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1、第三章网络逻辑设计,网络设计是一项复杂的创作，严格遵循稳定性、可靠性、可用性和扩展性的要求。本章重点介绍逻辑设计，介绍了逻辑拓扑结构设计、地址分配、广域网设计和路由协议的选择等基本知识。,本章重点,31网络设计的目标32拓扑结构设计33网络组件设计34 IP地址分配35 IP路由设计,31网络设计的目标,网络设计的目标如下：（1）最大效益下最低的运作成本；（2）不断增强的整体性能；（3）易于操作和使用；（4）增强安全性；（5）适应性；,网络设计的目标,P48,31网络设计的目标,为了实现上述目标，在设计过程中应综合权衡以下因素：（1）最小的运行成本；（2）最少的安装花费；（3）最高的性能；（4
2、）最大的适应性；（5）最大的安全性；（6）最大的可靠性；（7）最短的故障时间。,网络设计的目标,P48,321常见的网络拓扑结构,网络拓扑结构是指忽略了网络通信线路的距离远近和粗细程度，忽略通信节点大小和类型后仅仅用点和直线来描述的图形结构（图3-1）。,拓扑结构设计,P49,321常见的网络拓扑结构,1.总线型2.环型3.星型和树型4.网状模型,拓扑结构设计,P49,322估算网络中的通信量,1估算网络中的通信量主要有两个方面：（1）根据业务需求和业务规模估算通信量的大小；（2）根据流量汇聚原理确定链路和节点的容量；2估算通信量应该注意的问题：（1）必须以满足当前业务需要为最低标准；（2）必
3、须考虑到未来若干年内的业务增长需求；（3）能对选择何种网络技术提供指导；（4）能对冲突域和广播域的划分提供指导；（5）能对选择何种物理介质和网络设备提供指导。,拓扑结构设计,P50,上行链路和下行链路,上行链路指的是从工作站流向核心网络设备的链路。下行链路指的是从核心网络设备流向工作站的链路。（图3-2）上行链路的容量衡量了核心设备和线路的容量，影响了骨干网技术的选择。下行链路的容量则可给出了某种骨干网技术能满足的客户端应用的能力。,拓扑结构设计,P50,（图3-2）,拓扑结构设计,P50,上行链路和下行链路,例一，假设核心层交换机所使用的连接数为8，而每个端口下连交换机的带宽是100M，也使
4、用了8个端口，在交换机满负荷工作概率为60%的条件下，按照交换机的特点，干线容量的计算方式为：8100Mbps60%=480Mbps 核心交换机的容量为：8480Mbps60%=2304Mbps由此可以得出对主干线路的技术要求,拓扑结构设计,P50,323分层设计方法,Cisco公司将大型网络的拓扑结构划分为三个层次，即核心层、汇聚层和接入层。,拓扑结构设计,P51,323分层设计方法,1分层结构的设计目标是：（1）核心层处理高速数据流，其主要任务是数据包的交换；（2）汇聚层负责网段的逻辑分割，聚合路由路径，收敛数据流量；（3）接入层将流量馈入网络，执行网络访问控制，并且提供相关边缘服务。,拓
5、扑结构设计,P51,323分层设计方法,2拓扑设计的原则：按照分层结构设计网络拓扑结构时，应遵守以下两条基本原则：（1）网络中因拓扑结构改变而受影响的区域应被限制到最小程度。（2）路由器应传输尽量少的信息。,拓扑结构设计,P51,323分层设计方法,（1）分层拓扑结构的优点：流量从接入层流向核心层时，被收敛在高速的链接上；流量从核心层流向接入层时，被发散到低速链接上，如图3-6所示。（2）分层拓扑结构的缺点：分层拓扑结构固有的缺点是在物理层内隐含（或导致）单个故障点，即某个设备或某个失败的链接会导致网络遭受严重的破坏。克服单个故障点的方法是采用冗余手段，但这会导致网络的复杂性的增加。,拓扑结构
6、设计,P52,1.核心层设计方法,网络核心层的主要工作是交换数据包，核心层的设计应该注意两点：（1）不要在核心层执行网络策略：所谓策略就是一些设备支持的标准或系统管理员定制的规划。（2）核心层的所有设备应具有充分的可到达性。,拓扑结构设计,P52,2.汇聚层设计方法,汇聚层将大量低速的链接（与接入层设备的链接）通过少量宽带的连接接入核心层，以实现通信量的收敛，提高网络中聚合点的效率。同时减少核心层设备路由路径的数量。总之，汇聚层的主要设计目标包括：1隔离拓扑结构的变化；2通过路由聚合控制路由表的大小；3收敛网络流量。,拓扑结构设计,P52,路由聚合,路由汇聚的“含义”是把一组路由汇聚为一个单个
7、的路由广播。路由汇聚的最终结果和最明显的好处是缩小网络上的路由表的尺寸。这样将减少与每一个路由跳有关的延迟，因为由于减少了路由登录项数量，查询路由表的平均时间将加快。由于路由登录项广播的数量减少，路由协议的开销也将显著减少。随着整个网络(以及子网的数量)的扩大，路由汇聚将变得更加重要。,路由汇聚算法的实现：,假设下面有4个路由:172.18.129.0/24172.18.130.0/24172.18.132.0/24172.18.133.0/24如果这四个进行路由汇聚,能覆盖这四个路由的是:172.18.128.0/21,算法为：129的二进制代码是10000001130的二进制代码是1000
8、0010132的二进制代码是10000100133的二进制代码是10000101这四个数的前五位相同都是10000，所以加上前面的172.18这两部分相同的位数，网络号就是8+8+5=21。而10000000的十进制数是128，所以，路由汇聚的Ip地址就是172.18.128.0。所以最终答案就是172.18.128.0/21。,路由聚合,拓扑结构设计,P53,路由聚合,拓扑结构设计,P53,（1）新路由表大大减小。路由器C的路由表为：（2）路由收敛速度加快,3.接入层设计方法,接入层的设计目标包括三个，即：（1）将流量馈入网络：为确保将接入层流量馈入网络，要做到：接入层路由器所接收的链接数不
9、要超出其与汇聚层之间允许的链接数；如果不是转发到局域网外主机的流量，就不要通过接入层的设备进行转发；,拓扑结构设计,P54,3.接入层设计方法,不要将接入层设备作为两个汇聚层路由器之间的连接点，即不要将一个接入层路由器同时连接两个汇聚层路由器。（2）控制访问：由于接入层是用户进入网络的入口，所以也是黑客入侵的门户。接入层通常用包过滤策略提供基本的安全性，保护局域网段免受网络内外的攻击。,拓扑结构设计,P54,3234 绘制网络拓扑图,好的网络拓扑结构图能恰当地表现设计者的意图。绘制网络拓扑图要注意以下几点：（1）选择合适的图符来表示设备；（2）线对不能交叉、串接，非线对尽量避免交叉；（3）终接
10、处及芯线避免断线、短路；（4）主要的设备名称和商家名称要加以注明；（5）不同连接介质要使用不同的线型和颜色加以注明；（6）标明制图日期和制图人。,拓扑结构设计,P54,绘制网络拓扑图可以使用微软公司的visio 2002软件,3235 80/20规则,80/20规则是传统以太网设计必须要遵循的一个原则。它表明一个网段数据流量的80%是在该网段内的本地通信，只有20%的数据流量是发往其它网段的。,拓扑结构设计,P55,33 网络组件设计,为了有步骤地实施网络，通常将一个完整的网络划分为逻辑上功能独立的组件，这些组件主要有三个：园区网、广域网、远程连接。网络组件划定了网络的功能范围，进一步深化了分
11、层设计的思想，同时又为地址分配和安全控制提供了依据。,网络组件设计,P55,331园区网,园区网是指为企事业单位组建的办公局域网。典型的园区网包括校园网、社区网、住宅小区网、企事业单位网等。园区网设计有以下特点：园区网是网络的基本单元园区网较适合于采用三层结构设计园区网对线路成本考虑的较少，对设备性能考虑的较多，追求较高的带宽和良好的扩展性园区网的结构比较规整,网络组件设计,P55,3311 以太网（Ethernet）,粗缆以太网（10Base5）细缆以太网（10Base2）双绞线以太网（10BaseT）10BaseT中的“T”指的是传输介质为双绞线（Twisted-Pair）电缆。IEEE的
12、10Base-T标准使用星型拓扑结构，并使用8针的RJ-45接口（又称为水晶头）。10BaseT网络的主要互联设备是共享式集线器（HUB）。使用集线器和双绞线以太网的结构分为：单集线器结构、多集线器级联结构和集线器堆叠结构。,网络组件设计,P56,45-4-3规则,使用中继器或集线器连接的多个以太网段在逻辑上仍然属于一个冲突域，为了使网络效率不至于太低，就对连接的网段数目和各网段的主机数作了明确规定，即5-4-3规则。其中：（1）最多只能由5个网段相连；（2）中继设备最多只能有4个；（3）其中只能在第1，2，5三个网段上连接主机。,网络组件设计,P56,45-4-3规则,网络组件设计,P57,
13、（图3-7）,3312 快速以太网（Fast Ethernet）,网络组件设计,P57,快速以太网指速度较快，能提供100M标准带宽的以太网，不再使用同轴电缆，而是使用5类或超5类双绞线或光缆作为传输介质，拓扑结构上以星型和树型为主。互联设备主要采用集线器和交换机，具有与10M以太网完全兼容的特性，因此可以在园区网的核心层采用。快速以太网的技术标准主要有以下几个：1100 Base-TX2100 Base-FX3100 Base-T4,3313吉比特以太网,网络组件设计,P58,吉比特以太网是10/100Base-T以太网的向上兼容技术，它除了能提供1Gbps（1000Mbps）的带宽并支持全
14、双工连接外，还具备以下特点：（1）吉比特以太网使用传统的CSMA/CD介质访问控制协议。（2）保护原有网络的投资。（3）吉比特以太网可用于多种传输介质。如双绞线、多模和单模光纤。（4）低成本的升级费用。（5）支持服务质量（QoS）和第三层交换。（6）吉比特以太网以及新的10G比特以太网为局域网（含园区网）和城域网提供了高性价比的宽带传输交换，将以太网地位进行了重新定义。,3314光纤汇聚式数据接口（FDDI）,网络组件设计,P59,光纤汇聚式数据接口网络出自美国一些大型机公司，1990年由美国国家标准局（ANSI）的X3T9.5委员会正式颁布。FDDI支持长达2km的多模光纤，传输速率高达10
15、0Mbps。因此，在早期的10M以太网时代，它的推出有无穷魅力，被应用到各种环境中，如园区网骨干、广域网骨干等。,3315 ATM网,网络组件设计,P59,ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输方式）是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种新的交换技术，ATM兼有电路交换的可靠性、实时性和分组交换的高效性、灵活性，通常作为高性能局域网骨干和广域网骨干。,2ATM网络服务类型,网络组件设计,P59,（1）ITU-T规定的服务类型ITU-T最初规定了ATM网络可向用户提供四种类别（class）的服务，从A类到D。,2ATM网络服务类型,网络组件设计,P60,（2）A
16、TM论坛规定的服务类型ATM论坛依据各种服务的通信量特性和QoS等定量参数，提出了将ATM的服务按照比特率的特点划分为以下5个种类（Category）。恒定比特率CBR（Constant Bit Rate）。实时可变比特率rt-VBR(real-time Variable Bit Rate)非实时可变比特率nrt-VBR(non-real-time Variable Bit Rate)。不指明比特率UBR（Unspecified Bit Rate）。可用比特率ABR（Available Bit Rate）。,3ATM局域网仿真技术,网络组件设计,P61,为了使ATM与传统局域网技术互联，必须提
17、供与局域网相兼容的技术。ATM论坛的LAN仿真规范1.0定义了一种标准的、与协议无关的方法，它使连接在局域网上的设备能够在ATM主干网上进行通信。在ATM的LANE技术中，每一个仿真LAN就是一个VLAN，反之亦然。,3ATM局域网仿真技术,网络组件设计,P61,为了使ATM与传统局域网技术互联，必须提供与局域网相兼容的技术。ATM论坛的LAN仿真规范1.0定义了一种标准的、与协议无关的方法，它使连接在局域网上的设备能够在ATM主干网上进行通信。在ATM的LANE技术中，每一个仿真LAN就是一个VLAN，反之亦然。,3316 WLAN,网络组件设计,P61,WLAN有两种主要的拓扑结构，即自组
18、织型网络（也就是对等网络，即人们常称的Ad-Hoc网络）和基础结构型网络（Infrastructure Network）。,3316 WLAN,网络组件设计,P61,1自组织型WLAN 自组织型WLAN是一种对等模型的网络，它的建立是为了满足暂时需求的服务。,3316 WLAN,网络组件设计,P62,2基础结构型WLAN 基础结构型WLAN利用了高速的有线或无线骨干传输网络。在这种拓扑结构中，移动节点在基站（Base Station，BS）的协调下接入到无线信道。,3318 服务子网的设计,网络组件设计,P65,服务子网设计应该遵循以下原则：（1）服务子网应该有较高的下行带宽，通常直接连到交换
19、机的高速端口；（2）服务子网应具有一定的冗余性，重要的数据服务器和PDC可以考虑双归接入；（3）服务子网应具有一点的安全性，应根据安全级别指派IP地址和VLAN，重要的服务器可以单独划分子网，加装内部防火墙。（3）服务子网可以考虑集群服务提供更高的可靠性。,3318 服务子网的设计,网络组件设计,P65,（1）集中式服务设计集中式服务设计将服务器集中配置在中心机房。这种设计方式的优点就是管理方便，安全性能高，缺点是增加了核心层的负荷。,3318 服务子网的设计,网络组件设计,P66,（2）分布式服务设计分布式服务设计将服务器根据部门应用特点汇聚到各个部门（汇聚层）的机房。分布式服务设计优点是管
20、理和维护都很灵活。,3319典型拓扑设计举例,网络组件设计,P66,110M/100M共享式应用,网络组件设计,P67,应用范围：适合于100节点以内的企事业单位，小型网吧等。能够基本满足LAN的各种应用。因为保留投资的需要，主要是遗留下来的部分网络设备的再利用。升级方案使用路由器分段可以隔离冲突域和广播域且可以提供一定的安全性，无需购买专门的路由器，直接使用Windows2000服务器的路由服务即可，需安装双网卡；添加10M交换机或100M集线器替换中央集线器改造成混合式以太网，可以将网络带宽提高数倍。,210M/100M交换式应用,网络组件设计,P67,技术特点：从核心层到汇聚层均使用交换
21、机作为主要互联设备。整个网络属于同一广播域,网络组件设计,P68,应用范围：适合于300节点以内的中小企事业单位，小型网吧等。能够基本满足LAN的各种应用。位于大型企业网的汇聚层，提供高速以太网到桌面的连接。升级方案使用吉比特以太网作为骨干网，提供更大的主干带宽；使用VLAN技术划分逻辑段，提高安全性，减小广播风暴的影响；使用ATM作为主干网，增强多媒体业务能力。,31000M交换式骨干网,网络组件设计,P68,技术特点：使用光纤作为主要传输介质。核心交换机通常具有第三层交换功能，能在VLAN之间转发数据包。应用范围：作为快速以太网的核心层设计技术。作为城域网骨干和高速以太网接入的主干网。,3
22、323 典型广域网设计举例,网络组件设计,P74,1使用DDN/帧中继连接企业总部和分部,3324优化广域网的性能,网络组件设计,P74,1用路由器软件为WAN预留带宽2利用备份线路3压缩（1）基于历史的压缩（2）所有数据包压缩,3324优化广域网的性能,网络组件设计,P75,4数据优先排序,5协议预留,333远程连接,网络组件设计,P76,3331远程连接的应用范围 由于新业务需求的出现导致了一种新的WAN连接技术，即远程接入技术，这种技术设计的复杂程度不亚于其它WAN网的设计，由于它有时候直接面向终端用户，所以对于性能的完美程度要求更高，是许多网络设计人员不断努力追求的目标。（1）外地办事
23、处或派驻机构（2）SOHO（Small Office Home Office）,3332远程连接的设计特点,网络组件设计,P76,3333远程连接的技术与趋势,网络组件设计,P76,通常采用的远程连接方案是拨号网络和专用WAN连接，一般带宽在56kbps128kbps。用来提供远程连接的技术有：（1）模拟Modem；（2）专线：如DDN；（3）综合业务数字网（ISDN）；（4）非对称数字用户线路（xDSL）；（5）无线技术；如蓝牙（Bluetooth）。,3334建立安全的连接,网络组件设计,P77,1虚拟专用网（VPN）虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）是一
24、种采用隧道技术在公共网络上建立专用逻辑通道的连接方式，被广泛应用于远程访问和企业Intranet/Extranet中。,2安全套接层（SSL）,网络组件设计,P78,SSL是一种工作在应用层的加密技术，已经成为电子商务安全交易的一种主要连接方式。HTTP协议的数据包在计算机之间传输时，SSL采用公共密钥对数据包加密，但它不能为通信信道两端的计算机提供保护。而且，SSL只能处理HTTP数据包，不能为通过文件传输协议（FTP）/简单文件传输协议（SMTP）/Telnet或者其它TCP/IP服务传输的数据进行加密。SSL初级版本采用40位密钥，现在也可使用128位密钥。,3.5.6 MLS实现第3层
25、交换的基本步骤如下,IP路由设计,P90,（1）交换机检查目标MAC地址。如果目标地址是交换机（MLS-SE）所配置的路由器（MLS-RP）就开始第3层交换的处理。否则，这些报文在第2层被交换。（2）如果报文要进行第3层交换，交换机将会在MLS缓存中查找目标IP地址的转发表项。（3）如果找到一个MLS表项，那么报文将使用这个表项中的信息重写报文，修改目标MAC地址，TTL减1，并重新计算校验和。（4）如果没有发现MLS表项，那么此帧将被转发到适当的MLS-RP；路由器路由这个报文，并将此发回MLS-SE，供它在缓存中写入一个新的转发表项。（5）按新的MAC地址转发此帧。,MLS实现第3层交换的
26、基本步骤如下,IP路由设计,P90,Switchingtwo main techniquepacket switching-traditionalstore/forward operation=limit packets characteristicwormhole switching-Myrinetforward if header is decodedlow latency and small buffer sizemessage size can be variousbut error correction is difficult,Switching Techniques,2第三层交换方案设计,IP路由设计,第三层交换方案通常在核心层使用三层交换机，汇聚层使用二层交换机。来自不同VLAN的信息流在二层交换机上汇聚，通过与三层交换机相连的Trunk链路，在三层交换机实现路由，并转发给目的主机。,P90,
