數據通信基礎

王 富

華為數據通信產品線總裁，在數據通信行業擁有20多年的從業經驗，長期致力於數據通信技術的研發與創新，在骨幹網、城域網、園區網、數據中心網絡等領域取得卓越成就。憑借出色的工作表現，助力華為在全球數據通信市場確立領先地位。作為數據通信領域的技術專家和領軍人物，帶領團隊攻克了高性能路由交換、超大規模網絡架構、Net 5.5G，以及網絡自動駕駛等多個方面的技術難題，並積極推動數據通信技術的標準化和產業化。

吳局業

華為數據通信產品線研發總裁，中國儀器儀表學會信息通信測試儀器儀表專委會副主任。在數據通信行業擁有20多年的從業經驗，長期負責數據通信研發領域的戰略發展規劃和產品競爭力建設。曾主持華為ME60、S9300、S12700、CE12800等數據通信核心產品的技術規劃和設計開發工作，推動了華為數據通信技術的持續創新。

韓 濤

華為數據通信產品線首席架構師。具有20多年的網絡產品和解決方案設計經驗，主導了華為5G承載網架構規劃及產品系統設計。致力於推動全球數據通信技術的創新和發展，在維動網絡智能化、自動化和雲化方面做出了突出貢獻。

黃明祥

華為數據通信信息體驗架構師。具有超過14年的數據通信產品及解決方案信息設計與開發經驗，曾參與多個運營商及企業網絡項目的設計和部署工作。參與編寫《園區網絡架構與技術》。

李軍輝

華為數據通信產品線架構師，在數據通信行業具有20多年的從業經驗，在研發領域深入耕耘，從事過數據通信軟件開發、維護、研發管理、架構設計等工作。曾作為研發負責人，承擔路由器、企業網關、物聯網關等產品的研發工作。

第 一篇 數據通信基礎篇

第 1章 數據通信概述…………………………………………………………………… 003

1.1 什麼是數據通信… …………………………………………………………… 003

1.2 數據通信的基本概念… ……………………………………………………… 005

1.2.1 數據和信息 ………………………………………………………… 006

1.2.2 數據通信系統與數據通信網絡 …………………………………… 006

1.2.3 互連網和互聯網 …………………………………………………… 010

1.3 數據通信的前世今生… ……………………………………………………… 010

1.3.1 緣起：互聯網的前身ARPANET …………………………………… 011

1.3.2 孕育：全球學術科研網 …………………………………………… 012

1.3.3 爆發：互聯網走向商業化 ………………………………………… 014

1.3.4 泛化：從消費互聯網走向產業互聯網 …………………………… 017

1.4 數據通信的關鍵技術指標… ………………………………………………… 018

1.4.1 帶寬 ………………………………………………………………… 019

1.4.2 時延 ………………………………………………………………… 019

1.4.3 抖動 ………………………………………………………………… 022

1.4.4 丟包率 ……………………………………………………………… 023

1.5 數據通信的關鍵定律… ……………………………………………………… 023

1.5.1 摩爾定律 …………………………………………………………… 023

1.5.2 香農定理 …………………………………………………………… 024

1.5.3 梅特卡夫定律 ……………………………………………………… 026

1.6 數據通信的標準化組織… …………………………………………………… 027

第 2章 如何構建一個數據通信網絡…………………………………………………… 031

2.1 交換式局域網的構建… ……………………………………………………… 031

2.1.1 簡單的共享式局域網 ……………………………………………… 031

2.1.2 從“共享”走向“交換” ………………………………………… 034

2.1.3 如何解決廣播域的問題 …………………………………………… 035

2.1.4 通信從“一對一”走向“多對多”會發生什麼 ………………… 037

2.2 無線局域網的構建… ………………………………………………………… 038

2.2.1 如何實現移動終端隨時隨地聯網 ………………………………… 038

2.2.2 如何給無線AP便捷供電 …………………………………………… 039

2.2.3 高速數據傳輸和長距離PoE ………………………………………… 040

2.2.4 網絡從有線延伸到無線會發生什麼 ……………………………… 041

2.3 網絡和網絡的互連… ………………………………………………………… 043

2.3.1 用路由器連接多個網絡 …………………………………………… 043

2.3.2 用DNS解釋IP地址和域名 ………………………………………… 044

2.3.3 企業私網和NAT轉換 ……………………………………………… 045

2.3.4 IPv6徹底解決IPv4地址耗盡危機 ………………………………… 047

2.3.5 分布式網絡與路由機制 …………………………………………… 048

2.4 典型數據通信網絡舉例… …………………………………………………… 050

2.4.1 園區網絡 …………………………………………………………… 050

2.4.2 數據中心網絡 ……………………………………………………… 052

2.4.3 廣域網絡 …………………………………………………………… 054

第二篇 數據通信技術篇

第3章 以太網技術……………………………………………………………………… 059

3.1 以太網的起源與發展… ……………………………………………………… 059

3.1.1 以太網的誕生 ……………………………………………………… 059

3.1.2 以太網的早期發展 ………………………………………………… 060

3.1.3 以太網的標準化與推廣 …………………………………………… 060

3.1.4 以太網的應用 ……………………………………………………… 061

3.2 以太網技術體系… …………………………………………………………… 061

3.2.1 以太網在OSI模型中的位置 ………………………………………… 062

3.2.2 以太網物理層關鍵技術 …………………………………………… 062

3.2.3 以太網數據鏈路層關鍵技術 ……………………………………… 066

3.3 IEEE 802.3技術及標準體系… ……………………………………………… 071

3.3.1 IEEE 802.3標準的概況 …………………………………………… 071

3.3.2 IEEE 802.3標準的演進 …………………………………………… 071

3.4 以太網技術的擴展… ………………………………………………………… 073

3.4.1 PoE …………………………………………………………………… 073

3.4.2 EEE ………………………………………………………………… 075

3.4.3 車載以太網 ………………………………………………………… 075

3.4.4 單對線以太網 ……………………………………………………… 077

3.5 以太網技術的無線側延伸：WLAN… ……………………………………… 078

3.5.1 WLAN的基本概念 ………………………………………………… 078

3.5.2 WLAN的工作機制 ………………………………………………… 081

3.5.3 WLAN標準的演進 ………………………………………………… 083

3.5.4 WLAN的關鍵技術 ………………………………………………… 084

3.5.5 WLAN的組網方式 ………………………………………………… 092

第4章 TCP/IP體系架構… …………………………………………………………… 095

4.1 電路交換與分組交換… ……………………………………………………… 095

4.2 TCP/IP是如何戰勝OSI的… ………………………………………………… 099

4.2.1 OSI模型 ……………………………………………………………… 099

4.2.2 TCP/IP架構 ………………………………………………………… 100

4.2.3 TCP/IP與OSI之爭 …………………………………………………… 101

4.3 TCP和IP為什麼要拆分… …………………………………………………… 102

4.4 IP和ATM的較量… …………………………………………………………… 104

4.4.1 ATM簡介 …………………………………………………………… 104

4.4.2 IP vs. ATM：不同的理念之爭 ……………………………………… 106

4.5 IP的“盡力而為”還能走多遠… …………………………………………… 107

4.5.1 盡力而為模式 ……………………………………………………… 107

4.5.2 IP盡力而為模式的優勢和挑戰 …………………………………… 108

4.5.3 IP盡力而為模式的演進方向和改進措施 ………………………… 109

4.6 TCP/IP網絡體系設計原則及其演進… ……………………………………… 110

4.7 數據通信網絡的12條原則… ………………………………………………… 111

第5章 IP/MPLS網絡技術… ………………………………………………………… 115

5.1 IP簡介… ……………………………………………………………………… 115

5.1.1 網絡層轉發過程 …………………………………………………… 115

5.1.2 IP地址 ……………………………………………………………… 116

5.1.3 IPv4報文結構 ……………………………………………………… 117

5.1.4 IPv6報文結構 ……………………………………………………… 119

5.2 IP路由簡介… ………………………………………………………………… 121

5.2.1 路由表 ……………………………………………………………… 121

5.2.2 動態路由協議 ……………………………………………………… 122

5.2.3 路由器的路由匹配原則 …………………………………………… 124

5.3 MPLS技術的產生……………………………………………………………… 125

5.4 MPLS技術的簡介……………………………………………………………… 126

5.4.1 什麼是MPLS ………………………………………………………… 126

5.4.2 MPLS的基本概念 …………………………………………………… 127

5.4.3 MPLS的轉發原理 …………………………………………………… 130

5.4.4 基於MPLS的擴展應用：MPLS VPN ……………………………… 135

5.5 IP和MPLS的通病：最短路徑≠最佳路徑…………………………………… 136

5.6 RSVP-TE：流量工程的先驅………………………………………………… 138

5.6.1 什麼是MPLS TE …………………………………………………… 139

5.6.2 基於RSVP-TE的MPLS TE ………………………………………… 143

5.7 魚和熊掌如何兼得：SR入場… ……………………………………………… 145

第6章 “IPv6+”網絡協議創新……………………………………………………… 149

6.1 IPv4的教訓：地址不足和可擴展性… ……………………………………… 149

6.2 MPLS的困局：網絡孤島……………………………………………………… 150

6.3 IPv6的難題：兼容性和驅動力… …………………………………………… 152

6.4 5G對IP網絡的影響… ………………………………………………………… 153

6.5 從SRv6到“IPv6+”… ……………………………………………………… 155

6.6 “IPv6+”關鍵技術介紹……………………………………………………… 157

6.6.1 網絡切片 …………………………………………………………… 157

6.6.2 IFIT ………………………………………………………………… 161

6.6.3 DetNet ……………………………………………………………… 166

6.6.4 SFC ………………………………………………………………… 170

6.6.5 SD-WAN …………………………………………………………… 171

6.6.6 BIERv6 ……………………………………………………………… 174

6.6.7 SRv6傳輸效率提升 ………………………………………………… 178

6.6.8 SRv6 Path Segment ………………………………………………… 184

6.6.9 APN6 ………………………………………………………………… 184

第7章 從SDN到ADN… ……………………………………………………………… 189

7.1 SDN的核心和本質… ………………………………………………………… 189

7.2 SDN與傳統網絡… …………………………………………………………… 194

7.3 SDN的核心技術：OpenFlow………………………………………………… 196

7.4 SDN的主要技術流派… ……………………………………………………… 200

7.5 SDN的應用價值… …………………………………………………………… 204

7.6 SDN未能解決的老問題… …………………………………………………… 205

7.7 從SDN到ADN… ……………………………………………………………… 206

第三篇 數據通信產品與架構篇

第8章 數據通信的主要產品…………………………………………………………… 211

8.1 數據通信的產品全景… ……………………………………………………… 211

8.2 交換機… ……………………………………………………………………… 212

8.3 路由器… ……………………………………………………………………… 219

8.4 WLAN產品… ………………………………………………………………… 223

8.5 安全產品… …………………………………………………………………… 226

8.6 網絡控制器… ………………………………………………………………… 230

第9章 數據通信產品的硬件架構……………………………………………………… 233

9.1 數據通信產品的硬件架構概述… …………………………………………… 233

9.1.1 整機架構 …………………………………………………………… 234

9.1.2 MPU ………………………………………………………………… 235

9.1.3 SFU ………………………………………………………………… 236

9.1.4 LPU ………………………………………………………………… 236

9.1.5 電源模塊 …………………………………………………………… 238

9.1.6 散熱模塊 …………………………………………………………… 239

9.2 數據通信產品常見的硬件形態… …………………………………………… 239

9.2.1 插卡框式 …………………………………………………………… 240

9.2.2 插卡盒式 …………………………………………………………… 246

9.2.3 固定盒式 …………………………………………………………… 249

9.3 數據通信產品的硬件架構演進… …………………………………………… 251

9.3.1 背板架構的演進 …………………………………………………… 252

9.3.2 新興的硬件架構 …………………………………………………… 254

9.3.3 數據通信產品硬件的未來演進 …………………………………… 255

第 10章 數據通信產品的軟件架構… ………………………………………………… 259

10.1 路由器軟件架構的演進……………………………………………………… 259

10.1.1 功能邏輯架構 ……………………………………………………… 259

10.1.2 軟件實現架構 ……………………………………………………… 271

10.2 以太網交換機軟件架構的演進……………………………………………… 278

10.3 防火墻軟件架構的演進……………………………………………………… 281

10.4 WLAN產品軟件架構的演進………………………………………………… 283

第 11章 數據通信產品的交換架構… ………………………………………………… 291

11.1 什麼是交換網………………………………………………………………… 291

11.2 包交換和信元交換…………………………………………………………… 293

11.3 交換架構的主要功能和典型模式…………………………………………… 295

11.3.1 交換架構的主要功能 ……………………………………………… 295

11.3.2 交換架構的典型模式 ……………………………………………… 296

11.4 共享總線交換………………………………………………………………… 297

11.5 共享存儲交換………………………………………………………………… 300

11.6 Crossbar矩陣交換… ………………………………………………………… 301

11.7 基於動態路由的CLOS交換… ……………………………………………… 303

11.7.1 CLOS交換的基本原理 …………………………………………… 303

11.7.2 CLOS交換的擴展應用 …………………………………………… 305

11.8 交換架構的未來演進………………………………………………………… 307

11.8.1 傳統交換架構的總結 ……………………………………………… 307

11.8.2 新型交換架構展望 ………………………………………………… 309

第 12章 數據通信產品的轉發架構… ………………………………………………… 313

12.1 什麼是轉發…………………………………………………………………… 313

12.1.1 二層轉發 …………………………………………………………… 314

12.1.2 三層轉發 …………………………………………………………… 314

12.1.3 MPLS轉發 ………………………………………………………… 315

12.1.4 SR轉發 …………………………………………………………… 315

12.1.5 組播轉發 …………………………………………………………… 317

12.2 轉發的基本流程……………………………………………………………… 318

12.3 轉發的基本原則……………………………………………………………… 319

12.3.1 端到端原則 ………………………………………………………… 319

12.3.2 寬進嚴出原則 ……………………………………………………… 320

12.3.3 轉控分離原則 ……………………………………………………… 321

12.4 轉發系統的關鍵質量屬性…………………………………………………… 322

12.5 轉發的主流架構……………………………………………………………… 324

12.5.1 集中式轉發架構 …………………………………………………… 324

12.5.2 分布式轉發架構 …………………………………………………… 325

12.6 轉發處理器的主要技術……………………………………………………… 326

12.6.1 ASIC技術 ………………………………………………………… 326

12.6.2 NP技術 …………………………………………………………… 326

12.7 路由器的轉發技術…………………………………………………………… 328

12.7.1 集中式轉發技術 …………………………………………………… 328

12.7.2 準分布式轉發技術 ………………………………………………… 329

12.7.3 分布式轉發技術 …………………………………………………… 329

12.7.4 ASIC分布式轉發技術 …………………………………………… 330

12.7.5 NP分布式轉發技術 ……………………………………………… 331

12.8 交換機的轉發技術…………………………………………………………… 332

12.8.1 集中式轉發技術：固定接口 ……………………………………… 332

12.8.2 集中式轉發技術：模塊化接口 …………………………………… 332

12.8.3 ASIC分布式轉發技術 …………………………………………… 333

12.8.4 ENP分布式轉發技術 ……………………………………………… 334

12.9 轉發架構的未來演進………………………………………………………… 335

第四篇 數據通信產業篇

第 13章 園區網絡產業… ……………………………………………………………… 339

13.1 什麼是園區網絡……………………………………………………………… 339

13.2 園區網絡的發展趨勢和挑戰………………………………………………… 341

13.3 園區網絡的組網架構………………………………………………………… 343

13.3.1 辦公園區的組網架構 ……………………………………………… 343

13.3.2 生產園區的組網架構 ……………………………………………… 345

13.4 園區網絡的關鍵技術………………………………………………………… 345

13.4.1 超寬無線接入技術 ………………………………………………… 346

13.4.2 極簡匯聚承載技術 ………………………………………………… 350

13.4.3 虛擬化組網技術 …………………………………………………… 353

13.4.4 可靠性和確定性技術 ……………………………………………… 355

13.4.5 高品質體驗保障技術 ……………………………………………… 359

13.4.6 智能運維技術 ……………………………………………………… 362

13.4.7 園區網絡安全技術 ………………………………………………… 364

13.5 園區網絡的應用實踐………………………………………………………… 365

13.5.1 高教園區網絡的應用實踐 ………………………………………… 365

13.5.2 車企園區網絡的應用實踐 ………………………………………… 370

13.6 園區網絡的未來演進………………………………………………………… 373

第 14章 數據中心網絡產業… ………………………………………………………… 377

14.1 什麼是數據中心網絡………………………………………………………… 377

14.1.1 什麼是數據中心 …………………………………………………… 377

14.1.2 數據中心的發展趨勢 ……………………………………………… 379

14.1.3 數據中心網絡架構 ………………………………………………… 382

14.1.4 數據中心網絡的技術演進 ………………………………………… 387

14.2 數據中心的物理網絡………………………………………………………… 395

14.3 數據中心的邏輯網絡………………………………………………………… 398

14.4 以太網從有損走向智能無損………………………………………………… 399

14.4.1 智能時代對數據中心網絡的訴求 ………………………………… 399

14.4.2 如何實現低時延、零丟包和高吞吐量的數據中心網絡 ………… 404

14.4.3 傳統擁塞控制技術 ………………………………………………… 410

14.4.4 網絡流量控制技術 ………………………………………………… 411

14.4.5 網絡擁塞控制技術 ………………………………………………… 416

14.5 數據中心網絡的未來演進…………………………………………………… 425

第 15章 廣域網絡產業… ……………………………………………………………… 435

15.1 什麼是廣域網………………………………………………………………… 435

15.2 運營商城域網架構及關鍵技術……………………………………………… 437

15.2.1 新型城域網 ………………………………………………………… 437

15.2.2 SPN ………………………………………………………………… 446

15.3 運營商骨幹網架構及關鍵技術……………………………………………… 456

15.4 企業廣域網架構及關鍵技術………………………………………………… 468

15.4.1 傳統企業廣域網 …………………………………………………… 469

15.4.2 企業雲廣域網 ……………………………………………………… 473

15.5 廣域網的未來演進…………………………………………………………… 480

第 16章 網絡安全產業… ……………………………………………………………… 483

16.1 什麼是網絡安全及網絡安全的重要性……………………………………… 483

16.1.1 什麼是網絡安全 …………………………………………………… 483

16.1.2 網絡安全的重要性 ………………………………………………… 485

16.2 網絡安全的起源和發展歷史………………………………………………… 486

16.3 網絡攻擊技術和網絡攻擊者………………………………………………… 489

16.3.1 常見的網絡攻擊技術 ……………………………………………… 489

16.3.2 網絡攻擊者是誰 …………………………………………………… 491

16.4 網絡安全體系結構…………………………………………………………… 493

16.4.1 網絡安全的基本要素 ……………………………………………… 493

16.4.2 圍繞CIA開展系統設計和安全防護設計 ………………………… 494

16.4.3 網絡安全體系結構簡介 …………………………………………… 495

16.5 網絡安全的解決方案和關鍵技術…………………………………………… 497

16.5.1 網絡安全的解決方案架構 ………………………………………… 497

16.5.2 園區和分支網絡的安全 …………………………………………… 499

16.5.3 廣域網的安全 ……………………………………………………… 506

16.5.4 雲數據中心網絡的安全 …………………………………………… 516

16.5.5 安全運營和管理 …………………………………………………… 520

16.5.6 內生安全 …………………………………………………………… 524

16.6 網絡安全典型應用實踐……………………………………………………… 527

16.6.1 園區和分支網絡安全的典型應用 ………………………………… 527

16.6.2 廣域網網絡安全的典型應用 ……………………………………… 528

16.6.3 數據中心網絡安全的典型應用 …………………………………… 530

16.7 網絡安全未來展望…………………………………………………………… 534

第五篇 數據通信未來演進篇

第 17章 數據通信的未來展望… ……………………………………………………… 539

17.1 數據通信未來的場景創新…………………………………………………… 540

17.1.1 聯接算力：算網融合，以網絡支撐算力的按需分布 …………… 540

17.1.2 聯接智能：智算網絡，突破算力和內存瓶頸 …………………… 542

17.1.3 聯接空間：空天地海，通信邊界擴展到人類活動的前沿 ……… 545

17.1.4 聯接萬物：物聯網，構建萬物互聯的智能世界 ………………… 547

17.1.5 聯接工業：確定性網絡，滿足工業網絡低時延、低抖動要求 … 549

17.1.6 聯接安全：可信網絡，構築網絡的內生安全能力 ……………… 550

17.1.7 聯接低碳：綠色節能，0 bit 0 watt ……………………………… 553

17.2 數據通信未來的技術創新…………………………………………………… 555

17.2.1 高速接口：為網絡提供更大的帶寬 ……………………………… 555

17.2.2 算力路由：實現“網中有算，以網強算” ……………………… 557

17.2.3 RDMA：網絡成為一臺計算機 …………………………………… 559

17.2.4 網絡協議：承載空天地海泛在聯接 ……………………………… 560

17.2.5 無線連接：從10 Gbit/s走向100 Gbit/s …………………………… 562

17.2.6 TSN技術：為以太網提供確定性能力 …………………………… 564

17.2.7 量子通信：從安全領域起步 ……………………………………… 566

17.2.8 綠色節能：確保網絡可持續健康發展 …………………………… 568

縮略語表………………………………………………………………………………… 571

參考文獻………………………………………………………………………………… 582