軟考-架構師-第四章-計算機網路 第二節 區域網與廣域網(讀書筆記)
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主要針對希賽出版的架構師考試教程《系統架構設計師教程（第4版）》，作者“希賽教育軟考學院”。完成相關的讀書筆記以便後期自查，僅供個人學習使用，不得用於任何商業用途。
第一節 網路架構與協議
計算機網路使得其功能得到了大大的加強，範圍得到了很大的擴充套件。
從嚴謹的定義角度說，計算機網路是指由通訊線路互相連線的許多獨立自主工作的計算機構成的資源共享集合體，它是計算機技術和通訊技術相結合的產物。它的出現推動了資訊化的發展，從區域網到網際網路，都對資訊應用產生了深遠的影響。
說明
區域網（Local Area Network，LAN）是將分散在有限地理範圍內的多臺計算機通過傳輸媒體連線起來的通訊網路，通過功能完善的網路軟體，實現計算機之間的相互通訊和資源共享；
廣域網（Wide Area Network，WAN）是在傳輸距離較長的前提下所發展的相關技術的集合，用於將大區域範圍內的各種計算機裝置和通訊裝置互聯在一起，組成一個資源共享的通訊網路。
區域網基礎知識
當今的計算機網路技術中，區域網已經佔據了相當顯著的地位。
特點
（1）地理分佈範圍較小，一般為數百米至數千米的區域範圍之內。
（2）資料傳輸速率高，早期的區域網資料傳輸速率一般為 10Mbps～100Mbps，目前， 1000Mbps 的區域網已經非常普遍，可適用於語音、影象、視訊等各種業務資料資訊的高速交換。
（3）資料誤位元速率低，這是因為區域網通常採用短距離基帶傳輸，可以使用高質量的傳輸媒體，從而提高資料傳輸質量。
（4）一般以 PC 為主體，還包括終端和各種外設，網路中一般不架設主骨幹網系統。
（5）協議相對簡單、結構靈活，建網成本低、週期短，便於管理和擴充。構成區域網的網路拓撲結構主要有星形結構、匯流排結構、環形結構和網狀結構。
結構
星形結構
星形結構方式的網路在直觀上就很容易理解，就像是一張蜘蛛網，中間是一個樞紐（網路交換裝置），所有的節點都連線到這個樞紐上，最終組成一個星形的拓撲結構的網路。目前一般辦公室的區域網便是該結構。
如圖 4-1 所示。
匯流排結構
採用匯流排結構方式的網路，是由一條共享的通訊線路將所有節點連線在一起，這條共享的通訊線路可以是一根同軸電纜或其他介質。
如圖 4-2 所示。
環形結構
環形結構方式的網路，與匯流排結構類似，也是由一條共享的通訊線路將所有節點連線在一起。不同的是，環形結構中的共享線路是閉合的，即它將所有的節點排列成一個環，每個節點只與其兩個鄰居直接相連。若一個節點想要給另一個節點發送資訊，訊息報文必須經過它們之間的所有節點。
如圖 4-3 所示。
網狀結構
網狀結構方式的網路就是任何節點彼此之間都會由一根物理通訊線路相連，任何節點出現故障都不會影響到其他節點。採用這種拓撲結構方式的網路的佈線比較麻煩，而且網路建設的成本也很高，控制方法也很複雜。在實際應用中，一般很少見到這種網路。
如圖 4-4 所示。
無線區域網
無線區域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）主要運用射頻（Radio Frequency， RF）技術取代原來區域網系統中必不可少的傳輸介質（例如，同軸電纜、雙絞線等）來完成資料的傳送任務，有了 WLAN，使用者不必因使用有線傳輸介質而破壞原有的工作環境，可根據需要調整網路節點的位置。同時，行動式計算機更容易接入區域網，這擴大了計算機網路的應用能力和領域。
1．拓撲結構
無線區域網可分為兩大類，分別是有接入點模式（基礎設施網路）和無接入點模式（Adhoc 網路）。
（1）基礎設施網路。
整個網路都使用無線通訊的方式，但系統中存在接入點（Access Point，AP），通過接入點將一組節點邏輯上聯絡在一起，形成一個區域網。AP 的作用與網橋類似，負責在802.11 和 802.3 的 MAC 協議之間進行轉換。一個 AP 覆蓋的部分稱為一個基本業務域，而 AP 控制的所有節點組成一個基本業務集，由兩個以上的基本業務域可以組成一個分散式系統。
（2）Ad hoc 網路。
整個網路都使用無線通訊的方式，直接通過無線網絡卡實現點對點連線。與基礎設施網路相比，Ad hoc 網路中並沒有 AP 這樣的裝置，可擴充套件性和靈活性更好，但路由和協調控制等技術都難以解決。
2．IEEE 802.11 標準
IEEE 802 委員會為無線區域網開發了一組標準，即 IEEE 802.11 標準。其中定義了媒體訪問控制層（MAC 層）和物理層。物理層定義了工作在 2.4GHz 的 ISM（Industrial Scientific Medical，工業、科學和醫學）頻段上的擴頻通訊方式，總資料傳輸速率設計為 2Mbps。而在 MAC 層採取了載波偵聽多路訪問/衝突避免協議（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA），即採用主動避免碰撞而非被動偵測的方式來解決衝突問題。
由於 IEEE 802.11 的業務主要限於資料存取，在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，因此，IEEE 在制定更高速度的標準時，就產生了 802.11a 和 802.11b 兩個分支，後來又陸續推出了802.11g、802.11n、802.11ac 的標準，主要是以物理層的不同作為區分，它們的區別直接表現在工作頻段和資料傳輸率、最大傳輸距離等指標上。而工作在 MAC層的標準又分為 IEEE 802.11h、IEEE 802.11e 和 IEEE 802.11i 等。802.11h 是 802.11a 的擴充套件，目的是相容其他 5GHz 頻段的標準（例如，歐盟使用的 HyperLAN2 等）；802.11e 是 IEEE 為滿足 QoS 方面的要求而制定的標準；IEEE 802.11i 規定使用 802.1x 認證和金鑰管理方式。
3G 通訊技術
3G 是第三代行動通訊及其技術的簡稱，其主流標準包括：WCDMA、CDMA 2000 和TD-SCDMA。
WCDMA
WCDMA（Wideband CDMA，寬頻 CDMA）的支持者主要是以 GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通訊系統）為主的歐洲廠商，日本公司也或多或少參與其中。這套系統能夠架設在 GSM 網路上，對於系統提供商而言，可以較輕易地過渡。因此，WCDMA 具有先天的市場優勢。目前，中國聯合網路通訊集團公司獲得基於 WCDMA 技術制式的 3G 業務經營許可。
CDMA 2000
CDMA 2000 也稱為 CDMA Multi-Carrier，以美國高通北美公司為主導提出，摩托羅拉、 Lucent 和韓國三星公司都有參與，韓國現在成為該標準的主導者。這套系統是從窄頻 CDMA One 數字標準衍生出來的，可以從原有的 CDMA One 結構直接升級到 3G，建設成本低廉。但目前使用 CDMA 的地區只有日本、韓國和北美，所以 CDMA 2000 的支持者不如 WCDMA 多。目前，中國電信集團公司獲得基於 CDMA 2000 技術制式的 3G 業務經營許可。
TD-SCDMA
TD-SCDMA 標準是由中國大唐電信制定的3G 標準，該標準將智慧天線、同步 CDMA 和軟體無線電等技術融於其中，在頻譜利用率、對業務支援具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面具有獨特優勢。另外，由於中國龐大的市場，該標準受到各大主要電信裝置廠商的重視，全球一半以上的裝置廠商都宣佈可以支援 TD-SCDMA 標準。目前，中國行動通訊集團公司獲得基於 TD-SCDMA 技術制式的 3G 業務經營許可。
4G 通訊技術
4G 是第四代行動通訊及其技術的簡稱，是集 3G 與 WLAN 於一體並能夠傳輸高質量視訊影象且影象傳輸質量與高清晰度電視不相上下的技術產品。4G 系統能夠以 100Mbps 的速度下載，比撥號上網快 2000 倍，上傳的速度也能達到 20Mbps，並能夠滿足幾乎所有使用者對於無線服務的要求。此外，4G 可以在 DSL 和有線電視調變解調器沒有覆蓋的地方部署，然後再擴充套件到整個地區。很明顯，4G 有著不可比擬的優越性。
4G 標準主要有兩大方向，即 LTE（Long Term Evolution）與 WiMAX（無線都會網路技術中已介紹），而 LTE 又可進一步分為 TD-LTE 與 FDD-LTE。
TD-LTE
TD-LTE （Time Division Long Term Evolution）即分時長期演進，是由阿爾卡特-朗訊、諾基亞西門子通訊、大唐電信、華為技術、中興通訊、中國移動等業者所共同開發的第四代（4G）移動通訊技術與標準。TDD 即時分雙工（Time Division Duplexing），是移動通訊技術使用的雙工技術之一，與 FDD頻分雙工相對應。TD-LTE 與TD-SCDMA 實際上沒有關係，TD-LTE 是 TDD 版本的 LTE 的技術，FDD-LTE 的技術是 FDD 版本的LTE 技術。TD-SCDMA 是 CDMA（分碼多重進接）技術，TD-LTE 是 OFDM（正交頻分複用）技術。兩者從編解碼、幀格式、空口、信令，到網路架構，都不一樣。
FDD-LTE
FDD-LTE （Frequency Division Duplexing Long Term Evolution）即頻分雙工長期演進，目前該標準的產業發展領先於 TD-LTE。FDD-LTE 已成為當前世界上採用的國家及地區最廣泛的終端種類最豐富的一種 4G 標準。其演進路線與速率為： GSM(9K) –> GPRS(42K) –> EDGE(172K) –> WCDMA(364K) –>HSDPA/HSUPA(14.4M) –> HSDPA+/HSUPA+(42M) –> FDD-LTE(300M)。
WiMAX
WiMAX：Worldwide Interoperabilityfor Microwave Access，即全球微波互聯接入， WiMAX 的另一個名字是 IEEE 802.16。WiMAX 技術既被納入到了 3G 技術，也被納入到了 4G 技術。
802.16 工作的頻段採用的是無需授權頻段，範圍在 2GHz 至 66GHz 之間，而 802.16a 則是一種採用2G 至 11GHz 無需授權頻段的寬頻無線接入系統，其頻道頻寬可根據需求在 1.5M 至 20MHz 範圍進行調整，具有更好高速移動下無縫切換的 IEEE 802.16m 的技術正在研發。因此，802.16 所使用的頻譜可能比其他任何無線技術更豐富，WiMAX 具有以下優點：
<1>對於已知的干擾，窄的通道頻寬有利於避開干擾，而且有利於節省頻譜資源。
<2>靈活的頻寬調整能力，有利於運營商或使用者協調頻譜資源。
<3>WiMAX 所能實現的 50 公里的無線訊號傳輸距離是無線區域網所不能比擬的，網路覆蓋面積是 3G 發射塔的 10 倍，只要少數基站建設就能實現全城覆蓋，能夠使無線網路的覆蓋面積大大提升。
不過 WiMAX 網路在網路覆蓋面積和網路的頻寬上優勢巨大，但是其移動性卻有著先天的缺陷，無法滿足高速(≧50km/h)下的網路的無縫連結。
廣域網技術
廣域網主要提供面向通訊的服務，支援使用者使用計算機進行遠距離的資訊交換，與區域網相比，其覆蓋範圍廣、通訊的距離遠、需要考慮的因素增多，例如，線路的冗餘、頻寬的利用和差錯處理等。廣域網一般由電信部門負責組建、管理和維護，並向全社會提供面向通訊的有償服務、流量統計和計費問題。由於在架構師考試中考廣域網的概率極低，所以在此不詳細敘述。
網路接入技術
目前，接入 Internet 的主要方式有 PSTN、ISDN、ADSL、FTTx+LAN 和 HFC 接入等五種。
PSTN 接入
PSTN（Public SwitchingTelephone Network，公用交換電話網路）是指利用電話線撥號接入Internet，通常計算機需要安裝一個 Modem（調變解調器），將電話線插入到 Modem 上，在計算機上利用撥號程式輸入接入號碼進行接入。PSTN 的速度較低，一般低於 64Kbps。
ISDN 接入
ISDN（IntegratedServices Digital Network，綜合業務數字網）俗稱“一線通”，是在電話網路的基礎上構造的純數字方式的綜合業務數字網，能為使用者提供包括語音、資料、影象和傳真等在內的各類綜合業務。ISDN 的基本速率介面為 2B+D 通道，共 144Kbps 頻寬，一般使用 RJ45 介面。
ADSL 接入
ADSL（AsymmetricalDigital Sub scriber Loop，非對稱數字使用者線路）的服務端裝置和使用者端裝置之間通過普通的電話線連線，無須對入戶線纜進行改造，就可以為現有的大量電話使用者提供 ADSL 寬頻接入。隨著標準和技術的成熟及成本的不斷降低，ADSL 日益受到電信運營商和使用者的歡迎，成為接入 Internet 的主要方式之一。ADSL 的特點是上行速度和下行速度不一樣，並且往往是下行速度大於上行速度。目前，比較成熟的 ADSL 標準主要有兩種，分別是 G.DMT 和 G.Lite。G.DMT 是全速率的 ADSL 標準，提供 8Mbps 的下行速率和 1.5Mbps 的上行速率，但要求使用者安裝分離器，而G.Lite 是一種速率較慢的 ADSL，它不需要在使用者端進行線路的分離。G.Lite 標準的最大下行速率為1.5Mbps，最大上行速率為 512Kbps。
FTTx+LAN 接入
光纖通訊是指利用光導纖維（簡稱為光纖）傳輸光波訊號的一種通訊方法，相對於以電為媒介的通訊方式而言，光纖通訊的主要優點有傳輸頻頻寬，通訊容量大；傳輸損耗小；抗電磁干擾能力強；線徑細、重量輕；資源豐富等。
（1）FTTx技術
隨著光纖通訊技術的平民化，以及高速乙太網的發展，現在許多寬頻智慧小區就是採用以千兆乙太網技術為主幹，充分利用光纖通訊技術完成接入的。實現高速乙太網的寬頻技術常用的方式是 FTTx+LAN（光纖+區域網），根據光纖深入使用者的程度，可以分為五種，分別是FTTC（Fiber To The Curb，光纖到路邊）、FTTZ（Fiber To The Zone，光纖到小區）、FTTB（Fiber To The Building，光纖到樓）、FTTF（Fiber To The Floor，光纖到樓層）和 FTTH（Fiber To The Home，光纖到戶）。
（2）無源光纖網路（Passive Optical Network，PON）技術
PON 是實現 FFTB 的關鍵技術，在光分支點不需要節點裝置，只需安裝一個簡單的光分支器即可，因此，具有節省光纜資源、頻寬資源共享、節省機房投資、裝置安全性高、建網速度快和綜合建網成本低等優點。目前，PON 主要有APON（ATM PON）和 EPON（Ethernet PON）兩種。APON 選擇 ATM 和 PON 作為網路協議和平臺，其上下行方向的資訊傳輸都採用 ATM 傳輸方案，下行速率為 622Mbps 或 155Mbps，上行速率為 155Mbps。光節點到前端的距離可長達 10～ 20km，或者更長。採用無源雙星形拓撲結構，使用時分複用和分時多重進接技術，可以實現信元中繼、區域網互聯、電路模擬、普通電話業務等；EPON 是乙太網技術發展的新趨勢，其下行速率為 100Mbps 或者 1000Mbps，上行為 100Mbps。在 EPON 中，傳送的是可變長度的資料包，最長可為 65535 個位元組，簡化了網路結構、提高了網路速度。
同軸+光纖接入
同軸光纖技術（Hybrid Fiber-Coaxial，HFC）是將光纜敷設到小區，然後通過光電轉換節點，利用有線電視（Community Antenna Television，CATV）的匯流排式同軸電纜連線到使用者，提供綜合電信業務的技術。這種方式可以充分利用 CATV 原有的網路，由於具有建網快、造價低等特點，使其逐漸成為最佳的接入方式之一。HFC 是由光纖幹線網和同軸分配網通過光節點結合而成，一般光纖幹線網採用星形結構，同軸電纜分配網採用樹形結構。
HFC 的使用者端需要使用一個稱為 CableModem（電纜調變解調器）的裝置，它不單純是一個調變解調器，還集成了調諧器、加/解密裝置、橋接器、網路介面卡、虛擬專網代理和乙太網集線器的功能於一身，它無須撥號，可提供隨時線上的永遠連線。HFC 採用頻分複用技術和 64QAM 調製，其上行速率已達 10Mbps 以上，下行速率更高。