【系统架构设计（34）】计算机网络架构与技术基础

文章目录一、本文知识覆盖范围二、网络架构分类1、局域网架构2、广域网架构3、移动通信网架构三、OSI七层模型1、物理层到网络层2、传输层到应用层3、网络设备工作原理四、存储网络架构1、直连式存储DAS2、网络附加存储NAS3、存储区域网络SAN五、软件定义网络架构六、磁盘阵列技术1、RAID基础级别2、RAID高级级别3、RAID组合级别七、组网技术1、交换机核心功能2、交换机工作原理一、本文知识覆盖范围知识模块具体内容学习重点网络架构分类局域网、广域网、移动通信网架构设计理解不同网络类型的特点和适用场景OSI七层模型物理层到应用层的功能定义和协议标准掌握网络分层原理和各层职责网络设备原理交换机、路由器等核心设备工作原理理解设备功能和技术实现存储网络架构DAS、NAS、SAN等存储技术方案掌握不同存储架构的特点和应用组网技术交换机功能、RAID技术、网络拓扑学会网络设计和存储配置网络架构是网络设计的基础框架决定了网络的整体结构和性能特征OSI模型是网络技术的理论基础为理解网络协议和设备功能提供标准参考存储架构是数据管理的核心直接影响系统的数据访问性能和可靠性RAID技术是存储优化的关键手段通过冗余和并行提升存储性能组网技术是系统集成的实践方法将理论转化为可运行的网络系统二、网络架构分类本章节知识结构说明局域网架构小范围网络的设计模式和拓扑结构广域网架构大范围网络的组织方式和连接模式移动通信网5G等移动网络的架构特点和服务模式1、局域网架构概念定义在有限地理范围内连接计算机和相关设备的网络系统。组成设备计算机作为终端设备用于用户操作和业务处理交换机用于连接设备并在局域网内进行数据帧转发路由器可连接不同网络实现局域网与外部网络通信网络架构单核心架构以一个核心交换机为中心其他设备连接到该核心交换机结构简单易于管理但核心交换机存在单点故障风险双核心架构有两个核心交换机互为备份提高了网络可靠性和容错能力当一个核心交换机故障时另一个可继续工作环型架构设备连接成环状数据沿着环依次传输能实现双向通信但环中一处故障可能影响整个网络层次架构分为接入层负责连接终端设备汇聚层汇聚接入层流量进行策略控制核心层提供高速数据转发各层分工明确扩展性好。实际应用企业办公网络使用层次架构构建企业局域网如华为S5700系列交换机支持三层架构支持千兆接入和万兆上行满足中型企业网络需求校园网络采用双核心架构保证网络可靠性如清华大学校园网使用双核心交换机网络可用性达99.9%支持数万用户同时在线数据中心网络使用环型架构实现高可用性如阿里云数据中心采用环形拓扑单点故障恢复时间50ms2、广域网架构概念定义覆盖大范围地理区域的网络系统通常由多个局域网互联组成。组成部分骨干网承担网络中大部分流量是广域网的核心传输部分分布网连接骨干网和接入网进行流量分配和汇聚接入网负责将用户端设备连接到广域网架构说明单核心广域网以一个核心节点为中心其他节点连接到该核心节点便于集中管理但核心节点压力大存在单点故障风险双核心广域网有两个核心节点提高了网络可靠性和负载均衡能力可分担流量和互为备份环型广域网节点连接成环具备一定自愈能力某段链路故障时可通过反向链路通信半冗余广域网部分链路或设备存在冗余在保证一定可靠性的同时控制成本3、移动通信网架构为移动终端用户提供通信服务的网络系统以5G为代表的新一代移动通信技术。三、OSI七层模型物理层到网络层底层网络功能实现和硬件设备传输层到应用层高层网络服务和软件协议设备工作原理各层典型设备的功能和实现机制1、物理层到网络层概念定义OSI模型的前三层负责物理传输、数据链路和网络路由功能。核心特征物理层功能实现二进制传输负责处理物理介质上的信号传输如电信号、光信号等定义了物理设备的接口标准、线缆类型、传输速率等物理特性主要设备包括中继器用于放大和再生信号集线器是多端口中继器将多个设备连接起来但所有设备共享带宽数据链路层功能将物理层接收到的信号组成帧负责帧的传输、错误检测和纠正以及介质访问控制主要设备包括网桥用于连接两个相似网络交换机是多端口网桥能基于MAC地址实现帧的高速转发以太网帧最小长度为64字节由网络中检测冲突的最长时间决定网络层功能进行分组传输和路由选择负责将数据帧封装成数据包并通过路由算法选择最佳路径将数据包转发到目标网络主要设备包括三层交换机和路由器路由器根据IP地址进行路由决策Internet网络核心采取分组交换方式2、传输层到应用层概念定义OSI模型的后四层负责端到端通信、会话管理、数据表示和应用服务。核心特征传输层功能建立端到端的连接负责在源主机和目的主机的应用程序之间提供通信服务包括可靠的TCP和不可靠的UDP传输TCP提供面向连接可靠的字节流服务通过三次握手建立连接四次挥手断开连接UDP是无连接协议传输效率高但不保证数据可靠传输会话层功能建立、管理和终止会话负责在不同主机的应用程序之间建立、维护和结束通信会话包括会话的建立、同步和释放等此层没有特别典型的网络设备表示层功能处理数据的格式与表达、加密、压缩等负责将应用层的数据转换为适合网络传输的格式或将接收到的数据转换为应用层能够理解的格式常见协议如FTP、HTTP等在数据格式处理上会涉及表示层功能应用层功能实现具体的应用功能为用户的应用程序提供网络服务接口直接面向用户的应用需求如文件传输、电子邮件收发、远程登录等协议众多如POP3用于接收电子邮件SMTP用于发送电子邮件HTTP用于Web浏览器和Web服务器之间传输超文本3、网络设备工作原理概念定义各层网络设备的功能实现机制和技术原理。核心特征交换机工作原理基于MAC地址进行数据帧转发通过MAC地址学习建立设备MAC地址与端口的映射关系当接收到数据帧时查看目的MAC地址并在内部地址表中查找对应端口进行转发如果未找到匹配项则采用广播方式发送路由器工作原理基于IP地址进行路由选择根据路由表决定数据包的转发路径支持多种路由协议如OSPF、BGP等能够连接不同网络实现跨网段通信三层交换机功能结合了交换机和路由器的功能在数据链路层实现高速转发在网络层实现路由功能支持VLAN间路由转发性能比传统路由器高10倍以上四、存储网络架构1、直连式存储DAS概念定义存储设备直接连接到服务器的存储架构通过专用接口实现高速数据传输。核心特征架构特点存储设备直接连接到服务器如通过SCSI、SAS或光纤通道等接口服务器与存储设备一对一连接存储资源属于特定服务器独占技术优势数据传输速度快延迟低适合对性能要求高的应用管理相对简单成本相对较低应用限制存储资源无法共享扩展性有限存在单点故障风险不适合大规模部署2、网络附加存储NAS概念定义基于网络的文件级存储系统通过网络接口提供文件共享服务。核心特征架构特点基于以太网通过网络接口将存储设备连接到网络中以文件为单位进行数据存储和共享多个服务器可通过网络访问NAS设备上的文件资源技术优势注重易用性、易管理性、可扩展性和更低的总拥有成本部署和管理相对简单适合对文件共享需求较大的场景应用场景企业办公环境中的文件存储和共享支持多用户并发访问提供统一的文件管理界面3、存储区域网络SAN概念定义专用的高速存储网络以块为单位提供高性能存储服务。核心特征架构特点可使用以太网和光纤通道通过专用网络连接服务器和存储设备以块为单位进行数据存储和传输SAN通常包含光纤通道交换机等设备构建存储区域网络技术优势注重高性能和低延迟适用于对数据读写速度要求极高的场景如大型数据库应用、虚拟化环境等可实现多主机对存储资源的高效共享和快速访问性能特点支持高IOPS和低延迟适合OLTP数据库、虚拟化平台等对存储性能要求极高的应用五、软件定义网络架构六、磁盘阵列技术1、RAID基础级别概念定义磁盘阵列的基础配置级别包括条带化和镜像两种基本技术。核心特征RAID0条块化将数据分块存储在多个磁盘上并行读写数据充分利用多磁盘的带宽性能最高能大幅提升读写速度适合对读写性能要求极高且数据安全性要求不高的场景但无冗余一旦有磁盘损坏数据无法恢复RAID1镜像结构数据同时写入两个或多个磁盘互为镜像可用性和可修复性好当一个磁盘损坏另一个磁盘的数据可正常使用适用于对数据安全性要求高的场景但磁盘利用率低只有50%因为数据完全重复存储性能对比RAID0提供最高性能但无容错能力RAID1提供最高可靠性但性能提升有限需要根据应用需求选择合适的级别2、RAID高级级别概念定义使用奇偶校验技术实现数据冗余和性能平衡的RAID级别。核心特征RAID5分布式奇偶校验采用N1模式无固定校验盘奇偶校验信息分布在所有磁盘上数据和校验信息交叉存储兼顾性能和数据冗余允许一个磁盘损坏时恢复数据适用于一般企业数据存储场景但写性能相对较低因为每次写操作都需要计算和更新校验信息RAID6两种存储奇偶校验采用N2模式使用两种不同的奇偶校验算法无固定校验盘允许同时损坏两个磁盘仍可恢复数据数据冗余度更高可靠性强适合对数据安全要求极高的场景但需要更多磁盘写性能更低构建和管理成本更高RAID3奇偶校验并行传送采用N1模式N个磁盘用于存储数据1个磁盘专门用于存储奇偶校验信息数据按位或字节分散存储在N个磁盘上并行传输在数据传输性能上有一定提升但校验盘是性能瓶颈3、RAID组合级别概念定义将多种RAID技术组合使用实现性能和可靠性的最佳平衡。核心特征RAID01RAID10先进行RAID0条带化再进行RAID1镜像结合RAID0的高性能和RAID1的高可靠性既高效又可靠常用于对性能和数据安全都有较高要求的企业级应用但成本较高需要较多磁盘且构建和管理相对复杂技术优势提供最高的读写性能和最好的容错能力支持多磁盘同时故障恢复速度快适合关键业务应用成本考虑需要至少4块磁盘磁盘利用率50%但性能提升显著适合对性能要求极高的应用场景七、组网技术交换机功能集线、中继、桥接、隔离等核心功能交换原理MAC地址学习和数据转发机制网络拓扑不同拓扑结构的特点和应用场景1、交换机核心功能概念定义交换机作为数据链路层设备的核心功能和技术实现。核心特征集线功能将多个网络设备连接在一起使它们能够相互通信类似于一个中心连接点汇聚各方设备方便网络设备的集中接入和管理构建起一个局部的网络环境中继功能对传输过程中衰减的信号进行放大和再生保证信号在网络中的有效传输距离当信号在网线中传输一定距离后会出现衰减中继功能可恢复信号强度和质量延长网络连接的物理距离桥接功能连接两个或多个不同的网络根据MAC地址转发数据帧能识别不同网络中的设备MAC地址决定数据帧的转发方向实现不同网络之间的通信扩大网络覆盖范围隔离冲突域功能在传统共享式网络中多个设备共享同一传输介质易产生冲突交换机通过为每个端口分配独立的带宽将网络划分为多个冲突域不同端口之间的数据传输互不干扰减少网络冲突提高网络数据传输的效率和可靠性2、交换机工作原理概念定义交换机实现数据转发的核心机制和技术原理。核心特征MAC地址学习当交换机刚启动或新设备接入网络时交换机会监听每个端口接收到的数据帧从数据帧中提取源MAC地址并将该MAC地址与接收端口的对应关系记录在内部地址表中建立起设备MAC地址与端口的映射关系为后续的数据转发提供依据数据转发当交换机接收到一个数据帧时会查看数据帧中的目的MAC地址然后在内部地址表中查找该目的MAC地址对应的端口如果找到匹配项就通过对应的端口将数据帧转发出去如果在地址表中未找到匹配的目的MAC地址交换机会采用广播的方式将数据帧从除接收端口外的其他所有端口发送出去地址表维护交换机会定期更新地址表删除长时间未使用的MAC地址条目当目的设备响应后交换机会学习其MAC地址并更新地址表实现数据在源设备和目的设备之间的高效、准确传输