《系统架构师》之计算机网络

系统架构师是一个最终确认和评估系统需求，给出开发规范，搭建系统实现的核心构架，并澄清技术细节、扫清主要难点的技术人员。主要着眼于系统的“技术实现”。系统架构师负责设计系统整体架构，从需求到设计的每个细节都要考虑到，把握整个项目，使设计的项目尽量效率高，开发容易，维护方便，升级简单等。本思维导图主要关于计算机网络知识点，感兴趣的小伙伴可以先收藏再看呀！

计算机网络

• 网络架构与协议
  • 网络互联模型
    • OSI
      • 物理层
      • 数据链路层
      • 网络层
      • 传输层
      • 会话层
      • 表示层
      • 应用层
    • TCP/IP
      • 网络接口层
      • 网络互联层
      • 传输层
      • 应用层
  • 常见的网络协议
    • 应用层
      • FTP
      • TFTP
        • 简单文件传输协议 trivial file transfer protocol
      • HTTP
      • SMTP
      • DHCP
      • Telnet
      • DNS
      • SNMP
        • 简单网络管理协议 simple network management protocol
    • 传输层
      • UDP
      • TCP
    • 网络层
      • IP
        • 无连接、不可靠
      • ICMP
        • 网际控制报文协议 internet control message protocol
        • 差错报文
      • ARP
      • IGMP
    • IPv6
      • 共128位，16位为一段，共8段，每段之间用“:”隔开
      • 压缩表示法：
        • 对于连续2段以上都是0的字段，可以使用“::”来表示
        • 2001:DA8:D001::1:1 = 2001:DA8:D001:0:0:0:1:1
      • 内嵌IPv4表示法
        • 第一部分使用十六进制表示，IPv4部分采用十进制，是过度机制的特殊表示法
        • 2001:DA8:D001:10.10.1.1
      • IPv6地址类型
        • 单播
        • 多播（组播）
        • 泛播（任意播）
          • 泛播地址指派给多个节点的接口，与组播类似。但是泛播的数据包只会发给其中的一个节点，一般是相隔最近的接口。
          • 域名服务器、时间服务器
        • 优势
          • 更大的地址空间
          • 更小的路由表
            • 地址分配一开始就遵循路由汇聚的原则，使路由器能在路由表中用一条记录表示一个子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发数据包的速度
        • 过渡技术
          • 双协议栈技术：同时支持两种协议
          • 隧道技术：在IPv4网络中部署隧道，实现在IPv4上对IPv6业务的承载，保证业务的共存和过渡
            • 6to4
            • ISATAP
            • 6over4
          • NAT-PT技术：使用网关设备连接IPv6和IPv4网络，当两种协议节点相互访问时，NAT-PT网关实现两种协议的转换翻译和地址的映射
• 局域网和广域网
  • 局域网
    • 结构
      • 星型结构
      • 总线结构
        • 用一条共享的通信线路将所有节点连接在一起（总线可以使一根同轴电缆或其他介质）
      • 环形结构
      • 网状结构
  • 无线局域网
    • 拓扑结构
      • 有接入点模式（基础设施网络）
        • 整个网络都使用无线通信的方式，系统中存在接入点，通过接入点将一组节点逻辑上联系在一起，形成一个局域网。
        • 接入点的作用与网桥类似，负责在802.11与802.3的MAC协议之间进行转换
      • 无接入点模式（adhoc网络）
        • 整个网络都使用无线通信，直接通过无线网卡实现点对点连接
        • 可扩展性和灵活性好，但路由和协调控制等技术难以解决
    • 802.11
      • 定义了媒体访问控制层（MAC）和物理层
        • 物理层：工作在2.4GHz的ISM频段上的扩频通信方式
        • MAC层：采取了载波侦听多路访问/冲突避免协议（CSMA/CA）
      • 传输速率和距离不能满足需要， 因此产生了802.11a和802.11b两个分支
        • 后续协议
          • 物理层： 后续推出了802.11g/802.11n/802.11ac，主要以物理层的不通作为区分，区别直接表现在工作频段和数据传输率、最大传输速率
          • MAC层： 802.11h：802.11a的扩展，用于兼容其他5GHz的标准； 802.11e：为满足QoS方面的要求而制定的标准； 802.11i：无线安全标准；规定使用802.1x认证和密钥管理方式
            • 802.1x协议是基于Client/Server的访问控制和认证协议。它可以限制未经授权的用户/设备通过接入端口(access port)访问LAN/WLAN。
    • 3G
      • WCDMA
        • GSM（global system for mobile communication）为主的欧洲厂商，日本公司也有参与
        • 能够架设在GSM网络上，对于系统提供商可以轻易的过渡，具有先天的市场优势
        • （中国联通）
      • CDMA 2000
        • 以美国高通北美公司为主，韩国为该标准的主导者。但只有日本、韩国、北美使用
        • 可以从原有的CDMA One结构直接升级到3G，建设成本低廉
      • TD-SCDMA
        • 中国大唐电信制定的3G标准
        • 将智能天线、同步CDMA和软件无线电等技术融合，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本方面具有独特优势。全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA
        • 中国移动
    • 4G
      • 两大方向
        • LTE
          • TD-LTE(Time Division Long Term Evolution)
            • 分时长期演进
            • TDD：时分双工
          • FDD-LTE(Frequency Division Duplexing Long Term Evolution)
            • 频分长期演进
            • FDD：频分双工
        • WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)
          • 全球微波互联接入
          • IEEE 802.16
  • 广域网
    • 一般由电信部门负责组建、管理和维护，并向全社会提供面向通信的有偿服务
  • 网络接入技术
    • PSTN
      • public switching telephone network，公共交换电话网络
        • 拨号上网，将电话线插入到modem上，在计算机上通过拨号程序输入接入号码进行接入
        • 一般低于64K
    • ISDN
      • integrated services digital network，综合业务数字网
        • 在电话网络的基础上构造的纯数字方式的综合业务数字网。基本速率接口为2B+D信道，共144K带宽，一般使用RJ45接口
    • ADSL
      • asymmetrical digital subscriber loop，非对称数字用户线路
        • 使用普通的电话线连接，无需对入户线缆进行改造
        • 上下行速率不一样，下行往往比上行块
        • 主要有两种标准
          • G.DMT
            • 全速率ADSL标准，提供8M下行和1.5M上行
            • 需要安装分离器
          • G.Lite
            • 下行为1.5M，上行为512K
            • 不需要安装分离器
    • FTTx+LAN
      • FTTx
        • 主线路使用光纤，再分散成局域网
      • PON
        • passive optical network，无源光纤网络
    • HFC
      • 同轴光纤技术，hybird fiber-coaxial
• 网络互连与常用设备
  • 互连设备
  • 网络互连
    • 网络中各节点往往不能直接互连，需要专门的中间设备来是按
    • 中间设备需要实现不同网络之间的协议转换
    • 中间设备
      • 中继器
        • 实现物理层协议转换，在电缆间转换二进制信号
        • 物理层
        • 对接收信号进行再生和发送，起到扩展传输距离的作用
        • 对高层协议透明，但使用个数有限（以太网中只能使用4个）
      • 网桥
        • 早期的两端口二层网络设备，用来连接不同网段。
        • 网桥被具有更多端口、同时也可隔离冲突域的交换机（Switch）所取代。
        • 实现物理层和数据链路层协议转换
        • 数据链路层
        • 根据数据帧物理地址进行网络之间的信息转发，
        • 只能够连接相同MAC层的网络
      • 路由器
        • 实现网络层和以下各层协议转换
        • 网络层
        • 通过逻辑地址进行网络之间的信息转发，可完成异构网络之间的互联互通
        • 只能连接使用相同网络层协议的子网
      • 网关
        • 网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。
        • 高层（4~7层）
      • 集线器
        • 多端口中继器
        • 物理层
      • 交换机
        • 二层交换机
          • 传统意义上的交换机，多端口网桥
          • 数据链路层
        • 三层交换机
          • 带路由功能的二层交换机
          • 网络层
          • 最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。
            • 出于安全和管理方便的考虑，主要是为了减小广播风暴的危害，必须把大型局域网按功能或地域等因素划成一个个小的局域网，这就使VLAN技术在网络中得以大量应用，而各个不同VLAN间的通信都要经过路由器来完成转发，随着网间互访的不断增加。单纯使用路由器来实现网间访问，不但由于端口数量有限，而且路由速度较慢，从而限制了网络的规模和访问速度。基于这种情况三层交换机便应运而生，三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很强二层包处理能力，非常适用于大型局域网内的数据路由与交换，它既可以工作在协议第三层替代或部分完成传统路由器的功能，同时又具有几乎第二层交换的速度
        • 多层交换机
          • 高层（4~7层）
          • 带协议转换的交换机
    • 交换技术
      • 电路交换
      • 报文交换
      • 分组交换
    • 路由技术
      • 协议范围
        • 内部网关协议（IGP: interior gateway protocol）： 在一个自治系统（AS: autonomous system） 内运行的路由选择协议
          • RIP：routing informationprotocol，路由消息协议
          • OSPF：open shortest path first，开放式最短路径有限
          • IGRP：interior gateway routing protocol，内部网关路由协议
          • EIGRP：enhanced IGRP，增强内部网关路由协议
        • 外部网关协议(EGP: exterior gateway protocol): 在两个AS之间使用的路由选择协议
          • BGP：border gateway protocol，边界网关协议
        • 核心网关协议（GGP: gateway gateway protocol）： Internet中，所有AS都练到主干网，主干网上的网关被称为核心网关 核心网关之间交换路由信息使用GGP
      • 算法
        • 距离向量协议
          • 计算网络中所有链路的矢量和距离，并以此为依据选择最佳路径
        • 链路状态协议
          • 使用为每个路由器创建的拓扑数据库来创建路由表，通过计算最短路径来形成路由表
        • 平衡型协议
          • 结合上述两个算法优点
• 网络工程
  • 网络规划
    • 网络需求分析：
      • 概念
        • 深入调查用户网络建设的背景、必要性、上网的人数和信息量等，
        • 然后更加纵向的、深入细致的需求分析和调研
        • 在确定地理布局、设备类型、网络服务、通信类型和通信量、网络容量和性能，以及网络现状等与网络建设目标相关的几个主要方面情况的基础上形成分析报告，为网络设计提供依据
      • 内容
        • 功能需求
        • 通信需求
          • 用户需要的通信类型、频度、时间、通信量
        • 性能需求
        • 可靠性需求
        • 安全需求
          • 可用性、完整性、保密性
        • 运行与维护需求
          • 运行和维护费用的需求
        • 管理需求
          • 用户、资源、配置、性能管理和网络维护
    • 可行性分析
      • 技术、经济、法律、用户使用的可行性
    • 现有网络的分析和描述
      • 内容
        • 服务器的数量和位置
        • 客户机的数量和位置
        • 同时访问的数量
        • 每天用户数
        • 每天使用的时间
        • 每次数据传输的数据量
        • 网络拥塞的时间段
        • 协议
        • 通信模式
      • 新网规划
        • 在现有基础上升级改造
        • 将现有设备降级使用
  • 网络设计
    • 步骤
      • 确定网络总体目标和设计原则
      • 设计网络的逻辑结构
      • 设计网络的物理结构
    • 设计
      • 网络逻辑结构设计
        • 根据需求规范和通信规范，选择一种比较适宜的网络逻辑结构，并基于该逻辑结构实施后续的资源分配规划、安全规划等内容
        • 分析输出
          • 逻辑网络设计图
          • IP地址方案
          • 安全方案
          • 具体的软件、硬件、广域网连接设备和基本的服务
          • 雇佣和培训新网络员工的具体说明
          • 初步对软件、硬件、服务、网络雇佣员工和培训的费用估计
      • 网络物理结构设计
        • 对逻辑网络设计的实现，通过对设备具体的物理分布、运行环境的确定，确保网络的物理连接符合逻辑连接的需求
        • 确定具体的软硬件、连接设备、布线和服务
      • 分层设计
        • 概念：为了更好地分析和设计复杂的大型网络，采用分层设计模型，通过一些通用规则来设计网络，从而来简化设计、优化带宽的分配和规划
        • 三个关键层
          • 核心层
            • 通过高速转发通信，提供优化、可靠的骨干传输结构
              • 只完成数据交换
          • 汇聚层
            • 完成网络访问策略控制、数据包处理、过滤、寻址，以及其他数据处理任务
          • 接入层
            • 直面用户连接，允许用户接入到网络
  • 网络实施
    • 在设计的基础上，进行设备的购买、安装、调试和系统切换工作
    • 步骤
      • 工程实施计划
      • 网络设备到货验收
      • 设备安装
      • 系统测试
      • 系统试运行
      • 用户培训
      • 系统转换
• 网络存储技术
  • DAS
    • direct assess storage
    • 通过SCSI（small computer system interface）直接连接到服务器
    • 适用场景
      • 服务器在地理上很分散
      • 存储系统必须被直接连接到应用服务器
      • 许多数据库应用和应用服务器，需要直接连接到存储器上
    • 缺点
      • 传输距离、连接数量、传输速率收到限制
      • 难以扩展
      • 数据读取都通过服务器，因此服务器压力大
      • 服务器宕机也会波及存储数据
    • 基本被NAS取代
  • NAS
    • network attached storage
    • 实现
      • 存储设备通过网络接口与服务器相连
      • 存储设备仅提供文件系统功能
      • 网络协议
        • NFS：net file system
        • CIFS：common internet file system
    • 优点
      • 即插即用
      • 基于web管理，设备的安装、使用和管理容易
    • 缺点：
      • 性能低下
  • SAN
    • storage area network
    • 实现
      • 通过专用交换机将磁盘阵列与服务器连接起来，组成高速专用子网
      • 将存储设备从传统的以太网中分离出来，称为独立的存储区域网络
    • 分类
      • FC SAN
        • 存储区域网络使用FC
        • 组成
          • 接口（SCSI、FC）
          • 连接设备（交换机、路由器）
          • 协议（IP、SCSI）
        • 优点：
          • 子主题
            • 高性能、高可用
            • 允许独立、动态的增删存储设备
        • 缺点
          • 成本高
          • 复杂
      • IP SAN
        • 基于IP网络实现数据块级别存储方式的存储网络
          • IP存储：ISCSI（internet SCSI）
        • 优点
          • IP网络配置和管理简单
          • 提供了SAN架构所拥有的功能和扩展性
          • ISCSI通过网络传输指令，不依赖于地点
        • 缺点
          • ISCSI协议被封装在IP包中，封装、解包需要消耗性能
          • 增加了网络负载