网络基础及其教程 15

杜庆伟网络工程第一章概述目录1.1网络工程概述1.2网络现状概括1.2.1网络的构成1.2.2当前网络技术的基本概括1.2.3网络互连的示意图1.2.4网络的分层1.3网络的一些主要设备1.4网络的主要技术指标1.5注意事项硬件实体分为两类结点（node）链路（link）链路用来传递信息如同高铁的轨道如铜缆、光纤、电磁波等在设计一个网络时要对传输介质进行界定把通信类比于道路建设规划有线链路相当于陆地交通设施，无线链路当于航空/天交通设施马路宽度对应于介质能提供的信道带宽车道方向的规划对应于是否全双工红绿灯和各种交通规则相对于物理网络对通信过程的控制按规定铺设马路、架设交通设施对应于集成商提供符合规定的设备结点结点按照功能分为两类提供面对面服务的结点，如计算机/服务器、手机等，叫端系统（endsystem），被称为网络的边缘部分。辅助网络完成数据通信的中间结点，一般指路由器（相当于中转站）。由路由器以及路由器之间连接的链路所组成的部分称为网络的核心部分边缘部分实现资源共享核心部分是为边缘部分提供服务的，属于基础设施有专家很早提出的一个原则，“边缘智能，核心简单”目录1.1网络工程概述1.2网络现状概括1.2.1网络的构成1.2.2当前网络技术的基本概括1.2.3网络互连的示意图1.2.4网络的分层1.3网络的一些主要设备1.4网络的主要技术指标1.5注意事项1.网络范围分类下的概括网络可以被分为广域网、城域网、接入网、局域网等广域网和城域网广域网和城域网一般都是大型电信公司提供的这些网络是公用网有线的广域网/城域网中，同步数字体系（SDH）占有重要的地位，光以太网发展迅速而4G、5G等蜂窝通信网属于无线广域网局域网产生了很多的产品，多数都被淘汰了目前的有线局域网主要是交换式以太网无线局域网则是Wi-Fi接入网有线接入网可分为铜线接入网、光纤接入网等一个重要技术是以太接入网光纤接入方式正在快速的发展接入技术应该有用户认证的功能，方便对用户上网进行计费和管理2.网络拓扑结构分类下的概括拓扑本身是一个几何学的范畴研究几何图形特性的方法，忽略大小、距离等具体因素而网络的拓扑结构是一种基于抽象的方法只是告诉我们一个网络的几何形状是什么样的具体网络是如何连接和如何工作的，不同的网络有不同的实现方法，即便它们可能具有相同的拓扑结构根据拓扑结构，网络可以分为总线型、环状、星状、树状、网状等目录1.1网络工程概述1.2网络现状概括1.2.1网络的构成1.2.2当前网络技术的基本概括1.2.3网络互连的示意图1.2.4网络的分层1.3网络的一些主要设备1.4网络的主要技术指标1.5注意事项城市之间必然以广域网连接假设城市之间采用了点到点拓扑假设城市内部采用了环状拓扑各单位可以组建自己的网络小的网络可以是一个局域网单个局域网无法满足大单位的需求，形成了园区网园区网内可以采用广域网的技术园区网有可能是一个桩网络如果希望联入互联网，都需要接入网互联网就是由各种物理网络为主体网状网拓扑园区网为某单位所构建的一个实现通信和各种资源共享的基础结构通常包括若干局域网，可大可小通常使用互联网的标准和技术组织内部的专用网络——内联网（Intranet）不同单位通过互联网将多个内部网络连接起来的网络——外联网（Extranet）园区网是网络工程主要的建设对象目录1.1网络工程概述1.2网络现状概括1.2.1网络的构成1.2.2当前网络技术的基本概括1.2.3网络互连的示意图1.2.4网络的分层1.3网络的一些主要设备1.4网络的主要技术指标1.5注意事项分层的结构具有扩展性好的优点互联网也是分层的主干网络——backbonenetwork又称为骨干网通常是大容量、大带宽的网络主要用于在中远距离上连接其他网络中国拥有九大骨干网中国公用互联网、中国科技网、中国教育和科研网、中国金桥、中国联通、中国网通、中国移动等是一级的互联网服务提供者/商（ISP），下面可以支持二级ISP、三级ISP...，并在不同级别上进行多方面的互联。园区网也可以通过分层的思想进行构建越靠近核心的部分，应该越快不仅仅是带宽大就可以满足要求的往往需要有更加复杂的技术和设计冗余、流量均衡、路由策略等目录1.1网络工程概述1.2网络现状概括1.3网络的一些主要设备1.3.1以太网交换机1.3.2虚拟局域网与多层交换机1.3.3路由器1.3.4服务器1.4网络的主要技术指标1.5注意事项1．以太网的发展以太网最初是总线型拓扑双绞线/星状拓扑结构以其方便的工程能力使以太网很快转型星型网络的中心设备最初是集线器（Hub）也称之为傻Hub、哑Hub、多口中继器基本等同于总线型以太网中的中继器/转发器只对信号进行简单的整形、放大后再重发工作在半双工方式下同样需要遵循5-4-3原则每个站到集线器的距离不超过100m现在不建议采用集线器冲突域太大以太网交换机可以有效地减小冲突域极大地提高以太网的总带宽已成为网络建设中最常见的设备较高档次的以太网交换机还支持网络管理的功能市面上常称该设备为交换机，实际上是不太规范的称呼2．以太网交换机的特性接口间相互独立，只在必要时才关联起两个接口每个接口都是一个独立的冲突域实现了自学习功能，使用起来非常简单可能在交换式以太网中形成回路进而引起数据帧在网络中死循环式的转发所以需要配置以太网交换机的生成树功能（IEEE802.1d规范）采用大量以太网交换机构成的网络，构成生成树的过程需要较长时间，另外加上广播通信的原因，导致以太网交换机仅适用于规模不大的网络构建3．以太网交换机的接口双绞线以太网接口，RJ-45接口，也称为电接口10Base-T，100Base-TX（2对5类线）、100Base-T4（4对双绞线）、1000Base-T等以太网数量一般是8的倍数光纤接口100Base-FX、1000Base-SX（多模光纤）、1000Base-LX（单模光纤）配置口本地配置的控制台接口（Console）远程配置的Auxiliary接口（AUX），需拨号24个以太网RJ-45接口4对Combo接口4个1000Mb/s以太网光接口管理接口和控制台接口RJ-45接口USB接口，该接口连接U盘可用于开机、传输配置文件、升级有的交换机还有若干模块的插槽4．以太网交换机的内部组成以太网交换机和路由器等实际上是专门用于通信的计算机硬件一般都包括中央处理器、随机存储器、只读存储器、可读写存储器、多类外部接口、插槽、电源等软件通常是指设备专用的操作系统，称之为NOS（NetworkOperatingSystem）如华为的操作系统是VRP（VersatileRoutingPlatform）锐捷的是RGOS（锐捷通用操作系统）中兴的是ROSng（RouterOperatingSystemNextGeneration）H3C的是Comware思科的是IOS（Inter-networkOperatingSystem）5．以太网交换机的分类按应用规模划分企业级交换机‌‌部门级交换机‌‌工作组交换机‌桌面型交换机根据物理结构划分

独立式交换机较为简单的设备堆叠式交换机将多台以太网交换机组合成一台“巨型”交换机交换机的背板通过专用模块聚集在一起堆叠式交换机的总背板带宽是几台交换机的背板带宽之和只有可管理的、相同型号的特定交换机才具有堆叠功能有些堆叠技术下，交换机按照功能的不同可以分为三种角色主交换机（Master），负责管理整个堆叠，只有一台备用交换机（Standby），是主交换机的备份交换机，只有一台从交换机（Slave），其他成员交换机，可以有多台当主交换机宕机后备用交换机作为新的主交换机主交换机收集所有成员的拓扑信息，计算出堆叠转发表项和破环点信息，下发给所有成员交换机，并为所有成员分配堆叠ID在从交换机中再选举一个作为备用交换机模块化交换机具有较复杂的背板各模块根据需要选配插入背板，提供不同的功能电接口模块‌光接口模块管理模块‌交换矩阵模块‌电源模块等模块化交换机具有良好的扩展性但是如果所有模块共享一个电源，则当电源发生故障时，所有模块均无法工作所以，如果将其作为关键设备，建议选用双电源、双背板的结构相对来说，堆叠式交换机不会同时发生故障6.以太网交换机接口的标识现在的交换机一般采用“接口类型接口号”的编号规则常见的接口类型Ethernet（10Mb/s以太网）FastEthernet（100Mb/s以太网）GigabitEthernet（1000Mb/s以太网）等路由器还包括串行接口（串口，Serial）接口号一般分为3节：槽位号（堆叠号）/子卡号/接口序号有的设备只有2节非堆叠的情况下，槽位号取值为0堆叠的情况下，堆叠号表示本交换机的堆叠ID子卡号表示交换机支持的子卡号接口序号表示本接口在交换机上的编号例如GigabitEthernet1/0/3：千兆以太网的1/0/3接口可以简写为giga1/0/3、g1/0/37.以太网交换机的链路聚合链路聚合（Trunk）可以形成更大带宽，避免成为瓶颈可以将两条以上的以太网链路组合起来成为更高带宽的链路实现负载共享的能力通过对相关接口进行设置来实现这些接口也被称为聚合接口链路聚合的功能以太网交换机根据接口负载分配策略来决定将数据帧从哪一个接口进行发送例如，可以根据数据的源/目的MAC地址（甚至源/目的IP地址）进行流量平衡以太网交换机检测到其中一个接口/链路故障时，停止从此接口发送，根据负载分配策略在剩下的接口中重新计算发送接口故障接口恢复后再次担任收发工作在未使用链路聚合的情况下百兆接口决定了两交换机之间的最大带宽可达200Mb/s容易形成瓶颈如果希望获得更高的带宽怎么办？一种方法是升级为千兆以太网一种方法是使用链路聚合技术，将3个接口通过聚合达到600Mb/sWhy!?回答我lookmyeyes!聚合方式静态聚合手工配置动态聚合系统自动创建/删除的聚合只有连接到同一类设备、有相同基本特性（如带宽）和配置的接口才能聚合。即使只有一个端口也可以创建动态聚合，此时为单端口聚合IEEE802.3ad链路聚合控制协议（LACP）用来规范链路的动态聚合双方周期性地通过协议交换本端（Actor）和对端（Partner）的聚合信息被选中的成员链路可以正常转发流量聚合链路上的流量会按照一定的规则分担到各个选中的成员链路8．生成树协议因为以下原因，会造成网络中出现链路环路为了提高网络的可靠性，人为设计冗余的链路网络在设计、维护中的疏忽无控制的链路环路会造成数据帧在环路中死循环IEEE802.1d标准制定了一个生成树协议STP来消除环路在网络中指定一个树根在逻辑上阻塞某些接口在网络中形成一棵树状逻辑拓扑当链路故障时，可以重新打开被阻塞的接口，找到其他的路径以太网交换机需要完成以下功能发现网络中是否存在环路如有环路，将其中一个设为主链路，其他为备用链路正常时，只通过主链路发送数据帧。定期检查链路的状况如发现主链路故障，启用备用链路即便如此，也需要严肃地对待网络【案例1-8】那霸市政府网络故障2024年4月，日本那霸市政府员工在移动主机时，发现多出了一个以太网接头，于是“我也搞不清楚，干脆插在这里吧”，将本应插在主机上的网线插在了网络设备上，导致了那霸市政府网络出现了大规模的网络故障。生成树协议三种模式生成树协议STPIEEE802.1d定义，以太网交换机的默认模式网络拓扑改变时，要经过较长的一段时间（如50秒）才能够收敛快速生成树协议（RapidSTP，RSTP）IEEE802.1w在IEEE802.1d的基础上进行的改进使收敛速度快很多向下兼容STP协议多生成树协议（MultipleSTP，MSTP）扩展自RSTP在网络中建立多个独立的生成树每个生成树自己的拓扑结构，数据转发路径更加灵活目录1.1网络工程概述1.2网络现状概括1.3网络的一些主要设备1.3.1以太网交换机1.3.2虚拟局域网与多层交换机1.3.3路由器1.3.4服务器1.4网络的主要技术指标1.5注意事项1．虚拟局域网并不是真正的网络，而是一种增值服务由局域网的一部分主机所构成的、与物理位置无关的逻辑组每个VLAN表现得和局域网相似构成VLAN的站点不必拘泥于所处的物理位置VLAN具有的优点隔离广播且不需要增加额外的设备和布线简化网络管理用户所属逻辑组与物理位置不再紧耦合在交换机上通过配置即可完成，非常便于网管员进行管理提高网络的数据安全性一个VLAN中的站点通常不能接收到另一个VLAN中的数据，除非经过特殊的设置实现VLAN之间的通信802.1Q协议802.1P协议——802.1Q的扩展三层交换机也称为路由交换机2．划分VLAN的方法

1）基于接口划分VLAN较为实用和常见的一种方法，配置简单灵活性不是很好2）基于MAC地址划分VLAN根据主机的MAC地址来进行VLAN的划分设置过程比较麻烦3）基于IP地址划分VLAN根据主机的IP地址（隐含了网络号）自动分析主机属于哪一个网络，并按网络号将其划归到不同的VLAN里即便主机的网卡被更换（MAC地址变化），只要IP地址不变，也不会改变主机所属的VLAN要求以太网交换机要超越数据链路层去理解网络层的内容3．不同VLAN间的通信——高层交换机一般来说，如未做相关设置，VLAN间无法通信的VLAN间实现通信包括以下方法基于路由器的通信基于三层交换机的通信，需要借助三层交换机基于路由器的通信ABCD开发部市场部VLAN10VLAN20广播域广播域49多层交换机目前市场上有许多三层交换机（甚至更高层的交换机，统称为多层交换）产品将一部分路由功能集成到了二层以太网交换机中通常是采用专用集成电路技术固化在硬件中，实现两者的有机结合三层交换机多用于园区网中园区网中的路由比较简单，但要求数据交换速度快一次路由、多次交换四层交换机可根据传输层的端口号确定目的地使管理员可以限制某些应用程序的流量例如，减少Web的流量，而给视频会议设置更高的流量支持4.接口的类型Access类型接口只能属于1个VLAN一般用于连接主机Trunk类型接口可以属于多个VLAN一般用于交换机之间的连接Hybrid（混合）类型可以用于交换机之间的连接，也可以用于连接用户的主机目录1.1网络工程概述1.2网络现状概括1.3网络的一些主要设备1.3.1以太网交换机1.3.2虚拟局域网与多层交换机1.3.3路由器1.3.4服务器1.4网络的主要技术指标1.5注意事项1．概述不能只想到Wi-Fi路由器Wi-Fi路由器是一种非常简单的路由器网络中大部分的路由器是专用的计算机（比较昂贵）类比高铁路由器就犹如高铁火车站（包括附近的道岔系统，是一个中转站），把火车从一段轨道转到另一段轨道上两个火车站之间的轨道可以类比为一个物理网络高铁站可以作为交通枢纽转乘地铁、公交车等（假设为无缝换乘）相当于路由器连接了不同类型的物理网络配置默认网关主机希望把数据发给另一个网络中的主机时首先需要发送给与本局域网直接相连的路由器因此在为主机配置IP地址等信息时，需要配置默认网关的IP地址如同出发到外地旅游时，人们需要知道哪里可以得到最近的交通站点路由器的工作路由器接收到数据后，根据路由表的指示，向目的方进行接力式的传递路由表的生成需要依靠路由算法的运行。路由器的主要指标吞吐量、转发速度、时延、支持的通信协议、支持的路由协议、网络接口类型、路由表容量、路由协议收敛时间、对多播的支持、对QoS的支持和网管功能等路由器配置路由器配置的模式、配置命令的格式和交换机非常相似路由器不是一种即插即用的网络设备必须要由人工配置后才能正常工作最基本的配置是给每个接口配置IP地址，然后配置路由协议，让路由器根据相关算法构建路由表2．路由器的功能连接不同的物理网络如同公共交通的中转站。计算路由如同旅游公司为用户计算旅行线路要“通晓”不同物理网络的“方言”实现在不同物理网络上进行中转的工作（存储转发）具有一定的网络管理能力实现对它的配置、性能监视等。高铁站也需要管理子网隔离，抑制广播风暴在地铁中广播的寻人启事，不能扩散到其他的交通工具IP分组的差错处理及一定的拥塞控制机制实现对IP数据报的过滤和日志等3．路由器的分类——工作的侧重点接入路由器使家庭和小型企业连接到ISP，是一般用户最常见的设备企业级路由器连接校园或企业内部很多的网络，组成较为庞大的园区网企业级路由器越来越强大，很多自带防火墙、网络管理等功能骨干路由器不是为用户直接服务的，主要用来连接长距离骨干网能对少数链路进行高速的数据转发早期的企业级、骨干路由器由国外公司（如思科）垄断，非常昂贵目前国内公司（如华为、锐捷等）已占有了很多市场，并把价格拉了下来（几千，甚至更便宜，简直可以说又白菜化了）安全性也更加可信4.常见的硬件组成与交换机相比，路由器通常接口数目较少，种类多电信运营商的路由器除外，可具有几十、上百个接口总体上可以分为三大类局域网接口（包括电以太网口和光以太网口）配置管理类接口（ConsolePort和AuxiliaryPort）广域网接口有的路由器还具有模块插槽，为路由器扩展特定网络的接口和功能接口可以通过“槽位号/子卡号/接口序号”进行标识华为AR3260路由器是一款高性能、高可靠性的企业级路由器具备路由、交换、无线、语音、安全等功能正面从上至下3排，共5个槽第11、12槽位各1块电源模块13、14槽位为多功能插槽（图中空置）第15槽位为主控板槽位背面10个插槽根据需要可以插入E1模块、同步串口模块、CPOS模块、千兆以太网二层交换模块第15槽位的主控板是系统的控制和管理核心管理平面运行状态监控、环境监控、日志和告警信息处理、系统加载、系统升级等类似于铁路系统的管理层控制平面系统的协议处理、路由运算、转发控制、流量统计、系统安全等类似于铁路系统的调度部门数据平面高速数据通道，完成各个业务模块之间的数据交换功能类似于铁路系统的实际运输部门5.路由器的启动过程目录1.1网络工程概述1.2网络现状概括1.3网络的一些主要设备1.3.1以太网交换机1.3.2虚拟局域网与多层交换机1.3.3路由器1.3.4服务器1.4网络的主要技术指标1.5注意事项是网络服务的重要设备承担着存储、计算/处理大量数据的任务是用户业务信息化的核心必须具备计算性能高、可靠性高、I/O吞吐能力强、存储容量大、高带宽连网等特点往往需要使用一系列独特的硬件技术1.服务器的分类

1）按体系分类——按CPU和操作系统PC服务器与微机基本相似，针对网络应用定制了相关部件主要运行微软的服务器操作系统（WindowsServer系列）因为需要容纳更多的设备，机箱往往比PC大不少UNIX服务器通常使用RISC类型的CPU运行商业UNIX操作系统，如HP-UX、Solaris等Linux服务器。运行开源的Linux操作系统，可在广泛的硬件平台上运行2）按档次分类档次越高，各项性能越强大，更适合于大型关键应用领域超级服务器使用很多处理器或计算机所组织而成的计算系统如集群有大容量内存、高速磁盘阵列等先进的硬件配置应用更倾向于大规模的计算任务如搜索引擎、海量数据计算、深度学习、区块链、高性能计算（HPC）等也可以用于电子商务、金融等领域，多用于大型企业的数据中心中档服务器市场多数是UNIX服务器入门级服务器市场基本使用的是PC服务器3）按用途分类通用型服务器可以提供各种服务功能要兼顾多方面的应用需求，各单项性能较专用服务器差当前市场上最常见的服务器专用型服务器，如FTP服务器要求带宽高、磁盘容量大且访问速度快，对其他方面要求低人工智能（AI）服务器支持复杂的算法和模型训练，通常搭载GPU、FPGA（现场可编程门阵列）、ASIC等加速芯片，利用CPU与加速芯片的组合来满足人工智能类任务的计算需求4）按机箱结构分类台式服务器/塔式服务器与普通立式计算机类似的机箱“个头”较大机架式服务器通常安装在标准的19英寸机柜中有1U、2U、4U（1U=1.75英寸）等规格热耗大和风扇噪声大机房通常具有良好的冷却系统和多路供电系统刀片式服务器较低成本的服务器平台为特殊行业和高密度计算环境设计，最适合群集计算和网络服务每个刀片就是一块系统主板，类似于一台独立的服务器，运行自己的系统可以将这些主板集合成一个服务器集群刀片式服务器与机架式服务器并驾齐驱，是发展的一个重点2．处理器技术

1）指令系统复杂指令集计算机CISC设置一些功能复杂的指令实际上许多指令利用率很低，硬件浪费严重一些专家指出，指令越强大，处理器越复杂，执行操作也更慢精简指令集计算机RISC尽量简化指令系统，只保留功能简单、在一个节拍内完成的指令，并且尽量使用固定长度的指令将复杂的功能用多条指令实现，各指令利用率高，硬件成本较低RISC还采用了“超标量和超流水线结构”等技术，大大增强了并行处理的能力神威-太湖之光采用的就是64位RISC架构神威-太湖之光超级计算机安装了40960个自主研发的SW26010处理器峰值性能为12.5亿亿次每秒，持续性能为9.3亿亿次每秒2017年11月，全球超级计算机500强中，神威-太湖之光和天河二号连续第四次分列冠亚军不要留恋哥哥只是传说服务器的CPU分为以下两类以Intelx86为代表的CISC以Pow