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1、第2章 网络工程设计基础 Chapter 2 Basic for Design of Network Engineering,天津大学 计算机科学与技术学院饶国政 博士,2,本课程知识结构导学图,网络工程设计概述(2学时) 网络工程设计基础(4+2学时),基本概念、基本设备 简单组网技能,中型网络设计知识与技能 设计中型网络,大型网络设计知识与技能 设计大型网络,网络设计综合知识与应用,配置二层以太网交换机(2+4学时) 网络需求分析 (4学时) 结构化布线系统和机房设计(2学时),网络安全策略设计(2+0学时) 网络维护与测试(2+0学时) 设计性实验(0+10学时),路由器配置(2+4学时
2、) 企业网设计(4学时),回顾,网络工程定义 系统集成 网络工程的系统集成模型 问题：基本线性模型基础上的反馈意味着什么？ 网络系统的层次模型 问题：这个模型有什么用处？,3,4,教学提示,教学目的 通过学习因特网来感受网络设计的基本特点 理解链路和节点；理解因特网的5层结构，可以递归地通过互连“网络云”以构建任意大的网络 局域网可通过接入网和广域网形成更大规模的企业网，交换机和路由器最为关键 设计小型局域网极为直觉，通常用以太网技术实现 重点 节点和链路定义；因特网的层次结构；二层交换机的工作原理；路由器的选型；双绞线和光缆特性；以太网特点,5,要点Outline,网络的组成(What do
3、es network consist of ) 因特网网络结构(Structure of Internet) 二层交换机(Two-level switch) 路由器(Router) 高层交换机(High-level switch) 访问服务器(Access server) 联网物理介质(Networking physical media) 以太网技术(Ethernet technology) 案例教学(Case study),6,网络基本构件,从逻辑上讲，构成因特网的所有网络实体均可以被抽象为两种基本构件：称为链路的物理介质，和称为节点的计算设备,7,节点与链路的连接方式,点对点：一条物理链路
4、有时仅与一对结点相连 多点接入：多于两个结点共享同一条链路,8,网络的表示,用“网络云”来表示任意类型的网络 可以递归地通过互连“网络云”形成更大的“网络云”来构建任意大的网络 网络能通过网络的递归来构建,9,要点,网络的组成 因特网网络结构 二层交换机 路由器 高层交换机 访问服务器 联网物理介质 以太网技术 网络工程案例教学,10,因特网的层次结构,端系统/主机,国际,主干/国家,区域/中间层,桩/企业,经因特网服务提供商的连接,11,第一层 ISP,第一层 ISP,第一层 ISP,住宅用户,住宅用户,局域网,接入网,局域网,住宅用户,住宅用户,接入网,住宅用户,住宅用户,局域网,接入网,
5、几个名词,企业网是为企业提供信息传递和资源共享的计算机网络，它通常包括若干LAN 企业网是一个广义的概念，它通常可与校园网和园区网等名词互换使用 将因特网的标准和技术应用于企业网，就形成了用于企业内部的专用网络内联网(Intranet) 而与内联网相对应的是外联网(Extranet)，它是对内联网的扩展和外延,12,接入网,接入网是指在业务节点接口(SNI)和与其关联的每一个用户网络接口(UNI)之间，由提供网络业务的传送实体组成的系统 发展接入网技术包括两条技术途径： 通过对现有网络技术(如电话网、有线电视网、以太网、光纤网)进行改造 研制新技术，目前主要包括xDSL和无线接入技术,13,接
6、入网类型,拨号接入 xDSL 接入 光纤同轴混合网接入 光纤接入 无线接入,14,15,要点,网络的组成 因特网网络结构 二层交换机 路由器 高层交换机 访问服务器 联网物理介质 以太网技术 网络工程案例教学,16,网络基本互连设备和层次,有多种类型互连设备,在局域网中，中继器已退出历史舞台，集线器也正在淡出，而取而代之的是交换机的兴起,计算机网络和因特网概述,17,报文,段,数据报,帧,源,应用层 运输层层 网络层 链路层 物理层,目的地,应用层 运输层层 网络层 链路层 物理层,路由器,交换机,封装,18,网桥,可将两个或多个地址兼容的网段连接起来 其特点是： 具有过滤功能，减少网络拥塞
7、网桥扩展了LAN的有效长度 防止错误扩散，网桥隔断了某些潜在的网络故障 提高了安全性，具有相同安全性数据的主机放在相同网段上，再用网桥与其他部分相连 为了提供容错能力，可以用多个网桥连接网段；用了IEEE 802.1D “生成树算法”，有效防止回路的产生,19,网桥的自学习的功能,检查它收到的所有帧中的源主机的地址 根据接收帧的端口学习到主机所在的位置 如果网桥不知道接收方位于网桥哪一侧，它将向所有端口发送该帧,A,网桥,B,C,X,Y,Z,端口1,端口 2,当网桥启动时，路由表为空，一段时间后就能建立起所有主机与端口关系 为保持路由表信息正确性，表项将分配一个计时器。一旦超时，就丢弃这个表项
8、,能够增加总带宽,该交换机通过处理帧的MAC地址，从一个输入端向一个或多个输出端转发分组，增加了网络总带宽 一个单个的以太网段只能提供100 Mpbs的带宽，若输入与输出主机两两不同的话，则以太网交换机可提供100n/2 Mpbs的带宽（n为交换机上的输入和输出端口数目),20,此时这些主机之间能够同时进行双工通信，而不会相互干扰,如果没有源和目的地址间的冲突，其总带宽为n*10 Mb/s,生成树算法,复杂LAN中，无法知道整个网络的配置，交换机可能连接了多个网段，会在网络中形成回路 为提高网络可靠性，可能需要在网络中放冗余交换机，是否会导致产生广播风暴呢？,交换机中采用了IEEE 802.1
9、D规范，该算法防止形成逻辑上的回路，即使出现了物理回路 这意味着我们的设计中可以不顾及交换机可能出现的环路（需要对交换机进行相应的配置）,21,全双工技术,以太网的CSMA/CD机制，任何时候只允许一台设备成功发送。连接的站点越多，冲突越频繁 交换机每个端口只连接了一台主机，而且收发线路是分开的，只要参与通信的收发方不超过两个就不会碰撞,用一对千兆以太网线路连接两台百兆交换机，由于这两台交换机之间只有这一对线路，因此不会发生碰撞的，因此即使线路较长它们之间可采用双工方式进行无碰撞的通信 注意：只有全双工网卡和交换机才支持这种能力,22,23,交换机提高网络性能的场合,图a因交换机一次只允许一台
10、主机访问服务器，并不能提高网络吞吐量 图b因增加与服务器相连的交换机的端口数，性能将会得到改善,碰撞域 vs. 广播域,碰撞域描述了一组共享网络访问媒体的网络设备覆盖的区域 红色箭头表示冲突域，当然也是广播域,广播域是指广播分组直接到达的区域 若LAN交换机未划VLAN，它是一个广播域,解放军理工大学计算机系,陈鸣：网络工程设计,24,链路聚合技术和弹性链路,许多交换机通常支持链路聚合(Trunk)技术和弹性链路(Resilient Link)技术。链路聚合可将多个物理连接当作一个单一的逻辑连接来处理，它允许两个交换机之间通过多个端口并行连接同时传输数据，以提供更高的带宽、更大的吞吐量 两个普
11、通交换机连接的最大带宽取决于媒体的连接速度（双绞线为200 Mpbs）而使用链路聚合技术可以将4个200 Mpbs的端口捆绑后成为一个高达800 Mpbs的连接,25,CISCO Catalyst 2950的EtherChannel,可将两个设备间多条快速以太网或千兆以太网物理链路捆在一起组成一条设备间逻辑链路，从而达到增加带宽，提供冗余的目的。EtherChannel可以在交换机与交换机之间提供全双工带宽，速度可达到800Mbps（快速以太通道）,26,27,交换机类型,根据物理结构可分为： 独立式 堆叠式 模块化 根据功能可分为： 智能式 直通式 存储转发式,虚拟LAN(VLAN),在LA
12、N交换机基础上，采用网络管理软件构建的可以跨越不同网段、不同网络技术的端到端逻辑网络 只有构成VLAN的站点直接与支持VLAN的LAN交换机端口相连，才能实现VLAN功能,优点包括 限制广播，提高交换机性能 简化网络管理 简化网络结构，保护网络投资 提高网络的数据安全性,28,29,VLAN的一个设计实例,30,实现VLAN的方式及标准,基于端口的VLAN 基于MAC地址的VLAN 基于协议的VLAN 基于网络地址的VLAN 基于定义规则的VLAN 建立在801.d网桥基础上的802.1Q和802.1p是两个IEEE的标准，它为801.d增加了更多的智能 802.1Q根据VLAN标志符对数据帧
13、进行过滤，仅将帧发往特定的目的地址组去，而不是向所有结点洪泛 802.1p定义的组地址分解协议，被用于管理成员关系，以及在LAN的交换机或网桥中发布成员关系,31,要点Outline,网络的组成(What does network consist of ) 因特网网络结构(Structure of Internet) 二层交换机(Two-level switch) 路由器(Router) 高层交换机(High-level switch) 访问服务器(Access server) 联网物理介质(Networking physical media) 以太网技术(Ethernet technolog
14、y) 案例教学(Case study),路由器工作原理,IP层次互连设备仅有一种：即路由器 路由器通过处理IP地址来转发IP分组，形成一个虚拟通信网络，将异构的多种通信网络互连起来 ，并使 网络具有可 扩展性,路由器在网络层工作的两个过程 找到分组相应的出口，这可通过查找选路表即可 将分组从入口送到出口，这取决于路由器的体系结构,32,33,路由器外形,路由器体系结构,34,输入端口,输入端口,输出端口,输出端口,交换结构,选路 处理器,三种交换技术,35,X,Y,Z,A,B,C,内存,X,Y,Z,A,B,C,内存,总线,A,B,C,Z,Y,X,纵横制,三种交换结构的比较,经内存交换 若内存带
15、宽为每秒可写进或读出B个分组，则总的转发吞吐量必然小于B/2 经一根总线交换 总线带宽可达千兆比特/秒，则用于接入网或企业网的路由器来说，通过总线交换通常是足够的 经一个互联网络交换 使用一个更复杂的互联网络，具有最高的吞吐量,36,路由器分类,主要功能 转发 选路 与网络接口 网络管理 主要性能 按通信容量可分为为高档路由器、中档路由器和低档路由器 按其功用可分为接入路由器、边界路由器或主干路由器等,主要指标 吞吐量、转发速度、时延、所支持的通信协议、所支持的选路协议、网络接口类型、选路表容量、最长区配、选路协议收敛时间、对多播的支持、对QoS的支持和网管功能等,37,38,Cisco公司的路由器系列产品,Cisco公司是世界上最大的路由器厂商,小结,本章通过学习因特网来感受网络设计的基本特点 节点和链路定义 因特网的层次结构 二层交换机的工作原理 路由器的选型,39,作业,因特网具有哪几个层次？局域网、接入网和广域网各自对应于哪些层次？在哪个层次通常会使用哪种节点与链路？ 二层交换机具有哪些技术特点？适用的场合是什么？简述碰撞域和广播域的概念。,40,第2章 网络工程设计基础 Chapter 2 Basic for Design of Network Engineering,
