1、数据通信网络基础1.1 数据通信网络通信信息在两点或多点之间的传递与交换即人与人、人与物、物与物之间通过某种媒介和行为进行的信息传递与交流。通信系统的三要素信源发送信息的设备如用户的计算机与手机。信道传输信息的媒介可以是物理的有线电缆、光纤也可以是无线电波。信宿接收信息的设备即接收端设备。通信技术的发展远古时代在这个阶段通信完全依赖于最基础的自然媒介、人力和畜力。视觉与声音通信如烽火台、狼烟、鼓声、号角。这些方式传输的信息量极少通常只是预定的信号传输距离短且易受天气和地形影响。邮政通信建立了驿站和邮政系统依靠人力、马匹等实体运输信件。这实现了较大信息量的传递但速度极慢耗时长达数天甚至数月。电气时代19世纪中期至20世纪初期电的发明和应用彻底改变了通信的面貌使信息首次得以光速传播。电报1830-1840年代人类第一次实现了远距离跨越大陆/海洋的即时通信。信息通过电线传输。电话1870年代实现了实时的、双向的语音通信沟通变得无比自然和直接。无线电1890年代摆脱了物理线路的束缚为移动通信和广播奠定了基础。随后发展的广播AM/FM 和电视成为20世纪最主要的大众传媒。信息时代20世纪中期至今晶体管、集成电路和计算机技术的发明推动通信进入了数字化和网络化的新纪元。计算机与互联网1960-1990年代ARPANETAdvanced Research Projects Agency Network美国国防部高级研究规划局网络简称阿帕网的诞生以及TCP/IPTransmission Control Protocol/Internet Protocol传输控制协议/互联网协议的采用标志着进入了互联网时代。通信不再仅仅是人与人之间更发展为机器与机器、网络与网络之间。移动通信1980年代-至今第一代1G模拟语音通信实现了“边走边打”。第二代2G数字语音通信增加了短信Short Message ServiceSMS功能。第三代3G支持移动互联网可以浏览网页、收发电子邮件。第四代4G真正的移动宽带时代流畅的高清视频、在线游戏、移动支付等应用爆发式增长。第五代5G超高速度、超低延迟、海量连接。不仅服务于人与人通信更旨在赋能物联网Internet of ThingsIoT、自动驾驶、远程医疗、工业自动化等垂直行业。1G/2G/3G/4G/5G1st/2nd/3rd/4th/5th-Generation Mobile Communication Technology第一/第二/第三/第四/第五代移动通信技术万物互联时代通信技术仍在加速发展中。5G的深化与6G的探索5G的增强版本5G-A/5.5G将进一步增强5G的性能而6G预计在2030年左右投入商用其目标是为全息通信、感官互联、数字孪生等提供支撑实现“万物智联”。物联网与人工智能Artificial IntelligenceAI融合通信的主体将从人扩展到世间万物。AI将赋能通信网络实现智能化的资源调度、故障预测和安全防护使网络更高效、更可靠。网络通信终端设备之间通过数据通信网络进行的信息传递数据通信网络由路由器、防火墙、无线控制器、无线接入器以及个人电脑、网络打印机、服务器等网络设备构成的通信网络。数据通信网络最基本的功能是实现数据互通网络拓扑用传输介质双绞线光纤等互连各种网络设备例如计算机终端、路由器、交换器等所呈现的结构化布局。网络拓扑形态总线型网络优点结构简单布线、安装容易电缆耗材少组网成本低节点扩展灵活新增设备仅需增加分支接口单台节点故障不会导致全网瘫痪设备简单、整体可靠性尚可缺点共用总线带宽接入设备越多传输速度越慢同一时刻仅允许一台设备发数据其余设备需等待主干总线断裂则整网瘫痪故障排查困难分支节点故障定位难度大可接入节点数量存在上限星型网络优点管控简单介质访问协议简易方便网络监控与管理故障隔离能力强单根线缆 / 单个终端故障仅影响自身不波及全网扩容、运维、配置便捷中央节点可统一提供服务适配双绞线、光纤符合综合布线带宽选择丰富是主流局域网拓扑缺点需要交换机 / 集线器等中心设备组网硬件成本高于总线型高度依赖中央节点中心设备损坏会造成全网中断每台设备独立布线线缆使用量更大环形网络优点数据单向固定传输路径控制逻辑简单控制软件轻量化无信道冲突早期令牌环网传输速率可达 16Mbps组网仅需线缆与接头无需昂贵集中设备基础建设投入低数据传输时延固定适合实时控制类局域网缺点串行传输节点过多会大幅延长网络响应时间闭环结构扩容困难新增节点必须断网操作任意一个节点故障、线路接触不良都会造成全网瘫痪故障定位、日常维护难度极高仅适配令牌环网通用性差速率远落后于现代以太网树形网络优点分层结构清晰网络管理、搭建简单网络延迟低、误码率小扩容便捷可无限延伸多级分支、子分支故障隔离方便单一分支故障可单独断开不影响其他分支缺点全部节点依赖根节点根节点故障直接导致全网失效上层中央节点负载压力极大同层级节点通信不便网络共享能力弱层级线路多通信线路整体利用率偏低全网状型网络优点可靠性极强节点间存在多条冗余链路一条线路损坏可自动切换其他通路支持多信道、多传输速率组网可智能选择最优传输路径延迟低全网资源共享便捷可均衡分配网络流量容错能力强适配广域网场景缺点设备间点对点布线线缆用量极大建设成本高昂布线、施工、配置复杂组网难度大拓扑无固定规则运维与路由配置工作量大部分网状网络优点成本低于全网状网络缺点可靠性比全网状网络有所降低网络分类按运营主体划分企业网络企业网络是由单一组织如公司、政府机构、学校等自行建设和维护的私有网络主要用于连接内部员工、设备、数据中心和分支机构支撑日常办公、生产和管理需求。使用技术以太网相关技术VLAN、VPN等、Wi-Fi、防火墙相关技术等。典型场景园区网络办公楼、工厂、校园等数据中心网络企业自建骨干网广域网等。运营商网络运营商网络是由电信服务提供商建设和运营的公共网络基础设施旨在为外部客户个人用户、企业提供互联网接入、语音通信、数据传输等服务。使用技术BGP、MPLS、5G核心网等。典型场景互联网骨干网跨区域、跨国连接移动通信网络4G/5G基站、核心网企业专线服务MPLS VPN、SD-WAN等。根据地理覆盖范围划分局域网在某一地理区域内由计算机、服务器以及各种网络设备组成的网络。局域网的覆盖范围一般在几公里以内。主要作用是把分布距离较近如: 一个家庭内、一座或几座大楼内、一个校园内等等的若干终端电脑连接起来。使用技术以太网Ethernet、Wi-Fi等。典型场景一家公司的办公网络一个网吧的网络一个家庭网络等。城域网城域网是较大型的局域网需要的成本较高但可以提供更快的传输速率。它改进了局域网中的传输介质扩大了局域网的访问范围范围可以包含一个大学校园或城市。主要作用是将同一城市内不同地点的主机、数据库以及局域网等连接起来。使用技术与局域网技术相似如以太网10 Gbps/100 Gbps、WiMAX。典型场景宽带城域网、教育城域网、市级或省级电子政务专网等。广域网通常覆盖很大的地理范围从几十公里到几千公里。它能连接多个城市甚至国家并能提供远距离通信形成国际性的大型网络。主要作用是把分布较远如: 跨越城市、跨越国家等等的若干局域网或城域网连接起来。使用技术PPP、MPLS、SRv6等。典型场景Internet因特网军用网络。局域网城域网广域网的区别主体不同局域网是一个可连接住宅学校实验室大学校园或办公大楼等有限区域内计算机的计算机网络城域网是在一个城市范围内所建立的计算机通信网络广域网是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网覆盖范围不同局域网覆盖范围一般是方圆几千米之内。城域网覆盖范围为一个城市。广域网跨接很大的物理范围所覆盖的范围从几十公里到几千公里特点不同局域网具备的安装便捷、成本节约、扩展方便等特点使其在各类办公室内运用广泛。城域网采用具有有源交换元件的局域网技术网中传输时延较小它的传输媒介主要采用光缆传输速率在100兆比特/秒以上。广域网能连接多个地区、城市和国家或横跨几个洲并能提供远距离通信形成国际性的远程网络。1.2 数通网络设备网络设备数据通信网络由一系列网络基础设施和终端设备搭建而成网络基础设施主要包括交换机、路由器、防火墙等网络设备这些设备在数通网络中协同合作实现数据的接收与转发。交换机交换机是数通网络的核心设备用于在局域网中高效地转发数据帧通过识别数据帧中的目的MAC地址将数据帧转发到目标设备。根据功能模块和组成结构的不同将其分为盒式交换机和框式交换机。如接入交换机为典型的盒式交换机使用场景可以作为园区网络的接入设备实现用户数据接入网络如核心交换机为典型的框式交换机使用场景可以作为园区网络的核心汇集园区各个模块的流量进行集中转发。根据使用场景的不同交换机还可以分为园区交换机和数据中心交换机。数据中心交换机负责接入数据中心内部的计算、存储等设备确保数据的高速、可靠、准确地转发。数据中心交换机同样可分为盒式交换机和框式交换机。路由器路由器可以在各种网络场景中进行数据包转发。路由器根据所收到的数据包的目的IP地址选择一条合适的路径将数据包转发到下一个路由器或者目的地。根据使用场景的不同可以将路由器分为骨干路由器、城域路由器、接入路由器等。可以作为园区网络的出口设备实现园区数据接入广域网或Internet。主要功能维护路由表和路由信息、路由发现及路径选择、数据转发、广域网接入、网络地址转换及特定的安全功能。路由器和交换机的区别交换机工作在OSI的第二层路由器工作在第三层。交换机的工作原理相对比比较简单而路由器具有更多的智能功能如选择最佳的线路。交换机利用物理地址来确定是否转发数据路由器是使用IP地址。由网络管理员来分配的。传统的交换机只能分割冲突域而无法分割广播域而路由器可以分割广播域。防火墙防火墙是网络安全设备用于控制网络之间的安全通信。它通过监测、限制、更改经过防火墙的数据流尽可能地对外部屏蔽网络内部的信息、结构和运行状况以此来实现对网络的安全保护。一般部署在网络出口区域用于隔离内外网络实现内网用户的安全上网以及外部用户的安全接入等功能。主要功能隔离不同安全级别的网络实现不同安全级别的网络之间的访问控制、用户身份认证实现远程接入功能实现数据加密及虚拟专用网业务执行网络地址转换以及其他安全功能。无线设备WLAN即Wireless LAN是指通过无线技术构建的无线局域网络让终端设备可以通过无线信号接入到网络中从而实现数据传递。常见的无线设备有FAT AP、FIT AP和无线控制器WAC它们能够实现用户接入、认证和业务转发等功能。WLAN广义上是指以无线电波、激光、红外线等无线信号来代替有线局域网中的部分或全部传输介质所构成的网络。而常见的Wi-Fi是指IEEE 802.11标准上的无线局域网技术。在WLAN中常见的设备有无线接入点AP和无线控制器WAC。无线接入点AP支持多种工作模式如FAT AP、FIT AP和Cloud AP根据网络规划的需求可以灵活地在各种模式下切换。FAT AP胖AP独立工作需单独配置功能较为单一成本低适用于家庭。FIT AP瘦AP需要配合WAC使用由WAC统一管理和配置功能丰富适用于大中型企业。Cloud AP云AP需要配合云管理平台使用由云管理平台统一管理和配置功能丰富即插即用适用于中小型企业。无线接入控制器WAC一般位于整个网络的汇聚层或核心层提供高速、安全、可靠的WLAN业务。一般位于整个网络的汇聚层或核心层提供高速、安全、可靠的WLAN业务。1.3 数据通信过程数据通信过程数据发送端应用程序将原始的“数据载荷”进行“封装”添加“头部”和“尾部”形成报文报文中的重要信息是发送者和接收者的地址信息即“源地址”和“目的地址”。网关报文通过网线到达“网关”网关收到报文后对其“解封装”读取目的地址再重新封装并根据目的地址不同离开本地网络送往不同的“路由器” 。路由器和Internet主干道中间的路由器设备不断对报文进行解封装与封装操作然后将报文送入Internet主干道进行传输最后将报文传送到目的网络。数据接收端报文到达目的计算机所在网络的网关解封装和封装然后根据目的地址发往相应的计算机。计算机收到报文后对报文进行校验处理校验无误后接收下报文并将其中的数据载荷交由相应的应用程序进行处理。一次完整的网络通信过程就结束了。常见术语术语说明数据载荷最终想要传递的信息报文网络中交换与传输的数据单元头部在数据载荷的前面添加的信息段尾部在数据载荷的后面添加的信息段封装对数据载荷添加头部和尾部获取数据载荷的过程解封装去掉报文的头部和尾部获取数据载荷的过程网关连接两个不同网络的关口设备终端设备数据通信系统的端设备作为数据的发送者或接收者1.4 网络工程与网络工程师网络工程在信息系统工程方法和完善的组织机构指导下根据网络应用的需求按照计算机网络系统的标准、规范和技术规划设计可行性方案将计算机网络硬件设备、软件和技术系统地集成在一起以成为满足用户需求、高性价比的网络系统的组建工作。网络工程就是围绕着网络进行的一系列的活动包括网络规划、设计、实施、调试、排错等。网络工程设计的知识领域很宽广其中路由和交换是计算机网络的基本。网络工程师综合能力模型专业知识流程规范行业知识工程知识产品知识技术知识基本素质商务礼仪价值观服务意识信息搜集学习能力职业技能团队协作业务管理呈现能力问题解决沟通能力