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第一单元网络规划与设计第一章网络系统结构与设计的基本原理1.1基础知识1.1.1计算机网络的分类1.1.2计算机网络的结构特点1.1.3广域网技术的发展1.1.4局域网技术的发展1.1.5城域网技术的发展1.2实训任务1.2.1实训任务一：宽带城域网的结构1.2.2实训任务二：宽带城域网组建的基本原则1.2.3实训任务三：管理和运营宽带城域网的关键技术1.2.4实训任务四：构建宽带城域网的基本技术和方案1.2.5实训任务五：网络接入技术与方法习题第1章网络系统结构与设计的基本原则学习目的掌握广域网、城域网与局域网的主要技术特点了解大型网络系统的结构特点了解大型网络系统设计的基本知识掌握宽带城域网特点、结构与主要技术特征了解宽带城域网主要技术方案与设备运营选型的基本知识1.1基础知识1.1.1计算机网络的分类计算机网络按照其覆盖的地理范围进行分类，可以很好的反映不同网络的技术特征。由于网络覆盖的地理范围不同，它们所采用的传输技术也不同，因此形成不同的网络技术特点与网络服务功能。按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为局域网、城域网、广域网等3种类型。一、局域网（LocalAreaNetwork,LAN）局域网用于将有限范围内（例如一个实验室、大楼或校园）的各种计算机、终端与外部设备互连成网。局域网技术发展十分迅速，并且应用日益广泛，是计算机网络最为活跃的领域之一。从局域网应用的角度来看，局域网的技术特点主要表现在：1)局域网覆盖有限的地理范围，它适应于机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求。2)局域网提供高数据传输效率（10Mbps~10Gbps）、底误码率的高质量数据传输环境。3)局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。从介质访问方法的角度来看，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。局域网可以用于个人计算机局域网，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、企业与学校的主干局域网。二、城域网（MetropolitanAreaNetwork,MAN）城市区域网络简称为城域网。城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络。城域网设计目标是满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网的互连需求，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。三、广域网（WideAreaNetwork,WAN）广域网又称为远程网，所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网可以覆盖几个国家或地区，甚至横跨几个洲，形成国际性的远程计算机网络。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，将分布在不同地区的计算机系统互联起来，以达到资源共享的目的。1.1.2计算机网络结构的特点早期的计算机网络主要是广域网。广域网在结构上分为两个部分：负责数据处理的主计算机和终端；负责数据通信处理的通信控制处理设备与通信线路。从计算机网络组成的角度来看，典型的计算机网络从逻辑功能上可以分为两个部分：资源子网和通信子网。资源子网由主计算机系统、终端、终端控制器、连网外部设备、各种软件资源与信息资源组成。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。中期的主机（host）主要是大型机、中型机、小型机，目前大量使用的是个人计算机。主机包括用户终端设备（包括个人计算机、数字设备）与服务器，是资源子网的主要组成单元，它们通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。普通用户终端通过主机连入网络。主机要为本地用户访问网络其它主机设备与资源提供服务，同时要为网络中远程用户共享本地资源提供服务。终端的用户访问网络的界面。通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理业务。通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络结点。一方面，它作为与资源子网的主机、终端的连接接口，将主机和终端连入网络；另一方面，它作为通信子网中的分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能，实现将原主机报文准确转发至目的主机的作用。在早期的ARPANET中承担通信控制处理机功能的设备是接口报文处理机（InterfaceMessageProcessor,IMP）。IMP是路由器的雏形。通信线路为通信控制处理机与主机之间提供通信信道。计算机网络采用多种通信线路，例如电话线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信信道、微波与卫星通信信道等。随着微型计算机与局域网的广泛应用，使用大型机与中型机的主机-终端系统的用户减少，当前的网络结构已经发生变化。随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入城域网，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提供路由器来实现。用户计算机可以通过局域网方式连入，也可以选择电话交换网（PSTN）、有线电视网（CATV）、无线城域网（WMAN）或无线局域网（WLAN）方式接入到作为地区级主干网的城域网。城域网又通过路由器与光纤接入到作为国家级或区域主干网的广域网。多个广域网互联形成覆盖全世界的Internet系统。Internet网络系统结构太复杂了，并且在不断的变化。构成现代网络系统的基本单元是互联的广域网、城域网与局域网。1.1.3广域网技术的发展一、广域网是一种公共数据网络局域网一般属于一个单位所有，组建的成本低，易于建立、维护，一般是自建自管自用。而广域网建设投资很大，管理困难，一般是电信运营商负责自建与维护，由电信运营商组建广域网，提供接入广域网的服务与技术，为用户提供高质量的数据传输服务，因此它是一种公共数据网络（PublicDataNetwork,PDN）。用户可以在公共数据网络PDN上开发各种网络服务系统。用户要使用广域网服务，必须向广域网运营商购买服务。当然，有特殊需要的国家部门与大型企业也可以根据需要组建自己使用和管理的专用广域网。二、广域网技术研究的重点是宽带核心交换技术早期的广域网主要用于大型计算机系统的互联，人们通过终端实现对远程计算机资源的访问，因此人们提出了资源子网和通信子网的两级结构概念，而当时的通信子网就是指广域网的传输网部分。广域网的核心技术主要是指电信运营商负责的通信网络中使用的技术，其范围遍及全球。传输技术涉及光纤传输、无线传输与卫星传输。在Internet大规模接入的初期，广域网与城域网界限还比较模糊。随着接入网技术的成熟，将核心交换技术与接入技术分开，由城域网来负责用户接入的任务已经形成共识，广域网技术主要研究的是远距离、宽带、高服务的核心交换技术。在广域网的发展过程中，可以用于构成广域网的典型网络类型和技术主要包括：公共电话交换网PSTN综合业务数字网ISDN数字数据网DDNX.25分组交换网帧中继（FrameReplay，FR）网异步传输模式（AsynchronousTransferMode，ATM）网GE（GigabitEthernet，千兆以太网）与10GE的光以太网（OpticalEthernet）如何在技术成熟和已经广泛使用的电信网络基础上，将传统的语音传输业务与数据传输业务结合，这就出现了ISDN、X.25与WDM的研究与应用。早期，人们利用电话交换网PSTN的模拟信道，使用调制解调器完成计算机与计算机之间的低速数据通信，1974年X.25网出现。随着光纤开始应用，一种简化呃X.25的网络（即帧中继网）得到广泛运用。数字数据网DDN是一种基于点-点连接的窄带公共数据网。这几种技术在早期的广域网建设中发挥了一定的作用。ATM网络的概念最初是从事电话交换与电信网工作的技术人员提出的，他们试图将语音与数据的传输放在一个网络中完成，并且覆盖从局域网到城域网的整个领域。但是这条技术路线是不成功的，尽管目前很多广域网的主干网使用了ATM技术，但是它的发展空间已经比较小。20世纪80年代，光波分复用WDM技术已在网络中出现。早期的SONET/SDH是为传统电信业务服务的，它并不适合传输IP分组。由于数据业务将成为未来电信业务的主体，而大多数运营商的传输网是SONET/SDH网络，出于经济原因，他们不会放弃大量既存的、成熟可靠的SONET/SDH技术。为了数据业务发展的需要，SDH的发展趋势是支持IP和以太网的接入，并不断融合ATM和路由交换功能，构成以SDH为基础的广域网平台，广域网发展的一个重要趋势是IPoverSONET/SDH。计算机网络研究人员把研究的重点放在物理层接口标准、数据链路层协议与网络层IP协议上。当局域网的以太网技术日趋成熟和广泛应用时，他们调整了高速局域网的设计思路，在速率为1Gbps的GE与10Gbps的10GE的物理层设计中，考虑利用光纤作为远距离传输介质，发展光以太网技术，将以太网技术从局域网扩大到城域网和广域网。目前看来，这条技术发展路线是十分成功的。1.1.4局域网技术的发展应用是推动局域网技术发展的真正动力。局域网技术的发展十分迅速，目前已在企业、机关、学校的信息管理和服务领域得到广泛的应用。1980年左右，以太网（Ethernet）与令牌环（TokenRing）网络、令牌总线（TokenBus）网络三足鼎立。1990年IEEE802.3标准中的物理层标准10Base-T的推出，使普通双绞线可以作为10Mbps以太网传输介质。在使用普通双绞线以后，以太网组网的造价降低，性能价格比大大提高，这就使得以太网在与其他局域网竞争中占据了明显的优势，同年以太网交换机产品面世，标志着交换式以太网的出现。以太网技术的发展有三个方向：1)提高以太网的数据传输速率，从10Mbps提高到100Mbps,甚至提高到1Gbps或10Gbps,甚至是100Gbps,但是它们的以太网帧结构都基本不变。在局域网工程领域中，人们经常将快速以太网（FastEthernet）、千兆以太网与10Gbps的以太网简称为FE、GE与10GE，而把10Mbps以太网简称为传统以太网，由于GE与10GE的物理层使用两种不同的协议，因此它既可以应用于局域网，又可以应用于可以为广域网与城域网中。2)将一个大型的局域网划分成多个用网桥或路由器互联的网络，这就导致了局域网互联技术的发展。网桥与路由器可以分隔网络之间的广播通信量与冲突域使每个网络作为一个独立的小型局域网。通过减少每个网络内部结点数的方法，使每个网络的网络性能得到改善，而每个子网的介质访问控制仍采用CSMA/CD方法。3)将共享介质方式改为交换方式，这就导致了交换式局域网技术的发展，交换局域网的核心设备是局域网交换机，它可以在多个端口之间同时建立多个并发连接。这就导致出现了两类局域网：共享式局域网（SharedLAN）和交换式局域网（SwitchedLAN）。在交换式局域网的基础上，出现了虚拟局域网（VirtualLAN，VLAN）。开放的以太网技术与标准，使它得到软件开发商与硬件制造商的广泛支持。网络操作系统NetWare、WindowsServer、IBMLANServer及UNIX操作系统的应用，使得以太网技术进入了成熟阶段，并得到广泛应用。1.1.5城域网技术的发展一、城域网概念的演变Internet的广泛应用推动了计算机网络与电信网络技术的迅猛发展，引起了电信业从语音业务为主，向基于IP网络、数据业务的综合数字业务类型的演变。各国信息高速公路的建设促进了电信产业的结构调整，出现了大规模的企业重组和业务转型。在这样一个社会需求的驱动下，电信运营商纷纷把竞争的重点和大量的资金，从广域网骨干网的建设，转移到高效、经济、支持大量用户接入和支持多种业务的城域网的建设之中，导致了世界性的信息高速公路建设的高潮，为信息产业的高速发展打下了坚实的基础。20世纪80年代后期，人们在计算机网络类型划分中，以网络覆盖的地理范围为依据，提出了城域网MAN的概念，同时将城域网的业务定义在城市地区范围内大量的局域网系统的互联上。根据IEEE802委员会的最初表述，城域网是以光纤为传输介质，能够提供