一、局域网与广域网
1、局域网
（1）定义
将有限地理范围内的多台计算机通过传输媒体连接，借助网络软件实现设备间通信与资源共享的通信网络
（2）特点
1.地理范围小：通常为数百米至数公里内。
2.传输速率高：早期 10-100Mb/s，目前 1000Mb/s（千兆）已普及，可支持语音、图像、视频等高速数据交换。
3.误码率低：采用短距离基带传输，搭配高质量传输媒体，保障传输质量。
4.设备构成简单：以 PC 为主体，含终端和外设，一般不设主骨干网。
5.易管理与扩展：协议简单、结构灵活，建网成本低、周期短。
(3) 四种主要拓扑结构
星形结构：以网络交换设备为枢纽，所有节点均连接至枢纽，类似 “蜘蛛网”。
总线结构：用一条共享通信线路（如同轴电缆）连接所有节点，传统以太网（Ethernet）属此类。
环形结构：共享线路呈闭合环状，节点仅与相邻两节点直接相连，信息需经中间节点传递。
网状结构：任意节点间均有物理通信线路连接，节点故障不影响其他节点，但布线复杂、成本高。
2、以太网
以太网核心采用带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）技术，该技术通过 “载波监听” 减少冲突概率，再通过 “冲突检测” 处理未避免的冲突，具体内容如下：
基础
（1）载波监听（减少冲突概率）
通过不同监听算法判断信道状态并决定发送时机，三种核心算法的逻辑与特点如下表所示：
| 监听算法 | 信道空闲时的操作 | 信道忙时的操作 | 核心特点 |
|---|---|---|---|
| 非坚持型 | 立即发送 | 等待随机值 N 后重新监听 | 减少冲突，但降低信道利用率 |
| 1 - 坚持型 | 立即发送 | 继续监听 | 提高信道利用率，但冲突概率增大 |
| P - 坚持型 | 以概率 P 发送，概率 (1-P) 延迟 1 个网络传输时延 | 继续监听 | 平衡冲突与利用率，但算法复杂 |
（2）冲突检测（处理未避免的冲突）
载波监听无法完全消除冲突，因此采用 “边发边听” 机制处理冲突：
- 检测逻辑：发送节点在传输数据的同时，会接收自身发送的信号并与原数据对比；
- 冲突响应：若发现接收信号与原数据不同（判定为冲突），立即停止发送，并发出冲突阻塞信号；
- 后续操作：所有节点收到阻塞信号后，均随机等待一段时间，再重新进入载波监听阶段，尝试再次发送。
分类
以太网核心介质访问技术（CSMA/CD）
- 工作流程：先侦听信道→信道空闲则发送→发送时 “边发边听” 检测冲突→若冲突则立即停止发送并发出阻塞信号→所有节点随机等待（采用二进制指数退避算法降低重冲突概率）后重新侦听。
- 核心作用：通过竞争方式分配信道资源，实现多节点对共享传输介质的有序使用。
| 标准规范 | 俗称 | 传输速率 | 核心传输介质 | 关键子类型 / 特点 |
|---|---|---|---|---|
| IEEE 802.3 | 标准以太网 | 10Mb/s | 细同轴电缆、双绞线（非屏蔽，3 类线）、光纤 | - 子类型：10Base5（粗同轴）、10Base2（细同轴）、10Base-T（双绞线）、10Base-F（光纤） - 10Base-T 是成功标准，10Base-F 利用光纤优势提升传输性能 |
| IEEE 802.3u | 快速以太网 | 100Mb/s | 非屏蔽双绞线（5 类线）、屏蔽双绞线、光纤 | - 子类型： 1. 100BaseTX：用 2 对 5 类非屏蔽双绞线，最多支持 2 个中继器 2. 100BaseFX：2 束多模光纤，无中继时最大传输距 400m 3. 100BaseT4：用 4 对 3 类非屏蔽双绞线，兼容旧线缆 - 特点：向下兼容 IEEE 802.3，仍用 CSMA/CD |
| IEEE 802.3z | 千兆以太网 | 1000Mb/s | 光纤（多模 / 单模）、宽带同轴电缆、非屏蔽双绞线（5 类线，半双工模式） | - 物理层重新定义，维持 CSMA/CD 协议 - 光纤传输距：多模 500m、单模 2000m；5 类 UTP 传输距 100m - 拓扑：以交换机为中心的星形结构，多用于交换机间或交换机与超级服务器的高速连接 |
3、无线局域网
无线局域网（WLAN）通过多种关键技术实现无线通信，具备灵活、便捷等优势，其标准、拓扑结构及核心特性如下：
- 关键技术：除红外传输、扩频、窄带微波技术外，还包括调制技术、加解扰技术、无线分集接收技术、功率控制技术、节能技术。
- 核心优势：与有线网络相比，具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展的特点。
- 室外常见结构：点对点型、点对多点型、多点对点型、混合型。
WLAN标准
| 标准 | 传输速率 | 核心特点 |
|---|---|---|
| IEEE 802.11 | 1~2Mb/s | 最早的 WLAN 标准，采用无连接协议 |
| IEEE 802.11b | 11Mb/s | - |
| IEEE 802.11a | 54Mb/s | - |
| IEEE 802.11g | 54Mb/s | 兼容 IEEE 802.11b，工作于 2.4GHz 免费频段，价格低于 IEEE 802.11a |
| IEEE 802.11n | 200Mb/s 以上 | 速率大幅提升，性能更优 |
WLAN拓扑结构
三种核心拓扑结构的目标均为让无线信道传输速率接近或兼容有线 LAN，具体差异如下：
| 拓扑结构 | 结构特点 | 优点 | 缺点 | 适用场景 / 状态 |
|---|---|---|---|---|
| 点对点型 | 用微波 / 红外等技术连接两个固定有线 LAN 网段，通过网桥 / 中继器衔接无线与有线 | 结构简单，中远距离高速率链路，无移动性问题 | 收发信机波束窄，设备调试难度高 | 网络互连场景（固定网段连接） |
| HUB 型（集中式） | 中心节点（HUB）+ 若干外围节点，外围节点通信需经中心 HUB，HUB 负责管理与控制 | 用户设备简单、维护费用低、网络管理单一，可结合微蜂窝实现复用 | 通信延迟增加，抗毁性差，中心节点故障致全网瘫痪 | 需集中管理的常规 WLAN 场景 |
| 完全分布型 | 节点分享拓扑信息，通过分布路由算法协作传输数据，类似分组无线网 | 抗毁性好、移动能力强，可形成多跳网 | 节点复杂性与成本高、网络管理难、多径干扰，规模扩大后性能下降 | 理论探讨阶段，军事领域有潜在应用前景 |
4、广域网
- 核心功能：提供面向数据通信的服务，支持计算机远距离信息交换。
- 关键特点：
- 覆盖范围广、通信距离远，无固定拓扑结构；
- 由电信部门或专业公司组建、管理、维护，提供有偿通信服务。
- 组成结构：分为通信子网与资源子网，二者协同实现网络功能：
子网类型 组成部分 核心作用 通信子网 通信节点设备（负责数据转发）、传输链路（分主干链路和末端用户线路） 利用公用分组交换网、卫星通信网等，连接不同地区的局域网 / 计算机，实现数据传输 资源子网 信息服务 / 业务服务器、用户计算机、网络存储系统、软件资源、数据资源等 实现资源共享功能，提供用户所需的各类网络资源
广域网相关技术
| 技术名称 | 英文缩写 | 核心定义与特点 |
|---|---|---|
| 同步光网络 / 同步数字体系 | SONET/SDH | - 均为物理层光纤传输技术，SONET 是美国标准（美、加应用），SDH 是国际电信联盟标准（其他国家应用）； - 可封装 PDH 等旧标准，支持 ATM 及分组业务（Packet Over SONET） |
| 数字数据网 | DDN | - 利用数字信道提供半永久性连接电路传输数据，满足租用专线需求； - 优点：传输速率高、质量好、协议简单、连接灵活、可靠性高、管理简便 |
| 帧中继 | FR | - 运行于物理层和数据链路层的高性能数据包交换技术，是 X.25 网络的简化版； - 采用虚电路技术，特点：吞吐量高、时延低、适合突发性业务 |
| 异步传输模式 | ATM | - 以固定 53 字节信元为单位的面向连接分组交换 / 复用技术； - 支持语音、数据、视频等多业务，速率高（典型 150Mb/s），处理与交换效率高 |
广域网的分类
根据建设主体、使用权限及传输方式，分为三类：
- 公共传输网络：
- 主体：由政府电信部门组建、管理、控制，资源可租用给任意单位 / 部门；
- 细分：电路交换网络、分组交换网络。
- 专用传输网络：
- 主体：由单个组织 / 团体自建、自用、自控、自维护，拥有私有通信 / 交换设备；
- 典型代表：数字数据网（DDN），可建立永久专用数字通道，租用期间用户独占带宽。
- 无线传输网络：
- 核心：以移动无线网为主；
- 典型技术：GSM、TD-SCDMA、CDMA2000、LTE、5G 等。
二、网络工程
按实施过程的先后：
1、网络规划
网络规划是网络建设的关键且系统性环节，以需求为核心，兼顾技术与工程可行性，主要包含三大模块：网络需求分析、可行性研究、对现有网络的分析与描述。
网络需求分析
网络组建前的首要工作，决定网络建设成败，需用自顶向下的结构化方法，结合地理布局、设备类型等多方面信息形成分析报告，为设计提供依据，具体涵盖 7 类需求及额外注意事项：
- 功能需求：明确用户期望网络实现的功能，结合使用需求、成本、未来发展、预算设计组建方案。
- 通信需求：调研用户所需通信类型、频度、时间及通信量。
- 性能需求：涉及容量（带宽）、利用率、吞吐量、延迟、响应时间、端到端差错率等指标。
- 可靠性需求：包含精确度、错误率、稳定性、无故障时间、数据备份等方面。
- 安全需求：以可用性、完整性（信息不被篡改）、保密性（仅限授权者访问）为衡量指标。
- 运行与维护需求：聚焦网络运行和维护的费用需求。
- 管理需求：涵盖用户管理、资源管理、配置管理、性能管理（监视网络活动）、网络维护（排查故障）
- 额外注意：需了解网络地理位置及运行环境要求（如网络操作系统、数据库、应用软件需求）。
可行性研究
是网络规划的重要活动，从四方面论证：技术可行性、经济可行性、法律可行性、用户使用可行性。
对现有网络的分析与描述
针对现有网络升级场景，需从 9 个维度调研分析现有网络，且规划时需保障原始投资：
- 调研维度：服务器 / 客户机的数量与位置、同时访问数量（需用工具跟踪）、每天用户数、每次使用时间、每次数据传输量、网络拥塞时间段、采用的协议、通信模式（双工 / 单工、速度、地域范围）。
- 投资保障措施：基于现有设备升级改造，不盲目推倒重来；将原有设备降级使用（如核心层设备降为分层级使用），同时新增先进设备提升性能。
2、网络设计
网络设计的任务
网络规划完成后进入设计阶段，需开展 7 项核心工作，具体内容如下：
- 确定网络总体目标：明确采用的网络技术与标准、网络需满足的应用及规模，同时明确是否分期实施、实施成本与运行成本。
- 确定总体设计原则：权衡并确定设计原则在方案中的优先级，核心原则包括实用性、开放性、高可用性 / 可靠性、安全性、先进性、易用性、可扩展性。
- 通信子网设计：包含拓扑结构与网络总体规划（需结合费用、灵活性、可靠性综合设计，是网络设计基础）、分层设计、远程接入访问设计。
- 资源子网设计：重点解决服务器接入与子网连接问题，服务器分全网服务型与部门业务服务型，两类服务器可采用不同接入方式。
- 设备选型：涵盖网络设备与各层次交换机选择，具体策略如下：
- 网络设备：优先选同一厂商（产品线全、技术认证强、市场占有率高）；遵循 “主干预留扩展、低端够用即可” 的扩展性原则；结合性能、端口类型 / 密度选型，兼顾性价比与质量。
- 核心交换机：需具备高性能高速率、准确定位、易升级扩展、高可靠性、强网络控制能力、良好可管理性。
- 汇聚层 / 接入层交换机：需灵活高性能，在满足需求基础上兼顾低成本、易用性，具备一定 QoS 与控制能力，支持多级网络管理。
- 网络操作系统与服务器资源设备选择：先明确网络应用，再确定网络操作系统（需综合考量服务器性能兼容性、安全性、价格、第三方软件、市场占有率），最后进行服务器选型；可按需配置服务器集群或双机容错系统提升性能。
- 网络安全设计：遵循木桶原则、整体性原则、有效性与实用性原则、等级性原则、设计为本原则、自主和可控性原则、安全有价原则；实施步骤为：确定攻击与风险→明确安全策略→建立安全模型→选择实现安全服务→测试安全产品选型。
分层设计
为简化复杂大型互连网络的分析与设计，采用类似软件工程结构化设计的分层（分级）模型，通过通用规则优化带宽分配与规划，核心分为三层：
- 接入层：直接面向用户连接 / 访问网络，核心需求是 “低成本 + 高端口密度”，满足终端用户接入需求。
- 汇聚层（分布层）：作为接入层与核心层的中间层，承担网络访问策略控制、数据包处理 / 过滤 / 寻址等任务；需处理所有接入层通信量，并提供核心层上行链路，因此相比接入层交换机，性能更高、接口更少、交换速率更快。
- 核心层：网络主干部分，核心目标是通过高速转发通信提供优化、可靠的骨干传输结构；核心层交换机需具备更高可靠性、性能与吞吐量，仅负责数据交换；需结合地理距离、信息流量、数据负载选择技术（如 ATM、100Base-FX、千兆以太网），为保障高可用性，常采用双星（树）结构（两台相同交换机分别连接汇聚层交换机，用链路聚合技术实现双机互连）。
3、网络实施
主要步骤
| 步骤序号 | 步骤名称 | 核心目标 | 关键内容 |
|---|---|---|---|
| 1 | 工程实施计划 | 控制投资、保障进度，统筹实施阶段事务 | 1. 编制计划，明确实施项目、费用及负责人； 2. 涵盖设备验收、人员培训、系统测试、运行维护等事务； 3. 提前控制可预知事件，调动人员积极性 |
| 2 | 网络设备到货验收 | 确保采购设备符合需求，排除质量与数量问题 | 1. 到货后先进行功能与性能测试； 2. 核实设备规格、数量、质量，检查合格证、出厂证等文件完整性； 3. 必要时用测试工具评估； 4. 发现问题要求提供商补发或更换 |
| 3 | 设备安装 | 专业安装各组件，重点保障隐蔽工程质量 | 1. 由专门技术人员操作，分综合布线、机房工程、网络设备、服务器、软 / 硬件等模块，各模块由对应工程师负责； 2. 重点关注综合布线系统（隐蔽工程，故障修复成本高） |
| 4 | 系统测试 | 验证网络安全可靠运行能力，分层次排查问题 | 1. 设备测试：测试交换机、路由器、防火墙、线缆等； 2. 系统测试：测试连通性、传输率、吞吐率、时延、丢包率等； 3. 应用测试：测试 DHCP、DNS、Web、E-mail、FTP 等服务性能 |
| 5 | 系统试运行 | 验证系统功能与性能是否达标，持续优化调整 | 1. 调试后进入试运行，检验是否达到预期目标； 2. 期间根据实际情况调整系统，直至满足用户要求 |
| 6 | 用户培训 | 培养专业维护人员，保障系统后续正常运行 | 针对规模大、结构复杂的网络，培训网络管理员等人员，使其具备维护网络、协调资源的能力 |
| 7 | 系统转换 | 平稳切换至新系统，按需选择合适转换方式 | 1. 试运行稳定后启动转换； 2. 提供三种方法：直接转换、并行转换、分段转换，结合可靠性与成本选择 |
三、分布式系统
基本定义：组件分布在联网计算机上，通过消息传递通信与协调动作
- 关键特征：组件并发性（进程间并发）、缺乏全局时钟、组件故障独立性
- 构建动力：实现硬件（磁盘、打印机）与软件（文件、数据库、应用服务）等资源共享
特点
| 类别 | 核心说明 | 关键细节 |
|---|---|---|
| 异构性 | 组件（计算机、网络、OS、语言）存在差异，需保障互联互通 | - 网络层：不同网络通过统一协议（如 TCP/IP）屏蔽差异 - 数据表示：硬件数据存储（大端 / 小端）、编程语言字符 / 数据结构（数组 / 对象）差异，需公共标准（如 gRPC） - 接口实现：不同 OS（Linux/Windows）协议接口调用不同，需面向接口编程 |
| 开放性 | 支持扩展与重新实现，允许新增 / 替换组件、服务 | - 核心前提：发布关键软件接口规约与文档（如互联网 RFC 文档），避开繁琐官方标准化流程 - 开放分布式系统特点： 1. 发布关键接口 2. 基于一致通信机制与接口访问资源 3. 支持异构软硬件构建（需配套测试） - 扩展方式：硬件增计算机、软件增新服务 / 重实现旧服务 |
| 安全性 | 保护信息资源，防止未授权访问、篡改与干扰 | - 三大核心指标： 1. 机密性：防止泄露未授权个人数据 2. 完整性：防止信息被改变或破坏 3. 可用性：防止资源访问干扰（如 DDoS 攻击） |
| 可伸缩性 | 资源 / 用户数量激增时，仍能保持有效性与高效性 | - 理想状态：规模增加无需改变系统与应用，但难以实现 - 适用场景：从小型企业内网到互联网等不同规模场景 - 核心问题：规模扩展是分布式系统开发的主要难点 |
| 故障处理 | 故障具有部分性（部分组件故障、部分正常），需检测、掩盖、容错与恢复 | - 处理技术： 1. 检测故障：校验和检测消息 / 文件错误数据 2. 掩盖故障：消息重传、双磁盘数据写入（单盘故障不丢数据） 3. 容错：客户端设计容忍故障（如 Web 浏览器提示服务器不可用） 4. 故障恢复：通过事务（单机 / 分布式）恢复 / 回滚永久数据状态 |
| 并发性 | 多客户可能同时访问共享资源，需保障并发处理与数据一致性 | - 核心需求：允许并发处理多请求以提升吞吐量 - 解决方案： 1. 进程间：分布式锁保证资源访问顺序 2. 线程间：不同粒度锁（读锁、写锁、公平锁、非公平锁）避免竞争，保障数据一致性 |
| 透明性 | 屏蔽组件分离性，让系统呈现为整体（ANSA 与 RM-ODP 定义 8 种） | - 8 种透明性： 1. 访问透明性：相同操作访问本地 / 远程资源，隐藏数据表示与访问方式差异 2. 位置透明性：用逻辑名访问资源，无需知道物理 / 网络位置（与访问透明性合称网络透明性） 3. 并发透明性：多进程并发访问共享资源不干扰 4. 复制透明性：隐藏资源多实例（副本）信息 5. 故障透明性：屏蔽硬 / 软件故障及恢复过程 6. 移动透明性：资源 / 客户移动不影响操作 7. 性能透明性：负载变化时重新配置适配性能 8. 伸缩透明性：扩展系统 / 应用不改变结构或算法 |
| 服务质量 | 保障服务的非功能特性，提升用户体验 | - 核心指标： 1. 可靠性：服务稳定运行，减少故障影响 2. 安全性：同 “安全性” 挑战，防止信息泄露、篡改 3. 性能：满足及时性（响应时间）与吞吐量需求，负载变化时适配性能 |
| 典型系统类型 | 基于分布式特性构建的常见系统 | - 分布式文件系统、分布式数据库、分布式缓存系统、分布式协调服务系统、分布式计算框架 |
分布式文件系统
源于谷歌分布式存储概念，适用于大规模、高并发场景，扩展能力强（容量随节点数线性达 EB 级），但网络时延是服务瓶颈，主流系统特点如下：
- GFS：谷歌专有、基于 Linux，运行于廉价硬件且容错，提供高总体性能，仅公开技术细节未开源。
- HDFS：高容错、适配廉价机器，主从结构（1 个 NameNode 管理命名空间与访问，若干 DataNode 存数据），访问接口统一如普通文件系统。
- TFS：淘宝主导，高可扩、高可用，主打≤1MB 小文件存储，HA 架构 + 平滑扩容保障服务，扁平化数据组织提升读写性能。
- MooseFS：小众且无需改上层接口，含管理、数据、元数据备份、客户机四组件，元数据存内存并备份，支持多类操作系统。
分布式缓存系统
缓存数据分布于多服务器，用于快速访问与高并发处理，常缓存复杂计算结果或热点数据以减数据库压力，常见系统特点如下：
- Memcache：内存哈希表存键值数据，单进程最大 2GB，LRU 淘汰 + Lazy Expiration 策略，不持久化，分布式依赖客户端算法（哈希取余、一致性哈希等）。
- Redis：开源高性能，支持多数据结构，一致性哈希实现分布式，有持久化、高可用等优势，单线程读写快但多线程慢于 Memcache。
- TFS：阿里研发，分持久化与非持久化模式，主备 Config Server + 等价 Data Server 架构，一致性哈希均衡负载，支持灵活替换存储引擎。
