中小型网络系统总体规划设计

章前导读
考点1：网络总体设计基本方法
考点2：网络关键设备选型
考点3：网络服务器选型

章前导读

本章的重点内容是网络结构与拓扑构型的设计方法、交换机和路由器的分类与主要技术指标以及网络服务器的性能。

考点1：网络总体设计基本方法

网络系统设计的原则是实用性，开放性，高可靠性，安全性，先进性与可扩展性。
网络需求详细分析主要包括：网络总体需求分析、结构化布线需求分析、网络可用性与可靠性分析、网络安全性需求分析，以及分析网络工程造价估算几个方面。

核心层网络结构设计：
整个网络系统的主干部分是核心层网络，他是设计与建设的重点。目前应用于核心层网络的技术标准主要是 GE/10GE，核心设备是高性能交换路由器，连接核心路由器的是具有冗余链路的光纤。整个网络流量的40%~60%都需要有核心层网络来承载。
核心层网络中存在着为整个网络服务的服务器集群的连接，从提高服务器集群可用性的角度，连接方案有两种：

（a）中采取链路冗余的办法直接连接两台核心路由器，其特点是直接利用了核心路由器的带宽，但是占用的核心路由器端口较多，而高端路由器的端口价格很高，所以设备成本会上升；
（b）采取专用服务器交换机，在两台核心路由器之上再增加一台连接服务器集群的交换机，同时采用链路冗余的办法，间接地连接到两台核心路由器，其优点是可以分担核心路由器的带宽，缺点是会形成带宽瓶颈，存在单点故障的潜在危险。

汇聚层网络与接入层网络结构设计：

汇聚层网络可以将位于不同位置的子网连接到核心层网络，实现路由汇聚的功能。
对网络系统进行分层设计，可便于规划与分配带宽，有利于均衡负荷，提高网络效率，实际情况验证：不同层次之间的上联与下联带宽之比为 1∶20。同层次之间的上联与下联带宽之比一般为 1∶1。

考点2：网络关键设备选型

网络关键设备选型的基本原则：

厂商与产品系列的选择
网络的可扩展性考虑
网络技术先进性考虑

路由器选型的依据：

路由器的分类
一般按路由器的性能进行分类，既可分为高端路由器（高端核心路由器）、中端路由器（企业级路由器）和低端路由器。路由器性能主要指路由器背板交换能力，背板交换能力大于40Gbit/s的称为高端路由器，背板交换能力低于40Gbit/s的称为中低端路由器。

路由器关键技术指标

吞吐量

路由器的吞吐量是指它的包转发能力，涉及两个方面的内容：端口吞吐量与整机吞吐量。端口吞吐量是指路由器的某一个端口的包转发能力，而整机吞吐量是指路由器整机的包转发能力。路由器的吞吐量与路由器的端口数量和速率、包类型、包长度关系密切。

背板能力

背板是路由器输入端与输出端之间的物理通道，它决定了路由器的吞吐量。高性能路由器一般采用交换式结构，而传统的路由器采用的是共享背板的结构。

延时与延时抖动

从数据包的第一个字节进入路由器，到该帧的最后一个字节离开路由器所经历的时间就是延时。延时与包长度、链路传输速率有关，它标志着路由器转发包的处理时间。延时对网络性能影响很大，高速路由器一般要求长度为1518B的IP包，延时不大于1ms。

延时的变化量就是延时抖动。由于数据包对延时抖动要求不高，所以一般不把延时抖动作为衡量高速路由器的主要指标，但是语音、视频业务对延时抖动要求较高。

丢包率

丢包率是指在持续的、稳定的负荷情况下，由于包转发能力的限制而造成的包丢失的概率。它常被用作路由器超负荷工作时的性能衡量指标。

突发处理能力

常以最小帧间隔发送数据包而不引起丢失的最大发送速率来衡量突发处理能力。

服务质量

路由器的服务质量主要表现在队列管理机制、端口硬件队列管理和支持 QoS 协议上。队列管理机制是指路由器的队列调度算法与拥塞管理机制。

路由表容量

路由表是路由器用来决定包转发路径的主要依据。建立和维护与当前网络链路状态与节点状态相适应的路由表是路由器的主要任务之一。路由表容量是指路由器可以存储的最多的路由表项的数量。

可靠性与可用性。

典型的高端路由器的可靠性与可用性指标：

 1.无故障连续工作时间(MTBF)大于 10 万小时，且系统故障恢复时间小于 30min。2.系统具有自动保护切换功能，主备用切换时间小于50ms。 3.SDH 与 ATM 接口自动保护切换功能，切换时间小于 50ms。4.路由器系统内部不存在单故障点。5.主处理器、主存储器、交换矩阵、电源、总线管理器与网络管理接口等主要部件需要有热拔插冗余备份，线卡要求有备份，并提供远程测试诊断能力。

网管能力

路由器的网络管理能力表现在网络管理员可以通过网络管理程序和通用的网络管理协议 SNMPv2 等，对网络资源进行集中管理与操作。

交换机的主要技术指标

交换机的分类：
按所支持的技术类型，可以将交换机分为10Mbit/s Etherent交换机、Fast Etherent交换机与1Gbit/s的交换机。
按内部结构，可以将交换机分为模块式交换机与固定端口交换机。
按应用规模，可以将交换机分为企业级交换机，部门级交换机与工作组级交换机。

交换机的主要技术指标：
包括：背板带宽、全双工端口总带宽、交换方式、帧转发速率、延时、模块式或固定端口配置、支持 VLAN 能力等。

背板带宽

指交换机输入端与输出端之间的物理通道。背板带宽越宽，交换机的数据处理能力就越快，数据包转发延迟就越小，性能也就越优越。

全双工端口带宽

全双工端口带宽的计算方法如下：全双工端口带宽=端口数×端口速率×2
如果一种交换机具有 24 个 10／100BASE-TX 端口与 1 个可扩展的 1000BASE-X 端口，那在交换机满配置的情况下，其全双工端口的总带宽为(24×100×2)+(1×1000×2)=6.8(Gbit/s)。交换机背板带宽的选择应该大于这个值，例如，选取背板带宽为 8Gbit/s。背板带宽／全双工端口的总带宽的比值越高，交换机就越趋近于高性能线速无阻塞交换机，性能越好，造价越高。

帧转发速率

帧转发速率是指交换机每秒能够转发的帧的最大数量。延时是指从帧的第一个字节进入交换机，到该帧最后一个字节离开交换机输出端口的时间。

支持 VLAN 能力

除了部分支持 Cisco 专用的组管理协议（CGMP）的交换机外，大部分交换机都支持 802.1Q 协议。VLAN 的划分可以基于端口、MAC 地址或 IP 地址。

模块式交换机（机箱式交换机）的扩张能力

可扩展性是模块式交换机的主要特点。

考点3：网络服务器选型

网络服务器的分类：
按照应用领域不同，可以将网络服务器分为internet通用服务器。数据库服务器，文件服务器与应用服务器等。
按照网络应用规模分类，网络服务器可以分为基础及服务器，工作组级服务器，部门级服务器，企业级服务器。
按照网络服务器主机的硬件体系结构可以分为：基于CISC处理器的inter结构（IA）的PC服务器，基于RISC结构处理器的服务器，小型机服务器。

基于复杂指令集（CISC）处理器的 Intel 结构(IA)的 PC 服务器：
① 优点：配置简单且通用性好，第三方支持软件丰富，系统维护方便，性价比高。
② 缺点：CPU 处理能力与系统 I/O 能力较差，不适宜作为高并发应用和大型数据库服务器。
基于精简指令集（RISC）结构处理器的服务器：
基于精简指令集（RISC）结构处理器的服务器与相应的 PC 服务器相比，CPU 处理能力提高了 50%~75%。各种大型、中型计算机和超级服务器都采用 RISC 结构处理器，操作系统采用 UNIX，所以通常将此类服务器称作 UNIX 服务器。
小型机服务器：
小型机服务器一般用于大型企业级服务器或数据密集型的应用。

服务器采用的相关技术

热拔插技术
集群(Cluster)技术
高性能存储与智能 I/O 技术
对称多处理(SMP)技术
应急管理端口(EMP)技术
非一致内存访问(NUMA)技术
服务处理器与 Intel 服务器控制(Intel Server Control，ISC)技术。

热拔插技术可以实现用户在不断电的情况下进行故障硬盘、板卡等部件的更换，所以使得系统应对突发事件能力大大提高。另外，高端应用的磁盘镜像系统，提高了磁盘的热拔插功能，大大缩减了系统故障修复时间。
注意：如果系统是两个电源，则热拔插功能可以实现在用户不断电的情况下，进行故障电源的更换。

集群技术大大提高了系统的数据处理能力。他是向一组独立的计算机提供高速通信线路，并使其组成一个共享数据存储空间的服务器系统。如果其中某台主机出现故障，该主机所运行的程序将立即转移到其他主机运行。可见，集群计算技术可以使服务器的可用性，可靠性与容灾能力得到大大提高。

衡量服务器性能与转型的重要指标之一就是存储能力。而磁盘容量和存取 I/O 速度是评价高性能存储技术的主要指标。解决硬盘的存取速度问题：存储系统总线必须采用小型机系统接口(Small Computer System Interface，SCSI)标准，同时采用独立磁盘冗余(Redundant Array of Independent Disk，RAID)技术，将若干个硬盘驱动器组成一个整体，由阵列管理器管理，在提高磁盘容量的基础上，通过改善并行读写能力，提高磁盘的存取速度和吞吐量；通过磁盘容错处理来解决系统的可靠性。

对称多处理(SMP)技术可以实现多 CPU 结构的服务器中的均衡负荷，从而提高系统效率。是否在多CPU结构的服务器中采用了对称多处理技术是一个重要指标。

非一致内存访问(NUMA)技术是在多达 64 个或更多 CPU 的服务器之中，将集群技术与对称多处理技术结合起来应用，以求获得较高的性价比。

高性能服务器一般利用专用的服务处理器，对服务器系统的运行状况进行监控。

网络服务器性能

服务器的性能主要表现在磁盘存储能力，运算处理能力，高可用性，可扩展性于可管理性等。

系统高可用性=MTBF/（MTBF+MTBR）
其中，MTBF 为平均无故障时间；MTBR 为平均修复时间。MTBF+MTBR=3652460

如果系统高可用性达到 99.9%，那么每年的停机时间≤8.8h；系统高可用性达到 99.99%，每年的停机时间≤53min；系统高可用性达到 99.999%，每年的停机时间≤5min。

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