什么是网络设计？
网络设计是规划、设计、实施和验证计算机网络以满足特定业务或组织要求的战略过程。它包括确定网络的架构、组件、布局和连接，以确保最佳的性能、可靠性、安全性、可扩展性和可管理性。
这一过程包括确定网络的应用和业务需求，选择路由器、交换机和防火墙等网络硬件，定义拓扑结构（设备的连接方式），规划 IP 寻址方案，建立数据流路径，以及确保冗余和容错。有效的网络设计是实现系统间顺畅通信、支持业务应用以及提供可靠数据和服务访问的基础。
网络设计通常通过详细的图表和配置计划记录下来，为网络的部署和持续管理提供指导。无论是构建小型局域网（LAN）还是大型广域网（WAN），执行良好的设计都有助于避免性能瓶颈、减少停机时间并支持未来增长。
如何使用网络设计
从企业园区到云基础设施，网络设计在各种 IT 环境中发挥着至关重要的作用。其实际应用可确保网络性能与运营目标保持一致，并支持当前和未来的技术需求。
在企业环境中，结构合理的网络设计可支持关键业务应用，执行安全策略，并通过强大的零信任框架实现对用户、设备和数据的集中管理。例如，跨国公司可能需要一种混合设计，将内部系统与基于云的服务无缝连接起来，同时确保不同地点之间的安全冗余通信。
在数据中心部署中，网络设计是确保高可用性、弹性和最佳性能的基础。在部署任何基础设施之前，团队首先要对数据中心进行全面规划，解决网络连接、配电、冷却系统和物理机架布局等问题，为硬件安装做好准备。这些基础工作对于支持虚拟化、容器化和数据密集型工作负载等先进技术至关重要，从一开始就能确保环境的可扩展性、性能和效率。
云服务提供商利用网络设计原则构建可扩展和安全的多租户环境。采用虚拟网络、软件定义网络（SDN）和动态路由协议来优化流量和隔离工作负载。
随着企业越来越多地采用现代化数据中心，网络设计也越来越以软件驱动和自动化为重点。将协调工具、监控系统和安全框架集成到网络结构中，可实现一致的标准化配置、实时可见性和主动问题解决，这对于在高度动态的环境中保持正常运行时间和性能，同时继续支持增长至关重要。
了解三层和 Clos（叶-刺）网络设计
网络架构在确保可扩展性、性能和可管理性方面发挥着至关重要的作用。虽然传统的三层模型仍然是企业环境中的基础方法，但许多现代基础设施，特别是数据中心，正在采用基于 Clos（叶脊）架构的更精简的两层模型。这两种模式都支持积木式设计理念，可实现模块化增长和运营效率。
1.三层架构
三层网络设计将网络分为三个功能层：接入层、分布层和核心层。接入层将台式机、打印机、IP 电话和无线接入点等终端用户设备连接到网络。它通常处理第 2 层交换、VLAN 分配、以太网供电（PoE）和端口级安全。分布层充当策略边界，汇聚来自接入交换机的流量，同时启用 VLAN 间路由，并应用访问控制列表 (ACL)、服务质量 (QoS) 和路由汇总等网络策略。
在顶层，核心层是网络的高速骨干，在分布层和外部网络之间提供低延迟、弹性传输。它主要关注可用性和吞吐量，只执行最低限度的策略来保持性能。
2.Clos 架构
Clos 架构也被称为 "叶子-脊梁"，是一种无阻塞、可扩展的设计，针对高性能数据中心和机器学习或人工智能工作负载进行了优化。它主要由两层组成：叶子交换机和脊柱交换机。叶子交换机直接连接到服务器、存储系统和GPU 等端点，并建立上行链路连接到每个脊柱交换机。骨干交换机则将所有叶交换机互连起来，形成一个高效、可预测的网状结构，提供低延迟、高带宽路径，并具有一致或确定的超量订阅。
这种设计可促进高效的东西向流量，支持等成本多路径（ECMP）路由，并允许在不中断的情况下集成更多的叶子或脊柱交换机，从而实现横向扩展。Clos 架构是现代数据中心的基础，在这些数据中心中，一致的吞吐量和容错性至关重要，而且它们正越来越多地被用于园区网络，以满足不断发展的性能和灵活性要求。
高性能计算环境的网络设计
在高性能计算（HPC）环境中，网络设计通常针对ultra延迟、高带宽和最小抖动进行设计，以支持数千个节点的并行计算工作负载。
与传统企业网络不同，高性能计算架构通常依赖于专门的互连，如 InfiniBand 或高速以太网，以实现密集模拟、科学建模或人工智能培训所需的性能。该设计强调无阻塞拓扑结构、高效数据流和确定性通信，以确保计算集群间一致的吞吐量和任务同步。
网络设计的挑战
设计一个强大而高效的网络需要应对一系列技术和运营挑战。随着环境日益复杂，设计人员必须与不断发展的业务目标和技术需求保持一致。
适应不断变化的应用要求
随着应用变得更加分散和数据密集，网络设计必须支持动态流量模式、低延迟传输以及硬件或软件故障时的无缝故障切换。如果不考虑这些不断变化的需求，就会导致网络性能不佳或效率低下，从而限制应用性能和用户体验。
安全集成
在网络的每一层整合安全性至关重要，但往往也很复杂。设计人员必须考虑安全访问、加密、分段和合规性要求，同时不引入性能瓶颈。
环境和能源效率考虑因素
随着网络规模的扩大，以支持人工智能培训等要求苛刻的工作负载，能效已成为设计的核心重点。设计人员正在采用高能效硬件、优化冷却和能源感知路由，以减少对环境的影响和运营成本。绿色设计实践还有助于企业实现可持续发展目标和满足不断变化的监管要求。
冗余和容错
要确保网络的持续可用性，就必须对故障转移路径、冗余硬件和动态路由进行精心规划。根据应用程序的关键性，还可以在解决方案中设计一个辅助数据中心。如果网络设计中缺乏适当的冗余，就会在硬件故障或维护期间导致严重的停机。
多站点或混合环境的复杂性
连接多个地点或将企业内部系统与云基础设施整合在一起会增加复杂性。一致的策略、可靠的连接和集中管理变得更加难以实现。自动化和协调解决方案可简化设计、部署和持续运营。
常见问题
- 网络设计如何影响网络安全态势？经过深思熟虑的网络设计可以通过整合分段、零信任架构和受控访问点来大大加强组织的网络安全。早期做出的设计决策既可以限制也可以促成有效的防御策略。
- 成为一名网络设计师需要具备哪些资格？网络设计师通常具有计算机科学、信息技术或网络工程背景。CompTIA Network+、Cisco Certified Network Associate (CCNA) 和/或 Juniper Networks Certified Internet Associate (JNCIA) 等行业认证可以提高可信度和专业技术水平。
- 网络设计可以自动化吗？可以，现代工具和平台可通过基于意图的联网和人工智能驱动的分析实现网络设计的部分自动化。大多数现代硬件和软件在构建时都考虑到了自动化，除了 CLI 等传统方法外，还利用 RESTful API 来管理设备。这些工具可以推荐拓扑结构、模拟流量流，甚至根据预定义目标执行策略配置。