通信系统架构设计理论与实践-软考架构师

一、网络分层模型

1. OSI‑RM 七层参考模型（从上层往下记忆：应表会传网数物）

考试要点

1. 路由器工作在网络层；普通二层交换机工作在数据链路层；集线器物理层。
2. TCP：面向连接、可靠、三次握手、四次挥手；UDP：无连接、不可靠、时延低，适合直播、语音。

2. TCP/IP 四层模型

1. 网络接口层：对应 OSI 物理层 + 数据链路层
2. 网际层 (互联网层)：IP、ARP、ICMP
3. 传输层：TCP、UDP
4. 应用层：所有上层应用协议

3. 分层架构优缺点

• 优点：模块化、层间解耦、易于排错、协议可替换、便于标准化
• 缺点：部分层级冗余开销、层级之间存在性能损耗

二、通信基础技术（复用、多址接入、性能指标）

1. 信道复用技术（一条物理信道划分多路逻辑信道）

1. FDM 频分复用：划分不同频段；有线电视、老式调频广播
2. TDM 时分复用：划分时间片轮流占用信道；同步时分；缺点空闲时隙浪费
3. WDM 波分复用：光纤内不同波长光束，骨干光纤通信
4. CDM 码分复用：不同编码；早期 CDMA 手机

口诀：频分看频率、时分看时间、波分看波长、码分看编码

2. 多址接入技术（多个终端争抢公共信道）

• FDMA：分配不同频段给用户
• TDMA：分配不同时隙（2G‑GSM）
• CDMA：正交编码区分用户
• OFDMA：正交频分多址，4G/5G 主流技术

复用 vs 多址接入 必考点复用：一个节点把信道分给多个业务； 多址：多个独立用户终端竞争接入公共信道。

3. 网络四大时延（计算题、选择题）

1. 发送时延：数据包长度 / 信道带宽；设备把比特推送到线路耗时
2. 传播时延：物理距离 / 传输介质光速；光纤、网线远距离传输耗时
3. 处理时延：交换机路由器查表、校验头部耗时
4. 排队时延：数据包进入设备缓冲区排队等待转发，网络拥堵时最大

4. 通信性能指标

1. 带宽：信道最高传输速率；吞吐量：实际平均传输速度，吞吐量≤带宽
2. 抖动：数据包到达时间差，语音视频业务对抖动极其敏感
3. 误码率、丢包率、可用性

5. 网络拓扑详解

1. 星型：中心设备集中转发；易维护；中心单点故障。最常见园区网
2. 总线型：一根主干线缆；成本低；主干损坏全网瘫痪，老旧以太网
3. 环形：数据单向环流转发；自愈能力强；适合工业控制网络、RPR 环网
4. 树形：分层星型，大型园区三层架构本质就是树型
5. 网状 Mesh：设备之间多条链路；极高可靠；成本高昂
6. Fat‑Tree 胖树：数据中心专用拓扑，向上每一层带宽扩容，解决服务器之间带宽瓶颈

三、局域网 LAN 架构

1. 单核心局域网架构

结构：所有接入交换机全部上行接入唯一一台核心交换机

• 优点：结构最简单、成本低廉、部署简单、易于管理
• 缺点：核心交换机单点故障，一旦损坏整个局域网瘫痪；扩展性差；带宽瓶颈集中在核心
• 适用：小型办公室、几十人小型网络，对可靠性要求低

2. 双核心局域网架构

结构：两台同等规格核心交换机；每台接入交换机做双上行链路分别接到两台核心；支持 VRRP 网关冗余 工作模式分为两种

1. 主备模式：一台工作，一台空闲备份；故障自动切换
2. 负载分担模式：两台核心同时承担流量

• 优点：设备冗余、链路冗余、消除单点故障、可靠性高、带宽更高
• 缺点：硬件成本翻倍；二层环路风险，需要 MSTP；配置复杂、运维工作量上升
• 适用：大中型企业、办公园区、业务不能中断内网

3. 环形局域网架构

多台核心交换机组成闭合环路；主流技术RPR 弹性分组环

RPR 关键特性（高频考点）

1. 50ms 极速环网自愈，故障之后立刻切换路径
2. 带宽空间复用，环上多处可以同时传输数据，带宽利用率高
3. 支持 QoS 优先级调度

• 适用：工业园区、地铁、智慧城市多个分散站点组网

4. 三层分层式局域网架构（接入‑汇聚‑核心）

① 接入层

面向 PC、摄像头、AP、终端设备 职责：VLAN 划分、端口安全、MAC 地址绑定、终端接入、供电 POE

设计原则：只做接入，不部署复杂策略

② 汇聚层

多个接入交换机汇聚到此 职责：VLAN 之间路由、ACL 访问控制、流量聚合、QoS 限速、故障隔离 汇聚层是园区网的策略控制点

③ 核心层

整个园区高速数据转发中枢

核心层铁律（考试常挖坑）：禁止配置 ACL、策略路由、流量过滤等消耗性能策略只负责高速、可靠、快速转发；追求低时延、高带宽、高可靠。

分层架构整体优点

1. 故障隔离，某一层故障不会全网瘫痪
2. 模块化设计，方便扩容、新增楼栋、新增部门
3. 层级化运维，排障简单；整体成本可控

四、广域网 WAN 架构知识点详解

广域网用来连接多个异地分支机构；通用分层：骨干层、分布层、接入层；小规模网络可省去分布层。

6 类广域网架构详解

1. 单核心广域网一台中心路由器对接所有分支；存在单点故障；适合小型分支机构很少场景。
2. 双核心广域网两台骨干路由器；所有分支双链路接入；链路冗余、网关备份，企业多分支标准方案。
3. 环形广域网3 台以上骨干路由器成环；链路故障自动绕行；适合城市多节点运营商骨干。
4. 半冗余广域网重要分支部署双链路，普通分支单链路；性价比方案，节约建设成本。案例题经常考该选型。
5. 对等子域广域网所有路由域平级，没有中心骨干；适合多家平级分公司、总部和分支地位对等。
6. 层次子域广域网骨干子域、一级分支子域、二级子域；分层路由；大型运营商全国骨干网络。

五、移动通信系统架构（5G 必背考点）

1. 5G 三大应用场景（必背）

1. eMBB：增强型移动宽带 —— 高清视频、VR、大带宽下载
2. uRLLC：超高可靠超低时延 —— 工业机器人、远程手术、自动驾驶，时延＜10ms
3. mMTC：海量机器类通信 —— 物联网传感器、水表电表，海量终端低速率

2. SBA 服务化架构

5G 核心网抛弃 4G EPC 传统硬件网元；采用面向服务、微服务化架构；各个网元之间通过服务接口互相调用，可以独立扩容、升级。

4G 网元是封闭式模块；5G 核心网支持服务调用、弹性伸缩、云原生部署。

3. 网络切片

在一套物理 5G 基础设施之上，虚拟划分多个独立逻辑网络切片。 不同切片给到不同业务：工业切片、普通手机上网切片、物联网切片；切片之间隔离、带宽、时延独立配置。

4. MEC 移动边缘计算

把服务器、计算资源部署在靠近基站的边缘；业务就近处理，降低传输时延；适合 AR、车联网、低时延业务。

5. UE 接入两种模式

1. 透明模式：基站直接对接外网，核心网不参与数据通路
2. 非透明模式：用户业务流量经过 5G 核心网处理管控

六、网络系统生命周期 & 网络设计方法（案例题高频）

1. 网络生命周期 6 阶段（顺序不能记错）

需求规范 → 逻辑网络设计 → 物理网络设计 → 实施 → 运维 → 优化升级

1. 需求规范：收集全部业务、流量、安全、时延、预算需求
2. 逻辑设计：IP 规划、VLAN、路由、QoS、安全策略、冗余方案
3. 物理设计：设备选型、机房、布线、供电、机柜
4. 实施：设备安装调试、上线
5. 运维：监控、故障处理、日常维护
6. 优化升级：带宽扩容、架构迭代

2. 两种设计方法

（1）自上而下设计法【推荐、标准正规设计方式】

从上层业务需求出发 → 逻辑架构 → 物理硬件 优点：架构服务业务，不会被硬件限制业务；大型项目首选

（2）自下而上设计法

从现有设备、布线等硬件向上搭建网络 缺点：受限于老旧硬件，后期业务扩展容易遇到瓶颈；只适合老旧网络改造。

3. 网络需求分析分类

业务需求、用户需求、应用需求、流量通信需求、安全需求、可靠性需求、预算需求。

七、关键网络技术深度解析

1. 网关冗余技术

VRRP 虚拟路由冗余协议（最高频）

1. 原理：多台路由器组成虚拟网关，对外一个虚拟 IP；一台主设备，其余备份；主设备故障，备份路由器自动接管网关 IP。
2. 解决痛点：单网关单点故障；内网主机默认网关不会改动。
3. 主备切换依靠优先级；抢占模式、非抢占模式。

HSRP 思科私有、GLBP 支持多台设备同时负载均衡。

2. 二层环路防护、链路聚合

1. STP 生成树协议逻辑断开环路，构建无树环路；链路故障之后重新收敛。 缺点收敛速度慢。

• RSTP 快速生成树：加快收敛
• MSTP 多实例生成树：不同 VLAN 使用不同生成树，实现链路负载分担。

1. LACP（802.3ad）链路聚合 多条物理网线捆绑成一条逻辑链路； 两大收益：带宽叠加、一条物理链路损坏自动切换，链路冗余。

3. 路由协议详解

IGP 内部网关协议（自治域内部）

1. RIP：距离‑矢量协议；度量标准为跳数；最大跳数 15；周期性广播；适合小型网络
2. OSPF：链路‑状态协议；基于带宽计算开销；支持划分区域；大型园区网、企业内网首选，收敛速度快。

EGP 外部网关协议

BGP 边界网关协议，用于不同运营商、不同自治系统之间路由；基于路径矢量，主要用于互联网骨干。

路由度量指标

跳数、带宽、传输时延、链路负载、链路可靠性、开销成本。

4. 故障快速探测协议 BFD

双向转发检测，可以毫秒级别检测链路通断；配合 VRRP、OSPF 快速触发故障切换，缩短业务中断时间。

5. QoS 服务质量整套流程

当网络带宽不足，保障高优先级业务（语音、监控、支付业务）优先转发 完整流程： 流量分类 → 流量标记 → 拥塞管理队列调度 → 流量整形 / 限速 → 拥塞避免

队列调度算法：WRR、SP 严格优先级；语音业务一般使用 SP 调度。

八、新型网络架构 SDN、NFV、网络切片（区分三者）

1. SDN 软件定义网络

核心本质：控制平面 和 数据转发平面分离三层架构从上至下

1. 应用层：负载均衡、防火墙、流量调度上层业务应用
2. 控制层：SDN 控制器，集中计算路由、下发转发规则
3. 基础设施层：交换机只负责单纯数据包转发

优点：集中管控、网络可编程、策略统一下发、灵活调整网络，适合大型数据中心。

2. NFV 网络功能虚拟化

思想：把传统专用硬件网元（防火墙、负载均衡器、入侵防御、网关） 全部虚拟化，部署在通用 x86 服务器虚拟机上。 好处：硬件通用、降低设备采购成本、弹性扩容、快速部署网元。

3. 三者区别通俗总结

1. SDN：管数据包转发逻辑，控制面转发面分离
2. NFV：管网络设备硬件虚拟化，软硬解耦
3. 网络切片：管物理网络虚拟分割，一套硬件分出多张独立逻辑网络

九、三种存储架构 DAS、NAS、SAN

1. DAS 直连式存储

硬盘 / 存储设备直接通过线缆接到单台服务器

• 优点：速度快、结构简单、廉价
• 缺点：多服务器无法共享存储空间；扩展性很差
• 适用：单台独立服务器本地存储

2. NAS 网络附属存储

接到以太网；基于文件级别共享；协议 CIFS (Windows)、NFS (Linux)

• 优点：多服务器共享文件；部署简单，走普通局域网
• 缺点：文件读写消耗以太网带宽；不适合高性能块设备数据库

3. SAN 存储区域网络，块级存储

服务器访问磁盘如同本地硬盘，块读写

• FC‑SAN：光纤通道，高速专用光纤网络，性能最好，价格昂贵
• IP‑SAN (iSCSI)：基于以太网 IP 网络传输块数据，性价比高

NAS vs SAN 核心区别（答题背诵）

1. NAS：文件存储，以太网，适合文档、共享文件
2. SAN：块存储，适合数据库、虚拟机硬盘、高性能业务

十、IPv4 向 IPv6 过渡全部技术

1. 双协议栈：设备同时开启 IPv4、IPv6 协议；可以访问两种网络，最简单方案。
2. 隧道技术：把 IPv6 数据包封装进 IPv4 数据包，穿越现有 IPv4 互联网
   • GRE 通用路由封装隧道
   • 6‑to‑4 隧道
   • ISATAP 站点内自动隧道，用于内网主机之间 IPv6 通信
3. NAT‑PT：协议地址翻译网关，实现 IPv4 主机和 IPv6 主机互相通信。

答题区分：双栈是原生支持；隧道用于 IPv6 穿过 ipv4 网络；NAT‑PT 用于异构协议互通。

十一、网络可靠性高可用设计（案例题优化措施标准答案）

遇到「如何提升网络可靠性」直接套用下面方案：

1. 设备冗余：双核心架构、核心设备主备冗余
2. 链路冗余：双上行、LACP 链路聚合
3. 网关冗余：部署 VRRP 虚拟网关
4. 路由冗余：配置多条静态路由、OSPF 等价路由
5. 链路故障毫秒检测：BFD 协议
6. 环网自愈：RPR、RRPP
7. 故障隔离：分层架构，故障局限在接入层
8. 负载分担，避免单设备流量过载

十二、网络安全架构考点

1. ACL 访问控制列表：数据包过滤，禁止特定 IP 访问
2. DMZ 隔离区：防火墙划分，服务器放置 DMZ；外网访问 DMZ，禁止外网访问内网，内网可以访问 DMZ 和外网
3. 主流安全协议
   • IPsec：VPN 站点到站点加密
   • SSL/TLS：HTTPS 网页加密
   • 802.1X：端口准入认证，终端接入交换机需要账号认证
4. IDS 入侵检测：只检测告警；IPS 入侵防御：检测并且主动阻断攻击流量