作者：刘昭斌 刘文芝
出版社：电子工业出版社
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网络工程设计实用教程试读：
前言
随着物联网产业规模迅速扩大，企业急需更多高素质技能型人才。一方面，企业有意愿通过培训，在短时期内满足人力资源需求；另一方面，高职院校应该满足社会发展及企业的需要，及时修订或补充相关领域新知识和新技术，培养和输送相关人才。但传统教材的知识结构和实训内容不能满足以上需求。
以往的网络工程设计这门课针对局域网和互联网讲得比较多，对无线传感器网络与移动通信网络，以及无线宽带网络与互联网融合方面的内容涉及较少。从产业状况、人才需求的必要性来看，当务之急需要编写这方面的内容，以适应当下融合网络工程的物联网技术发展对新网络人才的需求。本教材使学生澄清物联网与传统网络之间的关系，充实了物联网的发展带来的网络工程设计方面的新技术、新产品、新装备、新工艺和新的解决方案等内容。
1.内容特色
以网络工程的“工作过程”流程为导向，构建接入层、网络层、应用层和服务层的知识结构，按层次结构编排章节内容，如图1所示。图1 编写层次结构
每章的学习情境从案例解析入手，定位相关知识点，然后按照案例提出的工作任务、工作过程和工作情境组织教学，形成围绕工作需求的新型教学与训练项目，增强学生网络工程设计应用能力培养的有效性。其中，教材中涉及的所有案例、实践项目以智能校园网和智能楼宇现实工程为主要背景。
逻辑结构分明，体例新颖，产教结合。本书由浅入深，先介绍网络工程设计的基本理论以及应用案例，然后讲述最新网络工程的技术支撑、知识体系，最后讲解具体的网络工程应用，使学生对网络工程设计应用技术有一个较全面的了解，如图2所示。图2 编写逻辑结构
2.“案例—任务驱动—工作过程为导向”的课程体系和实训结构（1）“案例—任务驱动—工作过程为导向”的课程体系（见图3）图3“案例—任务驱动—工作过程为导向”的课程体系构建
作为2012年中央财政支持的集教学、培训、应用技术研究和社会服务等功能为一体的国家级物联网技术综合实训基地主要技术负责人和本教材主编单位，我们拥有围绕物联网技术的采集、传输、处理与应用四大核心领域的实训群。在室内及学校等场所部署的数百个节点的环境监测感知应用系统，为本教材提供了开放型和共享的网络工程应用案例场景及验证平台服务。通过物联网国家实训基地的建设，我们汲取了许多物联网工程和应用的教学理念，对本书的编写助益良多。（2）实训结构
同理论教学体系结构一样，确立分层次的实验教学目标体系，总的目标是通过实施一系列实验教学，使学生的网络知识、网络能力、网络素质得到综合提高。在此总体教学目标指导下，结合该课程的特点和社会需求，提出了3个层次，即基础实验、仿真和验证实验以及系统综合实验。围绕这3个层次，我们设计了10个大的实验项目。图4所示为分层教学目标体系与实验项目的示意图。图4 分层教学目标体系与实验项目的示意图
本书由刘昭斌、刘文芝、杨晓庆编著。其中，第2章、第6章、第7章、第8章和附录由刘昭斌老师编写，第1章、第3章、第4章和第5章由刘文芝老师编写，姚领众副研究员提供了大量的案例。全书由刘昭斌统稿，由刘文芝担任主审并负责编排。
本书在编写过程中，得到合作企业的大量案例和支持，以及许多应用型本科计算机教研室老师的指导和审阅，他们提出了许多宝贵的修改意见，在此表示衷心的感谢！由于水平有限、时间仓促，书中错误和疏漏之处在所难免，恳请广大专家和读者批评指正。
本书免费提供电子课件和课程网站，联系邮箱：lzbwsz＠126.com。
刘昭斌 刘文芝
2014.3第1章 计算机网络工程设计概述
内容与要求
教学提示
本章简要介绍计算机网络工程设计的基本知识和计算机网络工程体系结构，内容包括计算机网络工程设计涉及的基本概念，网络系统集成的概念、方法和内容，网络工程与设计的步骤和原则，网络工程体系结构，网络工程设计过程模型与网络工程的组织。
教学目标
使学生了解网络系统集成的内容，掌握网络系统集成的方法和步骤；能根据用户需求，确定有效完成工作所需的客户网络服务和性能水平，明确网络工程设计的目标、项目范围和要求。
重点知识
网络系统集成的体系结构，网络工程设计过程模型。
本章是对网络系统集成的概览性介绍，是全书的先导。通过本章，使学生对系统集成有一个基本的、全面的认识，为后续章节的阅读和学习提供总体上的指导。1.1 网络工程设计概念
近年来，信息技术发展日新月异，作为其重要组成部分的计算机网络技术的发展尤其迅速。网络系统集成商和系统集成工程师作为网络系统集成工程的实施者和设计者，成为网络工程建设实践中的生力军，与用户合作完成各种类型的网络系统集成项目。计算机网络工程设计基础是网络系统集成工程师必须具备的基础知识之一。
网络工程设计是确保工程项目顺利进行和工程实施的第一个环节。网络工程设计不是一件简单的事，设计师必须具备网络系统集成的基本知识，掌握网络工程方案设计与实施的步骤。网络系统集成即网络设备、网络操作系统与应用系统的集合、组合、一体化。也就是说，路由器、交换机、集线器、服务器、客户、传输介质、系统软件与应用软件等以有机组合、协同工作、高效运行、安全可靠为目的，将各个部分整合成为满足用户需求、统一联动的有机整体。
网络工程项目实施是指在系统工程科学方法的指导下，首先根据用户需求，采用主流局域网技术、广域网技术及性价比高的产品，整合用户原有网络系统与功能要求，提出科学、合理、实用、好用及够用的网络工程方案；然后，按照方案，将网络硬件设备、结构化综合布线系统、网络系统软件、网络应用软件等组织成为一体化的网络环境平台和资源应用平台；并按照工程项目管理的要求，对项目进行监控、验收，使工程项目满足网络工程设计目标，建成具有优良性能价格比的计算机网络系统。1.2 计算机网络工程集成的体系结构
1.2.1 基本概念
集成即集合、组合、一体化，也就是以有机结合、协调工作、提高效率、创造效益为目的，将各个部分组合成为全新功能的、高效和统一的有机整体。系统集成是指在系统工程科学方法的指导下，根据用户需求，优选各种技术和产品，整合用户原有系统，提出系统性的应用方案；并按照该方案，对组成系统的各个部件或子系统进行综合集成，使之成为一个经济、高效的系统的全过程。网络系统集成是指根据应用的需要，将硬件设备、网络基础设施、网络设备、网络系统软件、网络基础服务系统和应用软件等组织成能够满足设计目标、具有优良性能价格比的计算机网络系统的全过程。计算机网络系统集成有3个主要层面，即技术集成、软硬件产品集成和应用集成，如图1-1所示。
系统集成绝不是对各种硬件和软件的堆积，它是一种在系统整合、系统再生产过程中为满足客户需求的增值服务业务，是一种价值再创造的过程。它不仅涉及各个局部的技术服务，一个优秀的系统集成商更是注重整体系统的、全方位的无缝整合与规划。图1-1 网络系统集成的3个层面
1.技术集成的需要
计算机与网络技术经过数十年的发展，产生了许多分支。各种网络通信技术层出不穷，最近几年出现的有全双工式交换以太网、三层交换、ATM、千兆以太网、虚拟专用网（VPN）、ADSL，以及混合网、异构网、无线传感网、宽带远程互联系统等。网络技术体系纷繁复杂，是建网单位、普通网络用户和一般技术人员难以掌握和选择的。这就需要熟悉各种网络技术的人员，完全从客户应用和业务需求入手，充分考虑技术发展的变化，帮助用户分析网络需求；然后根据用户需求特点选择采用各项技术，为用户提供解决方案和网络系统设计方案。这类人员就是系统集成商。
2.产品集成的需要
每一项技术标准的诞生，都会带来一大批丰富多样的产品。每个公司的产品都自成系列，并且有着功能和性能上的差异。如果得知单位需要建网，这些公司及其代理（经销商）就会蜂拥而来。事实上，几乎没有一个网络专业制造公司能为用户解决从方案到应用的所有问题。系统集成商则不同，他们会根据用户的实际应用需要和费用承受能力，为用户进行软硬件设备选型与配套，并提供工程施工等产品集成。
3.应用集成的需要
用户的需求各不相同，各具特色，产生了很多面向不同行业、不同规模、不同层次的网络应用，比如Intranet/Extranet/Internet应用、数据/话音/视频一体化、ERP/CIMS应用、工控自动化网等。这些不同的应用系统需要不同的网络平台，要求系统集成技术人员用大量的时间进行用户调查，分析应用模型，反复论证方案，使用户得到一体化的解决方案并付诸实施。
网络系统集成是一门综合学科，除了技术因素外，还有很多管理因素。要想真正地帮助用户实现信息化，必须深入了解和切入用户业务和管理，建立网络应用模型，并根据应用模型设计切实可行的系统方案并实施。在这个过程中，需要多方面的人才，比如公关人员、项目管理人员、系统分析员、网络工程师、施工人员和应用工程师等。这里，将从系统工程的角度，提出系统集成的体系架构（见图1-2），并简单描述各个组成部分。图1-2 网络工程集成体系结构
1.2.2 网络环境支持平台
环境支持平台是指为了保障网络安全、可靠、正常地运行，所必须采取的环境保障措施。主要内容包括机房和电源。
1.2.3 网络通信与服务硬件支持平台
1.网络传输基础设施
网络传输基础设施指以网络连通为目的铺设的信息通道。根据距离、带宽、电磁环境和地理形态的要求，网络传输基础设施可以是室内综合布线系统、建筑群综合布线系统、城域网主干光缆系统、广域网传输线路系统、微波传输和卫星传输系统等。
2.网络通信设备
网络通信设备指通过网络基础设施连接网络节点的各类设备，统称网络设备，包括网络接口卡、集线器、交换机、三层交换机、路由器、远程访问服务器、Modem设备、中继器、收发器、网桥和网关等。
3.网络服务器硬件和操作系统
服务器是组织网络共享核心资源的宿主设备。网络操作系统是网络资源的管理者和调度员。二者是构成网络基础应用平台的基础。
4.网络协议
网络中的节点之间要想正确地传送信息和数据，必须在数据传输的速率、顺序、数据格式及差错控制等方面有一个约定或规则。这些用来协调不同网络设备间信息交换的规则叫做协议。网络中每个不同的层次都有很多种协议。例如，数据链路层有著名的CSMA/CD协议，网络层有IP协议集以及IPX/SPX协议等。
5.外部信息基础设施的互联和互通
在20世纪的中期，网络建设停留在信息孤岛阶段。各单位、各行业建立了很多物理上互不连通、应用上互不相容的网络，行政方面的条块分割更使这种建设恶性膨胀。今天，Internet的出现彻底改变了这种局面，互联互通成为建网的出发点之一。几乎所有的网络系统集成项目都能遇到内联（Intranet）和外联（Extranet）问题。
1.2.4 网络应用平台
1.数据库平台
数据库系统是支撑网络应用的核心。小到人事工资档案管理、财务系统，中到全国联机售票系统，大到集团公司的数据仓库、全国人口普查和气象数据分析，数据库都担当着主要角色。目前比较流行的数据库有Oracle、DB2、Sybase、SQL Server、MySQL等服务器产品。
2.Internet/Intranet基础服务
Internet/Intranet基础服务是指建立在TCP/IP协议和Internet/Intranet体系基础之上，以信息沟通、信息发布、数据交换、信息服务为目的的一组服务程序，包括电子邮件（E-mail）、WWW（Web）、文件传送（FTP）、域名（DNS）等服务。
3.网络管理平台
网络管理平台根据所采用网络设备的品牌和型号的不同而不同，但大多数都支持SNMP协议。为了网管平台的统一管理，组建网络时，尽量使用一家网络厂商的产品。
4.开发工具
开发工具是指为建造具体网络应用系统所采用的软件通用开发工具，主要有以下3类：（1）数据库开发工具：根据具体的应用层次，分为通用数据定义工具、数据管理工具和表单定义工具，如Powerbuilder和JetForm等。（2）Web平台应用开发工具：包括HTML/XML标准文档开发工具（如DreamWeaver）、Java工具和ASP开发工具（如Microsoft InterDev）等。（3）标准开发工具：如Microsoft Visual Studio、Java等。
5.网络应用系统
网络应用系统是指以网络基础应用平台为基础，为满足建网单位要求，由系统集成商为建网单位开发，或由建网单位自行开发的通用或专用系统，如财务管理系统、ERP-Ⅱ系统、项目管理系统、远程教学系统、股票交易系统、电子商务系统、CAD/CAM系统和VOD视频点播系统等。网络应用系统的建立，表明网络应用已进入成熟阶段。
1.2.5 网络安全平台
网络安全贯穿系统集成体系架构（见图1-2）的各个层次。网络的互通性和信息资源的开放性都容易被不法分子钻空子；不断增长的网络外联应用，使得其安全性更让人放心不下。作为系统集成商，在网络方案中一定要给用户提供明确的、翔实的解决方案。同时得提醒一句：网络安全的主要内容是防信息泄露和防黑客入侵，安全和效率永远是最大的矛盾。主要措施如下所述。（1）在应用层，通过用户身份认证来授予其对资源的访问权，手段是在网络中开通证书服务器，或使用微软证书服务。安全级别最低。（2）在网络层，使用防火墙技术分割内、外网；使用包过滤技术，跟踪和隔离有不良企图者。安全级别中等。（3）在数据链路层，使用信道或数据加密传输技术来传送主要信息，但密钥可能被破译。安全级别较高。（4）在物理层，实施内、外网物理隔离。安全级别最高。
网络系统安全是指网络系统中的计算机硬件、软件及正在处理、存储、传输的信息的保密性、完整性和可控性，重点需要确保网络信息在存储、处理、传输过程中的安全，以及信息系统不被破坏；确保合法用户的服务，限制非授权用户的服务，以及采取必要的防御攻击的措施。主要的安全威胁包括非法访问、恶意代码、脆弱口令、网络入侵、病毒破坏、计算机犯罪、信息对抗的攻击等。
1.2.6 用户界面
在网络中，基础服务程序和网络应用系统程序一般都处于服务器端。用户端的操作界面有以下3种情况。
1.客户机/服务器（C/S）界面
应用系统程序分为客户端和服务器端两部分，分别定义各自的操作系统平台。客户端主要承担界面交互、查询请求和显示结果，服务器端则处理客户端请求并返回结果。每次软件升级，都要分别更换（安装）服务器端和客户端。如果客户端工作站数目很多，工作量会很大。
2.Web界面
Web平台界面又称浏览器/服务器（B/S）平台界面，其特点是：任凭服务器端千变万化，客户端只要安装IE或Netscape浏览器就行了。
3.图形用户界面（GUI）
图形用户界面不仅形象生动、界面友善、操控灵活，而且为人们提供了定性、定量结合，局域、全域结合，时域、频域结合，模拟、数字结合的数据探索、科学分析的仿真平台。
1.2.7 选择平台与系统集成应考虑的因素
对于系统集成，平台是支柱。平台的选型是一项专业跨度大，技术难度高的工作，关系到整个系统的成败。概括说来，正确选择平台的重要性表现在以下几个方面。
①有利于把握整个系统的投资方向，为用户正确决断提供经济可行性依据，以避免投资风险和投资浪费。
②有利于把握整个系统的技术发展方向，为专业人员提供技术可行性依据，减少技术风险和应用开发风险。
③在统一可行的主流平台环境下，有利于应用开发人员有效地积累技术优势，发展企业自身的系统开发队伍和信息产业。
④有利于引进先进的平台体系结构，从根本上改变传统的体系结构及应用模式，改变传统的设计方法及实施手段。
⑤有利于采用先进、实用的开发工具，缩短应用开发周期，提高应用软件开发质量和开发效率。
⑥有利于平台与应用之间的整体集成，统一界面和操作方法，统一系统风格和技术标准，提高整个系统的可用性。
⑦有利于进行广泛的技术交流，推广用户开发成果，提高投资效益及技术转化效益。
选择平台与系统集成时要考虑的因素有以下几点：
①用户单位的实际应用环境和应用需求。
②作为平台的软、硬件产品的功能与性能。
③国内、国际MIS平台发展的主流。
④MIS系统总体设计人员采用的技术策略和实现手段。
⑤性能/价格比、技术支持及后援保证。
⑥用户的投资能力和技术水平。
平台选型要考虑的问题有以下几个：
①根据企业规模、组织机构布局、应用系统实施规模和外部应用环境等情况，确定系统平台模式。
②根据单位组织机构与管理职能层次设置和应用系统的总体功能结构设计情况，确定平台体系结构。
③根据用户业务操作和数据处理的基本特征，事务处理和数据处理对系统性能的基本要求，以及原有软件资源与保护要求，确定软件平台的选型策略。
④根据事务与数据的处理过程和频度，以及原有硬件资源情况，确定基本硬件平台的选型策略。
⑤根据企业组织职能与系统功能关联情况，地理环境及外部通信要求，数据传输及性能要求，用户对网络站点分配及联网范围要求，以及原有通信设施情况，确定网络通信平台与网络硬件平台的选型策略。
⑥根据平台体系结构与平台选型策略，以及平台产品技术标准情况，确定系统平台的接口规范。
⑦根据计算机硬件发展水平和平台档次更新情况，国内产品市场供货情况与售后技术服务情况，以及可借鉴的成功经验，进行具体的平台选型及性能/价格比分析。
⑧根据企业的投资能力，建立典型开发环境及平台多场地安装的代价，验证平台选型的经济可行性。
⑨根据企业的长远发展目标和系统总体实现目标，以及系统的技术设计要求，如异种机入网、异种网互联、异构数据源互操作、异构工具互用、分布处理能力和汉字处理能力等，综合权衡系统平台的可用性、可集成性和可伸缩性。
系统平台选型应遵循的原则有以下几条：
①标准性与主流性。
②成熟性与先进性。
③实用性与经济性。
④易用性与可扩充性。
从以上讨论来看，作为系统集成，不一定是买最先进的设备、材料和应用软件。“系统集成”这一名词，在国内市场叫了多年，但真正的系统集成商并不多，是什么原因呢?本书认为主要是有以下几个方面的制约。
①系统集成商不是一个公司或几个人就能做的，它需要拥有一批技术人员，而且是多专业的，也就是说是“多兵种”的“合成军”，并且要有一定的工程经验和经济实力。
②从技术角度来看，计算机技术、应用系统开发技术、网络技术、控制技术、通信技术、建筑装修技术等综合运用在一个工程中，是技术发展的必然趋势。系统集成商就是要根据用户提出的需求，做出完整的解决方案，不仅仅是要在技术上实现用户的需求，还要对用户投资的实用性和有效性进行有效的分析，对用户的技术支持、培训有所保障；还应具有技术规范化、工程管理科学化等多方面知识。更重要的是，系统集成商应具备所服务行业的专业知识、专业技能及丰富的集成经验。
③目前在国内系统集成市场上，除公开竞标的项目外，确实还有靠关系、背景等拿项目的；除了大型的、复杂的工程之外，确实存在像搭积木似的项目。并且，系统集成是一个综合性的工程，所涉及的不仅仅是技术和设备的问题，还涉及到方方面面的关系问题。在这样的市场背景之下，给新人的进入留下了巨大的活动、发展空间。
④由于系统集成行业的市场容量巨大，类型较多，涉及的行业也非常多，与硬件产品一样有着低、中、高档之分，有将各种计算机及联网设备简单搭接起来的工程，也有设计、规划、采购、安装、调试、维修、培训、服务等系统工程。对于具备不同实力的厂商，可以有不同的项目可做。
⑤对于系统集成的商业利润，一般来说，包括硬件、软件和集成三部分。其中，硬件的价格透明度高，利润较低；而软件和集成的利润占整个项目利润的绝大部分。这就要求集成商不但要具有对硬件安装、支持的能力，更重要的是，还必须具备对相关软件的开发能力以及对客户业务的熟悉和理解。
⑥投资与夺标问题。对于一个系统集成项目，在签约后，一般来讲，系统集成商的投资额度达50%～80%，而且工程周期长，在此过程中要花费大量的人力、物力，尤其是在夺标过程中，花费很大，若不中标，将付之东流。这就要求系统集成商具有相当的经济实力。1.3 计算机网络工程设计过程模型
从一般性考虑，与网络工程设计有关的工作分为三个步骤：问题定义、网络设计和网络测试。
问题定义集中于“做什么”。即在定义过程中，网络系统的设计者试图弄清楚网络系统要支持的业务，它要完成什么样的功能和性能，希望有什么样的系统行为，有什么样的约束，以及确认一个系统成功的标志是什么。虽然在定义阶段采用的方法取决于使用的网络工程设计过程模型，但一般有三个主要任务：用户网络应用目标分析，网络设计的需求分析，以及网络工程设计的技术指标。
网络设计集中于“如何做”。即在设计过程中，网络设计者首先建立一个逻辑模型。系统的逻辑模型允许用户、设计者和实现者看到整个系统是如何工作的，为大家提供参照物。
设计的方法可以不同，但一般具有三个共同的任务：确定网络拓扑形式，选择适当的选路协议，规划IP地址，包括网络管理和网络安全的设计。接下来，是为所设计的逻辑网络选择技术和设备，其中包括为局域网或园区网选择技术和设备，结构化布线设计的考虑，网络工程施工、管理与监理。
网络测试集中于“做得如何”。此时要编写并实现测试计划，建立原型系统或实验系统，验证网络设计，并编写网络设计文档。如果测试结果表明存在性能问题，要进一步更新设计。更新设计将重复上述过程，构成逐步求精的循环过程。
为了解决网络工程中的实际问题，网络设计师必须综合出一个开发策略，覆盖上述步骤中的过程、方法和工具三个层次。这个策略称为网络工程设计过程模型。所有网络工程都可看成一个问题的循环解决过程，其中包含四个截然不同的阶段：状态描述、问题定义、技术开发和方案综述。状态描述表示了事务的当前状态；问题定义标志了要解决的特定问题；技术开发通过应用某些技术来解决问题；方案综述提交结果（如文档、程序、数据、新的应用功能或新的系统）给那些从一开始就需要方案的人。
上述问题循环解决过程应用于网络建设工程的不同开发级别。它可以用于考虑整个系统的宏观阶段，设计系统的中级阶段，甚至是某个设备的测试阶段。因此，可以先定义一个模式，然后在连续的更小规模上递归地应用它，提供关于过程的理想化视图。
在图1-3中，问题循环解决的每个阶段包含一个相同的问题循环解决过程，该循环还可以包含另一个问题循环解决过程。图1-3 问题循环解决过程的各个阶段
上面讨论的四个阶段既可以用于一个完整网络系统的设计，也可以用于一个网络部件的测试。
1.3.1 网络工程设计的层次
设计实现一个系统最重要的问题是合理地确定其体系结构。所谓体系结构，是指构成系统的层次，以及这些层次之间的关系。系统的一个独立层次通常是为解决一个独立的问题而设立的。针对网络工程系统，人们提出了一个四层集成模型。该模型自下而上包括环境平台层（接入层）、网络平台层、应用平台层和服务层（参见图1-4）。从系统集成的观点看，确定系统结构的工作包括设计实现合适的环境平台、网络平台及信息平台，设计、开发或选用合适的应用系统并实施。图1-4 网络工程设计的层次模型（1）环境平台层
环境平台层通常指网络工程中结构化布线系统和数据采集与通信设备。（2）网络平台层
网络平台目前一般采用Internet技术。但在信息高度集中的场所应建立局域网；在通过传统方式采集原始数据较困难，或要实时采集周边环境参数时，应建立无线传感网。这些网络可通过广域网互联起来，形成Intranet；还要考虑该Intranet与Internet相连或通过广域网技术形成Extranet的问题。（3）应用程序层
应用系统是根据用户需求精心设计和实现的，具有针对性和专用性，主要采用数据库技术、Web技术、电子邮件技术、群件技术、网管技术和分布式处理技术等。一方面，它能够直接为用户提供多种Intranet/Internet通用服务；另一方面，它能屏蔽各种低、高系统内部的差异，而使系统接口符合标准。（4）服务层
服务层将业务处理看做是一系列相互连接的设计方式。面向服务不是技术本身，而是一个描述业务如何操作的流程方式。
1.3.2 网络工程设计的原则和方法
1.网络工程设计的原则
建设网络信息系统，必须要满足设计目标中的要求，遵循一定的系统总体原则，并以该总体原则为指导，设计经济合理、技术先进和资源优化的系统方案。网络信息系统的建设原则通常包括以下几个方面。（1）实用性原则
实用性就是网络信息系统能够最大限度地满足实际工作需要的系统性能。该性能是系统集成者对用户最基本的承诺。从实用的角度，这是最为重要的。要考虑的问题包括以下几个方面：
①系统总体设计要充分考虑用户当前各业务层次、各环节管理中数据处理的便利性和可行性，把满足用户业务要求作为重要目标。
②采用总体设计、分步实施的技术路线。在总体设计的前提下，先选择用户需求迫切、应用效益高、管理中的较低层来实施，稳步向中、高层及系统全面推进。这能够使系统始终与用户的实际需求紧密联系在一起，增强了系统的实用性，而且使系统建设保持很好的连贯性。
③人机操作设计应考虑不同用户层次的实际需求。例如，对使用频繁的业务人员而言，人机接口应以提高工作效率为主；对领导人员而言，人机接口应以方便使用为主。用户接口应充分考虑人体特征和视觉特征进行优化设计，界面尽可能美观、大方，操作简便、实用。（2）先进性原则
采用国际、国内先进和成熟的信息技术，使系统能够在一定的时期内保持效能，适应今后技术和业务发展变化的需要。一般而言，目前系统的先进性原则主要体现在以下几个方面：
①采用先进的、开放的系统体系结构，如网络通信采用Internet的TCP/IP体系结构，基于Internet的信息技术等。
②根据需要，采用计算机新技术，如容错技术、双机互为备份技术、廉价冗余磁盘阵列（RAID）技术、共享阵列盘技术和多媒体技术等。
③先进的网络技术，如宽带IP技术、ATM技术、局域网交换技术、网络管理技术和流量负载平衡技术等。
④先进的项目管理技术。为了保证项目质量和系统的科学性，项目管理的科学性是必要的。（3）可扩充、可维护性原则
一般而言，系统维护在整个系统的生命周期中所占比重是最大的。因此，提高系统的可扩充性和可维护性是提高网络信息系统性能的必备手段。为此，可采用如下方法：
①以参数化方式设置、管理硬件设备的配置、删减、扩充、端口设置等，系统化管理软件平台，系统化管理并配置应用软件。
②应用软件要采用面向对象的方法进行开发，使之具有较好的可维护性和可移植性；可根据需要，修改某个模块、增加新的功能以及重新组合系统结构，达到软件可重用的目的。
数据存储结构设计在合理、规范的基础上，应具有可维护性，对数据库表的修改、维护可以在较短的时间内完成。
①系统部分功能考虑采用参数定制及生成方式，保证其具备普遍适应性。
②部分功能采用多种处理选择模块，以适应管理模块的变更。
③系统提供通用报表及模块管理组装工具，以便支持新的应用。（4）可靠性原则
可靠性是指当系统的某部分发生故障时，系统仍能以一定的服务水平提供服务的能力。应根据系统的业务特点来确定其可靠性指标。如果需要系统提供一周7天，一天24小时的实时联机服务，系统的任何故障都可能给用户带来不可估量的损失，则其可靠性需要重点设计。如果用户能够容忍一定的故障中断时间（大部分系统可能如此），则该系统的可靠性方案就简单得多，也会经济得多。应充分注意到：数据是一个系统中最为宝贵的资源。提高系统可靠性的基本思想是保证通信畅通和对重要数据的备份，并制定系统应急方案。
提高系统可靠性有很多途径和专门技术，下述方法可供参考：
①对数据完善备份，如日备份、周备份；注意数据异地备份，以防止火灾和其他自然灾害或人为破坏。
②对设备进行备份，发现损坏设备，能有备件及时更换。
③对关键设备，如重要的服务器及网络设备，应具有容错功能，选用双机备份或双机热备份（对不能中断的服务）技术、群集（Cluster）技术等。
④应用网络管理技术严格监控系统、设备和应用系统的运行和操作。（5）安全性原则
系统安全性是指系统数据的安全性。数据安全主要面对来自以下几方面的威胁：一是非授权人员非法获取保密性数据；二是网络上的入侵者的恶意攻击；三是计算机病毒；四是操作人员的误操作。
保密性数据包括机要文件和绝密文件，可能涉及企业的核心机密，需要重点设计安全性方案。通常要选用安全性好的操作系统和数据库产品，如UNIX、Linux、NetWare、Windows Server以及Oracle、SQL Server、DB2等；要特别重视正确地配置系统，使系统工作于网络C2级水平。（6）经济性原则
在满足系统性能需求的前提下，应尽可能地选用价格便宜的设备，节省投资。可参照以下做法：
①在相同性能价格比的情况下，尽可能选用国际著名公司的品牌。
②信息安全产品或有关国计民生的网络信息系统的关键设备，尽可能采用国产优秀品牌。
③实行软件先期开发；硬件先选型，用前再购买的原则。实践表明，软件应用系统往往是制约系统投入实用的瓶颈，软件应用程序开发和测试应先期进行。由于随着时间推移，网络和其他硬件设备的价格会下降，有时下降的幅度较大，应尽可能在系统正式实施前购进大部分硬件设备。
④购买软件和硬件设备应采用竞标或邀标的方法，遵循公开、公正和公平的原则。（7）“一把手”负责原则
建设一个网络信息系统，本质上是一场信息革命，需要在业务流程、工作方式和指导思想方面的变革。系统的设计、施工和应用不可避免地会发生人的既得利益与整体目标的矛盾，人与机器的矛盾，新人与旧人的矛盾；同时，其投资预算较大，建设周期较长，没有单位的“一把手”直接管理和负责，系统建设是不可能成功的。具体而言，应注意以下几个问题：
①应成立以单位“一把手”挂帅的网络信息系统领导小组，全权处理系统建设有关问题。
②工程应尽可能定在“一把手”任期一年内完成，即工程工期应以一年左右为宜。系统集成强调的是“系统”，强调的是系统的内在联系，使子系统一致和协调，因此要将如何协调与统一各子系统的关系放在重要的位置上。系统建设的基本思路需要围绕在统一的网络环境、统一的信息平台和统一的软件平台上做文章，并实现企业的数据综合，构造企业应用系统。具体而言，需要做好以下几方面的工作：
● 统一组织，严格分工。
● 统一开发平台。
● 统一代码和界面设计。
● 统一数据环境。
● 统一施工队伍。
● 统一文档格式和要求。
对网络信息系统进行系统集成的具体实施方式有以下不同的做法：
①独立承包方式：由系统集成商负责该项网络信息系统所有的事务。
②总承转包方式：由一家系统集成商对用户网络信息系统工程总体负责，再由该系统集成商将系统的某些部分转包给其他专业公司进行子系统的集成或工程实施。
③合作方式：由系统集成商和用户单位合作，共同完成系统的集成工作。
对于这几种实施方式，可根据所实施的网络信息系统的特点来选择。独立承包方式比较适合有经验的系统集成商。对于一些要求特殊、功能复杂的网络信息系统，采用总承转包方式更有利。合作方式比较适合用户单位技术力量较强，工作性质比较特殊（如军事、公安等）的场合。
2.网络工程设计的方法
网络工程设计的任务不单纯是硬件和软件的简单组合，还包括采用什么样的开发方法来具体实现网络建设。不论采用何种方法，最终都必须在网络建设中采用先进的理论指导、完善的技术保证和工程化的管理手段，确保系统顺利实施。
网络系统集成的最终目的是使用户得到满足其要求的最佳方案，确保在实施网络规划与设计中各种复杂技术的相互协调，确保网络的互联性和互操作性、网络的管理和安全性，以及在网络环境下出现问题时有解决问题的方案，从而使用户在网络建设中能顺利地开展工作。在建设一个复杂的网络系统的过程中，普遍采用以下三种方案进行网络系统集成。
①独立进行网络系统集成。这是在管理信息系统技术、计算机网络技术、数据通信技术等各方面力量雄厚，网络集成经验丰富的部门采用的一种方案。由于能解决建网过程中出现的管理和技术问题，因此，从网络规划、设计，到网络系统的最终实现，都由该部门自己解决。
②联合进行网络系统集成。这是可能不具备网络集成人才或单一方面的技术人才的部门采用的与其他部门联合的一种方案。采用这种方案，开发时可选择对方的关键性技术或人才，或将部分集成交给有网络开发经验的对方完成，以弥补自身的不足，充分发挥各自的技术优势。
③网络系统集成商进行网络系统集成。这是一种不具备以上两种条件的部门采用的方案。
用户可根据实际情况，选择以上三种方案中的一种。但不论选用哪种方案，在开始进行网络系统开发时，为确保网络集成达到用户目标和系统集成目标，都要进行如下必要的监督和考察：
①理论指导。网络系统集成不同于一般的计算机配置，它有很强的理论性，比如采用何种网络协议，制定的网络规划和网络设计是否符合网络发展要求，是否具有先进性、实用性、安全性和可靠性等。
②技术保证。对技术人员来说，必须熟悉网络技术，熟悉各种网络硬件和软件的性能指标，能解决网络集成中出现的各种技术问题。
③网络集成经验。对合作或独立开发单位来说，必须有网络集成经验，最好具备建设同类型网络的经验和成功的事例。
④工程化管理。要求网络系统集成者必须制定工程化管理的工作标准，包括计划、设计方案、工程表、协调工程进度以及管理的整个方案。
1.3.3 网络系统工程设计的工作内容和实施步骤
用户的需求各不相同、各具特色，产生了很多面向不同行业、不同规模、不同层次的网络应用，比如Intranet/Extranet/Internet应用、数据/话音/视频一体化、ERP/CIMS应用、工控自动化网等。这些不同的应用系统需要不同的网络平台，要求系统集成技术人员用大量的时间对用户进行调查了解，分析应用模型，反复论证方案，制定一体化的解决方案，并付诸实施。
网络系统设计实施的具体内容根据每个项目的不同而不同，一般包括以下几个方面：
①需求分析。了解用户建网需求，或用户对原有网络升级改造的要求，主要包括应用类型、物理拓扑结构、带宽要求、流量特征分析等。
②技术方案设计。确定网络主干和分支采用的网络技术、传输介质和拓扑结构，以及网络资源配置和接入外网的方案等。
③产品选型。根据技术方案，进行设备选型，包括网络设备选型和服务器设备选型。
④网络设计。根据产品选型，进行网络细化设计。
⑤系统设备、产品的采购及进口代理。
⑥综合布线系统与网络工程施工，包括综合布线系统设计、组织施工、网络设备的互联与调试等。
⑦软件平台配置。确定网络基础应用平台方案，以及网络操作系统、数据库系统、网络基础服务系统的安装、配置。
⑧网络系统测试，包括网络设备测试、综合布线系统测试和网络运行测试。
⑨应用软件开发。根据用户要求自行开发；也可以外购，然后在外购软件的基础上做二次开发。当然这是可选项，约半数以上的系统集成商不开发软件。这要看用户的要求和他们对系统集成概念的理解。
⑩用户培训，分3种对象进行，即领导、网络和数据库管理员以及网络业务用户。
⑪网络运行技术支持。在网络工程完成后，根据双方协议执行。技术支持是有偿的，一般不超过1年，最多不超过3年。
⑫其他。产生各类技术文档，协助用户验收、鉴定等。
系统集成实施的步骤如图1-5所示。图1-5 系统工程设计的实施步骤1.4 网络工程的组织
1.4.1 组织方式和组织机构
1.组织方式
网络工程的组织方式大体有以下两种：
①对于行政事业单位统一实施的工程，一般指定主管领导（或叫牵头人、召集人）、具体负责人，并成立相应的机构，自上而下开展实施。
②对于公司承接的具体工程，一般采用项目经理制，由项目经理招聘人员，制定方案，进行系统集成，从头至尾负责工程的组织实施。
2.组织机构
对于政府行为的网络工程，其组织机构是比较严密的，一般包括以下三层机构：
①领导小组：指导系统总体组开展工作，审批总体组的各类报告，协调各部门的工作，协调、拟定业务需求，项目鉴定验收。
②总体组（总承组）：完成系统需求分析；制定项目总体方案；编写系统工程实施报告；制定系统的使用、管理等各类标准；制定系统的安全性和可靠性方案；对项目的实施进行宏观管理和控制，并进行严格的质量管理。
③技术开发小组：根据系统总体组制定的软件建设任务，开发软件系统；在开发过程中，撰写各种软件工程规范所需的文档。
1.4.2 网络工程监理
所谓网络工程监理，是指在网络建设过程中，给用户提供建设前期咨询、网络方案论证、系统集成商确定和网络质量控制等一系列服务，帮助用户建设一个性价比最优的网络系统。
网络工程监理的主要内容包括以下几个方面。（1）帮助用户做好需求分析
深入了解企业的各个方面，与企业各级人员共同探讨，提出切实的系统需求。（2）帮助用户选择系统集成商
好的系统集成商应具备以下特征：
①持有《计算机信息系统集成资质证书》。
②有较强的经济实力和技术实力。
③有丰富的系统集成经验。
④有完备的服务体系。
⑤有良好的信誉。（3）帮助用户控制工程进度
工程监理人员应帮助用户掌握工程进度，按期分段对工程进行验收，保证工程按期、高质量地完成。（4）严把工程质量关
工程监理人员应该从以下环节严把质量关：
①系统集成方案是否合理，所选设备质量是否合格，能否达到企业的要求。
②基础建设是否完成，结构化布线是否合理。
③信息系统硬件平台环境是否合理，可扩充性如何，软件平台是否统一合理。
④应用软件能否实现相应的功能，是否便于使用、管理和维护。
⑤培训教材，以及时间、内容是否合适。（5）帮助用户做好各项测试工作
工程监理人员应严格遵循相关标准，对信息系统进行包括布线、网络等各方面的测试工作。
1.4.3 网络工程实施
1.网络工程方案设计的主要步骤
网络工程方案制定方法如图1-6所示，主要包括以下几个步骤。
①用户网络应用原始问题的叙述。
②重新定义用户的需求问题。
③了解用户网络系统建构的现有条件。
④网络工程技术人员脑力激荡（好的灵感，思考不受制约，思路连接有序，大胆思考，畅所欲言）各种可能的解决方案。
⑤选择最可行的解决方案。
⑥检查网络建构问题的界定。
⑦重新界定问题并增补计划。
⑧如有必要，再次脑力激荡。
⑨反复重做，直到解决问题为止。
2.网络工程实施的主要步骤
①为用户提供工程设计者、网络专家和用户三方认可的网络工程解决方案。
②严格按照方案设计技术文档的要求，进行工程实施。
③严格按照方案设计测试技术文档的要求，进行工程验收。若有问题，返回第②步。
④网络系统技术培训。
⑤网络系统维护与服务，并将网络系统移交用户管理与维护。
⑥网络工程项目终结，同时为用户提供技术与应用咨询服务以及必要的技术支持服务。图1-6 网络工程方案制定方法图1.5 物联网工程设计
物联网是在互联网基础上发展起来的一种网络，其末端延伸和扩展到物品的智能化管理。把任何物品通过信息传感设备，按约定的协议与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，就构成了物联网。物联网有别于互联网。互联网的主要目的是构建一个全球性的信息通信计算机网络；物联网主要从应用出发，利用互联网（包括无线通信网）的网络资源传送业务信息。它是互联网、移动通信网络应用的延伸，是自动化控制、遥测遥控及信息应用技术的综合展现。
物联网作为一个系统网络，与其他网络一样，有其特有的内部架构。物联网工程按三个层次设计，采用的技术和体系结构如图1-7所示。第一层是感知层，利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；第二层是网络层，将电信网络与互联网融合，实时、准确地传递物体的信息；第三层是应用层，处理感知层获得的信息，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等。图1-7 物联网工程设计层次
1.5.1 物联网结构和技术
1.组网结构
从物联网工程设计的角度看，物联网需要解决物品信息的标识、感知、处理和传送4个环节的问题，分别由不同的系统实现。根据物联网的功能或组网方式，分为三大子系统：一是传感网络，实现物品信息的标识、感知，也被称为物品信息的自动识别，并按传输网络协议转发给传输网络；二是传输网络，实现物品信息传送和处理，即通过现有的或未来的NGN网络，实现数据的传输与计算；三是控制网络，接收传输网络的远端管理信息，实现对物品的现场处理或控制，如图1-8所示。
2.传感网络
传感网络是指将多个物品的传感器系统相连接的自组织网络。通常是无线的，并以多跳方式接入传输网络（互联网），称为无线传感器网络。它是无线自组织网络（Ad Hoc）的一个重要分支。无线传感器网络的各传感器节点监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感信息，并通过转发、协作，实现各传感器之间的通信和资源共享，进而实现以多跳方式与网关的通信并接入互联网。根据应用情况也可简化，将物品的传感器系统直接（单跳方式）接入传输网络（互联网）。目前的RFID阅读器主要采用这种单跳接入方式。
3.传输网络
物联网传输网络是指在物联网中，将终端数据上传到服务平台，并能通过服务平台获取数据的传输通道。与传感网络和控制网络连接的传输网络可以是Internet网络、移动通信网络、企业网等各种公用或专用网络。考虑到物联网的目标是对任何物品进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，它需要大量的地址信息和运算处理，因此必须引入新的网络工程结构和信息处理方式，如采用IPv6和云计算等最新技术处理物联网的海量信息。图1-8 物联网工程组网设计结构
物联网传输网络工程设计是通过有线或无线的数据链路，将传感器和终端检测到的数据上传到管理平台，接收管理平台的数据并将其传输到各个扩展功能节点。物联网传输网络是内部数据与互联网平台数据的交换通道，是物联网数据与互联网数据交换的中间载体，属于互联网中的局域网和城域网部分。
在物联网工程设计中，传输网络是互联网的末端接入部分。根据物联网所处的层次和传输介质不同，分为以下几个部分。（1）以太网/Internet
以太网和Internet是互联网的主要接入形式，也是物联网传输的主要通信载体。在物联网网络中，有以太网或宽带接入条件的固定终端应用时，可以通过终端上的以太网接口接入网络。这种网络继承了以太网和Internet大数据量和低延迟的特点，可以用于传输大数据量的文件信息和流媒体信息。但这种接入形式受限于应用网络，在不便布置以太网和Internet的地方，其使用受到限制。（2）GPRS/CDMA/3G无线网络
作为移动无线网络，GPRS/CDMA/TD等将成为未来物联网中主要的移动通信载体，因其具有无布线、易布置、可流动情况下工作的特点，将被大量应用在需要移动传输数据和不利于布线布网的野外场合。但这种网络由于无线交换的特点，具有一定的延时，且带宽有限，一般用在实时性要求不高和数据量不大的场合。（3）WLAN无线网络
WLAN无线网络是以太网、宽带网的末端延伸，属于区域内的无线网络，它兼有以太网、宽带网的优点，又具备GPRS/CDMA/TD等网络的部分无线功能，在无线联网中发挥重要作用。但WLAN无线网络应用的范围既受限于无线路由的信号范围，又受限于以太网、Internet的接入，因此，一般应用在宽带接入的末端不适宜布线的场合，并作为以太网、Internet的重要补充。（4）ADSL/Modem
ADSL网络是Modem网络的升级形式，在家庭和小型办公区被广泛采用。这种网络的主要特点是实时性稍好，可为终端分配有效的外部IP（可以是动态的，也可以是静态的），也可以通过路由器或交换机供多终端使用；但该网络速度受限，可以用来传输数据量中等的语音数据和其他数据量小的环境参数数据，使用费用随数据量大小而不同。
4.控制网络
控制网络实现对物品的现场处理和控制，可采用各种自动化控制的新技术和新产品。由于控制网络和传感网络都是面向应用现场（物品和环境）的，可根据需要，采用独立的或同一个网络架构，统称为传感控制网络。传感控制网络的各个节点根据情况可采用无线Ad Hoc网络或有线的现场总线网络等组网技术，以满足不同的应用环境。针对许多场合，传感控制网络的功能可基于现有的手机、便携式PC等加入现场采集、处理和控制形成智能终端来实现。该智能终端通常以单跳方式（如GPRS或短信方式）直接联入传输网络（或互联网），并接受后台管理中心的调度管理，实现物联网远端智能化管理的所有功能。下述物联网实例就是采用这种便携式智能终端实现的。
1.5.2 物联网的体系结构
物联网包括感知层、网络层、网应用层。相应地，其技术体系包括感知层技术、网络层技术、应用层技术以及公共技术，如图1-9 所示。图1-9 物联网体系框架图
①感知层及其技术：数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。
②网络层及其技术：实现更加广泛的互联功能，把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。
③应用层及其技术：应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中，应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通功能。应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用。
④公共技术及其技术：公共技术不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都有关系，它包括标识与解析、安全技术、网络管理和服务质量（QoS）管理。
1.5.3 物联网工程的层次设计
物联网工程的层次设计应遵照全面成套、层次恰当、划分明确的原则。
1.感知层设计
感知层主要实现智能感知功能，包括信息采集、捕获物体识别。其中，无线传感器节点是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。因此，对传感器网络拓扑结构的设计要满足以下几点。
①无线传感器节点能够自动组网。当网络中的某个节点因电池耗尽或者节点出现故障等原因停止工作时，传感器网络中的节点个数会动态地增加或者减少，整个传感器网络的拓扑结构会随之发生相应的变化。
②无线传感器节点能够实现低功耗，并且获得高准确度的数据。在无线传感器网络中，处理器进行数据计算所消耗的能量，远远小于数据在通信过程中消耗的能量。感知层设计要考虑节点采集数据之后到发送数据之前进行的数据冗余处理，有效减少无线传输过程中的数据传输量，达到节能的目的。
③网络部署方便。传感器节点在监测区域要大量部署。为了对目标系统本身特性不构成影响并且方便部署，采用微型化设计，传感器节点体积要尽可能小。
④低成本。系统中，传感器节点数量庞大且功能简单，单个节点的造价影响整个系统的成本。所以，在保证节点性能的前提下，应该尽可能降低单个节点的成本。
⑤感知层软件设计要考虑开发编译器和调试器包容性强，开发效率非常高的代码框架，支持目前比较流行的操作系统，同时实现各种应用项目的管理。
2.网络层设计
网络层是在现有的通信网和互联网基础上建立起来的，其关键技术既包含现有的通信技术（如2G/3G移动通信技术、有线宽带技术、PSTN技术、Wi-Fi技术等），也包含终端技术（如连接传感网与通信网的网关设备），以及为各种行业终端提供通信能力的通信模块等。泛在的网络能力不仅使得用户能随时随地获得服务，更重要的是通过有线与无线技术的结合，和多种网络技术的协同，为用户提供智能选择接入网络的模式。
网络层设计主要实现信息的传送和通信，又包括网络接入层和核心层。网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专业通信网络，还可以依托公用网和专用网。例如，接入层依托公众网，核心层依托专用网，或接入层依托专用网，核心层依托公众网。网络层主要接收感知层传递的信息，并传送到应用层。所以，网络层的设计至关重要。
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