计算机网络规划与设计

设计基础

网络设计基本元素

计算机网络是有多种基本元素组合而成，常见的网络基本元素包括计算机平台、应用软件、物理设备和拓扑结构、网络软件和实用软件、互联设备和广域网连接等

• 计算机平台：计算机平台是网络中的终端用户节点，是加载并运行操作系统和应用程序并且为用户提供功能和服务的设备，不同的计算机平台，其形状、尺寸、性能有所不同
• 应用软件：应用软件运行在计算机平台上，是完成某种特定应用的软件系统，是网络系统中常用的软件之一
• 物理设备和拓扑结构：物理设备是指连接网络端点之间的基础设施，如网卡、电缆、接插件、接插板、集线器等，而一个网络是由各种各样的物理设备连接而构成
• 互联设备：

实现互联层次	实现原理	优点	缺点
物理层	信号复制与放大	错误分隔、互联方便简洁	互联网络必须同构、互联范围狭小
链路层	数据帧存储转发	数据帧过滤、安全性提高、异构网络互联	无法屏蔽网络风暴、网络规模大时网络性能降低
网络层	分组存储转发	防止网络风暴、自动寻径、中间节点差错控制、流量控制	易成为网络瓶颈，网络资源共享程度降低
传输层以上	协议转换	互联层次高，与用户信息直接接触	服务专用性强，应用范围狭窄，效率低

互联设备

• 中继器：中继器时最简单的互联设备，它的作用是放大电信号，扩大网络的地理覆盖范围。中继器工作在ISO最底层–物理层，它可以使介质错误仅局限于一段网络内，而不会对其他段造成影响
• 集线器：集线器是局域网内连接服务器与主机的设备，主要作用在OSI参考模型的物理层，有信号方法的作用
• 网桥：网桥是一种在数据链路层实现互联的设备，在网桥之间进行数据帧的接收、存储与转发。数据联路层分为逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)两个部分，LLC用于子网之间的路径选择，MAC用于介质访问以及数据帧的成帧等处理
• 以太网交换机：随着网络的不断发展，网络用户的不断增加，共享总线型局域网内用户数量激增，冲突发生频率增加，单个用户可用带宽减少，网络效率降低。随之产生的解决办法是网络微化
• 路由器：路由器是工作在网络层的互联设备，是可以屏蔽网络广播风暴的有效网络设备，路由器功能较多。

网关

网关的互联是网络层以上，具体的说，大多数的网关是在应用层的实现互联。网关通常由软件实现，运行于服务器或者普通计算机上，以实现不同体系结构网络之间或LAN与主机之间的连接。由于网关是在较高的层次上互联，所以不可能有通用网关，只可能针对某一特定的应用而言，比如电子邮件网关，远程终端仿真网关等各种用途的网关。

网络性能

在进行网络设计时，对网络性能参数的考虑是设计工作的重点内容之一，需考虑的网络性能参数包括响应时间、吞吐量、延时、带宽、容量等

• 响应时间、延时和等待时间是网络的重要特性。每个特性都将对网络性能产生影响

  • 响应时间是指以计算机或者终端资源发出请求为起始时间，以该设备接收到数据响应的时间为终点，两个时间的差值。

• 利用率描述设备使用时所能发挥的最大能力

  • CPU利用率
  • 链路利用率

• 网络数据传输率和吞吐量

  • 网络数据传输率 ：
  • 吞吐量：吞吐量是指在网络用户之间有效的传输数据的能力。

可用性、可靠性和可恢复性

• 可用性：可用性是指网络设备可用于执行预期任务时间所占用的百分比
• 可靠性：指网络设备或者计算机持续执行预定功能的可能性
• 可恢复性：指网络从故障中恢复的难易程度和时间

冗余度、适应性和可伸缩性

• 冗余度：冗余设备是指为了避免单台设备故障而导致的网络停止服务而增加的网络设备。冗余线路是指为了防止线路或者链路失效、而导致网络不连通而增加的多余线路。为了关键网络设备添加冗余处理引擎、冗余电源等方式，已经成为常见的技术手段。
• 适应性：适应性是指在用户改变要求时网络的应变能力。优秀的网络设计应当能够适应新技术和新变化的要求
• 可伸缩性：可伸缩性是指网络技术或者设备随着用户需求的增长而扩充的能力。对于许多企业网设计而言，可伸缩性是最基本的目标。

效率与费用

• 网络效率：
  $$效率=(帧长-帧头-帧尾)/帧长\ast 100\%$$

• 费用：费用是建设网络时必须考虑的内容

文档

• 文档的作用

文档是网络设计工作中的重点环节，覆盖了需求规范、通信规范、逻辑设计、物理设计、网络实施、运营维护等各个阶段。通过对网络分析、设计实现等阶段的细节进行描述，说明开发一个网络的步骤。

• 文档的质量

文档的编制必须保证质量，以发挥文档的指导作用，有助于管理人员监督和管理系统开发，有助于用户了解系统开发的工作，有助于维护人员进行有效的修改和扩充

• 文档的管理与维护

在整个网络生存期中，各种文档需作为半成品或是最终成品不断地生成、修改或者补充。为了最终得到高质量的产品，达到所提出的质量要求，必须加强对文档的管理。

网络开发过程

• 需求分析：编制需求说明书
  • 数据准备
  • 需求说明书组成：
    • 综述
    • 需求分析阶段概述
    • 需求数据总结
    • 按优先级排队的需求清单
    • 申请批准部分
• 现有的网络体系分析：
  • 通信规范分析
  • 通信模式分析
    • 对等通信模式
    • 客户机–服务器通信模式
    • 浏览器–服务器通信模式
    • 分布式计算通信模式
  • 通信边界分析
    • 局域网通信边界
      • 冲突域与广播域
      • 局域网通信流量边界
    • 广域网通信边界
    • 虚拟专用网通信边界
• 确定网络逻辑结构：
• 确定网络物理结构：
• 安装和维护：