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系统架构设计高级技能 · 通信系统架构设计理论与实践
通信系统架构是软件架构的基础设施和系统环境，在架构实践中，软件的性能、可用性、可靠性等质量属性很大程度上，受到基础设施和环境的影响，良好的基础设施能够有效地帮助提高系统架构的性能和可用性，增强可靠性。
一、通信系统网络架构
通信网络主要形式：局域网、广域网、移动通信网。
1.1 局域网网络架构
局域网 是单一机构专用计算机的网络。通常由计算机支持多种传输界等设备组成。
特点 ：是覆盖地理范围小、数据传输速率高、低误码率、可靠性高、支持多种传输介质、支持实时应用。
局域按网络拓扑分类 ：有总线型、环型、星型、树型、层次型等类型。
按传输介质分类 ：有有线局域网和无线局域网。
局域网网络架构有4种类型：
-
(1)单核心架构 。使用单台核心二层或三层交换设备作为网络核心。
优点：结构简单，设备投资节约，接入方便。
缺点：地理范围受限，核心单点故障，扩展能力有限，接入设备较多时核心端口密度要求高。 -
(2)双核心架构 。采用两台核心三层及以上交换机作为网络核心。
优点：网络拓扑结构可靠性高，接入较为方便。
缺点：投资较单核心高，核心端口密度要求较高。 -
(3) 环型架构 。采用多台核心三层及以上交换机组成双动态弹性分组环(Reslient Packet Ring, RPR, 作为网络核心。
优点：RPR具备自愈保护， 节省光纤资源， 提供多等级、可靠的QoS服务， 有效利用带宽资源。
缺点：投资较高，路由冗余设计实施难度较高且易形成环路，多环智能通过业务接口互通无法直通。 -
(4)层次型架构 。由核心层、汇聚层、接入层三层交换设备和用户设备组成层次模型。
核心层：负责高速数据转发。
接入层：用户设备接入。
汇聚层：提供充足接口，与接入层间实现互访控制。
层次型架构的优点：易扩展，分级排查网络故障便于维护。
1.2 广域网网络架构
广域网 利用公用分组交换网、无线分组交换网、卫星通信网构建通信子网连接分布的局域网以实现资源子网的共享。广域网由骨干网、分布网、接入网组成。
广域网网络架构可以分为：
-
(1)单核心架构 。以单台核心三层交换设备作为网络核心。
优点：结构简单，设备投资节约，局域网互访效率高，新局域网接入方便。
缺点：核心单点故障，扩展能力欠佳，核心设备端口密度要求较高。 -
(2)双核心架构 。以两台核心三层及以上交换机作为网络核心。
优点：网络拓扑结构可靠，路由可热切换，可靠性高，局域网接入较为方便。
缺点：投资较单核心高，路由冗余设计实施难度较高，核心端口密度要求较高。 -
(3__)环型架构__ 。以多台核心三层及以上交换机组成路由环路作为网络核心。
优点：接入方便。
缺点：投资较高，路由冗余设计实施难度较高且易形成环路，核心端口密度要求较高。 -
(4)半/全冗余架构 。以多台核心路由设备间互连组成网络核心，如任意核心存在两条以上到其他核心的链路为半冗余架构，如任何两个核心间均存在链路为全冗余架构。
优点：结构灵活，路由灵活，方便扩展，可靠性高。
缺点：结构零散，不便管理，不便排障。 -
(5)对等子域架构 。将半冗余核心划为两个独立子域，子域间通过一条或多条链路互连。
优点：路由控制灵活。
缺点：子域间冗余设计实施难度较高，易形成环路或存在非法路由风险，子域互连设备性能要求高。 -
(6)层次子域架构 。半冗余核心划为多个独立子域，子域间存在层次关系，高层次子域连接多个低层次子域。
优点：扩展性较好，路由控制灵活。
缺点：子域路由冗余设计实施难度较高，易形成环路或存在非法路由风险，子域互连设备性能要求高。
1.3 移动通信网网络架构
5G系统为移动终端用户提供数据网络互连，数据网络可以是互联网、IP媒体子系统、专用网络。用户设备通过5G系统接入数据网络的方式有透明模式和非透明模式。在透明模式下5G系统通过用户面功能接口接入运营商网络， 然后通过防火墙或者代理连至Internet。非透明模式下， 5G系统可以直接或通过其他网络连接至运营商网络或Internet。
1.4 5G网络边缘计算
5G网络边缘计算能为垂直行业提供诸如以时间敏感、高带宽为特征的业务就近分流服务。一来为用户提供极佳的服务体验，二来降低了移动网络后端处理的压力。
1.5 软件定义网络
SDN是一种新型网络创新架构， 核心思想是通过控制与转发分离，将网络中交换设备的控制逻辑集中到一个计算设备上，控制面集中管控，提升网络管理配置能力。
1.6 存储网络架构
存储网络设计磁盘存储访问方式：直连式存储，网络附加存储，存储区域网络。
- (1) 直连式存储(Direct Attached Storage，DAS) ：存储设备通过IDE/AT A/SCSI接口或光纤通道直接连接到单台计算机， 计算机通过I/O访问存储设备， 存储设备可以是硬盘驱动器、RAID阵列、CD、DVD、磁带驱动器。
- (2) 网络附加存储(Network At ached Storage， NAS) ：存储设备通过标准的网络拓扑结构连接到计算机群组， 计算机通过IP局域网或广域网TPC或UDP协议， 通过RPC接口访问NAS在存储设备。
- (3) 存储区域网络(Storage Area Network， SAN) ：一种采用网状通道技术专门为存储建立的独立于TCP/IP网络之外的专用网络， 通过网状通道交换机连接存储阵列和服务器。
3种存储网络架构的对比见表：
| 对比项 | DAS | NAS | SAN |
|---|---|---|---|
| 架构类别 | 单机存储架构 | 网络存储架构 | 网络存储架构 |
| 访问方式 | I/O总线 | 网络 | 网络 |
| 资源利用 | 单机存储 | 共享存储 | 共享存储 |
| 访问媒介 | 总线 | 以太网 | 以太网/光纤通道 |
| 优势特点 | 易用易管理/设备成本低 | 易用易管理 /可扩展性高/设备成本较低 | 高性能/低延迟/灵活性高 |
二、网络构建关键技术
2.1 IPv4与IPv6融合组网技术
IPv4与IPv6融合组网技术 。目前网络演进还存在较长时间IPv4到IPv6过渡期或IPv4和IPv6网络共存期。现阶段主要存在3种过渡技术：双协议栈、隧道技术、网络地址翻译技术。
- (1)双协议栈 ：两种协议在同一平台上双栈共存，同时运行。
- (2) 隧道技术 ：包括ISATAP隧道、6to4隧道、over6隧道、6over4隧道。
- (3) 网络地址翻译(Network Address Translator， NAT) 技术 ：将IPv4地址和IPv6地址分别看作内部地址和外部地址，或者相反，以实现地址转换。
三、网络构建
3.1 网络需求分析
网络需求分析主要从业务需求、用户需求、应用需求、计算机平台需求和网络需求来进行分析。
3.2 网络技术遴选及设计
网络技术遴选及设计可以使用生成树协议、虚拟局域网(VLAN) 、无线局域网(WLAN) 、线路冗余设计、服务器冗余设计等方式。
3.3 广域网技术遴选
广域网技术避选 可以采用运程接入技术、广城网互连技术， 如数字数据网络(DDN) 、同步字体系(SDH) 、多业务传送平台(MSTP) 、虚拟专用网络(VPN) 等。广域网性能优化策略有：广域网性能优化黄预留带宽、利用拨号线路、传输数据压缩、链路聚合、数据基于优先级排序、基于协议预留带宽等方式。
3.4 层次化网络模型设计
层次化设计的优点是能降低成本，充分利用模块化设备/部件，网络变化或演化容易、层次化网络设计一般采用三层模型设计思路：接入层、汇聚层、核心层。 参考→点击 网络规划与设计
层次化设计的原则：
- (1)控制网络层次。
- (2)从接入层开始，向上分析规划。
- (3)尽量采用模块化设计。
- (4)严格控制网络结构。
- (5)严格控制层次化结构。
3.5 网络安全控制技术
实施网络安全控制的相关技术主要有：
- (1)防火墙 。防护墙是网络间的安全屏障，可以保护本地网络资源。防火墙可以允许拒绝/重定向数据流以及审计进出网络的访问或服务。防火墙的体系有：硬件防火墙、软件防火墙、嵌入式防火墙。防火墙的种类有包过滤、应用层网关、代理服务等。
- (2)虚拟专用网络技术 。该技术利用公共网络建立私有专用网络，具有成本低、接入方便、可扩展性强、管理和控制方便等优点。
- (3) 访问控制技术 。访问控制技术主要有：自主访问控制(DAC) 、强制访问控制(MAC) 、基于角色的访问控制(RBAC) 、基于任务的访问控制(TBAC) 和基于对象的访问控制(OBAC) 。
- (4)网络安全隔离 。将攻击隔离在网络外，保证网络内信息不外泄。形式有：子网隔离、物理隔离、VLAN隔离、逻辑隔离。
- (5)网络安全协议 。参考→点击 网络规划与设计
3.6 网络安全审计
网络安全审计用来测试，评估和分析网络脆弱性，能够实现自动响应、数据生成、分析、浏览、事件存储、事件选择等功能。
3.7 绿色网络设计方法
绿色网络设计 采用精简设计、重用设计、回收设计的思路。设计原则有：
- (1)标准化 ：减少转换设备，兼容异构方案。
- (2)集成化 ：减少设备总量，降低资源需求。
- (3)虚拟化 ：灵活调配，按需使用。
- (4)智能化 ：降低人力成本，降低资源占用。