《系统架构设计师教程（第2版）》第2章-计算机系统基础知识-04-计算机网络

1. 基本概念

1.1 计算机网络的发展

1. 诞生阶段
   • 计算机网络定义：以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或资源共享的系统
   • 已具备网络的维形

20世纪 60年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统，典型应用是由一台计算机和全美范围内 2000 多个终端组成的飞机订票系统，终端是一台计算机的外围设备，包括显示器和键盘，无 CPU 和内存。随着远程终端的增多，在主机之前增加了前端机(FEP)。

2. 形成阶段
   • 计算机网络定义：以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体
   • 形成了计算机网络的基本概念

20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络，是以多个主机通过通信线路互联起来为用户提供服务。它兴起于 20 世纪 60 年代后期，典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPANET。主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机 (IMP) 转接后互联的。IMP 和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成资源子网。

3. 互联互通阶段
   • 计算机网络定义：具有统一的网络体系结构并遵守国际标准的开放式和标准化网络
   • 两种国际通用的体系结构：TCP/IP 体系结构、国际标准化组织的OSI体系结构

20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵守国际标准的开放式和标准化网络。ARPANET 兴起后，计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互联很困难，人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境，因此产生了两种国际通用的最重要的体系结构，即TCP/IP 体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。

4. 高速发展阶段
   • 以因特网为代表的互联网

20世纪90年代至今的第四代计算机网络，由于局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术，整个网络就像一个对用户透明的庞大的计算机系统，发展为以因特网 (Intermet)为代表的互联网。

1.2 计算机网络的功能

• 功能：

  • 数据通信
  • 资源共享
  • 管理集中化
  • 实现分布式处理
  • 负荷均衡

  概念：负荷均衡是指工作负荷(Workload) 被均地分配给网络上各台计算机系统。网络控制中心负责分配和检测，当某台计算机负荷过重时，系统会自动转移负荷到较轻的计算机系统来处理。

• 作用：计算机网络可以极大扩展计算机系统的功能及其应用范围，提高可靠性，在为用户提供方便的同时，减少了整体系统费用，提高了系统性价比。

1.3 网络有关指标

1.3.1 性能指标

• 速率
• 带宽

  两种不同的意义：

  • 其一，带宽是指一个信号具有的频带宽度。带宽的单位是赫兹(或千赫、兆赫、吉赫等)
  • 其二，表示网络的通信线路传送数据的能力。单位是“比特每秒”，记为b/s。

• 吞吐量

  概念：吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口) 的数据量。。

• 时延（延迟/迟延）

  • 概念：时延是指数据(一个报文、分组甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另-端所需的时间。
  • 组成：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延等组成。

• 往返时间

  • 概念：表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认(接受方收到数据后便立即发送确认) 总共经历的时间。

• 利用率
  • 信道利用率：信道利用率指信道被利用的概率(即有数据通过)，通常以百分数表示
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值

1.3.2 非性能指标

• 费用
• 质量
  • 决定因素：网络中所有构件的质量、构建网络的方式
  • 体现在：网络可靠性、网络管理简易性、网络性能等
• 标准化
  • 采用方式：通用的国际标准，特定的专用网络标准
  • 标准化优点：具有更好的互操作性，更易于升级换代和维护，更容易得到技术上的支持。
• 可靠性

  速率更高的网络要可靠地运行，则往往更加困难，同时所需费用也会更高。

• 可扩展性和可升级性

  网络性能越好，其扩展和升级的难度与费用往往也越高。

• 易管理和维护性

2. 通信技术

• 概念：计算机网络是利用通信技术将数据从一个结点传送到另一结点的过程。
  • 数据：指的是模拟信号和数字信号，它们通过信道来传输。
  • 信道
    • 物理信道：
      • 组成：传输介质、设备
      • 分类：根据传输介质的不同分为无线信道和有线信道
    • 逻辑信道：在数据发送端和接收端之间存在的一条虚拟线路，可以是有连接的或无连接的。逻辑信道以物理信道为载体。

2.1 信道

2.1.1 信息传递过程

• 信息传输概念：信源和信宿通过信道收发信息的过程
• 信息传递过程：信源---->发信机 —> 收信机 —> 信宿
  • 信道：是信息的传输通道。
  • 发信机：接收信源发送的信息，通过信号处理将信息转化成适合在信道上传输的信号，发送到信道上
  • 收信机：从信道上接收信号，将信息恢复出来发送给信宿。
• 信道带宽：可以通过信道的频率范围大小是信道的带宽

2.1.2 香农公式

• 信道容量：信道的最大传输速率
• 香农公式：

• C代表信道容量，单位是 b/s
• B代表信号带宽，单位是 Hz
• S代表信号平均功率，单位是 W
• N代表噪声平均功率，单位是 W
• S/N代表信噪比，单位是 dB (分贝)

• 提升信道容量
  • 可以使用比较大的带宽，降低信噪比
  • 使用比较小的带宽，升高信噪比

2.2 信号变换

2.2.1 发/收信机的信号处理

发信机：信源编码、信道编码、交织、脉冲成形、调制
收信机：解调、采样判决、去交织、信道译码、信源译码

2.2.2 信号变换

• 信源编码
  • 作用：形成数字信号
  • 方法：将模拟信号进行模数转换，再进行压缩编码(去除冗余信息)
• 信道编码
  • 方法：通过增加冗余信息以便在接收端进行检错和纠错
  • 作用
    • 解决信道、噪声和干扰导致的误码问题
    • 只能纠正零星的错误，对于连续的误码无能为力
• 交织
  • 作用：解决连续误码导致的信道译码出错问题
  • 方法：将信道编码之后的数据顺序按照一定规律打乱，到了接收端在信道译码之前再通过交织将数据顺序复原，这样连续的误码到了接收端就变成了零星误码，信道译码就可以正确纠错了。
• 脉冲成形
  • 作用：为了减小带宽需求
  • 方法：将发送数据转换成合适的波形
• 调制
  • 将信息承载到满足信号要求的高频载波信号的过程

2.3 复用技术和多址技术

在一条信道上只传输一路数据的情况下，只需要如上文的信号变换即可，但如果同时传递多路数据就需要复用技术和多址技术。

• 复用技术：指在一条信道上同时传输多路数据的技术

  如TDM 时分复用、FDM 频分复用和 CDM 码分复用等。ADSL 使用了 FDM 的技术，语音的上行和下行占用了不同的带宽。

• 多址技术：在一条线上同时传输多个用户数据的技术，在接收端把多个用户的数据分离

  TDMA 时分多址、FDMA 频分多址和 CDMA 码分多址。多址技术还涉及信道资源分配算法，Walsh 码分配算法等。

2.4 5G通信网络特征

2.4.1 基于 OFDM优化的波形和多址接入

FDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：是一种数字信号调制技术，它将高速数据流分成多个低速数据流，并在不同的子载波上进行传输。

• 5G选择OFDM的原因
  • OFDM 技术可扩展至大带宽应用，具有高频谱效率和较低的数据复杂性，能够很好地满足5G要求
  • OFDM 技术可实现多种增强功能

2.4.2 实现可扩展的 OFDM间隔参数配置

• 通过OFDM子载波之间的15kHz间隔(固定的OFDM参数配置)，LTE最高可支持20MHz的载波带宽。
• 为了支持多种部署模式的不同信道宽度，5G NR 必须适应同一部署下不同的参数配置，在统一的框架下提高多路传输效率

5G NR 是一种基于 OFDM 的数字信号调制技术，它在 4G LTE 的基础上进行了进一步的演进和改进，旨在提供更高的数据传输速度、更低的延迟和更好的网络覆盖。

2.4.3 OFDM 加窗提高多路传输效率

为了相邻频带不相互干扰，频带内和频带外信号辐射必须尽可能小。加窗技术通过在信号的起始和结束部分添加一个窗函数来减少信号的失真和干扰。

2.4.4 灵活框架设计

5G NR 采用灵活的 5G 网络架构，进一步提高 5G 服务多路传输的效率。

2.4.5 大规模MIMO (Multiple-Input Multiple-Output )

• MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）是一种无线通信技术，它使用多个天线来发送和接收信号, 技术可以提高无线通信系统的容量、覆盖范围和可靠性。
• 2x2 MIMO：两个天线发送、两个天线接收。
• 3D 波束成型：是一种信号处理技术，它可以控制天线阵列发送或接收的信号的方向和形状。通过调整天线单元的相位和振幅，可以形成具有特定方向和形状的波束，从而提高信号的增益和方向性。

5G将2X2 MMO 提高到了4X4 MIMO。更多的天线也意味着占用更多的空间，要在空有限的设备中容纳更多天线显然不现实，只能在基站端叠加更多 MIMO。从目前的理论来看5GNR可以在基站端使用最多256 根天线，而通过天线的二维排布，可以实现3D 波束成型从而提高信道容量和覆盖。

2.4.6 毫米波

• 毫米波：将频率大于 24GHZ 以上的频段
• 优点：大量可用的高频段频谱可提供极致的数据传输速度和容量
• 缺点：使用毫米波频段传输更容易造成路径受阻与损耗（如：无法穿透墙体、波形和能量消耗等）

2.4.7 频谱共享

频谱共享：在不同的无线通信系统之间共享可用的频谱资源。
非授权频谱：指未经政府或其他权威机构授权或分配的无线电频谱。

• 用共享频谱和非授权频谱，可将 5G 扩展到多个维度，实现更大容量，使用更多频谱，支持新的部署场景。
• 5G NR原生地支持所有频谱类型，并通过前向兼容灵活地利用全新的频谱共享模式

2.4.8 先进的信道编码设计

• 低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check，LDPC)
  • 概念：LDPC码是一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码
  • 优点：性能逼近香农容量极限，实现简单，译码简单、可实行并行操作，适合硬件实现
• Polar 码：是一种前向错误更正编码方式。

3. 网络技术

3.1 局域网(LAN )

• 局域网 (Local Area Network，LAN) ：指在有限地理范围内将若千计算机通过传输介质互联成的计算机组(即通信网络)，通过网络软件实现计算机之间的文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。
• 局域网是封闭型的

3.1.1 网络拓扑

• 星状结构

  • 概念：网络中的每个结点设备都以中心结点为中心，通过连接线与中心结点相连。任意两个结点间的通信最多只需两步。
  • 优点：传输速度快、网络构简单、建网容易、便于控制和管理
  • 缺点：网络共享能力差，并且一旦中心结点出现故障则导致全网瘫痪

• 树状结构

  • 概念：树状结构网络也被称为分级的集中式网络，
  • 特点
    • 网络成本低，结构简单
    • 任意两个结点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输
    • 结点扩充方便、灵活，方便寻查链路路径
  • 缺点：除叶结点及其相连的链路外，任何一个工作站或链路产生故障都会影响整个网络系统的正常运行。

• 总线结构

  • 概念：将各个结点设备和一根总线相连
  • 总线作为连接各结点设备通信的枢纽，它的故障将影响总线上每个结点的通信。

• 环形结构

  • 概念：将网络中各结点通过一条首尾相连的通信链路连接起来，形成一个闭合环形结构网。
  • 特点：环形结构的网络中各结点设备的地位相同，信息按照固定方向单向流动，两个节点之间仅有一条通路，系统中无信道选择问题，任一结点的故障将导致物理瘫痪。
  • 缺点：不便于扩充，系统响应延时长，且信息传输效率相对较低

• 网状结构

  • 概念：网状网络中的任何结点彼此之间均存在一条通信链路
  • 优点：任何结点故障不会影响其他结点之间的通信
  • 缺点：网络布线较为烦琐，且建设成本高，控制方法复杂

3.1.2 以太网技术

• 以太网 (Ethernet)

  • 一种计算机局域网组网技术
  • IEEE 制定的IEEE 802.3 标准给出了以太网的技术标准
  • 规定内容：物理层的连线、电信号、介质访问层协议的内容

• 以太网帧结构：
  

  • DMAC：目的终端的MAC地址
  • SMAC：源MAC地址
  • Length/Type：
    • 字段长度是 2 字节
    • 值大于 1500，则代表该数据的类型
    • 值小于 1500，则代表该数据帧的长度
  • DATA/PAD：表示数据或填充数据
  • FCS则是帧校验字段，用于判断该数据帧是否出错。

• 最小帧长

  • 由于 CSMA/CD 算法限制，以太网的最小长度为 64 字节。如果实际数据不足 64 个字节，则高层协议必须进行填充
  • 设置最小帧长的原因

    避免发生某结点已经将一个数据包的最后一个 BIT 发送完毕，但这个报文的第一个 BIT 还未传送到距离较远的结点。这可能使得这些结点认为线路空闲而发送数据，导致链路上数据发送冲突。

• 最大传输距离

没有严格限制，由线路质量、信号衰减程度等因素决定。

• 流量控制
  • 网络拥塞：一般是由于线速不匹配和突发的集中传输而产生的，它可能导致延时增加、丢包和重传增加
  • 流量控制的作用：防止在设备出现阻塞情况下丢帧
  • 控制方法：
    • 在半双工方式下：流量控制通过反压 技术实现，模拟产生碰撞，使得信息源降低发送速度。
    • 在全双工方式下：当端口发生阻塞时，交换机向信息源发送“PAUSE”帧，告诉信息源暂停一段时间再发送信息。

3.2 无线局域网 (WLAN)

无线局域网 WLAN (Wireless LocalArea Networks)利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号。无线局域网所使用的关键技术，除了红外传输技术、扩频技术、窄带微波技术外还有一些其他技术，如调制技术、加解扰技术、无线分集接收技术、功率控制技术和节能技术无线局域网在室外主要有以下几种结构: 点对点型、点对多点型、多点对点型和混合型。与有线网络相比，无线局域网具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等优点。

3.2.1 WLAN 标准

• IEEE 802.11标准：最早的无线局域网技术标准，速率可达 11Mb/s
• IEEE 802.11a标准 ：传输速率可达到 54Mb/s
• IEEE 802.11g 标准：兼容IEEE802.11b标准，工作于免费的 2.4GHz频段，传输速率同IEEE802.11a 但更便宜。
• IEEE802.11n 标准：传输速率可达 200Mb/s 以上。

3.2.2 WLAN 拓扑结构

在 WLAN 中，通常使用的拓扑结构主要有 3 种形式: 点对点型、HUB 型和全分布型。这3种结构解决问题的方法各有优缺点，目的都是让用户在无线信道中，获得与有线 LAN 兼容或相近的传输速率。

1）点对点型

• 方法：单频或扩频微波电台、红外发光二极管、红外激光等
• 特点
  • 拓扑结构简单，采用这种方案可获得中远距离的高速率链路
  • 由于不存在移动性问题，收发信机的波束宽度可以很窄，虽然这会增加设备调试难度，但可减小由波束发散引起的功率衰耗。

2）HUB 型

• 组成：一个中心结点(HUB) 、若干外围节点
• 中心节点的作用：
  • 作为网络管理设备，为访问有线 LAN或服务器提供辑接入点，并监控所有节点对网路的访问
  • 管理外围设备对广播带宽的竞争，其管理功能由软件具体实现
• 是典型的集中控制式通信
• 优点：用户设备简单，维护费用低，网络管理单一
• 缺点：用户之间的通信延迟增加，网络抗毁性能较差（中心结点的故障容易导致整个网络的瘫痪）

3）完全分布型

完全分布结构目前还无具体应用，仅处于理论探讨阶段

3.3 广域网(WAN)

3.3.1 广域网的组成

• 通信子网
  • 通信结点设备：负责网络中数据的转发
  • 连接链路：用于承载用户的数据，一般分为传输主干链路和末端用户线路。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来构建，将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的资源子网是指网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合。
• 资源子网
  资源子网主要指网络资源设备如信息服务或业务服务器、用户计算机、网络存储系统、独立运行的网络数据设备、网络上运行的各种软件资源、数据资源等。

3.3.2 广域网相关技术

1）同步光网络

• 概述

  • 同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）是一种用于传输数字信号的通信技术标准。
  • 同步光网络 (Synchronous Optical Networking，SONET)是使用光纤进行数字化信息通信的一个标准。是ANSI制定的一种基于 SDH 的光传输网络标准

• 不同点

2）数字数据网

数字数据网 (Digital Data Network，DDN)利用数字信道提供半永久性连接电路以传输数据。它可以满足各类租用数据专线业务的需要。它具有传输速率高、传输质量高、协议简单、连接方式灵活、电路可靠性高和网络运行管理简便等优点。

3）帧中继（FR）

• OSI/RM：是国际标准化组织（ISO）制定的一种网络通信模型，描述了网络通信的层次结构和各层之间的关系
• X.25 网络：基于 OSI/RM 模型的第三层（网络层）协议，它提供了一种在不同网络之间传输数据的方法。

• 帧中继（Frame Relay，FR）：运行于OSI/RM的物理层和数据链路层，是一种广域网的数据包交换技术，是 X.25 网络的简化版本，但具有更高性能和传输效率
• 采用虚电路技术
• 特点：充分利用网络资源，具有吞吐量高，时延低，适合突发性业务等

4）异步传输技术

• 异步传输模式 (Asynchronous Transfer Mode，ATM)是以信元为基础的面向连接的一种分组交换和复用技术。
• 信元
  • 不仅是传输的基本单位，也是交换的信息单位。
  • 长度固定(53 个字节)，可高速地进行处理和交换
  • 典型速率为 150Mb/s

3.3.3 广域网的特点

• 主要提供面向数据通信的服务，支持用户使用计算机进行远距离的信息交换。
• 覆盖范围广
• 由电信部门或公司负责组建、管理和维护，并向全社会提供面向通信的有偿服务等

3.3.4 广域网的分类

• 公共传输网络

一般是由政府电信部门组建、管理和控制，网络内的传输和交换装置可以提供(或租用)给任何部门和单位使用。公共传输网络大体可以分为电路交换网络和分组交换网络两类。

• 专用传输网络

是由单个组织或团体自己建立、使用、控制和维护的私有通信网络。-个专用网络起码要拥有自己的通信和交换设备，它可以建立自己的线路服务，也可以向公用网络或其他专用网络进行租用。专用传输网络主要是数字数据网 (DDN)。DDN 可以在两个端点之间建立一条永久的、专用的数字通道。它的特点是在租用该专用线路期间，用户独占该线路的带宽。

• 无线传输网络

主要是移动无线网，典型的有 GSM、TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000、LTE 和5G 等。

3.4 城域网(MAN)

3.4.1 概述

有源交换元件：是指在通信系统中能够对电信号进行放大、调制、解调等处理的元件。

• 特点
  • 采用有源交换元件的局域网技术，网络中传输时延较小
  • 传输媒介主要采用光缆，传输速率在 100 Mbs 以上
• IEEE 802.6是城域网（MAN）标准，而“分布式队列双总线”（DQDB）是这个标准中的一个特定实施方案。

3.4.2 城域网3个层次

• 核心层

主要提供高带宽的业务承载和传输，完成和已有网络(如ATM、FR、DDN、IP 网络)的互联互通，其特征为宽带传输和高速调度

• 汇聚层

主要功能是给业务接入结点提供用户业务数据的汇聚和分发处理，同时要实现业务的服务等级分类。

• 接入层

接入层利用多种接入技术，进行带宽和业务分配，实现用户的接入

3.5 移动通信网

3.5.1 移动通信网发展

• 1G：采用模拟信号传输。

将电磁波进行频率调制后，将语音信号转换到载波电磁波上，载有信息的电磁波发布到空间后由接收设备接收，并从载波电磁波上还原语音信息，完成人与人之间的通话

• 2G：移动通信采用数字调制技术，速率为9.6~14.4kb/s，可传输文字信息。
• 3G ：在延续2G数字数据传输技术的基础上，开辟新电磁波频谱及新标准，使得传输速率可达 384kb/s。
• 4G：采用更先进的通信协议和技术
• 5G：不再由某项业务能力或者某个典型技术特征加以定义

3.3.2 5G网络的主要特征

1）服务化架构

为满足 5G 时代行业应用的差异化需求，网络需要具备软件快速选代和升级的能力，以加快业务创新，低成本试错，实现商业敏捷，3GPP (3rd Generation PartmershiProject)在 5G 核心网中引入了 SBA (Service-based Architecture) 服务化架构，实现网络功能的灵活定制和按需组合。图 2-21 给出了5G 网络的系统架构。
在5G通信系统中涉及的主要网元 NF (Network Function) 如图2-21所示，其中控制面NP包括:认证服务功能(Authentication Server Function，AUSF)，接入和移动性管理功能 (Accessand Mobility Management Function， AMF)，网络能力开放功能(Network Exposure Function,NEF)，网络存储功能 (Network Repository Function，NRF)，网络切片选择功能 (NetworkSlice Selection Function，NSSF)，策略控制功能(Policy Control Function，PCF)，会话管理功能 (Session Management Function，SMF)，统一数据管理功能 (Unifed Data Management,UDM)，应用功能 (Application Function，AF) 等。用户面NF 包括用户面功能 (User PlaneFunction，UPF)，另外包括用户设备 (User Equipment，UE)，接入网或无线接入网 ((Radio)Access Network，®AN)等。数据网 (Data Network，DN )泛指运营商服务网络、Internet互联网或者是第三方服务网络等。它是 5G 通信系统要接入的业务网络。
5G系统控制面网元(如AMF、SMF、NRF、NSSF等) 之间采用服务化接口 (ServiceBased Interface，SBI) 互通，使HTTP 协议作为承载协议。其中AMF 和接入网(AN)采用点到点方式通信，使用 SCTP 协议作为承载协议，SMF 和用户面网元 (UPF) 之间采用点到点通信，使用UDP 协议作为承载协议。UPF 和 ®AN 之间采用点到点方式通信，使用UDP 作为承载协议。UDP 和DN之间基于 IP 协议通信。

2）网络切片

5G 时代网络服务的对象不再是单纯的移动手机，而是各种类型的设备，如移动手机、平板、固定传感器和车辆等:应用场景也更加多样化，如移动宽带、大规模物联网.任务关键型互联网等:要满足的要求也愈加多样化，如移动性、安全性、时延性和可靠性等.这便催生了网络切片的诞牛。通过网络切片技术在单个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络，极大地降低了建网和运维成本。图2-22 描
述了根据不同群体与不同需求(应用场景) 划分的不同网络切片。在图2-22 中，移动宽带(eMBB)的应用场景如面向4K/8K 超高清视频、全息技术、增强现实/虚拟现实等应用，对网络带宽和速率要求较高;海量大规模物联网(mMTC)的应用场景如海量的物联网传感器部署于测量、建筑、农业、物流、智慧城市、家庭等领域，这些传感器设备是非常密集的，规模庞大，且大部分是静止的，对时延和移动性要求不高;关键任务物联网(uRLLC)的应用场景如无人驾驶、车联网、自动工厂、远程医疗等领域，要求超低时延和超高可靠性。
为了满足5G 网络切片组网的需要，引入了 SPN (Slicing Packet Network) 技术，其中包括基于灵活以太网(Flexible Ethernet，FlexE)的硬切片技术。FlexE 基于 PHY 层的切片转发，提供刚性管道隔离，实现带宽灵活分配。基于 FlexE Cross-connection 的 FlexE Channel 则将业务隔离从端口级扩展到网络级，可对不同业务实现端到端子信道隔离，为 5G 承载网络切片提供景佳转发面支撑。同时，基于 FlexE Channel 技术的保护倒换能做到 1ms 以内，把电信级保护提到了工业控制级。

4. 组网技术

4.1 网络设备

4.1.1 常用网络设备

• 集线器（Hub）
  • 工作在 OSI 网络模型的物理层
  • 从一个端口收到的数据被转送到所有其他端口（无论与端口相连的系统是否准备好）
  • 集线器上联端口：用来将该集线器连接到其他集线器或路由设备，以便形成更大的网络
• 中继器（RP repeater）
  • 工作于OSI体系的物理层
  • 它接收并识别网络信号，然后再生信号，将其发送到网络的其他分支上。
• 网桥（Bridge）
  • 工作于 OSI体系的数据链路层
  • 早期的两端口二层网络设备，可隔离冲突域。被具有更多端口、同时也可隔离冲突域的交换机所取代。
• 交换机（Switch）
  • 工作在 OSI体系的数据链路层
  • 为接入交换机的任意两个网络结点提供独享的转发通路，将从一个端口接收的数据通过内部处理转发到指定端口
  • 交换机具备自动寻址和交换的功能，同时具有避免端口冲突、提高网络吞吐 (Throughput)的能力
• 路由器（Router）
  • 工作在 OSI体系结构中的网络层
  • 它可以在多个网络上交换和路由数据包
  • 路由器可通过在相互独立网络中交换路由信息以生成路由表来达到数据包的路径选择。路由表包含网络地址、连接信息、路径信息和发送代价等属性。
  • 通常用于广域网或广域网与局域网的互连
• 防火墙
  • 它通常作为网络的门户，为网络的安全运行提供保障

4.1.2 交换机

• 概念：交换机是一种基于 MAC 地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备

• 交换机功能

  • 集线功能：提供大量可供线缆连接的端口达到部署星状拓扑网络的目的
  • 中继功能：在转发时重新产生不失真的电信号。
  • 桥接功能：在内置的端口上使用相同的转发和过滤逻辑
  • 隔离冲突域功能：将部署好的局域网分为多个冲突域，而每个冲突域都有自己独立的带宽，以提高交换机整体宽带利用效率

  局域网中，冲突域通常是指一个物理网段或一个广播域。

• 基本交换原理

  • 交换机可以“学习”MAC 地址，并把其存放在内部地址表中
  • 通过在数据的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址

• 原理的实现

  1. 转发路径学习：根据收到数据中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，写入MAC地址表中。
  2. 数据转发：如果交换机根据数据中的目的 MAC 地址在建立好的 MAC 地址表中查询到了，就向对应端口进行转发
  3. 数据泛洪：如果数据中的目的 MAC 地址不在 MAC 地址表中，则向所有端口转发（也就是泛洪）
  4. 链路地址更新：MAC 地址表会每隔一定时间更新一次。

• 交换机协议

  • 生成树协议 (STP) ：解决链路环路问题
  • 802.3ad：提高链路可靠性，或提升与邻接交换设备之间端口带宽

4.1.3 路由器

• 路由器的功能：

  • 异种网络互连
  • 网协议转换：不同子网间包括局域网和广域网之间的协议转换
  • 数据路由：即将数据从一个网络依据路由规则转发到另一个网络
  • 速率适配：利用缓存和流控协议进行适配
  • 隔离网络：防止广播风暴，实现防火墙
  • 报文分片和重组：超过接口的 MTU 报文被分片，到达目的地之后的报文被重组

    MTU（Maximum Transmission Unit）是指在网络中能够传输的最大数据单元大小

  • 备份、流量控制：如主备线路的切换和复杂流量控制等。

• 路由原理

  • 工作在网络层
  • 主要任务是接收来源于一个网络接口的数据包
  • 根据此数据包的目地址决定待转发的下一个地址 (即下一跳地址)
  • 路由器中维持着数据转发所需的路由表

  • 所有数据包的发送或转发都通过查找路由表来实现
  • 路由表可以静态配置，也可以通过动态路由协议自动生成

• 路由器协议

  • 概念：路由协议(Routing Protocol) 是一种指定数据包转送方式的协议。
  • 原理：它运行在路由器上，可以让路由器自动学习到其他路由器的网络，并且在网络拓扑发生改变后自动更新其维护的路由表
  • 优点：相比人工配置转发策略、路由工作量大大减少，同时避免了人为配置可能带来的差错。
  • 分类：

    1. 内部网关协议

       • 概念：在一个自治系统AS (Autonomous System)内运行的路由协议称为内部网关协议 (Interior Gateway Protocol)。
       • 分类：
         • 距离矢量路由协议
           • 采用的是距离向量算法
           • 使用范围：小型网络
         • 链路状态路由协议
           • 如：IS-IS、OSPF
           • 采用链路状态算法
           • 使用范围：大型网络

    2. 外部网关协议

       • 在 AS 之间的路由协议称为外部网关协议 (Exterior Gateway Protocol,EGP)
       • 举例：边界网关协议 (BGP)

       AS（Autonomous System，自治系统）是指在互联网中具有独立管理和控制能力的网络实体。每个 AS 都由一组路由器和网络设备组成，并由一个或多个组织或机构负责管理。

4.2 网络协议

4.2.1 开放系统互连参考模型 (OSI/RM)

• 国际标准化组织 (Intermational Standard Organization，ISO)公布了开放系统互连参考模型
• 七层（低层至高）
  • 物理层 (PhvsicalLaver)
  • 数据链路层 (Datalink Laver)
  • 网络层 (Network Layer)
  • 传输层 (Transport Layer)
  • 会话层(SessionLayer)
  • 表示层(Presentation Layer)
  • 应用层 (Application Laver)

教材中多次提到 ISO/OSI和OSI/RM，并未区分，可以理解为一个概念

4.2.2 TCP/IP协议集

• TCP/P (Transmission Control Protocol /Internet Protocol) 是个协议族
• 8个主要协议
  • 因特网协议（IP)
  • 传输控制协议 (TCP)
  • 用户数据报协议 (UDP)
  • 虚拟终端协议 (TELNET)
  • 文件传输协议 (FTP)
  • 电子邮件传输协议 (SMTP)
  • 网上新闻传输协议 (NNTP)
  • 超文本传送协议 (HTTP)
• 网络协议模型（四层模型）
  • 网络接口层：
  • 网际层：IP、ICMP、ARP、RARP
  • 传输层：TCP、UDP
  • 应用层：FTP、Telnet（远程登录协议）、SMTP、NFS（网络文件服务协议）、SNMP（网络管理协议）

• ARP（Address Resolution Protocol）：用于将 IP 地址转换为物理地址（MAC 地址）
• RARP（Reverse Address Resolution Protocol）：用于将MAC地址转换为 IP 地址
• ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议）：用于在IP网络中传递控制消息，通常用于确认网络连接、诊断错误和提供其他网络监测功能。

4.2.3 OSI/RM 与 TCP/IP 模型的对比

5 网络工程

网络工程的三个环节

1. 网络规划

   网络规划是网络建设的首要环节，也是至关重要的步骤，同时也是系统性过程。网络规划需要以需求为导向，兼顾技术和工程可行性。网络规划包括网络需求分析、可行性分析以及对现有网络的分析(需对现有网络进行优化升级时)。

2. 网络设计

   网络设计是在网络规划基础上设计一个能解决用户问题的方案。网络设计包括网络总体目标确定、总体设计原则确定以及通信子网设计，设备选型，网络安全设计等。

3. 网络实施

   网络实施是依据网络设计结果进行设备采购、安装、调试和系统切换(需对原有系统改造升级时)等。网络实施具体包括工程实施计划、网络设备验收、设备安装和调试、系统试运行和切换、用户培训等。

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