Technologieaustausch

2.5 Computernetzwerk

2024-07-12

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Ein System, das Kommunikationsleitungen verwendet, um geografisch verteilte Computersysteme und Kommunikationsgeräte mit unabhängigen Funktionen in unterschiedlichen Formen zu verbinden, und sich auf Netzwerksoftware und Kommunikationsprotokolle verlässt, um die gemeinsame Nutzung von Ressourcen und die Informationsübertragung zu realisieren.

1. Grundkonzepte des Netzwerks

1. Entwicklung

(1) Geburt

In den 1960er Jahren wurde zur Übermittlung von Informationen ein Remote-Online-System verwendet, das auf einem einzigen Computer zentriert war.

(2) Bildung

In den 1960er und 1970er Jahren wurden mehrere Hosts über Kommunikationsleitungen miteinander verbunden, um Ressourcen miteinander zu teilen.

(3) Verbindung

Von Ende der 1970er bis in die 1990er Jahre gab es ein offenes und standardisiertes Netzwerk mit einer einheitlichen Netzwerkarchitektur und der Einhaltung internationaler Standards. In dieser Zeit entstanden zwei wichtige Architekturen: die TCP/IP-Architektur und die OSI-Architektur der International Organization for Standardization.

(4) Schnelle Entwicklung

Von den 1990er Jahren bis heute sind lokale Netzwerke ausgereift, es sind Glasfaser- und Hochgeschwindigkeitsnetzwerktechnologien entstanden und das Internet, das durch das Internet repräsentiert wird, hat sich entwickelt.

2. Funktion

(1) Datenkommunikation (Hauptfunktionen)

Eine Kommunikationsmethode, die Datenübertragungstechnologie nutzt, um Informationen zwischen zwei Kommunikationsknoten gemäß einem bestimmten Kommunikationsprotokoll zu übertragen. Die übertragenen Informationen werden in Form von Binärdaten ausgedrückt. Merkmale: Verbunden mit Telematik.

PS: Drei große Kommunikationsunternehmen: Telegraf, Telefon und Computernetzwerk

(2) Ressourcenteilung (Hauptzweck)

Gemeinsame Nutzung von Hardwareressourcen, Softwareressourcen und Datenressourcen

(3) Zentralisierte Verwaltung

MIS

(4) Implementieren Sie eine verteilte Verarbeitung

Große Aufgaben werden in kleine Aufgaben aufgeteilt, die von verschiedenen Computern bearbeitet und dann zentral gelöst werden.

(5) Lastausgleich

Bezieht sich auf die gleichmäßige Verteilung der Arbeitslast auf jedes Computersystem im Netzwerk. Das Netzwerkzentrum ist für die Verteilung und Überwachung verantwortlich. Wenn ein bestimmter Computer überlastet ist, wechselt das System automatisch zu einem Computersystem mit geringerer Auslastung.

3. Relevante Indikatoren

(1) Leistungsindikatoren

  • Rate (Datenrate/Bitrate, einer der wichtigsten Leistungsindikatoren, Einheit b/s (Bits pro Sekunde))

Die Geschwindigkeit, mit der ein mit einem Computernetzwerk verbundener Host oder Kommunikationsgerät Daten über einen digitalen Kanal überträgt.

  • Bandbreite (zwei Bedeutungen)

1) Bezieht sich auf die Kanalbreite eines Signals. Die Bandbreite eines Signals stellt den Frequenzbereich dar, der von verschiedenen in einem Signal enthaltenen Frequenzkomponenten eingenommen wird. Die Einheit ist Hertz (Kilohertz, Megahertz, Gigahertz usw.)

2) Computernetzwerk: Die Bandbreite stellt die Fähigkeit der Kommunikationsleitungen des Netzwerks dar, Daten zu übertragen. Die Netzwerkbandbreite stellt die „höchste Datenrate“ dar, die pro Zeiteinheit von einem Knoten zu einem anderen Knoten im Netzwerk übertragen werden kann. Einheit: Bits pro Sekunde, b/s

  • Durchsatz

Die Datenmenge, die pro Zeiteinheit durch ein bestimmtes Netzwerk (oder einen Kanal, eine Schnittstelle) geleitet wird. Begrenzt durch Netzwerkbandbreite oder Netzwerk-Nennrate.

Manchmal kann der Durchsatz auch in Bytes oder Frames ausgedrückt werden, die pro Sekunde übertragen werden.

  • Latenz (Verzögerung/Verzögerung, wichtiger Leistungsindikator)

Die Zeit, die Daten (eine Nachricht, ein Paket oder sogar ein Bit) benötigen, um von einem Ende eines Netzwerks (Verbindung) zum anderen zu gelangen.

Es ist unterteilt in: Sendeverzögerung, Ausbreitungsverzögerung, Verarbeitungsverzögerung, Warteschlangenverzögerung usw.

  • Round-Trip-Time (RTT, eine wichtige Leistungsmetrik)

Die Zeit, die vom Senden der Daten durch den Absender bis zum Erhalt der Bestätigung vom Empfänger durch den Absender verstrichen ist (der Empfänger sendet die Bestätigung unmittelbar nach Erhalt der Daten).

  • Nutzung

Kanalauslastung: Die Wahrscheinlichkeit, dass der Kanal genutzt wird (Datendurchgänge), ausgedrückt als Prozentsatz. Eine völlig freie Kanalauslastung ist Null.

Netzwerkauslastung: Der gewichtete Durchschnitt der Kanalauslastung des gesamten Netzwerks.

(2) Nichterfüllungsindikatoren

  • kosten
  • Qualität
  • Standardisierung
  • Zuverlässigkeit
  • Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit
  • Einfache Verwaltung und Wartung

4. Bewerbungsaussichten

Das zweitgrößte Netzwerk der Welt nach dem Global Telephone Network

2. Kommunikationstechnologie (Grundlagen des Computernetzwerks)

1 Kanal

Informationsübertragung: Der Prozess, bei dem Quelle und Senke Informationen über den Kanal senden und empfangen.

(1) Klassifizierung

(2) Verarbeitungsprozess der Informationsübertragung

1) Ein Kanal ist ein Kanal zur Informationsübertragung

2) Der Sender empfängt die von der Quelle gesendeten Informationen, codiert und moduliert sie, wandelt die Informationen in ein für die Übertragung auf dem Kanal geeignetes Signal um und sendet es an den Kanal.

3) Der Empfänger ist dafür verantwortlich, Informationen vom Kanal zu empfangen, sie zu demodulieren und zu dekodieren und die Informationen an den Host wiederherzustellen. Nicht alle Frequenzsignale können über den Kanal übertragen werden. Die Größe des Frequenzbereichs ist die Bandbreite des Kanals.

(3)Shannon-Formel

Berechnen Sie die Kanalkapazität: die maximale Übertragungsrate des Kanals

C = B * log2 (1 + S/N)

C: Kanalkapazität, b/s

B: Signalbandbreite, Hz

S: durchschnittliche Signalleistung, W

N: durchschnittliche Rauschleistung, W

S/N: Signal-Rausch-Verhältnis, dB (Dezibel)

Um die Kanalkapazität zu erhöhen, können Sie eine größere Bandbreite verwenden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verringern, oder eine kleinere Bandbreite verwenden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.

2. Signaltransformation

Sendersignalverarbeitung: Quellenkodierung, Kanalkodierung, Interleaving, Impulsformung, Modulation.

Empfängersignalverarbeitung: Demodulation, Sampling-Entscheidung, Deinterleaving, Kanaldekodierung, Quellendekodierung.

(1) Quellkodierung

Analoges Signal – Analog-zu-Digital-Umwandlung – Komprimierungskodierung (Entfernen redundanter Informationen) – digitales Signal

(2) Kanalkodierung

Durch Hinzufügen redundanter Informationen zur Fehlererkennung und -korrektur auf der Empfängerseite.

(3) Verflechtung

Um das Problem von Kanaldekodierungsfehlern zu lösen, die durch kontinuierliche Bitfehler verursacht werden, unterbricht die Verschachtelung die Reihenfolge der Daten nach der Kanalkodierung gemäß bestimmten Regeln, und das empfangende Ende stellt die Reihenfolge der Daten durch Verschachtelung vor der Dekodierung wieder her.

(4) Impulsbildung

Um den Bandbreitenbedarf zu reduzieren, werden die übertragenen Daten in eine geeignete Wellenform umgewandelt.

(5) Modulation

Der Prozess der Übertragung von Informationen in ein Hochfrequenz-Trägersignal, das den Signalanforderungen entspricht.

3. Technologie wiederverwenden

Die gleichzeitige Übertragung mehrerer Datenkanäle erfordert den Einsatz von Multiplexing- und Mehrfachzugriffstechnologien.

Bezieht sich auf die Technologie der gleichzeitigen Übertragung mehrerer Datenkanäle auf einem Kanal.

(1) TDM-Zeitmultiplex

(2) FDM-Frequenzmultiplex

(3) CMD-Codemultiplex

4. Mehrfachzugriffstechnologie

Eine Technologie, die Daten mehrerer Benutzer gleichzeitig auf einer Leitung überträgt und die Daten mehrerer Benutzer auf der Empfangsseite trennt.

(1) TDMA-Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff

(2) FDMA Frequency Division Multiple Access

(3) CMDA-Codemultiplex-Mehrfachzugriff

5. Eigenschaften des 5G-Kommunikationsnetzes

3. Netzwerktechnologie

1. Lokales Netzwerk (LAN)

Eine Computergruppe (d. h. ein Kommunikationsnetzwerk), die mehrere Computer über Übertragungsmedien innerhalb eines begrenzten geografischen Bereichs miteinander verbindet. Das LAN ist geschlossen.

(1) Netzwerktopologie

  • Sternstruktur

Der zentrale Knoten (Kontrollzentrum) ist das Zentrum und er ist über Verbindungsleitungen mit dem Zentrum verbunden. Von einem Knoten übertragene Daten müssen den zentralen Knoten passieren.

Vorteile: schnelle Übertragungsgeschwindigkeit (die Kommunikation zwischen zwei beliebigen Knoten dauert nur zwei Schritte), einfache Netzwerkstruktur, einfacher Netzwerkaufbau sowie einfache Steuerung und Verwaltung

Nachteile: geringe Zuverlässigkeit, schlechte Netzwerkfreigabefähigkeit, sobald der zentrale Knoten lahmgelegt ist, ist das gesamte Netzwerk lahmgelegt

  • Baumstruktur (hierarchisches zentralisiertes Netzwerk)

Merkmale: Geringe Netzwerkkosten und einfache Struktur. Es gibt keine Schleife zwischen zwei beliebigen Knoten, jede Verbindung unterstützt die bidirektionale Übertragung und die Knotenerweiterung ist bequem und flexibel, sodass der Verbindungspfad leicht überprüft werden kann.

Nachteile: Jeder Verbindungsausfall außerhalb des Blattknotens wirkt sich auf das gesamte Netzwerksystem aus.

  • Busstruktur

Jedes Knotengerät ist mit einem Bus verbunden. Alle Knotengeräte übertragen Informationen über den Bus.

Ein Busausfall beeinträchtigt die Kommunikation jedes Knotens.

  • Ringstruktur

Jeder Knoten ist über eine Kommunikationsverbindung Ende an Ende verbunden und bildet so eine geschlossene Schleife.

Der Status jedes Geräts ist gleich und der Informationsfluss erfolgt entsprechend einer festen Richtung in eine Richtung.

Jeder Knotenausfall führt zu einer physischen Lähmung, die der Erweiterung nicht förderlich ist. Die Reaktionsverzögerung des Systems ist lang und die Effizienz der Informationsübertragung ist gering.

  • Netz

Zwischen beliebigen Knoten besteht eine Kommunikationsverbindung. Der Ausfall eines Knotens hat keine Auswirkungen auf andere Knoten.

Umständliche Verkabelung, hohe Baukosten und komplexe Steuerungsmethoden

(2) Ethernet-Technologie (die am häufigsten verwendete LAN-Technologie)

  • Ethernet-Frame-Struktur

Ethernet-Frame: Datenpaket auf der Ethernet-Verbindung, die Struktur ist wie folgt:

DMACSMACLänge/TypDATEN/PADFCS

DMAC: MAC-Adresse des Zielterminals

SMAC: Quell-MAC-Adresse

Länge/Typ: 2 Bytes, der Wert ist größer als 1500, der Typ des Datenrahmens stellt die Länge dar;

DATA/PAD: Spezifische Daten, nicht weniger als 64 Byte (weniger als 64 Byte, zusätzlicher Füllinhalt ist erforderlich)

FCS: Frame-Check-Feld

  • Mindestrahmenlänge (64 Byte)

Zweck/Grund: Um zu vermeiden, dass ein Knoten, der das letzte Bit eines Datenpakets gesendet hat, das erste Bit jedoch noch nicht an einen weiter entfernten Knoten gesendet wurde, gesendet wird. Beim Senden von Daten wird fälschlicherweise angenommen, dass die Leitung frei ist, was zu Konflikten beim Senden von Daten auf der Verbindung führt.

  • Maximale Übertragungsentfernung

Keine strengen Einschränkungen, aber abhängig von Leitungsqualität, Signaldämpfung usw.

  • Ablaufsteuerung

Funktion: Verhindert Rahmenverlust, wenn Geräte blockiert sind.

2. Drahtloses LAN (WLAN)

(1) WLAN-Topologie

  • Punkt zu Punkt
  • HUB-Typ

Es besteht aus einem zentralen Knoten (HUB) und mehreren peripheren Knoten. Zentral gesteuerte Kommunikation.

  • Vollständig verteilt

Keine spezifische Anwendung.

3. Wide Area Network (WAN)

zwischen Städten, Ländern oder Ländern

Ein Weitverkehrsnetz besteht aus einem Kommunikationssubnetz (bestehend aus Kommunikationsknotengeräten und Verbindungen, die diese Geräte verbinden) oder einem Ressourcensubnetz (einer Sammlung von Geräten und ihrer Software, die Ressourcenfreigabefunktionen im Netzwerk implementieren).

(1) Verwandte Technologien

(2) Funktionen

1) Auf Datenkommunikationsdienste ausgerichtet, die Benutzer dabei unterstützen, Computer zum Austausch von Informationen über große Entfernungen zu nutzen;

2) Große Abdeckung, große Kommunikationsentfernung und Weitverkehrsnetz ohne feste Topologie

3) Die Telekommunikationsabteilung oder das Telekommunikationsunternehmen ist für Komponenten, Management und Wartung verantwortlich und stellt der gesamten Gesellschaft kommunikationsorientierte kostenpflichtige Dienste bereit.

(3) Klassifizierung

  • öffentliches Übertragungsnetz
  • Spezielles Übertragungsnetz
  • drahtloses Übertragungsnetzwerk

4. Metropolitan Area Network (MAN)

Netzwerk, das von einer einzelnen Stadt gegründet wurde

3 Ebenen: Kernschicht, Aggregationsschicht und Zugriffsschicht

5. Mobilfunknetz

4. Netzwerktechnologie

1. Netzwerkausrüstung und ihre Arbeitsebene

(1) Hub

Bei der einfachsten Form einer Netzwerkausrüstung werden die von einem Port empfangenen Daten an alle anderen Ports weitergeleitet, unabhängig davon, ob das an den Port angeschlossene System bereit ist oder nicht. Ein Port wird als Uplink-Port bezeichnet und kann für die Verbindung mit anderen Hubs oder Routing-Geräten verwendet werden.

(2) Repeater

LAN-Verbindungsgeräte befinden sich in der physikalischen Schicht des OSI-Systems.

(3) Netzwerkbrücke

Die Datenverbindungsschicht des OSI-Systems.

(4) Schalter

Die Datenverbindungsschicht von OSI. Stellen Sie einen exklusiven Weiterleitungskanal für zwei beliebige Netzwerkknoten bereit, die auf den Switch zugreifen. Es verfügt über automatische Adressierungs- und Umschaltfunktionen, die Möglichkeit, Portkonflikte zu vermeiden und den Netzwerkdurchsatz zu verbessern.

(5) Router

Die Netzwerkschicht von OSI. Wird normalerweise für WAN- oder WAN- und LAN-Verbindungen verwendet.

(6) Firewall

Hardware-Firewall: Das Firewall-Programm ist im Chip integriert.

2. Netzwerkprotokoll

(1) Offenes Systemverbindungsmodell (OSI/RM)

Von der unteren Schicht zur hohen Schicht: physikalische Schicht, Datenverbindungsschicht, Netzwerkschicht, Transportschicht, Sitzungsschicht, Präsentationsschicht und Anwendungsschicht

Vereinbarungen werden zwischen denselben Schichten bereitgestellt und Dienste werden von der oberen und unteren Schicht bereitgestellt.

(2) OSI-Protokollsatz

(3) TCP/IP-Protokoll eingestellt

TCP/IP-Protokollfamilie: Internet Protocol IP, Transmission Control Protocol TCP, User Datagram Protocol UDP, Virtual Terminal Protocol TELNET, File Transfer Protocol FTP, Email Transfer Protocol SMTP, Online News Transfer Protocol NNTP, Hypertext Transfer Protocol HTTP

(4) Vergleich zwischen ISO/OSI-Modell und TCP/IP-Modell

ISO/OSI-ModellTCP/IP-Modell
AnwendungsschichtAnwendungsschicht
Präsentationsfolie
Sitzungsschicht
TransportschichtTransportschicht
NetzwerkschichtInternetschicht
DatenübertragungsebeneNetzwerkschnittstellenschicht
physikalische SchichtHardwareschicht

3. Technologie austauschen

(1) Schaltfunktion

Leitungssammelfunktion; Überbrückungsfunktion; Isolationskonfliktdomäne

(2) Grundlegendes Austauschprinzip

Ein Switch ist ein Netzwerkgerät, das auf der Identifizierung der MAC-Adresse basiert und die Funktion der Kapselung und Weiterleitung von Datenpaketen übernehmen kann.

Weiterleitungspfadlernen; Datenweiterleitung; Aktualisierung der Datenverbindungsadresse

(3) Protokoll wechseln

Spanning Tree Protocol (STP): Lösung von Link-Loop-Problemen

4. Routing-Technologie

(1) Routing-Prinzip

Empfangen Sie ein Datenpaket, das von einer Netzwerkschnittstelle stammt, und bestimmen Sie die nächste weiterzuleitende Adresse basierend auf der Zieladresse des Datagramms.

(2) Router-Protokoll

Routing-Protokoll: Ein Protokoll, das festlegt, wie Datenpakete weitergeleitet werden.

Einstufung:

  • Interior Gateway Protocol TGP

Routing-Protokoll, das innerhalb eines autonomen Systems AS läuft

  • Äußeres Gateway-Protokoll EGP

Routing-Protokoll zwischen ASs

5. Netzwerktechnik

1. Netzwerkplanung

Einschließlich: Netzwerkbedarfsanalyse, Machbarkeitsanalyse, Analyse des bestehenden Netzwerks (bei Optimierung und Modernisierung des bestehenden Netzwerks)

2. Netzwerkdesign

Entwerfen Sie eine Lösung, die das Problem des Benutzers löst. Einschließlich: Festlegung der allgemeinen Netzwerkziele, Festlegung der allgemeinen Entwurfsprinzipien, Entwurf des Kommunikationssubnetzes, Auswahl der Ausrüstung, Entwurf der Netzwerksicherheit usw.

3. Netzwerkimplementierung

Einschließlich: Projektimplementierungsplan, Abnahme des Netzwerkdesigns, Installation und Fehlerbehebung der Ausrüstung, Systemtestbetrieb und -umschaltung, Benutzerschulung usw.