第03章 网络拓扑结构设计.docx
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第03章网络拓扑结构设计
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第3章网络拓扑结构设计
内容提要3.1网络结构的基本概念3.2网络基本拓扑结构3.3网络分层设计（重点）网络分层设计（重点）3.4网络结构设计3.5网络冗余设计（重点）网络冗余设计（重点）3.6VLAN设计（重点）设计（设计重点）
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3.1网络结构的基本概念3.1.1基本概念?
拓扑学把实体抽象成与大小、形状无关的点，把实体抽象成与大小、形状无关的点，将连接实体的通道抽象成线，进而研究点接实体的通道抽象成线，进而研究点、线、面之间的连通关系。
之间的连通关系。
?
节点?
链路?
网云
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中继与聚合（Trunk）中继与聚合（）电信网络中的Trunk，主干网络、电话干线。
干线。
☆电信网络中的，主干网络、电话干线带宽设计中的Trunk，多个交换机的端口聚合。
聚合。
☆带宽设计中的，多个交换机的端口聚合链路备份中的Trunk，多条链路互为热备。
热备。
☆链路备份中的，多条链路互为热备中的Trunk，VLAN跨交换机时的信号转发跨交换机时的信号转发☆VLAN中的中的，跨交换机时的信号中继）（中继）。
第3章网络拓扑结构设计
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3.1.2冲突域与广播域
（1）冲突域）?
冲突域指信号产生冲突的最小范围。
冲突域指信号产生冲突的最小范围。
?
冲突域的大小会影响到网络的性能。
冲突域的大小会影响到网络的性能。
?
交换机、路由器等设备可以隔离冲突域。
交换机、路由器等设备可以隔离冲突域。
?
确定性协议（如SDH）或采用轮询协议（如令牌环）确定性协议（）或采用轮询协议（如令牌环）的网络，不会发生冲突。
的网络，不会发生冲突。
第3章网络拓扑结构设计
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（2）广播域）?
主机同时向网段中所有主机发送信号。
主机同时向网段中所有主机发送信号。
?
广播会占用大量网络资源，影响网络带。
广播会占用大量网络资源，影响网络带。
?
大量无用的广播包会形成广播风暴。
大量无用的广播包会形成广播风暴。
?
可以用路由器来分割广播域。
可以用路由器来分割广播域。
?
可采用可采用VLAN划分缩小广播域的范围。
划分缩小广播域的范围。
划分缩小广播域的范围
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（3）产生广播风暴的原因）?
主机查找服务器大量主机广播查找服务器地址。
大量主机广播查找服务器地址。
?
网络环路?
网卡故障?
网络病毒?
黑客软件和视频软件使用
第3章网络拓扑结构设计
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3.2网络基本拓扑结构3.2.1网络拓扑结构的类型
按照网络信号的传输方式，将网络分为点对点和点对多点网络。
点对多点网络也称为广播式网络。
（1）点对点网络）?
点对点是指物理层的拓扑结构，如路由器、光纤、点对点是指物理层的拓扑结构如路由器、光纤、是指物理层的拓扑结构，DDN专线等都是点对点连接。
专线等都是点对点连接。
专线等都是点对点连接?
端到端指跨越多个链路的两个系统之间的链路。
端到端指跨越多个链路的两个系统之间的链路指跨越多个链路的两个系统之间的链路。
?
点对点网络：
点对点型、环型、网状型等。
点对点网络：
点对点型、环型、网状型等。
第3章网络拓扑结构设计
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（2）广播式网络）?
广播式网络采用广播式网络采用CSMA/CD原理工作。
原理工作。
原理工作?
广播式网络仅有一条信道，网络上所有节点共享这广播式网络仅有一条信道，个信道。
个信道。
?
广播式网络：
星型网、总线网、蜂窝网等。
广播式网络：
星型网、总线网、蜂窝网等。
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广播方式：
单播、多播和组播。
广播方式：
单播、多播和组播。
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表3-2各种拓扑结构的分类与工作方式网络类型点对点拓扑结构类型点对点型环型网状型总线型广播星型蜂窝型主要应用MAN、WAN、MAN、WAN、MAN、WAN、LANLANWLAN工作机制PPPSDH、DWDM、多种方式CSMA/CDCSMA/CDCSMA/CA相关标准RFC1134ITU-TG.803多种标准IEEE802.3IEEE802.3IEEE802.11
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3.2.2点对点型拓扑结构?
用于局域网互联，或城域网和广域网的互联。
用于局域网互联，或城域网和广域网的互联。
?
点对点通信协议：
PPP、PPPoE等。
点对点通信协议：
、等
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线型网：
线型网：
点对点串联而成，在结构上与总线网相同。
点对点串联而成，在结构上与总线网相同。
?
线型网与总线网的区别：
线型网与总线网的区别：
总线网采用广播方式进行信号传输线型网采用点对点方式进行信号传输?
支持线型的网络：
SDH、DWDM、ATM等。
支持线型的网络：
、、等?
点对点可看作是线型网的一种特殊情况。
点对点可看作是线型网的一种特殊情况。
第3章网络拓扑结构设计
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点对点结构优点：
点对点结构优点：
☆设备无关性每个连接都是独立的，能使用任何合适的硬件。
每个连接都是独立的，能使用任何合适的硬件。
☆独立性两个节点之间能选择相互接受的通信方式。
两个节点之间能选择相互接受的通信方式。
☆安全性只有2个节点使用信道。
只有2个节点使用信道。
第3章网络拓扑结构设计
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☆非中心化资源和服务分散在所有节点上，避免了性能瓶颈，资源和服务分散在所有节点上，避免了性能瓶颈，增强了扩展性。
增强了扩展性。
☆负载均衡没有中心设备，大大减少了信道争用、设备争用。
没有中心设备，大大减少了信道争用、设备争用。
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点对点结构缺点：
点对点结构缺点：
☆连接较多多个节点通信时，多个节点通信时，线路数量会随着节点的增长而迅速增长。
速增长。
☆时延较长链路中间节点较多时，会使网络响应时间变长，链路中间节点较多时，会使网络响应时间变长，加大传输时延。
大传输时延。
第3章网络拓扑结构设计
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3.2.3环型拓扑结构?
TokenRing（令牌环）：
已淘汰。
）：
已淘汰（令牌环）：
已淘汰。
?
FDDI：
已淘汰。
：
已淘汰。
?
环网目前主要用于城域网设计：
环网目前主要用于城域网设计：
SDH（同步数字系列）（同步数字系列）DWDM（密集波分复用）（密集波分复用）RPR（弹性分组环路）（弹性分组环路）
第3章网络拓扑结构设计
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第3章网络拓扑结构设计
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环型结构是一种点对点链路。
环型结构是一种点对点链路。
?
在工程设计中，往往在环的两端实现环的封闭。
因在工程设计中，往往在环的两端实现环的封闭。
环网在物理上呈总线形状，物理上呈总线形状此，环网在物理上呈总线形状，但逻辑上仍然是环拓扑结构。
型拓扑结构。
第3章网络拓扑结构设计
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SDH等环网采用双环或多环结构。
等环网采用双环或多环结构。
等环网采用双环或多环结构?
SDH环网正常工作时，外环（数据通路）传输数据，环网正常工作时，外环（数据通路）传输数据，环网正常工作时内环（保护通路）作为备用环路。
内环（保护通路）作为备用环路。
当环路发生故障信号会自动从外环切换到内环，时，信号会自动从外环切换到内环，这种功能称为自愈”“自愈”。
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环型结构优点：
环型结构优点：
消除了对中心设备的依赖。
☆消除了对中心设备的依赖。
信号沿环单向传输时延固定。
单向传输，☆信号沿环单向传输，时延固定。
☆所需光缆较少，适宜于长距离传输。
所需光缆较少适宜于长距离传输。
光缆较少，各个节点负载均衡负载均衡。
☆各个节点负载均衡。
☆双环或多环网络具有自愈功能。
双环或多环网络具有自愈功能。
自愈功能路由选择简单，不易发生地址冲突等。
☆路由选择简单，不易发生地址冲突等。
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环型结构缺点：
环型结构缺点：
不适用于多用户接入的网络。
☆不适用于多用户接入的网络。
增加节点时，会加大传输时延。
☆增加节点时，会加大传输时延。
难以进行故障诊断。
☆难以进行故障诊断。
结构发生变化时，需要重新配置网络。
☆结构发生变化时，需要重新配置网络。
投资成本较高等。
☆投资成本较高等。
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3.2.4网状型拓扑结构?
如果网络中节点数为，如果网络中节点数为N，则连接网络的链路数H可则连接网络的链路数可下式计算。
下式计算。
N（N?
1）H=2
第3章网络拓扑结构设计
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网状结构优点：
网状结构优点：
信号传输快。
信号传输快。
不需要汇接交换功能，交换开销低。
不需要汇接交换功能，交换开销低。
冗余链路，网络可靠性高。
冗余链路，网络可靠性高。
?
网状结构缺点：
网状结构缺点：
线路多，建设和维护费用大。
线路多，建设和维护费用大。
通信量不大时，电路利用率很低。
通信量不大时，电路利用率很低。
第3章网络拓扑结构设计
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3.2.5总线型拓扑结构?
N个节点完全互联只需要条总线传输线路。
个节点完全互联只需要1条总线传输线路个节点完全互联只需要条总线传输线路。
第3章网络拓扑结构设计
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总线结构优点不需要其他互联设备，组网费用低。
☆不需要其他互联设备，组网费用低。
扩展网络时，只需要添加一个网络接头。
☆扩展网络时，只需要添加一个网络接头。
?
总线结构缺点所有主机共享同一总线，☆所有主机共享同一总线，主机增多时会引起网络性能下降。
性能下降。
总线一出现故障，将导致整个网络中断。
☆总线一出现故障，将导致整个网络中断。
第3章网络拓扑结构设计
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3.2.6星型拓扑结构?
N个节点完全互联需要个节点完全互联需要N-1条传输线路。
条传输线路。
个节点完全互联需要条传输线路?
星型网络采用广播传输技术?
中心节点设备通常采用交换机。
中心节点设备通常采用交换机。
?
星型以太网虽然在物理上呈星型结构，但逻辑上仍星型以太网虽然在物理上呈星型结构，然是总线型结构。
然是总线型结构。
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第3章网络拓扑结构设计
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星型结构优点：
星型结构优点：
网络结构简单，建设和维护费用少。
网络结构简单，建设和维护费用少。
通信节点一般采用交换机，提高了链路利用率。
通信节点一般采用交换机，提高了链路利用率。
一个节点出现故障不会影响其它节点的连接。
一个节点出现故障不会影响其它节点的连接。
?
星型结构缺点：
星型结构缺点：
可靠性低。
可靠性低。
中心节点负担重。
中心节点负担重。
使用线缆较多。
使用线缆较多。
第3章网络拓扑结构设计
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3.2.7蜂窝型拓扑结构?
主要用于无线通信网络。
主要用于无线通信网络。
?
蜂窝的大小与基站或发射功率有关。
蜂窝的大小与基站或AP发射功率有关发射功率有关。
第3章网络拓扑结构设计
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蜂窝结构采用频率复用技术进行扩容?
蜂窝结构优点：
蜂窝结构优点：
网络建设时间短网络易于扩展?
蜂窝结构缺点：
蜂窝结构缺点：
信号很容易受到环境或人为的干扰传输速率较低，传输速率较低，投资成本较高
第3章网络拓扑结构设计
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3.2.8混合型拓扑结构?
混合型结构的顶层节点负荷较重。
混合型结构的顶层节点负荷较重。
第3章网络拓扑结构设计
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案例：
企业局域网案例：
第3章网络拓扑结构设计
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3.3网络分层设计
在计算机网络设计中，分层是为了解决以下问题：
在计算机网络设计中，分层是为了解决以下问题：
?
有限带宽和无限需求的矛盾?
园区网跨园区，网络互连变复杂园区网跨园区，?
企业网络除满足内网需求外，还要向外网提供服务，企业网络除满足内网需求外，还要向外网提供服务，使网络安全问题变严重?
原来用于局域网的技术（如IEEE802.3），目前逐步原来用于局域网的技术（），目前逐步），应用到城域网设计中
第3章网络拓扑结构设计
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3.3.1分层设计模型
（1）网络分层设计模型）?
Cisco等公司提出了层次化网络设计的概念等公司提出了层次化网络设计的概念?
分为：
核心层、汇聚层和接入层。
分为：
核心层、汇聚层和接入层。
?
核心层主要提供节点之间的高速数据转发。
核心层主要提供节点之间的高速数据转发节点之间的高速数据转发。
?
汇聚层主要负责路由聚合，收敛数据流量。
汇聚层主要负责路由聚合收敛数据流量。
路由聚合，?
接入层为用户提供网络访问功能，并执行用户接入层为用户提供网络访问功能，并执行用户网络访问功能认证和访问控制。
认证和访问控制。
第3章网络拓扑结构设计第35页共106页
第3章网络拓扑结构设计
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（2）交换型层次结构）?
缺点：
路由功能不强大；广播风暴。
缺点：
路由功能不强大；广播风暴。
?
主要用于局域网设计
第3章网络拓扑结构设计
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（3）路由型层次结构）?
缺点：
网络结构较复杂，易形成性能瓶颈。
缺点：
网络结构较复杂，易形成性能瓶颈。
?
主要用于城域网和广域网设计。
主要用于城域网和广域网设计。
第3章网络拓扑结构设计
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3.3.2接入层设计
（1）接入层设计目标与原则）?
为最终用户提供访问网络的能力。
为最终用户提供访问网络的能力。
?
网络设计中应当注意的问题：
网络设计中应当注意的问题：
适度超前分期实施简化设计安全隔离
第3章网络拓扑结构设计
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（2）接入层拓扑结构设计）?
一般采用星型拓扑结构。
一般采用星型拓扑结构。
?
为了降低成本，接入层很少采用冗余链路。
为了降低成本，接入层很少采用冗余链路。
?
一般不提供路由功能。
一般不提供路由功能。
?
接入层设备应当具有良好的扩展性。
接入层设备应当具有良好的扩展性。
?
用户集中的环境，交换机应提供堆叠功能。
用户集中的环境，交换机应提供堆叠功能。
第3章网络拓扑结构设计
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（3）接入层功能设计）?
交换机端口密度是否满足用户需求?
交换机上行链路采用光口还是电口?
交换机端口是否保留了冗余端口?
交换机端口速率是否支持自适应?
交换机是否支持交换机是否支持IEEE802.1Q（优先队列）。
（优先队列）。
第3章网络拓扑结构设计
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（4）接入层性能设计）接入层交换机要能够稳定运行。
接入层交换机要能够稳定运行。
（5）接入层安全设计）（6）接入层可靠性设计）（7）接入层网络管理设计）
第3章网络拓扑结构设计
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3.3.3汇聚层设计
（1）汇聚层主要功能）?
链路聚合减少接入层与核心层之间的链路数。
减少接入层与核心层之间的链路数。
?
流量聚合将接入层低速链路转发到核心层。
将接入层低速链路转发到核心层。
?
路由聚合减少核心层路由器中路由表的大小。
减少核心层路由器中路由表的大小。
第3章网络拓扑结构设计
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主干链路管理流量控制、负载均衡、保证。
流量控制、负载均衡、QoS保证。
保证?
广播域划分进行VLAN划分，定义广播域范围。
划分，进行划分定义广播域范围。
?
VLAN路由路由在汇聚层进行路由处理。
在汇聚层进行路由处理。
?
隔离变化隔离接入层结构变化对核心层的影响。
隔离接入层结构变化对核心层的影响。
第3章网络拓扑结构设计
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（2）汇聚层链路汇聚）（3）汇聚层链路聚合（保证链路负载均衡））汇聚层链路聚合（保证链路负载均衡）（4）汇聚层的流量聚合）（5）汇聚层交换机选择）
第3章网络拓扑结构设计
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3.3.4核心层设计?
核心层的主要功能是实现数据包高速交换。
核心层的主要功能是实现数据包高速交换。
（1）核心层网络结构设计）?
单中心结构常用于小规模局域网设计适用于网络流量不大的局域网?
双中心结构常用于园区网设计可实现设备和链路冗余可很好地进行网络负载均衡
第3章网络拓扑结构设计
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案例：
核心层双中心结构设计案例：
第3章网络拓扑结构设计
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（2）核心层性能设计策略）?
采用高带宽网络技术?
禁止采用降低核心层设备处理能力的策略?
任何策略必须在核心层外执行（如QoS处理）任何策略必须在核心层外执行（处理）处理?
采用高性能的层模块化交换机采用高性能的3层模块化交换机
第3章网络拓扑结构设计
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（3）核心层冗余设计策略）?
增加带宽最简单的方法是增加冗余链路?
路由器可为多个链路提供负载均衡功能?
可在核心层采用设备冗余和链路冗余设计?
对冗余链路可利用对冗余链路可利用STP进行配置处理进行配置处理
第3章网络拓扑结构设计
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（4）核心层路由设计策略）?
尽量减少核心层路由器配置的复杂程度?
使用路由器分组优化特性?
不应使用默认路径来到达内部主机?
可采用默认路径来到达外部主机?
可利用路由聚合来减少核心层路由表的大小。
可利用路由聚合来减少核心层路由表的大小。
（5）核心层其他设计策略）
第3章网络拓扑结构设计
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3.4网络结构设计3.4.1服务子网设计?
服务类型：
服务类型：
通用服务：
通用服务：
DNS、Web、FTP、Email等；、、、等应用服务：
服务服务、服务、服务等。
应用服务：
OA服务、MIS服务、CAD服务等。
服务服务等
第3章网络拓扑结构设计
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（1）集中式服务设计模型）?
设计原则：
设计原则：
将所有服务子网设计在网络核心层。
将所有服务子网设计在网络核心层。
?
优点：
结构简单，便于管理。
优点：
结构简单，便于管理。
?
缺点：
增加了核心层负荷，增加了链路流量。
缺点：
增加了核心层负荷，增加了链路流量。
第3章网络拓扑结构设计
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服务集中在核心层
第3章网络拓扑结构设计
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（2）分布式服务设计模型）?
基本原则：
基本原则：
网络服务集中，应用服务分散。
网络服务集中，应用服务分散。
?
优点：
优点：
网络流量分担合理，核心层设备压力小。
网络流量分担合理，核心层设备压力小。
?
缺点：
缺点：
网络管理工作量大，设备利用率不高。
网络管理工作量大，设备利用率不高。
?
这种设计模型主要用于企业园区网设计。
这种设计模型主要用于企业园区网设计。
第3章网络拓扑结构设计
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案例：
案例：
分布式服务设计模型
网络服务在核心层
服务分布在汇聚层服务分布在接入层
3.4.2网络结构扩展设计
（1）扩展性要求）?
网络扩容时，不需要进行重大的改进设计。
网络扩容时，不需要进行重大的改进设计。
（2）接入能力扩展）?
固定式交换机端口不足：
一是更换高端口密度的交固定式交换机端口不足：
换机；二是增加交换机数量。
换机；二是增加交换机数量。
?
模块化交换机端口不足：
增加接口卡或模块化部件。
模块化交换机端口不足：
增加接口卡或模块化部件。
第3章网络拓扑结构设计
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（3）处理能力扩展）?
升级交换处理模块?
更换交换引擎?
固定式交换机只能更换交换机（4）带宽扩展）?
交换机支持交换机支持802.3ad标准时，可将多条链路绑定在一标准时，标准时起来增加带宽（链路聚合）。
起来增加带宽（链路聚合）。
第3章网络拓扑结构设计
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（5）网络规模扩展）?
利用利用VLAN划分构成新的网络划分构成新的网络?
可利用交换机或路由器来构建新子网（6）平滑扩展）?
保护原有设备的投资。
保护原有设备的投资。
第3章网络拓扑结构设计
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3.5网络冗余设计3.5.1冗余设计的基本原则
（1）冗余设计的目的）?
冗余设计是网络可靠性设计最常用的方法。
冗余设计是网络可靠性设计最常用的方法。
?
冗余设计的目的：
冗余设计的目的：
提供网络备用☆提供网络备用提供网络负载均衡负载均衡。
☆提供网络负载均衡。
第3章网络拓扑结构设计
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链路备份和负载均衡在物理结构上完全一致，但完链路备份和负载均衡在物理结构上完全一致，成的功能完全不同，工作模式也完全不同。
成的功能完全不同，工作模式也完全不同。
?
冗余链路用于网络备用时，2条冗余链路只有一条工冗余链路用于网络备用时，条冗余链路只有一条工另外一条处于热备监控状态。
作，另外一条处于热备监控状态。
?
冗余链路用于负载均衡时，多条冗余链路同时工作，冗余链路用于负载均衡时，多条冗余链路同时工作，不存在备用链路。
不存在备用链路。
第3章网络拓扑结构设计
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（2）单点故障）?
单点故障指网络中某一单个节点或某一单条链路发单点故障指网络中某一单个节点或某一单条链路发生故障时，生故障时，可能导致用户与核心设备或网络服务的隔离。
隔离。
?
冗余链路可以绕过单点故障。
冗余链路可以绕过单点故障。
第3章网络拓扑结构设计
第61页共106页
第3章网络拓扑结构设计
第62页共106页
（3）冗余设计的内容）?
冗余设计包括：
链路冗余、交换机冗余、路由器冗冗余设计包括：
链路冗余、交换机冗余、服务器冗余、电源系统冗余、软件冗余等。
余、服务器冗余、电源系统冗余、软件冗余等。
?
最好的冗余是多台主机互为热备。
最好的冗余是多台主机互为热备。
?
链路冗余可以采用链路聚合技术；链路冗余可以采用链路聚合技术；链路聚合技术?
服务器冗余可以采用双机热备方法；服务器冗余可以采用双机热备方法；双机热备方法?
交换机、路由器、服
升级会员 