计算机网络校园网设计方案.doc

1、摘要随着经济的发展，信息起着越来越重要的作用。计算机、网络和多媒体等信息技术的飞速发展，信息的传递越来越快捷，信息的处理能力变得越来越强，信息的表现形式也越来越丰富，这些都对社会经济和人们的生活产生了深刻的影响。这一切促使通信网络由传统的电话网络向高速多媒体信息网发展。Web技术和多媒体技术的出现，近几年来Internet得到了突飞猛进的发展，联入网络的节点和信息资源迅速增长。为了满足广大大学生的学习需要，教职工教学，办公需求。建立一个基于校园Intranet的信息管理和应用的网络系统，并提供相应的各种服务。共享网络上各种软、硬件资源，快速、稳定地传输各种信息，并提供有效的网络信息管理手段。采

2、用开放式、标准化的系统结构，以利于功能扩充和技术升级。能够与外界进行广域网的连接，提供、享用各种信息服务具有完善的网络安全机制。能够与原有的计算机局域网络和应用系统平滑地连接，调用原有各种计算机系统的信息。简言之，将校园内各种不同应用的信息资源通过高性能的网络设备相互连接起来，形成校园园区内部的Intranet系统，对外通过路由设备接入广域网。关键词：校园网；协议；设备 目录引言4第1章 需求分析.6 1.1 项目工程概况.6 1.2 信息分布.6 1.3 需求分析.7第2章 方案设计原则.8第3章 网络方案设计.10 3.1 网络拓扑结构介绍.10 3.2 网络拓扑图.10 3.3 网络设计

3、.11 3.3.1 核心层网络设计.11 3.3.2 汇聚层网络设计.11 3.3.3 接入层网络设计.12 3.3.4 整体层次化设计.12 3.3.5 广域网互联设计.12 3.3.6 防火墙设计和DMZ设计.13 3.3.7 冗余/负载均衡设计.13 3.3.8 线路冗余设计.14 3.3.9 网络设备冗余/负载均衡设计.14 3.3.10 网管工作站设计.16 3.3.11 IP地址和VLAN规划.16第4章 网络技术选型.18 4.1 路由协议OSPF.18 4.2 端口安全和认证（基于802.1X）.18 4.3 VRRP（虚拟路由冗余协议）原理.19 4.4 RSTP、MSTP原

4、理.20 4.5 NAT的描述及策略路由的实现.21 4.6 ACL（访问控制列表）.21 4.7 链路聚合(Ethernet Channel).22 4.8 VLAN(虚拟局域网）.23 4.9 VLAN无线局域网.23第5章 网络安全及管理机制.24第6章 网络设备选型.26 6.1 交换机选型.26 6.2 路由器选型.26第7章 性能测试及评估.27 7.1 网络测试实施.27 7.2 连通性测试.27 7.3 方案的扩展性考虑.27结论.28致谢.29参考文献.30 引言时代在发展，科技在进步。计算机早已进入我们的生活中，随着互联网技术的普及我们必将迎来一个全新的互联网时代。当今学校

5、正步入跨越式发展阶段，为了加快教育现代化的进程必须建立自己的校园网，全面提升学校的信息化水平。校园网建成后将可以访问互联网并接入中国教育科研网，可以充分利用互联网和教科网的资源，提高教学和科研的质量、改善教学和科研条件、加快学校的信息化进程,开展多媒体教学与研究,对学校的快速发展和实现教育的现代化有着深远的意义。目前，全球已掀起一股信息高速公路规划和建设的高潮，作为其雏形，国际互联网（Internet）上相连的计算机已近达数千万台，全球有数亿人在Internet 上进行信息交换和各种业务处理。Internet 上积累了大量信息资源，这些资源涉及人类面对和从事的各个领域、行业及社会公用服务信息。

6、成为信息时代全球可共享的最大信息基地。中国教育科研计算机网（CERNET）于1994 年正式启动以来，已与国内几百所学校相连。为广大师生及科研人员提供了一个全新的网络环境。1998 年10 月,中国教育科研网(CERNET)二期工程正式启动,工程计划到2000 年二期工程完成时,除达到连接1000 所大学的目标外,对有条件的中小学也提供接入上网服务。的确,随着信息技术的飞速发展,中小学校园网的建设已经逐渐提到议事日程上来。但是我国目前大多数校园网上的应用还不丰富，与学校原有一些计算机业务系统还没有充分发挥，应用水平的低下是对校园网资源的极大浪费。只有提高校园网上的应用水平，才能切实提高学校各项

7、业务水平，适应信息时代的要求。因而，如何利用当前先进的计算机技术与校园网资源，实现学校各项业务系统的集成，提高应用水平将是学校校园网建设的下一个工作重点。当前由于网络、数据库及与之相关的应用技术不断发展，尤其国际互联网（Internet ）和内部网（Intranet）技术的广泛应用，世界正在迈入网络中心计算（Network Centric Computing时代。人们传统的交互和工作模式正在改变。处在不同地理位置的人们可以共享数据，使用群件技术进而能够协同工作；多媒体数据的存储、传输、应用技术的不断成熟；以上这些计算机技术的发展对学校传统的计算机业务系统产生影响，使用户能更方便。更直观的使用系

8、统，也使系统的性能更完善、功能更强大。校园网建设的目标简而言之是将校园内各种不同应用的信息资源通过高性能的网络设备相互连接起来，形成校园园区内部的Intranet 系统，对外通过路由设备接入广域网。 建设校园网对每个学校来说都不是一件容易的事情,都要经过周密的论证、谨慎的决策和紧张的施工。当一堆设备变成网络的时候,大部分学校的满腔热情也慢慢地冷却凝固。校园网建成了,各种问题也不断涌现:设计目标根本无法实现,没有合适的应用软件,许多设想根本无法实施,后续的维护费用不堪承受等等。第1章 需求分析1.1 工程项目概况要求建立一个连接教学楼、实训楼，教师公寓，学生公寓，行政办公楼，服务器群等区域的校园

9、网，需求如下：1、信息资源共享通过校园网，实现学校内部，学校与国内、国际信息的快速交流，达到资源共享，使广大师生及时了解国内外科学技术和高等教育发展的最新动态，促进教学、科研、管理事业的发展。 2、图书资料检索、借阅自动化 通过改造原有图书检索系统，建设电子图书馆，提高校内图书资料的利用率；充分利用校外图书资料，实现远程计算机图书检索和借阅。 3、学校管理系统的信息化、自动化 依托校园网，构建相应的交互式应用软件平台，实现教学、科研、人事、学生、财务、后勤、档案等管理工作的自动化，实现统计监测网络化，提高管理效率和水平。实现网上招生、网上人才招聘、学生网上求职等。 4、建立计算机网络辅助教学系

10、统 建立基于网络的电子教学CAI课件开发、视频点播（VOD）、网上题库、答疑与作业批改等计算机辅助教学系统，实现教学手段的现代化。 5、创建学院网站，使之成为对外宣传的重要窗口，让世界了解我们，提高学院的知名度。6、为广大师生提供宽松，开放、易用的网络环境，使网络触入日常工作和生活中，发挥网络的最大效用。 1.2 信息点分布主要信息点集中在教学楼、实训楼，教师公寓，学生公寓，行政办公楼与服务器群等区域。详细分布如表1所示。数目信息点/楼 (个)信息点总数（台）教学楼1200200实训楼1200200教师公寓11000100学生公寓1250750行政办公15050表1 主要信息点分布1.3 需求

11、分析由于计算机及网络技术的不断发展，极大地推动了校园网的建设，各都校希望通过校园网的建设，增加硬件的投入，改善办学条件，提高教学、科研和管理水平，提高办学质量。校园网的建设对于学校来说是一项大的工程，必须精心设计、精心施工，做到经济适用，技术先进、开放性能良好、投资强度合理、与内外网络互联、能长期、稳定运行的高性能的校园网络。校园网必须具备教学、管理和通讯三大功能。教师可以方便地浏览和查询网上资源，进行教学和科研工作；学生可以方便地浏览和查询网上资源实现远程学习；通过网上学习学会信息处理能力。学校的管理人员可方便地对教务、行政事务、学生学籍、财务、资产等进行综合管理，同时可以实现各级管理层之间

12、的信息数据交换，实现网上信息采集和处理的自动化，实现信息和设备资源的共享。第2章 方案设计原则本方案的设计将在追求性能优越、经济实用的前提下，本着严谨、慎重的态度，从系统结构、技术措施、设备选择、系统应用、技术服务和实施过程等方面综合进行系统的总体设计，力图使该系统真正成为符合该校园的网络系统。从技术措施角度来讲，在网络的设计和实现中，本方案严格遵守了以下原则：1、实用性和经济性 校园网的特点决定了网络系统必需要有实用与经济性。实用性使得网络便于管理、维护，以减少网络使用人员运用网络的难度，从而降低人为操作引起的网络故障，并使更多的人掌握网络的使用。应根据学校的实际情况，由于学校的建设资金有限

13、，所以一般都要求网络具有较高的性价比，所以在建设校园网时一定要使用性价比高的网络技术和网络设备，以节约建设资金。 2、高性能与技术先进性 校园网网络系统要求具有较高的数据通信能力和较大的带宽；并在主干网上提供较强的可扩展性。为了及时、迅速地处理网络上传送的数据，网络应有较高的网络主干速度。 3、高可靠性 网络要求具有高可靠性，高稳定性和足够的冗余，提供拓扑结构及设备的冗余和备份，为了防止局部故障引起整个网络系统的瘫痪，要避免网络出现单点失效。在网络骨干上要提供备份链路，提供冗余路由。在网络设备上要提供冗余配置，设备在发生故障时能以热插拔的方式在最短时间内进行恢复，把故障对网络系统的影响减少到最

14、小，避免由于网络故障造成用户损失； 4、安全性 校园网作为一个支持众多用户、同时和INTERNET/CERNET存在连接的网络，网络安全性在整个网络中是个很重要的问题，应该采用一定手段控制网络的安全性，以保证网络正常运行。网络中应采取多种技术从内部和外部同时控制用户对网络资源的访问。网络系统还应具备高度的数据安全性和保密性，能够防止非法侵入和信息泄漏。5、可管理性 强有力的网管软件是有效地进行网络管理的助手，网管软件应能够支持对网络进行设备和系统的管理，并能支持通用浏览器进行网络设备的管理及配置。灵活的设置每个用户对Internet访问功能，能够对每个用户实行管理；并且能够实现计费管理。 6、

15、可扩充性 随着应用规模的不断扩大，要求网络可以方便地扩充容量，支持更多的用户及应用；随着网络技术的不断发展，网络必须能够平滑地过渡到新的技术和设备，保证现有的投资。第3章 网络方案设计3.1 网络拓扑结构介绍 在此次校园网的设计中，我们采用层次化模型来设计网络拓扑结构。所谓“层次化”模型，就是将复杂的网络设计分成几个层次，每个层次着重于某些特定的功能，这样就能够使一个复杂的大问题变成许多简单的小问题。层次模型既能够应用于局域网的设计，也能够应用于广域网的设计。在校园网设计中，使用层次化模型有许多好处，列举如下：1、节省成本在采用层次模型之后，各层次各司其职，不再在同一个平台上考虑所有的事情。层

16、次模型模块化的特性使网络中的每一层都能够很好地利用带宽，减少了对系统资源的浪费。2、易于理解层次化设计使得网络结构清晰明了，可以在不同的层次实施不同难度的管理，降低了管理成本。3、易于扩展 在网络设计中，模块化具有的特性使得网络增长时网络的复杂性能够限制在子网中，而不会蔓延到网络的其他地方。而如果采用扁平化和网状设计，任何一个节点的变动都将对整个网络产生很大影响。4、易于排错层次化设计能够使网络拓扑结构分解为易于理解的子网，网络管理者能够轻易地确定网络故障的范围，从而简化了排错过程。3.2 网络拓扑图网络拓扑图如图1所示。图1 网络拓扑图3.3 网络设计3.3.1 核心层网络设计核心层：将各汇

17、聚层交换机互连起来进行穿越校园网骨干的高速数据交换。实现数据包高速交换。核心层双中心星形拓扑的优点是结构较为简单，实现设备的，也可以很好的进行网络负载均衡。Porlocking技术提高互联交换机的吞吐量，使得整个网络具备高容量、无阻塞、高性能的能力。3.3.2 汇聚层网络设计汇集层：主要功能是汇聚网络流量，链路聚合、路由聚合，信号中继，负责将访问层交换机进行汇集，还为整个交换网络提供VLAN间的路由选择功能。3.3.3 接入层网络设计接入层：接入层利用VLAN划分等技术隔离网络广播风暴，提高网络效率，为所有的终端用户提供一个接入点。3.3.4 整体层次化设计本校园网网络系统的设计采用层次化的设

18、计方法，即核心层、汇聚层和接入层。网络设计的层次可如右图所示：以上特点分层网络结构可以获得良好的扩展性。3.3.5 广域网互联设计考虑到Internet和其他网络的连接(如CHINANET等)，目前设计的局域网都要考虑对广域网络的连接，更广的资源和更多的应用将是在各种广域连接中发现。目前，越来越多的学校还开展了网络教学和建立自己的WEB。因此，能否有效地连接Internet是校园网建立的一个重要的目标。出于安全考虑，应该选用一个带有防火墙的边界路由。边界路由在远程办公室和网络的其余部分之间提供了一个有效的防火墙。同样重要的是，边界路由为远程办公室保留了利用诸如“服务类数据优先级”、“定制过滤器

19、”和“数据压缩”等工具的优点。3.3.6 防火墙技术和DMZ设计学生基本信息档案和重要的工作文件要求对数据存储、传输的安全性的性能较高，如图书管理、档案管理、学生管理、教学管理、财务管理、物资管理等可以通过分布式、集中式相集合的方法进行管理。防火墙作为网络的第一道防线，应放置在外网和需要保护的校园内网之间。这样，所有流入校园网络的数据流量都将通过防火墙，使校园内的所有客户机及服务器都处于防火墙的保护下。 针对不同资源提供不同安全级别的保护, 还应构建一个“Demilitarized Zone”(DMZ)的区域，放置一些不含机密信息的公用服务器，比如Web、 Mail、FTP等。这样来自外网的访

20、问者可以访问DMZ中的服务，但不可能接触到存放在内网中的公司机密或私人信息等。即使DMZ中服务器受到破坏，也不会对内网中的机密信息造成影响。3.3.7 冗余/负载均衡设计 冗余设计是网络设计的重要部分，是保证网络整体可靠性能的重要手段。但是投资也将增加。部分校园网在早期的建设中由于成本的原因并未在设计中考虑冗余问题，而在优化工作中则需从网络链路和网络设备两方面着手。冗余设计可以贯穿整个层次化结构，每个冗余设计都有针对性，可以选择其中一部分或几部分应用到网络中以针对重要的应用。万一网络中某条路径失效时，冗余链路可以提供另一条物理路径。可采用GEC链路聚合（IEEE802.3ad）实现端口级冗余，

21、以克服某个端口或线路引起的故障。也可采用生成树协议（IEEE802.1d）提供设备级的冗余连接。此外，我们在设计中提供不同物理方向的双归属、双路由保护。3.3.8 线路冗余设计在校园网核心层，网络边界拓扑结构由于采用了双机热备份的核心交换机系统解决方案，所以在线路冗余方面的要求较高，对于线路的冗余要求，我们采用10GE线路对核心层设备进行环行双向备份，并使用业界领先的VRRP（虚拟路由器冗余协议）来对其作为冗余线路的协议保障。以GEC作为N*1000M主干链路，通过这个链路连接核心交换机，具备万兆扩展能力；接入交换机采用10/100M自适应端口连接桌面系统，多千兆链路连接到汇聚层。GEC路具有

22、链路聚合和冗余保证两大特性，下面我们将对它们依次进行介绍：链路聚合：可使用一条物理链路在不同品牌交换机之间、交换机和服务器间提供聚合的高速通道，在不增加投资的情况下，扩大交换带宽，使关键连接的传输效率更高。冗余保证： 链路聚合中，成员互相动态备份。当某一链路中断时，其它成员能够迅速接替其工作。与生成树协议不同，链路聚合启用备份的过程对聚合之外是不可见的，而且启用备份过程只在聚合链路内，与其它链路无关，切换可在数毫秒内完成。综合分析以上各主流方案的优缺点，从性能与成本及拓展性等方面的综合考虑出发，我们决定采用GEC骨干核心网络10GE拓展的方式作为其链路选择及备份选择。在校园网汇聚层及接入层出于

23、成本及性价比的考虑，我们决定采用千兆汇聚，万兆拓展；百兆到桌面的链路选择。3.3.9 网络设备冗余/负载均衡设计 各个网络的核心部分，其数据流量和计算强度之大，使得单一设备根本无法承担。负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效的方法扩展服务器带宽和增加吞吐量，加强网络数据处理能力，提高网络的灵活性和可用性。它主要完成以下任务:解决网络拥塞问题，服务就近提供，实现地理位置无关性 ；为用户提供更好的访问质量;提高服务器响应速度；提高服务器及其他资源的利用效率；避免了网络关键部位出现单点失效。在此方案中，在网络的每个关键结点，我们在设计时都做到了对其有效的冗余备份和负载均衡。在网络的核心

24、层上。我们采用了两台cisco核心路由交换机组建高性能的核心网络平台，在对骨干核心层提供足够的网络接点和接入需求的同时最大限度的为网络提供了有效的冗余保障和负载均衡。在汇聚层的每个区块， 我采用了两台cisco汇聚交换机做到冗余与负载均衡。在本方案的设计中，出现了两个以上的交换区块和需要提供冗余连接的时候，我们采用了双核心配置。如下图，我们给出了从接入层到汇聚层再到核心层的双核心配置。双核心拓扑结构提供了两条等代价路径和双倍的带宽。每个核心交换机连接着数目相同的子网到第三层汇聚设备上。每个交换区块都有冗余的连接到核心交换机上，因此形成两条不同的，但是等代价的连接。如果一条核心设备发生故障，还是

25、能够收敛，因为汇聚层设备的路由选择表中还有另一条到核心设备的路由。第3层路由选择协议在核心中起链路选择的作用，VRRP提供快速错误恢复。核心层不需要STP，因为在核心交换机间没有冗余的第2层连接。3.3.10 网管工作站设计网络管理是校园网必须考虑的关键技术，这里的网络管理主要指网络设备及其系统的管理，它包括配置、性能、安全、故障管理等，网络管理设计需要在配置每个网络设备时，都选择具有网络管理代理的、驻留有网络管理协议的设备。 网络管理设计的另一方面，是配置一个网络管理中心，配置网络管理平台，在平台上运行管理每个网络设备的应用软件。网管软件应能够支持对网络进行设备级和系统级的管理，并能支持通用

26、浏览器进行网络设备的管理及配置。3.3.11 IP地址和Alan规划根据互联网络技术发展的趋势，结合学校网络目前真实IP地址的现实情况，我们建议：IP地址规划遵循如下原则来设计：1、服务器区采用私IP地址，NAT后供人员远程访问；2、与internet 互联设备IP地址采用真实IP地址；3、部分内部互连采用私有IP地址；4、面向用户的私有IP地址，由统一出口的边缘设备（路由器、防火墙）进行地址翻译。即出口路由器（防火墙）互联采用合法IP地址；公共服务器如WWW/FTP/DNS等均采用合法地址（或从安全角度考虑采用私有IP）；部分接入用户采用私有保留IP地址相连。这样设计，既可以充分利用已有的公

27、网IP地址，解决了IP地址空间不足的，既可以方便的实现互通互连，而且将地址翻译（NAT）这种耗费设备资源的工作由网络边缘设备分担，提高网络数据传输整体性能。同时，还可以采用VLSM。VLSM是可变长子网掩码的英文缩写，它提供了一个主类（A类、B类、C类）网络内包含多个子网掩码的能力，可以对一个子网再进行子网划分。VLSM的优点，所以我们采取VLSI对网络进行编址，以达到节约i地址，能够使用路由汇总的目的。最后经过我们的计算，校园i地址和Alan分配如下表：IP地址网段VLAN编号默认网关教学实训172.16.1.0/2420172.16.1.254/24学生公寓172.16.2.0/24301

28、72.16.2.254/24教师公寓172.16.3.0/2440172.16.3.254/24192.168.1.0网段用做行政办公，网关192.168.1.1192.168.2.0网段用做服务器群，网关192.168.2.1192.168.3.0网段用于连接路由器r1和 r250.1.1.0/24网段为公网地址。内网通过NAT转化成它们上网Web服务器、FTP服务器、DNS服务器、路由器出口等公有IP地址根据运营商提供而定。各种设备端口i地址均采用子网掩码为30位的i地址，这样有利于i地址的节约。第4章 网络技术选型4.1 路由协议OSPF在网络核心层和汇聚层上需要使用三层设备为网络内部不

29、同的网段的数据和不同Alan 间的数据转发而需要路由协议时，我们采用OSPF协议作为路由协议。OSPF是一种典型的链路状态路由协议。采用OSPF的路由器彼此交换并保存整个网络的链路信息，从而掌握全网的拓扑结构，独立计算路由。因为RIP路由协议不能服务于大型网络，所以，IETF的IGP工作组特别开发出链路状态协议OSPF。 OSPF作为一种内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP），用于在同一个自治域（AS）中的路由器之间发布路由信息。区别于距离矢量协议(RIP)，OSPF具有支持大型网络、路由收敛快、占用网络资源少等优点，在目前应用的路由协议中占有相当重要的地位

30、。4.2 端口安全与认证（基于 802.1X）a.端口安全交换设备定义了对端口保护的功能，我们能定义允许的最大 MAC 地址访问数，或者静态的定义特定的 MAC 地址。遇到不合法的 MAC 地址交换机采取的策略。配置举例端口安全性： enable#configure terminal(con fig)#interface f0/1 -if)#Corwith port-security -if)#Corwith port-security maximum * (最大访问数) -if)#Corwith port-security mac-address x.x.x.x(该端口的mac地址) -if

31、)#Corwith port-security violation shutdown (遇到其他端口则关闭，但可以人工打开) b.基于 802.1x 的端口认证 4.3 VRRP（虚拟路由冗余协议）原理VRRP给路由器组提供了一个冗余网关地址，它是一种容错协议，通过定义不同的组，不同优先级的路由器，它保证网络的主路由器失效时，可以及时的由备分来实现路由器来替代，从而保持通讯的连续性和可靠性。并可以在该协议上实现负载均衡等高级交换特性。VRRP 技术的实现： 汇聚到核心冗余连接及 VRRP 的实现通过 VRRP 技术将多个设备虚拟成为一台逻辑设备，实现汇聚/接入链路冗余。如下例：-if)#RPV 5 i 192.168.2.5 -if)# RPV 6 i 192.168.2.6 A: -if)#RPV 5 priority 200 B: -if)#RPV 6 priority 200 -if)#RPV 5 auth en name -if)#RPV 6 auth en name见图如下：备份（100）Mac0000.5e00.0105192.168.2.5活动（200）Mac0000.5e00.0106192.168.2.6活动（200）Mac0000.5e00.0105