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通信系统架构设计理论与实践

本章导读

通信系统是现代信息化建设的基础设施，本章介绍局域网、广域网、移动通信网的网络架构，重点掌握各种网络架构的优缺点、存储网络架构（DAS、NAS、SAN）的区别、IPv4/IPv6 过渡技术，以及层次化网络设计原则和网络安全控制技术。

学习目标

  • 掌握局域网的四种网络架构及其特点
  • 理解广域网的六种网络架构
  • 掌握 DAS、NAS、SAN 三种存储架构的区别
  • 理解 IPv4 到 IPv6 的过渡技术
  • 掌握层次化网络设计的三层模型
  • 了解网络安全控制技术

通信网络概述

网络主要形式

mindmap
  root((通信网络))
    局域网
      覆盖范围小
      传输速率高
      低误码率
    广域网
      跨地域
      资源共享
      公用网络
    移动通信网
      无线接入
      移动终端
      5G技术

局域网网络架构 ⭐

局域网是单一机构专用计算机的网络，通常由计算机、交换机、路由器等设备组成。

局域网特点

特点 说明
覆盖范围小 通常在一个建筑或园区内
传输速率高 百兆到万兆级别
低误码率 传输质量高
可靠性高 网络稳定
支持多种传输介质 有线/无线
支持实时应用 延迟低

四种架构类型

graph TB
    subgraph 局域网架构类型
        A[单核心架构]
        B[双核心架构]
        C[环型架构]
        D[层次型架构]
    end

单核心架构

使用单台核心二层或三层交换设备作为网络核心。

优点 缺点
结构简单 地理范围受限
设备投资节约 核心单点故障
接入方便 扩展能力有限
- 核心端口密度要求高

双核心架构

采用两台核心三层及以上交换机作为网络核心。

优点 缺点
网络拓扑结构可靠性高 投资较单核心高
接入较为方便 核心端口密度要求较高

环型架构

采用多台核心三层及以上交换机组成**双动态弹性分组环（RPR）**。

优点 缺点
RPR 具备自愈保护 投资较高
节省光纤资源 路由冗余设计实施难度高
提供多等级、可靠的 QoS 服务 易形成环路
有效利用带宽资源 多环只能通过业务接口互通

层次型架构 ⭐

由**核心层、汇聚层、接入层**三层交换设备和用户设备组成。

graph TB
    A[核心层<br>高速数据转发] --> B[汇聚层<br>提供接口/访问控制]
    B --> C[接入层<br>用户设备接入]
层次 职责
核心层 负责高速数据转发
汇聚层 提供充足接口，与接入层间实现互访控制
接入层 用户设备接入
优点
易扩展
分级排查网络故障便于维护

广域网网络架构

广域网利用公用分组交换网、无线分组交换网、卫星通信网构建通信子网。

广域网组成

graph LR
    A[骨干网] --> B[分布网]
    B --> C[接入网]

六种架构类型

架构类型 优点 缺点
单核心架构 结构简单、投资节约、局域网互访效率高 核心单点故障、扩展能力欠佳
双核心架构 拓扑可靠、路由可热切换、可靠性高 投资较高、路由冗余设计难度高
环型架构 接入方便 投资高、易形成环路
半/全冗余架构 结构灵活、路由灵活、方便扩展、可靠性高 结构零散、不便管理和排障
对等子域架构 路由控制灵活 子域间冗余设计难度高、易形成环路
层次子域架构 扩展性好、路由控制灵活 子域路由冗余设计难度高

移动通信网网络架构

5G 系统接入方式

模式 说明
透明模式 5G 系统通过用户面功能接口接入运营商网络，然后通过防火墙或代理连至 Internet
非透明模式 5G 系统直接或通过其他网络连接至运营商网络或 Internet

5G 网络边缘计算

边缘计算优势

5G 网络边缘计算能为垂直行业提供以**时间敏感、高带宽**为特征的业务就近分流服务：

  • 为用户提供极佳的服务体验
  • 降低移动网络后端处理的压力

软件定义网络（SDN）

SDN 定义

SDN（Software Defined Network）是一种新型网络创新架构，核心思想是通过**控制与转发分离**，将网络中交换设备的控制逻辑集中到一个计算设备上。

graph TB
    A[控制层<br>集中管控] --> B[数据层<br>数据转发]
特点 说明
控制面集中管控 提升网络管理配置能力
分层思想 控制层和数据层分离

存储网络架构 ⭐

三种存储架构

graph TB
    subgraph 存储架构
        A[DAS<br>直连式存储]
        B[NAS<br>网络附加存储]
        C[SAN<br>存储区域网络]
    end

DAS 直连式存储

存储设备通过 IDE/ATA/SCSI 接口或光纤通道**直接连接到单台计算机**。

特点 说明
访问方式 I/O 总线
资源利用 单机存储
优点 易用易管理、设备成本低
缺点 不能跨平台文件共享

NAS 网络附加存储

存储设备通过标准网络拓扑结构**连接到计算机群组**。

特点 说明
访问方式 通过 IP 网络（TCP/UDP 协议）
接口 RPC 接口
优点 易用易管理、可扩展性高、设备成本较低
特点 有自己的 OS，类似专用文件服务器

SAN 存储区域网络

专门为存储建立的独立于 TCP/IP 网络之外的**专用网络**。

特点 说明
访问方式 网状通道技术
优点 高性能、低延迟、灵活性高
类型 IPSAN（以太网）、FCSAN（光纤通道）

三种架构对比

比较项 DAS NAS SAN
架构类别 单机存储架构 网络存储架构 网络存储架构
访问方式 I/O 总线 网络 网络
资源利用 单机存储 共享存储 共享存储
访问媒介 总线 以太网 以太网/光纤通道
优势特点 易用易管理
设备成本低		 易用易管理
可扩展性高
设备成本较低		 高性能
低延迟
灵活性高

RAID 磁盘阵列

RAID 概念

RAID 定义

RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立冗余磁盘阵列）是把多块独立的硬盘按不同方式组合起来形成一个硬盘组，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份能力。

RAID5 特点

特点 说明
存储机制 两块存数据，一块存校验结果
容错能力 坏掉一块硬盘可通过另外两块恢复
最少磁盘 至少需要 3 块
校验方式 旋转奇偶校验，无固定校验盘
可用容量 N-1 块盘容量（N 为总磁盘数）

RAID5 容量计算

  • 3 块 80G 硬盘做 RAID5：总容量 = (3-1) × 80 = 160G
  • 2 块 80G + 1 块 40G 做 RAID5：总容量 = (3-1) × 40 = 80G（以最小盘为准）

网络构件关键技术

IPv4 与 IPv6 过渡技术

目前网络演进存在 IPv4 到 IPv6 的过渡期，主要有三种过渡技术：

技术 原理
双协议栈 两种协议在同一平台上双栈共存，同时运行
隧道技术 ISATAP、6to4、over6、6over4 等隧道
NAT 技术 将 IPv4 和 IPv6 地址分别看作内部和外部地址进行转换

层次化网络设计

三层模型

graph TB
    A[核心层] --> B[汇聚层]
    B --> C[接入层]

设计原则

原则 说明
控制网络层次 避免层次过多
自底向上规划 从接入层开始，向上分析规划
模块化设计 尽量采用模块化设计
严格控制网络结构 保持结构清晰
严格控制层次化结构 各层职责分明

设计优点

  • 降低成本
  • 充分利用模块化设备/部件
  • 网络变化或演化容易

网络安全控制技术

主要技术

技术 说明
防火墙 网络间的安全屏障，可以允许/拒绝/重定向数据流
VPN 利用公共网络建立私有专用网络，成本低、接入方便
访问控制 DAC、MAC、RBAC、TBAC、OBAC
网络安全隔离 子网隔离、物理隔离、VLAN 隔离、逻辑隔离
网络安全协议 SSL/TLS、IPSec 等

防火墙类型

类型 说明
硬件防火墙 专用硬件设备
软件防火墙 软件实现
嵌入式防火墙 嵌入到设备中

防火墙种类

种类 说明
包过滤 基于 IP、端口过滤
应用层网关 应用层协议检查
代理服务 代理客户端访问

访问控制技术

技术 全称 说明
DAC 自主访问控制 资源所有者控制访问权限
MAC 强制访问控制 系统强制执行安全策略
RBAC 基于角色的访问控制 按角色分配权限
TBAC 基于任务的访问控制 按任务分配权限
OBAC 基于对象的访问控制 按对象分配权限

绿色网络设计

设计思路

思路 说明
精简设计 减少不必要的设备和功能
重用设计 复用已有资源
回收设计 回收可用资源

设计原则

原则 说明
标准化 减少转换设备，兼容异构方案
集成化 减少设备总量，降低资源需求
虚拟化 灵活调配，按需使用
智能化 降低人力成本，降低资源占用

本章小结

核心知识点

  1. 局域网架构：单核心、双核心、环型、层次型

  2. 层次型架构：核心层（高速转发）→ 汇聚层（访问控制）→ 接入层（用户接入）

  3. 存储架构对比：

  4. DAS：直连、单机、I/O 总线
  5. NAS：网络、共享、TCP/IP

  6. SAN：专用网络、高性能、光纤通道

  7. IPv4/IPv6 过渡：双协议栈、隧道技术、NAT 技术

  8. RAID5 容量：(N-1) × 最小磁盘容量

考试重点

知识点 考查形式
存储架构对比 DAS/NAS/SAN 区别
RAID 容量计算 给定磁盘数量计算容量
层次化网络设计 各层职责
访问控制技术 各种访问控制方式区分

学习建议

  1. 存储架构：牢记三种架构的访问方式和特点
  2. RAID：掌握 RAID5 的容量计算公式
  3. 网络设计：理解三层模型各层的职责