本章考点较多，应用技术大约 25 分。

1. 通信系统概述

通信技术和网络技术发展表现如下：

• 接入侧：从Modem 拨号上网到光路由器上网
• 通信线路：从电话线传送到光纤传送
• 核心层：从GE/10GE到40GE/100GE
• 接入方式：光纤千兆接入、无线 Wi-Fi 千兆接入、移动终端 5G 高速接入
• 网络结构：从总线网络到复杂异构多层次结构
• 移动通信：从基于物理设备形态网元到基于虚拟化、服务化架构的 5G 网络功能元素

2. 通信系统网络架构

2.1. 局域网网络架构

2.1.1. 概述

一、定义

局域网，即计算机局部区域网络，是一种为单一机构所拥有的专用计算机网络。

二、特点

• 覆盖地理范围小，通常限定在相对独立的范围内
• 数据传输速率高，一般在 10Mb/s 以上，典型 1Gb/s，甚至 10Gb/s
• 低误码率，可靠性高
• 通常为单一部门或单位所有
• 支持多种传输介质，支持实时应用
• 网络拓扑多样，有总线型、环型、星型、树型等型式
• 传输介质包含有线局域网和无线局域网

三、组成

• 计算机
• 交换机
• 路由器

四、应用

通常情况下，网络中互为主备的交换或路由设备之间采用必要保护协议：如VRRP、HSRP、GLBP等；

网络中二层网络采用多链路机制进行链路保护或带宽扩展时采用STP、LACP等协议。

网络中三层设备实现网络动态路由控制的路由协议包括OSPF、RIP、BGP等。

2.1.2. 网络架构

一、单核心架构

• 核心交换设备通常采用二层、三层及以上交换机
• 接入交换设备采用二层交换机，仅实现二层数据链路转发
• 核心交换设备和接入设备之间可采用 100M/GE/10GE 等以太网连接
• 网络结构简单，可节省设备投资
• 网络地理范围受限，要求使用局域网的部门分布较为紧凑
• 核心网交换设备存在单点故障，容易导致网络整体或局部失效
• 网络扩展能力有限
• 在局域网接入交换设备较多的情况下，对核心交换设备的端口密度要求高

二、双核心架构

• 核心交换设备通常采用三层及以上交换机
• 网络中仅核心交换设备具备路由功能，接入设备仅提供二层转发功能
• 核心交换设备和接入设备之间可采用 100M/GE/10GE 等以太网连接
• 核心交换设备之间互联，实现网关保护或负载均衡

三、环型架构

• 由多台核心交换设备连接成双**RPR（Resilient Packet Ring）**动态弹性分组环，构建网络的核心
• 核心交换设备通常采用三层或以上交换机提供业务转发功能
• 典型环型局域网网络内各 VLAN 之间通过 RPR 环实现互访，RPR 具备自愈保护功能，节省光纤资源
• 具备 MAC 层 50ms 自愈时间的能力，提供多等级、可靠的 QoS 服务，带宽公平机制和拥塞控制机制
• 多环之间只能通过业务接口互通，不能实现网络直接互通

四、层次局域网架构

• 层次局域网（或多层局域网）由核心层交换设备、汇聚层交换设备和接入层交换设备，以及用户设备等组成
• 层次局域网模型核心层设备提供高速数据转发功能
• 汇聚层设备提供充足接口，与接入层之间实现互访控制
• 汇聚层可提供所辖的不同接入设备（部门局域网内）业务的交换功能，减轻对核心交换设备的转发压力
• 层次局域网网络拓扑易于扩展。网络故障可分级排查，便于维护

2.2. 广域网网络架构

2.2.1. 概述

一、定义

广域网是将分布于相比局域网络更广区域的计算机设备联接起来的网络。

广域网由通信子网与资源子网组成。

二、组成

广域网属于多级网络，通常由骨干网、分布网、接入网组成。

在网络规模较小时，可仅由骨干网和接入网组成。

2.2.2. 网络架构

一、单核心广域网

• 通常由一台核心路由设备和各局域网组成，核心路由设备采用三层及以上交换机
• 网络内各局域网之间访问需要通过核心路由设备，网络中各局域网之间不设立其他路由设备
• 各局域网至核心路由设备之间采用广播线路
• 该类型网络结构简单，节省设备投资
• 各局域网访问核心局域网，以及相互访问效率高
• 新的部门局域网接入广域网较为方便，只要核心路由设备留有端口即可
• 核心路由设备存在单点故障，容易导致整网失效
• 网络扩展能力欠佳，对核心路由设备端口密度要求较高

二、双核心广域网

• 通常由两台核心路由设备和各局域网组成，核心路由设备通常采用三层及以上交换机
• 网络内各局域网之间访问需经过两台核心路由设备，各局域网之间不存在其他路由设备用于业务互访
• 核心路由设备之间实现网关保护或负载均衡
• 新的局域网可方便接入
• 核心路由设备路由冗余设计实施难度较高，容易形成路由环路
• 网络对核心路由设备端口密度要求较高

三、环型广域网

• 网络通常是采用三台以上核心路由器设备构成路由环路，用以连接各局域网，实现广域网业务互访，核心路由设备通常采用三层或以上交换机
• 网络内各局域网之间访问需要经过核心路由设备构成的环
• 各局域网之间不存在其他路由设备进行互访
• 核心路由设备之间具备网关保护或负载均衡机制，同时具备环路控制功能
• 各局域网访问核心局域网，或互相访问，有多条路径可选择，可靠性更高，路由层面可实现无缝热切换，保证业务访问连续性
• 新的部门局域网可方便接入
• 核心路由设备路由冗余设计实施难度较高，容易形成路由环路
• 环型拓扑结构需要占用较多端口，网络对核心路由设备端口密度要求较高

四、半冗余广域网

• 是由多台核心路由设备连接各局域网而形成的
• 任意核心路由设备至少存在两条以上连接至其他路由设备的链路
• 结构灵活，方便扩展
• 部分网络核心路由设备可采用网关保护或负载均衡机制或具备环路控制功能
• 网络结构呈网状，各局域网访问核心局域网，以及相互访问存在多条路径，可靠性高
• 路由层面，路由选择较为灵活
• 网络结构适合于部署OSPF等链路状态路由协议
• 网络结构零散，不便于管理和排障

五、对等子域广域网

• 通过将广域网的路由设备划分成两个独立的子域，每个子域路由设备采用半冗余方式互连
• 两个子域之间通过一条或多条链路互连，对等子域中任何路由设备都可接入局域网络
• 对等子域之间的互访是以对等子域之间互连链路为主
• 对等子域之间可做到路由汇总或明细路由条目匹配，路由控制灵活
• 子域之间链路带宽应高于子域内链路带宽
• 域间路由冗余设计实施难度较高，容易形成路由环路，或存在发布非法路由风险
• 对域边界路由设备的路由性能要求较高
• 网络中路由协议主要以动态路由为主
• 对等子域适合于广域网可以明显划分为两个区域，且区域内部访问较为独立的场景

六、层次子域广域网

• 将大型广域网路由设备划分成多个较为独立的子域，每个子域内路由设备采用半冗余方式互连，多个子域之间存在层次关系，高层次子域连接多个低层次子域
• 层次子域中任何路由设备都可以接入局域网
• 层次子域结构具有较好扩展性
• 低层次子域之间互访需要通过高层次子域完成
• 域间路由冗余设计实施难度较高，容易形成路由环路，存在发布非法路由的风险
• 子域之间链路带宽需高于子域内链路带宽
• 对用于域互访的域边界路由设备的路由转发性能要求较高
• 路由设备路由协议主要以动态路由为主
• 层次子域与上层外网互连，主要借助高层子域完成
• 与下层外网互连，主要借助低层子域完成

2.3. 移动通信网网络架构

一、概述

• 5G 网络，5G Network
• 5GS，5G System
• 移动终端用户，User Equipment，UE
• DN 网络，Data Network
• UPF，等同普通路由器

二、接入方式

• 透明模式：5GS 通过 UPF 的 N6 接口直接连至运营商特定的 IP 网络，然后通过防火墙或代理服务器连至 DN
• 非透明模式：5GS 可直接接入 Intranet/ISP，或通过其他 IP 网络接入 Intranet/ISP

三、5G 网络边缘计算

• 支持在靠近终端用户 UE 的移动网络边缘部署 5G UPF 网元
• 为垂直行业提供诸如以时间敏感、高带宽为特征的业务就近分流服务
• 为用户提供极佳服务体验，降低了移动网络后端处理的压力

2.4. 存储网络架构

一、计算机访问磁盘方式

• 直连式存储：计算机通过 I/O 端口直接访问存储设备的方式
• 网络连接的存储：计算机通过分布式文件系统访问存储设备的方式
• 存储区域网络：计算机通过构建的独立存储网络访问存储设备的方式

二、网络连接存储 NAS

• 一种专用存储系统，用户计算机远程访问
• 在专用主机上安装了简化的瘦操作系统（只有访问权限控制、数据保护和恢复功能）
• 内置网络连接的所有协议，可以直接联网
• 常见的 NAS 协议：公共 Internet 文件服务/服务器消息块，网络文件系统

三、存储区域网络 SAN

• 一种连接存储设备和存储管理子系统的专用网络，提供数据存储和管理功能，未来的信息存储将以 SAN 为主
• 利用专用高速通信架构将服务器与其**逻辑磁盘单元（Logical Disk Unit，LDU）**相连
• 可被看做是负责数据传输的后端网络，前端网络负责正常的 TCP/IP 传输
• SAN 的设计消除了单点故障，具有极高可用性和故障恢复能力
• 用户可把 SAN 看作是通过特定的互连方式连接的若干台存储服务器组成
• 常见的 SAN 协议：光纤通道协议，Internet 小型计算机系统接口，以太网光纤通道，基于光纤通道的非易失性内存标准
• 分为：IP-SAN、FC-SAN

四、NAS 与 SAN

SAN 和 NAS 都可以用于集中管理存储，并供多主机（服务器）共享存储。

但是，NAS 通常是基于以太网，而 SAN 可使用以太网和光纤通道。

此外，NAS 注重易用性、易管理性、可扩展性和更低的总拥有成本（TCO），而 SAN 则注重高性能和低延迟。

2.5. 软件定义网络架构

一、定义

其核心思想是通过对网络设备的控制面与数据面进行分离，控制面集中化管控，同时对外提供开放的可编程接口，为网络应用创新提供极佳的能力开放平台；而数据面则通用化、轻量化，高效转发，以提升网络的整体运行效能。

利用分层的思想，将网络分为控制层和数据层。

两层之间采用开放的统一接口（如OpenFlow等）进行交互。

通过此接口控制器向转发设备（如交换机等）下发统一标准的转发规则，转发设备仅需按照这些规则执行相应动作即可。

• 控制层包括可编程控制器，具有网络控制逻辑的中心，掌握网络的全局信息，方便运营商或网络管理人员配置网络和部署新协议等。
• 数据层包括哑交换机（与传统的二层交换机不同，专指用于转发数据的设备），仅提供简单的数据转发功能，可以快速处理匹配的数据包，适应流量日益增长的需求。

相比传统网络设备，SDN 技术能够更有效降低转发设备复杂度及卸载不必要的运行负载，协助网络运营商更好地控制基础设施，降低整体运营成本，同时打破了传统网络设备的封闭性，因此，SDN 是极具前途的网络技术之一。

二、网络架构

• 数据平面：由网络转发设备组成，网络转发设备之间通过由不同规则形成的 SDN 数据通路连接起来
• 控制平面：包含了逻辑上为中心的 SDN 控制器，掌握着网络全局信息，负责转发设备的各种转发规则的下发
• 应用平面：包含各种基于 SDN 的网络应用，应用无须关心网络底层细节就可以编程、部署新应用

3. 网络构建关键技术

3.1. 网络高可用设计

一、可用性度量

• 网络故障次数少
• 网络故障恢复时间短

二、高可用架构

• 网络部件：网络部件的高可用性是网络高可用性的关键
• 网络连接模型：单点单归，单点双归，双点单归，双点双归，双归属
• 网络协议及配置：高可用性离不开运行于网络中的路由、链路检测等协议

3.2. IPv4 与 IPv6 融合组网技术

• 双协议栈：IPv4/IPv6 双协议栈机制就是使 IPv6 网络节点具有一个 IPv6 协议栈和一个 IPv4 协议栈，同时支持 IPv4 和 IPv6 协议的处理。
• 隧道技术：ISATAP 隧道、6to4 隧道、4over6 隧道、6over4 隧道
• 网络地址翻译技术：将 IPv4 地址和 IPv6 地址分别看作内部地址和外部地址，或者相反，以实现地址转换

3.3. SDN 技术

• 控制平面技术
• 数据平面技术
• 转发规则一致性更新技术

4. 网络构建和设计方法

4.1. 网络需求分析

• 业务需求：调查和理解业务本质，尽可能保证设计的网络满足业务的需求
• 用户需求：从当前网络的用户开始，识别并明确用户需要的重要服务或功能
• 应用需求：考虑如下因素：应用类型和地点、使用方法、需求增长性、可靠性和可用性要求、网络响应时间要求等
• 计算机平台需求：明确网络所接入的设备类型
• 网络需求：考虑网络管理员的需求

4.2. 网络技术遴选及设计

一、局域网技术遴选

• 生成树协议
• 虚拟局域网
• 无线局域网
• 线路冗余设计
• 交换设备功能的合理使用
• 服务器冗余设计：负载均衡器、网络地址转换、DNS 服务器、高可用技术

二、广域网技术遴选

• 远程接入技术
• 广域网互连技术

三、地址规划模型

• 使用结构化网络层编址模型，即对地址进行层次化的规划
• 通过中心授权机构管理地址，比如由组织的 IT 部门为网络层编址提供一个全局模型。根据网络的核心、汇聚、接入层次化结构，为组织的各个区域、分支机构等进行地址规划
• 编址授权下发。即由地址授权管理中心，将编址授权给分支机构来进行地址规划
• 为终端用户设备指派动态地址，即对于频繁变更位置、移动性角度的用户分配动态地址
• 私有地址合理使用。使用私有地址在组织内互访具有很高安全性，避免来自外部网络攻击。使用私有地址的用户在访问外部网络，需要进行地址转换，因此，还需要做好NAT 地址池的规划

四、路由协议选择

• 路由协议类型的选择：路由协议选择主要包括距离矢量协议和链路状态协议
• 路由选择协议度量值的合理设置
• 路由选择协议顺序的合理指定
• 层次化与非层次化路由选择协议
• 内部与外部路由选择协议
• 分类与无类路由选择协议
• 静态路由指定

五、层次化网络模型设计

优点：

• 使用层次化模型可使得网络成本降至最低。各层仅考虑自身的功能实现要求，以及运维资源要求，避免各层中不必要特性所花费的资金。
• 层次化设计可充分利用不同层次成熟的模块化设备或部件，既避免不必要开发费用，也利于网络稳定运行。
• 层次化设计使得网络因需求而变化或演化更加容易。

思路：

• 核心层：
• 汇聚层：
• 接入层：

原则：

• 设计者应尽量控制网络层次，避免过多层次导致网络性能下降，增加网络时延
• 应首先从接入层进行设计，通过对流量负荷、行为的分析，来对上层进行精细化容量规划，依次完成各层的设计
• 网络设计时应尽量采用模块化方式实现各层的功能，模块间边界清晰
• 应在接入层对网络结构进行严格控制，以避免接入层用户改用非正常的访问外部网络的渠道，获得更大的带宽
• 严格控制网络的层次化结构，以避免跨层加入额外连接，导致网络非法访问或网络异常等问题

六、网络高可用设计方法

思想：

网络系统可靠性/可用性设计的核心思想是通过合理设计组网结构和应用可靠性特性，使得网络系统软件硬件部件运行可靠，具备冗余备份、自动检测和快速恢复机制，同时也应权衡不同类型网络构建成本。

原则：

• 不同的网络、服务的业务场景不尽相同，其可靠性/可用性设计目标也不同
• 网络解决方案需要根据实际需求进行设计
• 在网络规划时，须因地制宜，综合考虑各方面影响因素
• 网络层次越高，其影响面越广，其可靠性、可用性要求也越高
• 网络设计时应根据网络结构、类型、层次，分析网络业务模型，确定网络拓扑，识别影响网络可靠性、可用性的关键节点和链路，合理规划和部署相适应的高可用技术
• 在网络可靠性规划实施时，应在保证网络各层满足可靠性要求基础上，尽量降低网络复杂度，适度控制成本，设计出最适合的方案

4.3. 网络安全

• 防火墙布设
• VPN 技术
• 访问控制技术
• 网络安全隔离
• 网络安全协议
• 网络安全审计

4.4. 绿色网络设计方法

• 标准化
• 集成化
• 虚拟化
• 智能化