校园网的建设有利于校内的资源共享与信息交换，有利于学校与外界的资源共享和信息共享..

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第2题

知识点：光纤安全性关键技术可靠性网络设备易用性硬件资源共享

校园网的建设有利于校内的资源共享与信息交换，有利于学校与外界的资源共享和信息共享。校园网的规划、设计、硬件建设、软件建设以及已有网络设备的使用及调优，都要从全局、长远的角度出发，充分考虑网络的安全性、易用性、可靠性和经济性等。资源调优、光纤连接和无线解决方案是保障校园网络可靠易用的儿项关键技术。

问题：2.1 请围绕“校园网设计关键技术及解决方案”论题，依次对以下三个方面进行论述。
1. 以你负责规划、设计及实施的校园网项目为例，概要叙述针对实际需求的设计要点，以及如何充分利用已有的软硬件，或对现有硬件资源的调优措施。
2. 具体讨论在校园网/企业网网络规划与设计中高性能的光纤连接关键技术、采用的无线技术及解决方案。
3. 具体讨论在上述关键技术的实施过程中遇到的问题和解决措施，以及实际运行效果。


知识点讲解
· 光纤 · 安全性 · 关键技术 · 可靠性 · 网络设备 · 易用性 · 硬件 · 资源共享

光纤

光纤全称“光导纤维”。光纤是由前香港中文大学校长高锟提出并发明的。1970年美国康宁公司首先研制出衰减为20dB/km的单模光纤，从此以后，世界各国纷纷开展光纤研制和光纤通信的研究，并得到了广泛的应用。

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光的全反射原理而进行光传导的介质。是一种外包了一层保护层的、横截面积非常小的双层同心圆柱体。光纤结构如下图所示。

光纤剖面图

通常光纤与光缆两个名词会被混淆，多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。

光纤传输的优点

与其他传输介质相比，光纤传输的主要优点如下：

（1）传输频带宽、通信容量大。频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。载波频率为48.5～300MHz的VHF（Very high frequency，甚高频）频段，带宽约250MHz。可见光的频率达100THz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30THz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分（多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上），采用先进的相干光通信可以在30THz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，传输频带更宽。

（2）损耗低。在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31μm的光，每公里损耗在0.5dB以下，若传输1.55μm的光，每公里损耗更小，可达0.2dB以下。这就是同轴电缆的功率损耗的亿分之一倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。

（3）电磁绝缘性能好。光纤线缆传输的是光束，而光束是不受外界电磁干扰影响的，而且光纤本身也不向外辐射信号，也不容易窃听，因此它适用于长距离的信息传输以及要求高安全的场合。

（4）中继器的间距距离大。整个通道的中继器数目可以减少，可以降低成本。根据贝尔实验室的测试，光纤线路中当数据速率为420Mb/s且距离为119km无中继器，误码率可以达到10^-8。

（5）重量轻。因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般小于10μm，外径也只有125μm，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。

（6）工作性能可靠。一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少（不像电缆系统那样需要几十个放大器），可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。

（7）成本不断下降。目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料（石英）来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势。

光纤通信原理

实际上，如果不是利用光全反射的原理，光纤传输系统会由于光纤的漏光而变得没有实际利用价值。当光线经过两种不同折射率的介质进行传播时（如从玻璃到空气），光线会发生折射，如下图（a）所示。假定光线在玻璃上的入射角为α₁时，则在空气中的折射角为β₁。折射量取决于两种介质的折射率之比。当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时，光线将完全反射回玻璃，而不会射入空气，这样，光线将被完全限制在光纤中，而且几乎无损耗地向前传播，如下图（b）所示。

光折射原理

在上图（b）中仅给出了一束光在玻璃内部全反射传播的情况。实际上，任何以大于临界值角度入射的光线，在不同介质的边界都将按全反射的方式在介质内传播，而且不同频率的光线在介质内部将以不同的反射角传播。

光纤的分类

根据光纤纤芯直径的粗细，可将光纤分为多模光纤（Multi-mode Fiber，MMF）和单模光纤（Single-mode Fiber，SMF）两种。如果光纤纤芯的直径较粗，则当不同频率的光信号（实际上就是不同颜色的光）在光纤中传播时，就有可能在光纤中沿不同传播路径进行传播，将具有这种特性的光纤称为多模光纤。如果将光纤纤芯直径一直缩小，直至光波波长大小的时候，则光纤此时如同一个波导，光在光纤中的传播几乎没有反射，而是沿直线传播，这样的光纤称为单模光纤。

（1）单模光纤。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。单模光纤的芯径为8～10μm，包层直径为125μm；使用的光波波长为1310nm、1550nm。

（2）多模光纤。多模光纤是在给定的工作波长上能以多个模式同时传输的光纤。多模光纤的纤芯直径较粗一般为50～200μm，包层直径为125～230μm；使用的光波波长为850nm、1300nm。

单模光纤的造价很高，且需要激光作为光源，但其无中继传输距离非常远，且能获得非常高的数据传输速率，一般用于广域网主干线路上。多模光纤相对来说无中继传播距离要短些，而且数据传输速率要小于单模光纤；但多模光纤的价格便宜一些，并且可以用发光二极管作为光源，多模光纤一般用于局域网组网时的传输介质。单模光纤与多模光纤的比较如下表所示。

单模光纤与多模光纤的比较

光纤的主要传播特性

光纤的主要传播特性为损耗和色散。损耗是光信号在光纤中传输时发生的信号衰减，其单位为dB/km。色散是到达接收端的延迟误差，即脉冲宽度，其单位是μs/km。光纤的损耗会影响传输的中继距离，色散会影响数据传输速率，两者都很重要。自1976年以来，人们发现使用1.3μm和1.55μm波长的光信号通过光纤传输时的损耗幅度大约为0.5～0.2dB/km；而使用0.85μm波长的光信号通过光纤传输时的损耗幅度大约为3dB/km。使用0.85μm波长的光信号在多模光纤中传输时，色散可以降至10μs/km以下；而使用1.3μm波长的光信号在单模光纤中传输时，产生的色散近似于零。因此单模光纤在传输光信号时，产生的损耗和色散都比多模光纤要低得多，因此单模光纤支持无中继距离和数据传输速率都比多模光纤要高得多。

安全性

（1）可用性。可用性评价指标及测量，如下表所示。

可用性评价指标及测量

（2）完整性。完整性评价指标及测量，如下表所示。

完整性评价指标及测量

（3）保密性。保密性评价指标及测量，如下表所示。

保密性评价指标及测量

关键技术

一个完整的嵌入式DBMS由若干子系统组成，包括主DBMS、同步服务器、嵌入式DBMS、连接网络等几个子系统，如下图所示。

嵌入式数据库系统组成

（1）嵌入式DBMS。嵌入式DBMS是一个功能独立的单用户DBMS。它可以独立于同步服务器和主DBMS运行，对嵌入式系统中的数据进行管理，也可以通过同步服务器连接到主服务器上，对主数据库中的数据进行操作，还可以通过多种方式进行数据同步。

（2）同步服务器。同步服务器是嵌入式数据库和主数据库之间的连接枢纽，保证嵌入式数据库和主数据库中数据的一致性。

（3）数据服务器。数据服务器的主数据库及DBMS可以采用Oracle或Sybase等大型通用数据库系统。

（4）连接网络。主数据库服务器和同步服务器之间一般通过高带宽、低延迟的固定网络进行连接。移动设备和同步服务器之间的连接根据设备具体情况可以是无线局域网、红外连接、通用串行线或公众网等。

移动DBMS的关键技术

嵌入式移动数据库在实际应用中必须解决好数据的一致性（复制性）、高效的事务处理和数据的安全性等问题。

（1）数据的一致性。嵌入式移动数据库的一个显著特点是，移动数据终端之间以及与同步服务器之间的连接是一种弱连接，即低带宽、长延迟、不稳定和经常性断接。为了支持用户在弱环境下对数据库的操作，现在普遍采用乐观复制方法，允许用户对本地缓存上的数据副本进行操作。待网络重新连接后再与数据库服务器或其他移动数据终端交换数据修改信息，并通过冲突检测和协调来恢复数据的一致性。

（2）高效的事务处理。移动事务处理要解决在移动环境中频繁的、可预见的断接情况下的事务处理。为了保证活动事务的顺利完成，必须设计和实现新的事务管理策略和算法。

（3）数据的安全性。许多应用领域的嵌入式设备是系统中数据管理或处理的关键设备，因此嵌入式设备上的DBS对存取权限的控制较严格。同时，许多嵌入式设备具有较高的移动性、便携性和非固定的工作环境，也带来潜在的不安全因素。同时某些数据的个人隐私性又很高，因此在防止碰撞、磁场干扰、遗失、盗窃等方面对个人数据的安全性需要提供充分的保证。

移动DBMS的特性

移动DBMS的计算环境是传统分布式DBMS的扩展，它可以看做客户端与固定服务器结点动态连接的分布式系统。因此移动计算环境中的DBMS是一种动态分布式DBMS。由于嵌入式移动DBMS在移动计算的环境下应用在EOS之上，所以它有自己的特点和功能需求：

（1）微核结构。考虑到嵌入式设备的资源有限，嵌入式移动DBMS应采用微型化技术实现，在满足应用的前提下紧缩其系统结构以满足嵌入式应用的需求。

（2）对标准SQL的支持。嵌入式移动DBMS应能提供了对标准SQL的支持。支持SQL92标准的子集，支持数据查询（连接查询、子查询、排序、分组等）、插入、更新、删除多种标准的SQL语句，充分满足嵌入式应用开发的需求。

（3）事务管理功能。嵌入式移动DBMS应具有事务处理功能，自动维护事务的完整性、原子性等特性；支持实体完整性和引用完整性。

（4）完善的数据同步机制。数据同步是嵌入式数据库最重要的特点。通过数据复制，可以将嵌入式数据库或主数据库的变化情况应用到对方，保证数据的一致性。

（5）支持多种连接协议。嵌入式移动DBMS应支持多种通信连接协议。可以通过串行通信、TCP/IP、红外传输、蓝牙等多种连接方式来实现与嵌入式设备和数据库服务器的连接。

（6）完备的嵌入式数据库的管理功能。嵌入式移动DBMS应具有自动恢复功能，基本无须人工干预进行嵌入式数据库管理，并能够提供数据的备份和恢复，保证用户数据的安全可靠。

（7）支持多种EOS。嵌入式移动DBMS应能支持Windows CE、Palm等多种目前流行的EOS，这样才能使嵌入式移动DBMS不受移动终端的限制。

另外，一种理想的状态是用户只用一台移动终端（如手机）就能对与它相关的所有移动数据库进行数据操作和管理。这就要求前端系统具有通用性，而且要求移动数据库的接口有统一、规范的标准。前端管理系统在进行数据处理时自动生成统一的事务处理命令，提交当前所连接的数据服务器执行。这样就有效地增强了嵌入式移动DBMS的通用性，扩大了嵌入式移动数据库的应用前景。

在嵌入式移动DBMS中还需要考虑诸多传统计算环境下不需要考虑的问题，例如，对断接操作的支持、对跨区长事务的支持、对位置相关查询的支持、对查询优化的特殊考虑，以及对提高有限资源的利用率和对系统效率的考虑等。为了有效地解决这些问题，诸如复制与缓存技术、移动事务处理、数据广播技术、移动查询处理与查询优化、位置相关的数据处理及查询技术、移动信息发布技术、移动Agent等技术仍在不断地发展和完善，会进一步促进嵌入式移动DBMS的发展。

可靠性

（1）完备性。完备性评价指标及测量，如下表所示。

完备性评价指标及测量

（2）连续性。连续性评价指标及测量，如下表所示。

连续性评价指标及测量

（3）稳定性。稳定性评价指标及测量，如下表所示。

稳定性评价指标及测量

（4）有效性。有效性评价指标及测量，如下表所示。

有效性评价指标及测量

（5）可追溯性。可追溯性评价指标及测量，如下表所示。

可追溯性评价指标及测量

网络设备

网络互联的目的是使一个网络的用户能访问其他网络的资源，使不同网络上的用户能够互相通信和交换信息，实现更大范围的资源共享。在网络互联时，一般不能简单地直接相连，而是通过一个中间设备来实现。按照ISO/OSI的分层原则，这个中间设备要实现不同网络之间的协议转换功能，根据它们工作的协议层不同进行分类。网络互联设备可以有中继器（实现物理层协议转换，在电缆间转发二进制信号）、网桥（实现物理层和数据链路层协议转换）、路由器（实现网络层和以下各层协议转换）、网关（提供从最低层到传输层或以上各层的协议转换）和交换机等。

网络传输介质互联设备

网络线路与用户节点具体衔接时，需要网络传输介质的互联设备。如T型头（细同轴电缆连接器）、收发器、RJ-45（屏蔽或非屏蔽双绞线连接器）、RS232接口（目前计算机与线路接口的常用方式）、DB-15接口（连接网络接口卡的AUI接口）、VB35同步接口（连接远程的高速同步接口）、网络接口单元和调制解调器（数字信号与模拟信号转换器）等。

物理层的互联设备

物理层的互联设备有中继器（Repeater）和集线器（Hub）。

中继器

它是在物理层上实现局域网网段互联的，用于扩展局域网网段的长度。由于中继器只在两个局域网网段间实现电气信号的恢复与整形，因此它仅用于连接相同的局域段。

理论上说，可以用中继器把网络延长到任意长的传输距离，但是，局域网中接入的中继器的数量将受时延和衰耗的影响，因而必须加以限制。例如，在以太网中最多使用4个中继器。以太网设计连线时指定两个最远用户之间的距离，包括用于局域网的连接电缆，不得超过500m。即便使用了中继器，典型的Ethernet局域网应用要求从头到尾整个路径不超过1500m。中继器的主要优点是安装简便、使用方便、价格便宜。

集线器

可以看成是一种特殊的多路中继器，也具有信号放大功能。使用双绞线的以太网多用Hub扩大网络，同时也便于网络的维护。以集线器为中心的网络优点是当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作。集线器可分为无源（passive）集线器、有源（active）集线器和智能（intelligent）集线器。

无源集线器只负责把多段介质连接在一起，不对信号做任何处理，每一种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半；有源集线器类似于无源集线器，但它具有对传输信号进行再生和放大从而扩展介质长度的功能；智能集线器除具有有源集线器的功能外，还可将网络的部分功能集成到集线器中，如网络管理、选择网络传输线路等。

数据链路层的互联设备

数据链路层的互联设备有网桥（Bridge）和交换机（Switch）。

网桥

用于连接两个局域网网段，工作于数据链路层。网桥要分析帧地址字段，以决定是否把收到的帧转发到另一个网络段上。确切地说，网桥工作于MAC子层，只要两个网络MAC子层以上的协议相同，都可以用网桥互联。

网桥检查帧的源地址和目的地址，如果目的地址和源地址不在同一个网络段上，就把帧转发到另一个网络段上；若两个地址在同一个网络段上，则不转发，所以网桥能起到过滤帧的作用。网桥的帧过滤特性很有用，当一个网络由于负载很重而性能下降时，可以用网桥把它分成两个网络段并使得段间的通信量保持最小。例如，把分布在两层楼上的网络分成每层一个网络段，段中间用网桥相连，这样的配置可以最大限度地缓解网络通信繁忙的程度，提高通信效率。同时，由于网桥的隔离作用，一个网络段上的故障不会影响到另一个网络段，从而提高了网络的可靠性。

交换机

交换机是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，它是按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发，而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。交换机转发数据的延迟很小，操作接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接的转发性能。交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。

交换机的工作过程为：当交换机从某一节点收到一个以太网帧后，将立即在其内存中的地址表（端口号一MAC地址）进行查找，以确认该目的MAC的网卡连接在哪一个节点上，然后将该帧转发至该节点。如果在地址表中没有找到该MAC地址，也就是说，该目的MAC地址是首次出现，交换机就将数据包广播到所有节点。拥有该MAC地址的网卡在接收到该广播帧后，将立即做出应答，从而使交换机将其节点的“MAC地址”添加到MAC地址表中。

交换机的三种交换技术：端口交换、帧交换和信元交换。

（1）端口交换技术用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。

（2）帧交换技术对网络帧的处理方式分为直通交换和存储转发。其中，直通交换方式可提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上；存储转发方式通过对网络帧的读取进行验错和控制。

（3）信元交换技术采用长度（53个字节）固定的信元交换，由于长度固定，因而便于用硬件实现。

网络层互联设备

路由器（Router）是网络层互联设备，用于连接多个逻辑上分开的网络。逻辑网络是指一个单独的网络或一个子网，当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。

路由器具有很强的异种网互联能力，互联的网络最低两层协议可以互不相同，通过驱动软件接口到第三层上而得到统一。对于互联网络的第三层协议，如果相同，可使用单协议路由器进行互联；如果不同，则应使用多协议路由器。多协议路由器同时支持多种不同的网络层协议，并可以设置为允许或禁止某些特定的协议。所谓支持多种协议，是指支持多种协议的路由，而不是指不同类协议的相互转换。

通常把网络层地址信息叫作网络逻辑地址，把数据链路层地址信息叫作物理地址。路由器最主要的功能是选择路径。在路由器的存储器中维护着一个路径表，记录各个网络的逻辑地址，用于识别其他网络。在互联网络中，当路由器收到从一个网络向另一个网络发送的信息包时，将丢弃信息包的外层，解读信息包中的数据，获得目的网络的逻辑地址，使用复杂的程序来决定信息经由哪条路径发送最合适，然后重新打包并转发出去。路由器的功能还包括过滤、存储转发、流量管理和介质转换等。一些增强功能的路由器还可有加密、数据压缩、优先和容错管理等功能。由于路由器工作于网络层，它处理的信息量比网桥要多，因而处理速度比网桥慢。

应用层互联设备

网关（Gateway）是应用层的互联设备。在一个计算机网络中，当连接不同类型而协议差别又较大的网络时，则要选用网关设备。网关的功能体现在OSI模型的最高层，它将协议进行转换，将数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。由于协议转换是一件复杂的事，一般来说，网关只进行一对一转换，或是少数几种特定应用协议的转换，网关很难实现通用的协议转换。

易用性

易用性是指在指定条件下使用时，软件产品被理解、学习、使用和吸引用户的能力。

易理解性

易理解性是指软件产品使用户能理解软件是否合适以及如何能将软件用于特定的任务和使用环境的能力。

易学性

易学性是指软件产品使用户能学习它的能力。

易操作性

易操作性是指软件产品使用户能操作和控制它的能力。

吸引性

吸引性是指软件产品吸引用户的能力。

易用性依从性

易用性依从性是指软件产品依附于同易用性相关的标准、约定、风格指南或规定的能力。

硬件

硬件是计算机物理设备的总称，也称为硬件设备，通常是电子的、机械的、磁性的或光的元器件或装置，一般分为中央处理器、存储器和输入、输出设备。

资源共享

资源共享是计算机网络最有吸引力的功能。通过资源共享，可使网络中分散在异地的各种资源互通有无，分工协作，从而大大提高系统资源的利用率。资源共享包括软件资源共享和配件资源共享。

（1）硬件资源共享。可以在全网范围内提供对处理机、存储器、输入输出设备等资源的共享，特别是对一些较高级和昂贵设备的共享，如巨型计算机、高分辨率打印机、大型绘图仪等，从而使用户节省投资，也便于资源和任务的集中管理以及分担负荷。

（2）软件资源共享。在局域网上允许用户共享文件服务器上的程序和数据；在互联网上允许用户远程访问各种类型的数据库，可以得到网络文件传送服务、远程管理服务和远程文件访问等。从而可以避免软件研制上的重复劳动以及数据资源的重复存储，且便于集中管理。

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	第2题在手机中做本题