第1章 计算机网络 工 程基础

计算机信息及网络安全系列网络工程实战详解张敏波 等编著中国水利水电出版社第 1章 计算机网络工程基础【 本章要点 】 网络工程基本概念 网络体系结构及功能 常用的网络拓扑结构功能及选型 网络工程体系结构 网络工程中常用的主要网络技术1.1 网络工程概述1.1.1 网络工程的产生与发展1计算机网络的发展历史计算机网络技术的发展速度与应用的广泛程度是惊人的。计算机网络从形成、发展到广泛应用大致经历了近四十年的历史。纵观计算机网络的形成与发展历史，大致可以将它划分为四个阶段。（ 1）终端计算机网络。 （ 2）计算机计算机网络。 （ 3）开放式标准化网络。 （ 4）网络计算机的新时代。 2网络工程的产生企业网络规模越来越大、内部环节越来越多、功能要求越来越复杂。所有这些问题，远不是企业或政府部门内部 IT专业技术人员所能应付得了的。因此，网络工程系统集成商就在这样背景下被提出来。3网络工程的发展特点（ 1）软件和服务成为集成厂商竞争的焦点。 （ 2）硬件简约与突出软件价值的趋势。 （ 3）网络工程集成方式向多业务基于因特网的架构转变。 （ 4）网络工程系统集成主要朝着互联和高速的方向发展。 1.1.2 网络工程的基本概念1工程的含义及特点广义的工程，就是有一个明确的目标、有具体的开始和结束时间，在指定的组织领导下，按计划进行的工作。工程是一个比较大的工作，与其他一般的日常工作比较，工程具有如下几个特点。l 有明确的目标，并且这个目标在工程进行的过程中不能随意更改。l 有明确的开始时间和结束时间。当工程目标已经实现，或因工程目标不能实现而工程被终止时，就意味着工程的结束。l 有详细的规划，规划又分为不同的层次，如总体规划、初步设计、施工方案等。l 有通用的标准作为依据，如国际标准、国家标准、行业标准、地方标准等。l 有完整的技术文档资料，如可行性分析研究报告、总体规划设计、初步规划设计、施工方案设计、具体实施方案等。l 有法定或指定的工程负责人，并有完善的组织实施机构，如项目经理，承包商、领导小组或指挥部（或代建指挥部）等。l 有客观的监理措施和一套有效的验收标准。2网络工程的含义l 网络工程是工程的一个子概念，是一门综合学科，涉及系统论、控制论、管理学、计算机技术、网络技术、数据库技术和软件工程等领域。l 网络工程是研究网络系统的规划、设计与管理的工程科学，要求工程技术人员根据既定的目标，严格依照行业规范，制定网络建设的方案，协助工程招投标、设计、实施、管理与维护等活动。l 简单地说，网络工程就是组建计算机网络的工作，凡与组建计算机网络有关的事情都可以归纳在计算机网络工程中。网络工程实质上是将工程化的技术和方法应用于计算机网络系统中。即系统地、规范地、可度量地进行计算机网络系统的设计、构造和维护的全过程。 3网络系统集成的定义网络系统集成，是以用户的应用需求和资金规模为出发点，综合应用计算机和网络技术，选择各种软硬件产品，经过相关人员的集成设计、安装调试、应用开发等大量技术性工作和管理及商务工作，使集成后的系统成为能够满足用户的实际工作要求、具有良好的性能和合理价格的计算机网络系统。4网络工程的内容和目标通常，网络工程的内容包括如下四个方面。l 网络规划与设计。对计划建设的网络系统的类型规模、体系结构、硬件与软件、管理与安全等方面提出一套完整的技术方案和实施方案。l 网络硬件系统建设。主要包括计算机设备、网络设备和布线系统等硬件的集成。l 网络软件系统建设。主要包括网络操作系统、工作站操作系统通信及协议软件、数据库管理系统、网络应用软件和开发工具软件等的选择与安装。l 网络安全管理建设。主要包括网络管理与安全体系以及相应软件系统的组建。l 网络工程的目标，就是工程的建设方（业主或投资方）和施工方（系统集成商或承包商），要在遵守国家相关法律、法规，遵循国家标准和国际标准的前提下，完成网络工程的规划、设计、施工和验收等工作。1.1.3 网络工程的组织方式和组织机构1网络工程的组织方式一般来说，网络工程的组织方式大体有两种。l 政府机关统一实施的工程，一般指定主管领导，具体负责人，并成立相应的工程管理机构（或项目领导小组），自上而下开展实施。l 公司（或信息技术中心）承建的具体工程，一般采用项目经理制，由项目经理招聘人员，制定工作方案和系统集成，从头至尾负责工程的组织实施。2网络工程的组织机构对所有的网络工程进行抽象，归纳出一种通用的组织机构为三方结构，分别是工程投资方（甲方）、工程承建方（乙方）和工程监理方。这三方的基本关系如图所示。1. 2 计算机网络体系结构1.2.1 网络体系结构的基本知识1网络体系结构网络体系是为了完成计算机间的通信合作，把每台计算机互连的功能划分成有明确定义的层次，并规定了同层次进程通信的协议及相邻之间的接口及服务。网络体系结构是指用分层研究方法定义的网络各层的功能，各层协议和接口的集合。2标准的网络体系结构标准计算机网络体系结构有：（ 1） ISO。国际标准化组织（ ISO）是一个全球性的政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。 （ 2） ITU。国际电信联盟（ ITU）， 1865年成立于美国巴黎， 1947年成为联合国的一部分，成员来自于 188个国家，总部设在瑞士日内瓦。 （ 3） TIA。美国通信工业协会（ TIA）是一个全方位的服务性国家贸易组织。 （ 4） EIA。美国电子工业协会（ EIA）广泛代表了设计生产电子元件、部件、通信系统和设备的制造商以及工业界、政府和用户利益，在提高美国制造商的竞争力方面起到了重要的作用。 （ 5） IEEE。电气和电子工程师协会（ IEEE）由 1963年美国电气工程师学会（ AIEE）和美国无线电工程师学会（ IRE）合并开发的，是美国规模最大的专业学会。 1.2.2 OSI/RM参考模型1分层原则ISO将整个通信功能划分为 7个层次 ,分层原则如下：l 网络中各结点都有相同的层次。l 不同结点的同等层具有相同的功能。l 同一结点内相邻层之间通过接口通信。l 每一层使用下层提供的服务 ,并向其上层提供服务。l 不同结点的同等层按照协议实现同等层之间的通信。2 OSI/RM参考模型整个 OSI/RM模型共分七层，从下到上分别为物理层 (Physical Layer)、数据链路层 (Data Link Layer)、网络层 (Network Layer)、运输层 (Transport Layer)、会话层 (Session Layer)、表示层(Presentation Layer)和应用层 (Application Layer)，每层都为上一层提供服务，如图所示。OSI/RM的配置管理主要目标就是网络适应系统的要求。低三层可看作是传输控制层 ,负责有关通信子网的工作 ,解决网络中的通信问题。高三层为应用控制层 ,负责有关资源子网的工作 ,解决应用进程的通信问题。传输层为通信子网和资源子网的接口 ,起到连接传输和应用的作用。 ISO/RM的最高层为应用层 ,面向用户提供应用的服务。最低层为物理层 ,连接通信媒体实现数据传输。层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的 ,上层通过接口向下层提供服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。3 OSI/RM中计算机之间的通信信息流动过程4 OSI/RM各层功能（ 1）物理层。在网络中，物理层为执行，维护和终止物理链路定义了电子，机械，过程及功能的规则。（ 2）数据链路层。通过物理层提供的比特流服务 ,在相邻节点之间建立链路 ,对传输中可能出现的差错进行检错和纠错 ,向网络层提供无差错的透明传输。（ 3）网络层。网络层提供路由选择及其相关的功能，这些功能使得多个数据链路被合并到互联网络上，这是通过设备的逻辑编址（相对应的是物理编址）完成的。（ 4） 传输层。传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。（ 5）会话层。又称为会晤层 ,是利用传输层提供的端到端的服务向表示层或会话层用户提供会话服务。（ 6）表示层。（ 7）应用层。应用层是开放系统互连模型的高层。为用户提供最直接的服务，即网络与用户应用软件之间的接口服务。如文件传输，电子邮件， WWW服务，多媒体传输等都属于应用层的范畴。 1.2.3 TCP/IP体系结构1 TCP/IP的体系结构TCP/IP参考模型是一个抽象的分层模型，包括应用层（ Application Layer）、传输层 (Transport Layer)、网络层（ Internet Layer）和网络接口层（ Network Interface Layer），如图 1-4所示。2 TCP/IP模型各层的主要功能（ 1）网络接口层。网络接口层不是 TCP/IP协议的一部分，但它是 TCP/IP赖以存在的各种通信网和TCP/IP之间的接口，这些通信网包括多种广域网如 ARPANFT、 MILNET和 X.25公用数据网，以及各种局域网，如 Ethernet、 IEEE的各种标准局域网等。 IP层提供了专门的功能，解决与各种网络物理地址的转换。（ 2）网络层。网络层负责相邻计算机之间的通信。 （ 3）运输层。运输层是整个 TCP/IP体系结构的控制部分，负责应用进程之间的端到端的通信。 （ 4）应用层。 TCP/IP的上三层与 OSI参考模型有较大区别，也没有非常明确的层次划分 ,它直接面对用户的具体应用。 3 OSI/RM和 TCP/IP模型的比较两者的共同点：l 解决异构网络的互连问题。l 采用了分层结构的思想。l 各层次的划分和所应用的协议功能大体相同。两者的不同点：l OSI参考模型体系结构清晰， TCP/IP把功能描述与实现细节混杂起来。如果需要分析更普遍的网络通信问题， OSI模型能起到更好的效果。l OSI详细的定义和划分了各个层次的功能，特别是区分了物理层和数据链路层； TCP/IP却只用一个网络接口层来代替。l OSI提供了面向连接和面向无连接的服务，提供了较高的可靠性； TCP/IP降低了可靠性。l OSI造成了协议复杂、效率低下和现实困难； TCP/IP设计目的单一协议简单而有效，可操作性强。1.2.4局域网体系结构1 IEEE 802标准IEEE 802标准之间的关系如图所示。2 IEEE 802局域网参考模型局域网参考模型只对应 OSI/RM参考模型的物理层和数据链路层，它将数据链路层划分为逻辑链路控制 LLC子层和介质访问控制 MAC子层。 IEEE 802标准所描述的参考模型与 OSI参考模型关系如图所示。 3局域网体系结构局域网与广域网相比，有两个主要技术特点：l 局域网中不存在数据交换，不用选择路径，因而不需要 OSI模型的网络层及以上功能层次，只有 OSI模型中的低两层，即物理层与数据链路层；l 在局域网中，可用带有物理地址的数据帧传送数据，降低寻址、地址转换等方面的工作量。局域网体系结构如图所示。1. 3 计算机网络的拓扑结构1.3.1总线型拓扑结构总线型拓扑结构如图所示。 1.3.2 星型拓扑结构星型拓扑结构如图所示。 1.3.3 环型拓扑结构环型拓扑结构如图所示。 1.3.4 混合型拓扑结构总线型拓扑结构、星型拓扑结构和星型拓扑结构是计算机网络工程中常用的 3种基本结构。但在实际的应用中，往往并不采用单纯的某一种结构，而是在 3种基本结构的基础上的扩展，也称混合型结构。 树型拓扑结构1.3.5 网络工程拓扑结构的选型一个网络工程需要按照目标选择网络类型，而网络拓扑结构必须与所选的网络类型相匹配。如当计算机台数较多或可靠性要求高时，优先考虑采用星型或树型网络连接；对于少数几台距离较远或可靠性要求不高、共享任务不繁重的，考虑用一根电缆进行总线型连接。1网络工程规模与网络拓扑结构选型的关系当计算机网络工程需要确定使用哪种网络拓扑结构时，应该考虑是否有其他网络与这个网络连接。一个小规模的网络工程除了与外部因特网相连外，也许不会与其他网络连接。而大型网络工程将包含多个互连的网络。有些网络拓扑结构会提供比其他拓扑结构性能更好的网络互连性。因此，网络工程的规模直接影响网络拓扑结构的选型。2网络拓扑结构影响网络系统的发展网络工程设计中安全是重要的问题，通常保护数据只能由授权的用户来访问。安全的网络使用网络设备、密码、控制软件和其他技术来限制对信息和资源的访问。例如，采用安全性高的光纤电缆，网络设备和服务器放在受限制的地点等提高网络安全的物理措施。这些安全的物理措施的实现与网络拓扑结构的选择有非常密切的关系。网络拓扑结构的选型，直接决定了网络安全性，同时也影响网络系统的潜在发展。1. 4 网络工程体系结构l 网络工程体系结构如图所示。 1.4.1 网络环境支持平台网络环境支持平台指为保障网络安全、可靠、正常运行所必须采取的环境保障措施，主要包括网络机房建设、网络传输基础设施和网络拓扑结构等。1.4.2 网络通信与服务硬件平台网络通信与服务硬件平台是整个网络工程的支撑平台，主要包括网络和通信两大部分。1.4.3 网络资源与应用软件平台1.4.4 网络系统安全与管理平台1. 5 网络工程的主要网络技术1.5.1 网络工程所使用的主要技术一般网络工程项目中使用的技术主要有网络软件、网络设备互联、综合布线、网络存储、服务器、网络接入、网络安全与管理等技术。1.5.2 网络工程技术发展趋势和新技术网络工程建设活动，随着技术的不断发展，会变得越来越规范和成熟。下一代网络的发展和网络新技术的出现，将是网络工程发展的新趋势。新的网络技术，必将在网络工程的实施和应用中具体体现。未来的网络工程发展趋势主要集中体现在 IP网络和光网络的融合方面。下一代网络将具有高带宽、大容量及足够的地址资源等重要特征。1.6 本章小结本章概