计算机四级网络工程师.docx
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计算机四级网络工程师
第1章网络及其系统设计
本章要点：
1.1网络的基本概念
1.2局域网、城域网与广域网
1.3宽带城域网的设计与管理
1.4接入网技术
1.1网络的基本概念
1.1.1网络的定义
计算机网络是指将地理位置不同的功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。
※重点提示：
组建计算机网络的根本目的是为了实现资源共享。
这里既包括计算机网络中的硬件资源，如磁盘空间、打印机、绘图仪等，也包括软件资源，如程序、数据等。
1.1.2网络的发展过程
1．终端-通信线路-计算机阶段
人们通过通信线将计算机与终端（terminal）相连，通过终端进行数据的发送与接收。
2．计算机-计算机网络阶段
以通信子网为中心，多主机多终端。
1969年在美国建成的ARPAnet是这一阶段的代表。
在ARPAnet上首先实现了以资源共享为目的的不同计算机互连的网络，它是今天因特网的前身。
3．计算机网络成熟阶段
国际标准化组织于1984年颁布了“开放系统互连基本参考模型”问题的研究，即为OSI参考模型。
4．高速的计算机网络阶段
光纤在各国的信息基础建设中被逐渐广泛使用，这为建立高速的网络辅垫了基础。
千兆乃至万兆传输速率的Ethernet已经被越来越多地用于局域网和城域网中，而基于光纤的广域网链路的主干带宽也已达到10G数量级。
1.1.3计算机网络的分类
1．以通信所使用的介质分类
有线网络和无线网络
2．以使用网络的对象分类
公众网络和专用网络
3．以网络传输技术分类
广播式网络和点到点式网络
4．以网络传输速度的高低分类
低速网络和高速网络
图1-1点到点网络与广播式网络
5．按互连规模与通信方式分类
局域网、城域网与广域网
※重点提示：
最常用的两种计算机分类方法为：
（1）按传输技术将其分为广播式网络与点-点式网络；
（2）按覆盖范围与规模将其分为局域网、城域网与广域网。
1.1.4计算机网络的应用
1．办公自动化
计算机网络能过将一个企业或机关的办公电脑及其外部设备联成网络，可以实现在信息共享和公文流传。
2．企业的信息化
通过在企业中实施基于网络的管理信息系统（MIS）和资源制造计划（ERP），可以实现企业的生产、销售、管理和服务的全面信息化，从而有效提高生产率。
4．远程教育
远程教育是利用internet技术，与教育资源相结合，在计算机网络上进行的教学方式。
E-Learning即是指通过internet或其他数字化内容进行学习与教学的活动。
5．娱乐与消遣
网络给我们带了新的丰富多彩的娱乐和消遣方式，如网上聊天、在线点播、新闻浏览以及现在最流行的网络在线游戏等。
1.1.5计算机网络的结构及其特点
计算机网络首先是一个通信网络，早期的计算机网络主要是广域网，它的结构是由负责数据处理的主计算机与终端以及负责数据通信处理的通信控制处理设备与通信线路所这两部分所组成。
从资源构成的角度讲，计算机网络是由硬件和软件组成的。
并从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网。
图1-2资源子网与通信子网的二级子网结构
1.2局域网、城域网与广域网
1.2.1局域网（LAN，LocalAreaNetwork）
局域网（LAN）是当今计算机网络技术应用与发展非常活跃的一个领域。
公司、企业、政府部门及至住宅小区内的计算机机都在通过LAN连接起来，以达到资源共享、信息传递和数据通信的目的。
1.IEEE802为局域网制定了一系列标准，主要有如下12种。
LLC能够提供以下三种服务
（1）无确认无连接的服务
（2）面向连接方式的服务
（3）有确认有连接的服务
根据介质访问控制的方式，可以将MAC分为以下三种方式：
（1）循环式：
每个站轮流得到发送机会，如果一段时间内有许多站发送数据，则方式很有效，如果只有很少站发数据，则该方式开销太大。
（2）预约式：
将传输介质的使用时间划分为时间糟，而预约管理可以是集中控制，也可以分布控制。
（3）竞争式：
不对各个工作站的发送权限进行控制，而是自由竞争，它适合于分布式控制，优点在于简单，轻负载下效率高，重负载时效率下降得很快。
2．CSMA/CD协议
CSMA/CD即是带冲突检测的载波侦听多址访问。
它的基本原理是：
每个节点都共享网络传输信道，在每个站要发送数据之前，都会检测信道是否空闲，如果空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，则对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。
载波侦听主要是指网络中的各个站点都具备一种对总线上所传输的信号或载波进行监测的功能，其策略即是“信道空闲时，立即发送；信道忙时，继续监听”。
冲突检测是指一种检测或识别冲突的机制，这是实现冲突退避的前提。
3．令牌总线协议
采用令牌总线协议的网络，虽然在物理上它们还是连接在一条总线上，但是在逻辑上是组成了一个首尾相连的环。
通过一个称为令牌的特殊帧来控制网络的访问。
4．令牌环协议
令牌环使用中继器将单个的点到点线路链接成为物理的环形结构。
它的基本原理是：
令牌在网络上依次顺序传递，等待捕获一个空令牌，然后将要发送的信息附加到后面，往下一站发送，直到目标站，将令牌释放；如果工作站要发送数据时，经过的令牌不是空的，则等待令牌释放。
6．无线局域网
无线局域网主要可以使用红外线、扩展频谱和窄带微波技术三种通信技术。
无线局域网分为两个研究方向，一是由面向数据通信的计算机局域网发展而来的，采用的是无连接协议，即IEEE801.11标准；另一个是致力于面向语音蜂窝电话，采用的是基于连接的协议，即HiperLAN-2标准。
※重点提示：
应用是局域网技术发展真正的动力，局域网技术的发展十分迅速，目前已在企
业、机关、学校和信息管理与服务领域得到了广泛的应用。
1.2.2城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）
1．FDDI技术
FDDI以光纤为传输介质，传输速率可以达到100Mbps，采用单环和双环两种拓扑结构。
2．城域网的业务特点
（1）传输速率高
（2）用户投入少，接入简单
（3）技术先进、安全
3．城域网的主要用途及其适用范围
（1）高速上网
（2）互动游戏
（3）VOD视频点播与网络电视
（4）远程医疗、会议、教育
（5）远程监控
（6）家庭证券交易系统
（7）智能设区
（8）带宽及管道出租业务
1.2.3广域网（WAN，WideAreaNetwork）
广域网是一种跨地区的数据通讯网络,通常包含一个国家或地区。
广域网通常由两个或多个局域网组成。
1．综合业务数字网（ISDN）
2．数据数字网（DDN）
3．X.25分组交换网
4．帧中继（FR）
5．异步传输模式（ATM）
1.3宽带城域网的设计与管理
1.3.1宽带城域网的结构与设计
1．宽带城域网的结构
宽带城域网的总体结构是由网络平台、业务平台、管理平台与城市宽带出口等部分组成。
从逻辑上分，宽带城域网的网络平台又包含了核心交换层、边缘汇聚层与用户接入层三部分。
2．宽带城域网网络平台的主要功能
（1）核心交换层
核心交换层为整个网络提供一个高速，宽带的中心连接，并能提供所有城域网出去Internet所需要的路由服务。
图1-4宽带城域网的总体结构
（2）边缘汇聚层
也称汇聚层，它是多台接入层交换机的汇聚点，它必须能够处理来自接入层设备的所有通信量，并提供到核心层的上行链路
（3）用户接入层
也称接入层，它是直接面对用户的一个层面，目的是允许终端用户连接到网络，它为广大的用户提供10/100M的高速接入。
它称为网络的“最后一公里”。
3．宽带城域网的组建及其原则
可运营性、可管理性、可盈利性、可扩展性
※重点提示：
要组建与成功运营一个宽带城域网需要遵循的基本原则是：
必须能够保证网络的可运营性、可管理性、可盈利性与可扩展性。
1.3.2宽带城域网的管理与运营
宽带城域网位于广域网与接入网的交汇处，各种业务和协议都在此汇聚分流和进出核心网，直接面对终端用户，应用环境复杂。
所以其内部是多种交换技术和业务网络并存，因此我们在设计与组建宽带城域网的同时要注意网络成功组建和运营的关键技术。
宽带城域网管理与运营的关键技术包括：
带宽管理、服务质量QoS、网络管理、用户管理、多业务接入、统计与计费、IP地址的分配与地址转换以及网络安全等。
1.3.3宽带城域网设计方案
1．基于SDH的城域网
SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体系）是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络。
SDH的核心就是应用了波分多路复用技术,就是一条光纤信道上传输多条信号，SDH网络是ATM，DDN等中继网络服务的承载网。
2．基于10GE的城域网
1999底成立了IEE802.3ae工作组进行万兆以太网技术（10Gb/s）的研究，2002年正式发布802.3ae10GE标准。
21世纪初，提出了光以太网的概念，它的技术核心是：
利用光纤的巨大带宽资源和以太网的成熟与易用为运营商建造新一代的宽带城域接入网。
光以太网技术用于建设宽带城域网，必须满足对城域网的几个基本要求：
（1）高可靠性
（2）可提供服务等级协议（SLA）
（3）高可扩展性
（4）用户管理
图1-6成长中的万兆以太网
3．基于PRP的城域网
弹性分组环技术是一种在环形结构上优化数据业务传送的新型MAC层协议，能够适应多种物理层（如SDH、以太网、DWDM等），可有效地传送数据、话音、图像等多种业务类型。
图1-7基于RPR的城域网应用实例
RPR技术的主要特点可归纳如下：
（1）支持50ms的快速保护
（2）实现灵活的环路带宽管理
（3）支持环路带宽的公平分配
※重点提示：
宽带城域网建设最大的风险是基本技术方案的选择，一般有三类选择：
基于SDH的城域网方案、基于10Ge的城域网方案和基于RPR的城域网方案。
1.4.1接入网技术概况
1．接入网技术的发展与接入服务的界定
接入网（AccessNetwork，AN）是指交换局到用户终端之间的所有机线设备，它的主干系统为传统的电缆和光缆，一般长数千米；配线系统也可能是电缆和光缆，其长度一般几百米，而引入线通常长几米到几十米。
它是泛指用户网络接口（UNI）与业务节点接口（SNI）间实现传送承载功能的实体网络。
其目标是建立一种标准化的接口方式，以一个可监控的接入网络，使用户能够获得话音、租用线业务、数据多媒体、有线电视等综合业务。
1.4接入网技术
2．接入技术与“数字会聚”、“三网融合”
电信网、计算机网和有线电视网三大网络的高层业务应用的融合。
三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务三网融合，在概念上从不同角度和层次上分析，可以涉及到技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合。
※重点提示：
作为用户接入钢的主要有三类：
计算机网络、电信通信网与广播电视网。
数字化使这三种网络之间的界限越来越模糊，这造成了通信、计算机与广播电视等产业的会聚，出现了经营业务相互融合，进而促进这些产业的重时，同时开辟大量新的信息服务市场，即现了所谓的“三网融合”与“数字会聚”。
1.4.2接入技术的主要功能特点与分类
1．接入网的主要功能：
（1）用户口功能（UPF）
（2）业务口功能（SPF）
（3）核心功能（CF）
（4）传送功能（TF）
（5）AN系统管理功能（SMF）
2．接入网的特点
（1）主要完成复用、交叉连接和传输功能，不具备交换功能。
（2）提供开放的V5标准接口
（3）光纤化程度高
（4）能提供各种综合业务，接入网除接入交换业务外，还可接入数据业务、视像业务以及租用线业务等。
（5）对环境的适应能力强
（6）组网能力强
（7）可采用HDSL、ADSL、有源或无源光网络、HFC和无线网等多种接入技术。
（8）接入网可独立于交换机进行升级
（9）接入网提供了功能较为全面的网管系统
3．接入网技术的分类
接入网技术从接入技术分，可分为有线接入与无线接入两类；按接入方式分，它涉及用户的环境与需求，可以分成家庭接入、校网接入、机关接入与企业接入。
图1-8接入网技术按接入技术分类图
图1-9为接入网技术按接入方式分类图
1.4.3各种接入技术的特点
1．xDSL接入
xDSL是DSL（DigitalSubscriberLine）的统称,意即数字用户线路,是以铜电话线为传输介质的点对点传输技术。
DSL技术在传统的电话网络（POTS）的用户环路上支持对称和非对称传输模式。
xDSL具有以下特征：
（1）与话音工作于不同频段，基本不影响电话的正常使用，话音所占频带为0－4KHz；xDSL调制频带为4.4KHz－1MHz。
（2）在以办公室和家庭为中心一定距离范围内可以提供较高的数据传输率。
（3）铜线的具体条件、天气和片断对话可能将影响传输性能。
xDSL中“x”表任意字符或字符串，根据采取不同的调制方式，获得的信号传输速率和距离不同以及上行信道和下行信道的对称性不同，xDSL可以分为以下若干类型：
（1）ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine，不对称数字用户线路）
图1-10用户室内使用ADSL结构
（2）HDSL（High-data-rateDigitalSubscriberLine，高速率数字用户线路）
（3）VDSL（Very-high-data-rateDigitalSubscriberLine，极高速率数字用户线路）
（4）RADSL（Rate-AdaptiveDigitalSubscriberLine，速率自适应数字用户线路）
2．HFC接入
图1-11HFC的结构示意图
按不同的分类方式可以把CabelModem分成为同的类型，主要的分类方式有以下几种：
（1）按接入角度分：
可分为个人的CabelModem和宽带多用户的CabelModem。
（2）按接口角度分：
可分为内置式、外置式和交互式机顶盒三种
（3）按传输方式分：
可分为双向对称式传输和非对称式传输。
（4）按数据传输方向分：
可分为单向传输和双向传输。
（5）按同步方式分：
可分为同步交换和异步交换。
3．光纤接入
光纤接入是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体。
光纤接入可以分为有源光接入和无源光接入。
除了HFC外,光纤接入的方法还有以下几种：
（1）DLC（光纤数字环路载波系统）
（2）基于ATM的无源光网络
（3）SDV（交换式数字视像技术）
4．宽带无线接入
无线接入技术主要有：
802.11标准的无线局域网（WLAN）、802.16标准的无线城域网（WMAN）以及正无线网格网（WMN）技术。
表1-1IEEE802系列标准对比
䦋㌌㏒㧀좈琰茞ᓀ㵂Ü
IEEE802.11
IEEE802.16d
IEEE802.1e
IEEE802.20
标准类型
WLAN
WMAN
WMAN
WMAN
覆盖范围
150m（802.11b）
100m（802.11a）
1-15km
几公里
2-5km
工作频率
2.4GHz（802.11b）
2.5GHz（802.11a）
1~11GHz许可或免许可频段
11~60Hz许可频段
<60GHz许可频段
<3.5GHz许可频段
移动性
无
无
本地
250km/h
业务定位
个人用户，游牧
式数据接入
中小企业用户的数据接入
无线传输
个人用户的宽带移动数据业务为主
高速移动数据业务
QoS支持
不具备
不具备
不具备
不具备
标准化程度
高系列标准中的大多数已制定完成，只有少数部分尚在制定中
2004年6月份获得IEEE批准
2005年上半年通过
处于早期需求分析阶段
第2章网络的总体规划与设计
本章要点:
2.1中小型网络系统的基本结构
2.2用户需求与网络应用需求调研
2.3需求分析
2.4方案设计
2.1中小型网络系统的基本结构
图2-1基于网络的中小型信息系统的结构示意图
2.1.1网络的运行环境要求
网络的运行环境即整个网络系统运行时放置网络硬件设备的环境要求以及网络电源供应所需要的良好安全稳定的供电系统，它是保障系统安全、可靠与稳定运行所必需的基本设备。
网络硬件如路由器、交换机、服务器等所放置的场所，一般将这些硬件系统都放置在建筑楼房中的机房或是设备间，配线间。
关键的网络设备对供电系统的要求是很严格的，一般是用专门的供电系统，因为它具有较好的稳压同时带有备用电源与供电智能管理。
2.1.2网络的设施及操作系统
1．网络的设施
网络的设施包括合适结构化布线系统、城域网主干光缆系统、广域传输线路、微波通信与卫星通信系统等基础设施；同时还有路由器、交换机、网关、网桥、集线器、网卡、Modem以及远程通信服务器等设备。
2．操作系统
网络操作系统作为网络用户和计算机之间的接口，通常具有复杂性、并行性、高效性和安全性等特点。
网络操作系统的功能如下：
（1）操作系统在同一时间能够在不同的内存内间运行不同的应用程序
（2）操作系统拥有较大的物理内存使应用程序能够更好的运行。
（3）操作系统可同时支持多个CPU，这样可以减少程序处理时间以提高操作系统性能。
（4）操作系统能够与多台计算机构成一个虚拟系统以满足大量用户同时访问时的需要。
（5）操作系统能够支持用户通过远程对网络系统进行管理和维护。
3．网络应用软件及其开发系统
开发网络应用软件的工具各不相同，但都是由两部分的开发工具组成：
网络数据库开发工具和网络软件工发工具。
前者包括有Oracle、MSSQLServer等，后者主要包括等Java、VisualC++、VisualBasic、Delphi等。
4．网络管理系统
网络管理系统是一个软硬件结合的系统，但它以软件为主，属于分布式网络应用系统，通过某种方式对网络进行管理，使网络能正常高效地运行，更加有效的利用网络中的资源得。
5．网络安全系统
网络安全就是网络上的信息的安全，是指网络系统的硬软件系统及其数据受到保护，不因突然的或者恶意的原因而遭到破坏、更改和泄露，系统连续可靠正常地运行，并给予持久不中断的网络服务。
广义来说，凡是涉及到网络上信息的保密性、真实性、完整性、可用性和可控性的相关技术和理论都涉及到网络安全技术。
2.1.3网络系统设计流程
图2-2为网络系统设计流程图
2.2用户需求与网络应用需求调研
2.2.1用户需求
以下是进行用户需求调研的主要内容：
（1）了解用户对整个应用系统所期望达成的目标，要对用户的商业目标和解决方案的约束进行全面分析。
（2）了解与研究用户的行业、市场、供产商、产品、服务。
（3）了解客户的组织结构。
（4）加强与用户的沟通，了解用户对系统的期望以及这个系统所预计实现的目标。
表2-1为用户需求调研表
用户需求
主要内容
地点
图书馆
人数
8
两年内人员变动
±20%
响应速度
书目检索<1s，人员检索<0.5s，借/还书登记<2s
可用性
8小时/天
安全性
数据备份，非工作人员不可访问
※重点提示：
做好用户需求的调研，对下一步的需求分析起前重要作用，有了足够的信息，对这个网络设计的项目才有了充分的准备，才能更好地开展项目的需求分析工作。
2.2.2网络应用需求
要弄清一个网络的应用需求，应该从如各部门的信息化工作基础、财力以及对网络的应用要求和认识程序等方面进行分类调查与研究。
※重点提示：
用户需求与网络应用需求调研，应该充分理解用户业务活动和用户信息需求；在调查分析的基础上，充分考虑需求与约束并对网络系统组建与信息系统开发的可能性进行充分地论证；运用系统的概念来进行技术方案的规划与设计；根据工程的时间要求要安排各项工作，同时要求各阶段的资料的完整性与规范性。
部门
人数
业务
数据
网络服务
图书馆
6
查询
借书、还书登记
预约
新书上架
借书、还书、预约数据
每天平均发生100笔
每笔数据量为30KB
保留时间两周至一个月
60%数据量在学校图书馆局域网内传输
40%在校园内部局域网内传输
财务部
30
报销
交款
汇款
税务
固定资产管理
财务报表数据
明细帐目数据
总帐数据
每天平均200笔
每笔数据量为100KB
保留时间20年
80%数据量在校财务部局域网内传输
15%在校园内部局域网内传输5%传送上级主管部门或相关单位
教务部
57
学生档案
老师档案
课程安排
出国办理
人事档案数据
课程档案数据
教师学生出国档案数据
每天平均5笔
每笔数据量为10Mb
保留时间20年
50%数据量在校园内部局域网内传输
35%在教务部局域网内部传输15%传送上级主管部门或相关单位
表2-2网络应用需求调查表的示例
2.3需求分析
2.3.1网络系统的结点
1．地理位置及建筑环境调查
了解结点的位置、数量等信息。
同时，建筑物的总楼层数量，楼层结构布局、应在每个楼层中的何处放置设备、楼层主干线以及传输的路由方式都要考虑在内。
表2-3结点调查示例
部门
校长办公室
学术发展部
教务部
会议室
财务部
其他
楼层
7
6
5
4
3
2
结点数
3
8
10
20
30
30
2．数据的流向
确定数据流向的主要是指确定数据从哪个结点发出到哪个结点结束以及数据包在网络中所经历的路径。
3．传输的介质
考虑数据传输的介质也是必不可少的，了解了网络系统结点的地理分布后，我们应该结合当地线路的实际情况，确定网络的整体构架并考虑所采用的传输介质、网络设备等。
2.3.2网络应用特点
1．数据库系统
（1）RDBMS（关系数据库系统）
如Oracle、MSSQLServer等，它是支持关系模型的数据库系统，一般由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成，它一般是为财务管理、人事管理，OA系统应用等提供后台的数据支持。
（2）DFS（非结构化数据库系统）
它指的是字段长度可变的，其各个字段的记录又可以由重复或不重复的子段所构成的数据字。
（3）公司专用信息管理系统
一般是为公司专业开发的信息管理系统，如CAD在线设计软件，产品数据管理PDM软件等。
2．常用Internet/Intranet业务
电子邮件服务
FTP文件传输服务
IP电话服务
网络视频会议与在线点播服务
电子商务服务
公共资源在线查询服务
2.3.3网络总体需求分析
通过用户需求与网络应用需求的调研，以及网络系统结点、应用概要等方面的信息，总结出网络宽带的要求并提出所要采用的网络技术。
同时提出网络的分层结构以及核心层、汇聚层与接入层的组合以及使用技术、网络的扑拓结构来确定网络的总体需求。
2.3.4网络综合布线需求分析
结构化布线系统它是一
升级会员 