章第6页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计计算机网络的拓扑结构是指网络上计算机或设备与传输媒介形成的“节点”与“线”的物理构成模式。网络的节点有两类：一类是转换和交换信息的转接节点，包括节点交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问节点，包括计算机主机和终端等。连接在网络上的计算机、大容量的外存、高速打印机等设备均可看做是网络上的一个节点，也称为工作站。“线”则代表各种传输媒介，包括有形的和无形的。第3章第7页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.1常见的网络拓扑结构网络拓扑结构，是指网上计算机或设备与传输媒介形成的“节点”与“线”的物理构成模式。※节点有两类：一类是转换和交换信息的转接节点，包括节点交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问节点，包括计算机主机和终端等。连接在网络上的计算机、大容量的外存、高速打印机等设备均可看作是网络上的一个节点，也称为工作站。※线则代表各种传输媒介，包括有形的和无形的。第3章第8页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.1常见的网络拓扑结构常用的拓扑结构：总线型星型环型网状第3章第9页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.1常见的网络拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点通过相应的接口直接连到一个公共传输媒体，即总线上。任何一个站发送的信号都沿着传输媒体传播，而且被所有其它站接收。总线拓扑结构是一种共享通路的物理结构。这种结构中总线具有信息的双向传输功能，普遍用于局域网的连接，总线一般采用同轴电缆或双绞线。总线型拓扑结构第3章第10页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.1常见的网络拓扑结构一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。中央节点实行集中式控制，因此中央节点相当复杂，而其它各个站点的通信处理负担却很小。这种结构一般适用于局域网，特别是近年来连接的局域网大都采用这种连接方式。这种连接方式以双绞线或同轴电缆作连接线路。星型拓扑结构安装容易、结构简单、费用低，通常以集线器作为中央节点。星型拓扑结构第3章第11页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.1常见的网络拓扑结构环型拓扑结构是将网络节点连接成闭合结构。信号顺着一个方向从一台设备传到另一台设备，每一台设备都配有一个收发器，信息在每台设备上的延时时间是固定的。这种结构特别适用于实时控制的局域网系统。环型拓扑第3章第12页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.1常见的网络拓扑结构树型拓扑结构与总线拓扑结构相比，主要区别在于总线拓扑结构中没有“根”。这种拓扑结构的网络一般采用同轴电缆，用于军事单位、政府部门等上、下界限相当严格和层次分明的部门。树型拓扑结构容易扩展、故障也容易分离处理，但整个网络对根的依赖性很大，一旦网络的根发生故障，整个系统就不能正常工作。树型拓扑结构第3章第13页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.1常见的网络拓扑结构不规则型拓扑的构形不规则，节点之间的连接是任意的。大多数情况下，一个节点至少和两个以上的节点相连。当所有节点之间均有直达通路连接时，就成为全连通的网络拓扑。优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响。这是由于节点之间有许多条相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，一旦出现故障，信号可绕过失效的部件或过忙的节点。不规则型拓扑不规则型拓扑结构的网络协议也较复杂，成本比较高，但可靠性高，在主干网中使用较多。第3章第14页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.2网络的分层设计当网络系统规模非常庞大时，仅仅使用一种拓扑结构是不够的。这时，网络拓扑结构常常采用分层的设计方法。核心层汇聚层接入层网络拓扑结构分3个层次第3章第15页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.2.1网络的分层设计第3章第16页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.2.1网络的分层设计核心层是整个网络系统的主干部分，而把分布在不同位置的子网连接到核心层的是汇聚层，在网络中，直接面向用户连接和访问网络的部分是接入层。在大规模的网络系统中，常采用三层拓扑结构设计，而在中小规模的网络中，可以将核心层和汇聚层合并。对于只有几十台计算机的小型网络，可以不必采用分层拓扑结构设计。第3章第17页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.2网络的分层设计1．核心层设计核心层是网络的高速主干网，主要连接全局共享服务器和建筑楼宇的配线间设备。其主要功能是提供地理上远程站点之间的广域网连接。核心层为下两层提供优化的数据传输功能。核心层的设备主要是路由器和具有路由功能的三层交换机。由于核心层处于主干网络，而主干网络技术的选择要根据地理距离、信息流量和数据负载等来确定，核心层通常承担网络40%～60%的信息流，所以应该选择光纤作为核心层的传输介质。第3章第18页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.2网络的分层设计2．汇聚层设计汇聚层位于核心层和接入层中间，主要任务是提供与流量控制、安全及路由相关的策略。汇聚层将分布在不同位置的子网连接到核心层网络，实现路由汇聚功能。汇聚层的存在与否与网络规模大小相关。当建筑物内的网络节点较多，超过了一台交换机的端口密度，就需要增加交换机来扩充端口，这时就需要汇聚交换机。交换机之间可以采用级连或者堆叠方式来连接，然后再与汇聚交换机相连，如图所示。第3章第19页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.2网络的分层设计汇聚层与接入层相连的两种方式汇聚层的设备选择相对比较容易一些，采用100～1000Mbit/s交换机即可。但汇聚层容易出现网络瓶颈，所以设计人员要对汇聚层交换机的网络流量进行预测。第3章第20页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.2网络的分层设计接入层是直接面对终端用户的，接人层将终端用户计算机连接到网络中，为用户提供在本地网络访问互联网的能力。接入层通过接入二级交换机技术来实现连接到汇聚层。接入层的设备有网卡、集线器与交换机（10～100Mbit/s）。一般采用100Base-TX快速交换式以太网，采用10～100Mbit/s自适应传输速率到用户桌面，传输介质一般为5类或超5类双绞线。3．接入层设计第3章第21页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.3网络的分层设计思考：在网络连接中，分别在什么情况下需要对交换机采用级连方式和堆叠方式来进行连接？第3章第22页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.3网络拓扑结构设计在网络拓扑结构设计中，除非是在规模非常小的网络中，否则通常会将几种拓扑结构联合使用。当然这需要根据各种拓扑结构的特点和实际情况来选择。在网络系统内的站点可用多种方法物理连接，每种连接方式都有其优缺点。可按下面的标准来比较这些结构之间的差异。（1）安装成本。物理连接系统站点的成本和费用、传输介质的选择和硬件接口的确定，以及初始投资和后期维修的费用。（2）通信成本。从站点M发送消息到站点N的时间及费用。（3）有效性。不管连接或站点是否出错，数据能被访问的程度，并且在出现故障后能够易于诊断和维修。第3章第23页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.3网络拓扑结构设计对于小型校园网络，如果整个网络信息相对流量比较大且信息点比较集中，主干网可以采用千兆以太网技术。而对信息量较小、信息点比较分散的校园网采用快速以太网连接方式，其校园网络拓扑结构如图所示。1．小型校园网组网方案及拓扑结构第3章第24页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.3网络拓扑结构设计在中型校园网络组网方案中，终端用户数目相对较多，网络所涉及的应用系统也相对比较复杂，所以网络主干技术选型上采用1000Mbit/s以太网或更高的以太网。中型校园网络拓扑结构如图所示。2．中型校园网组网方案及拓扑结构第3章第25页网络逻辑设计3.1网络拓扑结构设计3.1.3网络拓扑结构设计在大型校园网络设计中，网络主体采用双核心交换机冗余结构，且网络骨干速率为1000Mbit/s。大型校园网络系统对网络安全性的要求非常高，要求网络结构有一定的冗余性。因此，在网络主体上配置Switch500G交换机，互为备份。二级主要楼宇采用双链路上连到网络中心，任何时刻任意一条上连通路因为意外出现事故，另一条通路会立即激活，保证网络畅通。3．大型校园网组网方案及拓扑结构第3章第26页网络逻辑设计3.2计算机网络协议3.2.1计算机网络的层次计算机网络根据一定的拓扑结构连接成物理网络之后，为了实现网络通信，物理网络要遵循一定的规则和协议，只有按照一定的逻辑结构体系才能够实现互连互通。最初的计算机网络存在众多的体系模型，网络之间通信互连极其困难和低效。为了解决不同体系结构网络的互连问题，国际标准化组织ISO于1981年制定了开放系统互连参考模型（OSI）。第3章第27页网络逻辑设计3.2计算机网络协议3.2.1计算机网络的层次这个模型把网络通信的工作分为7层，它们由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。OSI网络层次示意图第3章第28页网络逻辑设计3.2计算机网络协议3.2.1计算机网络的层次物理层（PhysicalLayer），其规定通信设备的机械的、电气的、功能的和过程的特性，用以建立、维护和拆除物理链路连接，为它的上一层提供一个物理连接。在这一层，数据的单位为比特（Bit）。物理层是OSI模型的最低层，也是OSI分层结构体系中最重要、最基础的一层，它是建立在通信介质基础上的，它直接面向传输介质，实现设备之间的物理接口，为数据链路层提供一个传输原始比特流的物理连接。通过通信介质实现二进制比特流的传输，负责从一台计算机向另一台计算机传输比特流（0和1）。物理层的主要设备包括中继器和集线器。第一层物理层第3章第29页网络逻辑设计3.2计算机网络协议3.2.1计算机网络的层次数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。数据链路层的主要设备包括交换机和网桥。第二层数据链路层数据链路层（Data-LinkLayer），在物理层提供比特流服务的基础上，负责在两个相邻节点间的线路上，无差错地传送以帧（Frame）为单位的数据，负责建立、维持和释放数据链路的连接，向网络层提供可靠透明的数据传输服务组帧。该层的数据的单位为帧，数据帧是存放数据的有组织的逻辑结构，每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息，含有源站点和目的站点的物理地址。第3章第30页网络逻辑设计3.2计算机网络协议3.2.1计算机网络的层次网络层（NetworkLayer），其任务就是选择合适的网间路由和交换节点，确保数据及时传送。在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网，网络层通过将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息——源站点和目的站点地址的网络地址，选择合适的网络路由和交换节点，来保证数据及时地传送。网络层的数据的单位为数据包（Packet）。第三层网络层第3章第31页网络逻辑设计3.2计算机网络协议3.2.1计算机网络的层次传输层（TransportLayer），是整个协议层次的核心。该层是处理信息的层，该层的数据单元也是数据包。但是，当在使用TCP等具体的协议时又称为数据段（Segments），在使用UDP协议时称为数据报（Datagrams）。这一层负责获取全部信息。因此，它必须跟踪数据单元碎片、乱序到达的数据包和其他在传输过程中可能发生的危险。传输层为上层提供端到端（最终用户到最终用户）的透明的、可靠的数据传输服务。第四层传输层第3章