基于三層交換機的校園網構建畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 提供真正的高速無阻塞的傳輸,保證全線速交換；不僅硬件實現三層路由和交換，關鍵功能均通過硬件實現,極大程度上提高了數據處理能力；而管理交換引擎、電源等關鍵部件的冗余,實現了系統高穩定性和可靠性[2]。（4）校園網系統可擴展性網絡系統應以開放性為基礎,具有廣泛的適應性和可擴充性, 作為一個骨干網的核心,下面的一些新的應用將不斷增加,系統的容量也將隨之擴展,因此方案應具有良好的可擴充性適應系統不斷增長的需求[3]。（5）校園網系統可維護性整個業務網必須具備良好的可管理性,網管系統應具有監測、故障診斷、故障隔離、過濾設置等功能,以便于系統的管理和維護。同時應盡可能選取集成度高、模塊化、可通用的產品,以便于管理和維護。（1）先進性技術上的先進性將保證處理數據的高效率、系統工作的靈活性、網絡的可靠性，技術上的先進性也使系統的擴充和維護變得十分簡單。（2）實用性課題的設計既要在相當長的時間內保證其先進性，還應本著實用的原則，在實用的基礎上追求先進性，使系統便于聯網，實現信息資源共享。易于維護管理，具有廣泛兼容性，同時為適應我國實際情況，設備應具有使用靈活、操作方便的漢字、圖形處理功能。（3）經濟性在完成系統目標的基礎上，力爭用最少的錢辦最多的事，創造出最大的使用效益（4）安全性目前，計算機網絡都與外部網絡互連互通日益增加，都直接或間接與國際互連網連接。因此，在系統方案設計需考慮到系統的可靠性、信息安全性和保密性的要求。（5）易于擴展性由于信息技術和人們對于新技術的需求發展都非常迅速，為了避免不必要的重復投資，應選擇具有一定擴展能力的設備，能夠保證在網絡規模逐漸擴大的時候，不需要增加的設備，而只需要增加一定數量的模塊就行。（6）安全、穩定、可靠作為整個校園網絡系統的硬件基礎，網絡設備必須是具備安全性、穩定性和可靠性的特點。這是網絡系統穩定運行的最基本條件。最好是經過相當長時間，在世界范圍內被廣泛應用的網絡產品，所以在選擇產品時選用國際知名廠商的產品。（7）管理和維護方便先進的設備必須配合先進的管理和維護的方法，才能夠發揮最大的作用。所以，在選擇設備時必須支持現有的、常用的網絡管理協議和多種網絡管理軟件，便于管理人員的維護。整個校園網的信息點都可接入Internet，Internet通過校園外部的路由器進入到整個校園的核心交換機上，再經核心交換機分別接入到每棟樓的交換機，校園網能夠提供WWW服務器、域名服務器、FTP服務器、代理服務器、數據庫服務器等，其中數據庫服務器主要是內部管理、教學數據庫，學生和教師資料數據庫。對校園網內部提供視頻點播服務，使用教務教學管理系統對學校教務教學進行管理，因此有一個專門的服務區連接核心交換機來為整個校園網提供服務。各大樓之間可互聯互通，每棟樓有一個總交換機連接每一層的交換機，層交換機再經連接到每個房間的交換機，每個房間的所有信息點連接到這個房間的交換機上。這樣整個校園的網絡結構基本完成。 校園網整體結構拓撲圖設備選擇的原則[4]：(1) 安全、穩定、可靠：作為整個校園網絡系統的硬件基礎，網絡設備必須是具備安全性、穩定性和可靠性的特點。這是網絡系統穩定運行的最基本條件。 (2) 技術先進性：在選擇網絡設備應該采用當今較先進的技術，能夠保持該設備在相當長的一段時間內不會因為技術落后而被淘汰。同時，在網絡規模進一步擴大，該設備不能承擔繁重的負荷時，能夠降級使用。(3) 易于擴展性：由于信息技術和人們對于新技術的需求發展都非常迅速，為了避免不必要的重復投資，應選擇具有一定擴展能力的設備，能夠保證在網絡規模逐漸擴大的時候，不需要增加的設備，而只需要增加一定數量的模塊就行。(4) 管理和維護方便：先進的設備必須配合先進的管理和維護的方法，才能夠發揮最大的作用。所以，在選擇設備時必須支持現有的、常用的網絡管理協議和多種網絡管理軟件，便于管理人員的維護。2 主要技術概述在計算機數量眾多的局域網絡中，為了提高網絡安全性和通信效率必須劃分VLAN,而不同VLAN間的通信只有通過路由設備才能實現。如果使用傳統路由器作為VLAN間的路由設備，將由于其吞吐量太小而很難適應大規模、高速率網絡傳輸的需要，這無疑將成為快速以太網或千兆以太網網絡傳輸的瓶頸。于是，專門用于解決VLAN間通信的、集第三層轉發與第二層交換于一身的第三層交換技術產生了。第三層交換技術實際上是使用了集成電路的路由器，但比傳統的路由器提供了更高的速度和更低的成本，也比傳統的路由器更易于管理。正因為第三層交換技術集成了路由器的功能，所以第三層交換機也被成為路由交換機。第三層交換機根據OSI模型網絡層（即第三層）的IP地址完成端到端的數據交換，主要應用于不同VLAN子網間的路由。當某一信息源的第一個數據流進行第三層交換（路由）后，交換機會產生一個MAC地址與IP地址的映射表，并將該表存儲起來，如同一信息源的后續數據流再次進入交換機，交換機將根據第一次產生并保存的地址映射表，直接從第二次有源地址傳輸到目的地址，不再經過第三路由系統處理，提高了數據包的轉發效率，解決了VLAN子網間傳輸信息時傳統路由器產生的速率瓶頸。根據第三層協議對路由進行計算，其支持的路由協議包括RIP（路由信息選擇協議）和OSPF（開放最短路徑優先）等。支持IGMP（Internet組管理協議）、DVMRP（距離矢量組播路由選擇協議）等各種常用的IP組播協議，當交換式路由器收到組播報文后，首先將報文轉發到包含組播組成員的VLAN上，繼而再把報文轉發到組播組成員的端口上。支持服務質量（QoS），將報文賦予特定的優先級，不同優先級的報文送到不同的隊列按先后轉發。支持標準的SNMP（簡單網絡管理協議）協議，支持傳統的命令行接口（CLI）。對虛擬網的多種劃分策略，尤其是它不僅支持傳統的機遇端口的VLAN劃分，而且還支持基于IP地址，子網號和協議類型的VLAN劃分，這給園區網的管理帶來極大的方便。具有自動發現功能，該功能可以減少配置的復雜性。第三層交換機可以通過監視數據流來學習路由信息，通過對端口入站數據包的分析，第三層交換機能自動的發現和產生一個廣播域、VLAN 、IP 子網和更新他們的成員。自動發現功能在不改變任何配置的情況下，提高網絡的性能[5]。除了優秀的性能之外，三層交換機還具有一些傳統的二層交換機沒有的特性，這些特性可以給校園和城域教育網的建設帶來許多好處，列舉如下：（1）高可擴充性三層交換機在連接多個子網時，子網只是與第三層交換模塊建立邏輯連接，不像傳統外接路由器那樣需要增加端口，從而保護了用戶對校園網、城域教育網的投資。并滿足學校3—5年網絡應用快速增長的需要。（2）高性價比三層交換機具有連接大型網絡的能力，功能基本上可以取代某些傳統路由器，但是價格卻接近二層交換機。現在一臺百兆三層交換機的價格只有幾萬元，與高端的二層交換機的價格差不多。（3）內置安全機制三層交換機可以與普通路由器一樣，具有訪問列表的功能，可以實現不同VLAN間的單向或雙向通訊。如果在訪問列表中進行設置，可以限制用戶訪問特定的IP地址，這樣學校就可以禁止學生訪問不健康的站點。訪問列表不僅可以用于禁止內部用戶訪問某些站點，也可以用于防止校園網、城域教育網外部的非法用戶訪問校園網、城域教育網內部的網絡資源，從而提高網絡的安全。（4）適合多媒體傳輸教育網經常需要傳輸多媒體信息，這是教育網的一個特色。三層交換機具有QoS（服務質量）的控制功能，可以給不同的應用程序分配不同的帶寬。虛擬局域網（VLAN）技術用于在不更改網絡的拓撲結構的前提下對局域網進行重組。在以前的局域網應用中，當站與站之間的通信關系改變后，需要對網絡的的物理結構進行調整，而采用虛擬局域網技術后，網管人員只需在交換機上對網絡進行邏輯重構，即可使網絡結構適應新的通信要求，并維持通信的高效率。具體的講，虛擬局域網技術是通過路由和交換設備，在網絡物理拓撲的基礎上建立一個邏輯網絡。每個VLAN都構成一個獨立的廣播域，處于同一VLAN中的網絡用戶可以不受地理位置的限制而像處于同一個VLAN上那樣互相交換信息。VLAN必須在交換網絡中實現，每個交換設備均可根據網絡管理人員所定義的VLAN劃分方法對報文進行過濾和轉發，并能將這種劃分信息傳遞到網絡中其他交換設備和路由器中。LAN交換設備在VLAN的劃分及實現低延遲的報文轉發方面起著重要的作用。事實上，在網絡層對網絡進行互聯的路由器，能夠在網絡層對網絡進行隔離，并抑制廣播數據。而VLAN則是一種不采用路由器對廣播數據進行抑制的解決方案。在VLAN中，對廣播數據的抑制由交換機完成。采用VLAN技術后，可使當網絡中的站點發生移動，增強和移出時的管理開銷大為減少，可以抑制廣播數據的泛濫、提高網的安全性。這些優點都源于交換機具有可根據管理員的要求生成VLAN的功能，即交換機能夠將網絡工作站組織為若干虛擬局域網并實現虛擬網間的隔離，虛擬網的結構可以獨立于網絡的物理結構。VALN的主要功能如下：（1） 提高管理效率。當網絡中站點出現了移動、增加和移出時，網絡管理員可以十分方便的對VLAN進行重組。（2） 抑制廣播數據。當集線器或一般交換機組建局域網時，第二層廣播數據將被傳送到集線器或一般交換機的所有接口，進而傳到所有用戶，這樣勢必耗費大量的網絡資源。雖然用路由器對網絡進行分段可以減少廣播數據（路由器一般不在接口間轉發廣播數據），但傳輸會延遲會增加。而VLAN可以有效的抑制廣播數據，某個VLAN中的廣播數據只是被復制到其成員所連接的端口。這實際上是為在交換型網絡中建立起同路由器功能類似的防火墻提供了一種有效的手段。在VLAN中，大部分數據都是通過交換機轉發的，只有VLAN間的數據才需經過路由器轉發，可有效地提高VLAN中大部分數據的傳輸速度。（3） 增強網絡安全性。將整個網絡劃分成若干互相獨立的廣播組是一種有效的增強網絡安全性的方法。可以限制某個VLAN中的用戶數量，可以禁止那些沒有得到許可的用戶加入到某個VLAN中。這樣,VLAN就可以提供一道防火墻，以控制用戶對網絡資源的訪問，控制廣播組的大小和構成，并借助于網管軟件在非法入侵發生時通知網管人員。（4） 實現虛擬工作組。在整個園區網絡環境下實現VLAN后，同一個部門的所有成員將可以像處于同一個LAN上那樣進行通信。當某人從一個場地遷移到另一個場地時，只要其工作部門不變，就用不著對其機器進行重新配置。與此類似，如果某人改變了工作部門，可以不改變工作地點，只需網管人員修改其VLAN成員身份即可[5]。（1）VLAN與由物理位置決定的傳統VLAN有著本質不同，它不受網絡物理位置的限制，可跨越多個物理網絡、多臺交換機。我們可將網絡用戶按功能分成多個邏輯工作組，每一個組為一個VLAN。（2）每一個VLAN中的廣播只有VLAN中的成員才能聽到，而不會傳輸到其他VLAN中去，因此，VLAN可隔離廣播信息，每個VLAN為一個廣播域，用戶可以通過劃分VLAN的方法來限制廣播域，以防止廣播風暴的發生。如果要實現不同VLAN之間的主機通信，則必須通過一個路由器或者三層交換機。（3）劃分VLAN可以有效提升寬帶，我們可以將網絡上的用戶按業務功能劃分成多個邏輯工作組，每一個為一個VLAN,這樣，日常的通信交流信息絕大部分被限制在一個VLAN內部，使帶寬得到有效利用。（4）VLAN均由軟件實現定義與劃分，使得建立與重組VLAN十分靈活，當一個VLAN中增加、刪除和修改用戶時不必從物理位置上調整網絡[6]。劃分VLAN的方法主要有以下幾種：（1） 按交換機端口進行劃分。這種方法最常用，也最簡單和有效。其缺點是，當用戶從一個端口移至另一個端口時，必須對VLAN成員重新配置。（2） 按MAC地址劃分。由網管人員指定屬于同一個VLAN中的各用戶站的MAC地址。這種劃分的優點是：由于MAC地址是固化在網卡中的，當用戶站移至其他位置后，其仍將屬于原VLAN，這樣定義的VLAN可以看成是基于用戶的VLAN。采用這種方法劃分VLAN的缺點是：在大型網絡中初始配置工作量很大。（3） 按第三層協議劃分。這種劃分方法在決定VLAN成員的身份時，主要考慮網絡層地址（如TCP/IP網絡的子網地址）。當按網絡層地址劃分VLAN時，要將子網地址映射到VLAN，交換機則根據子網地址將各機器的MAC地址同VLAN聯系起來。這種劃分方法的優點是：根據第三層協議劃分VLAN，當用戶的機器移動位置后，不必重新配置網絡地址。這種劃分方法的缺點是：對報文中的網絡地址（IP）進行檢查比對幀中MAC地址檢查所需要的開銷大，使交換設備轉發速率下降。（4） IP組播VLAN。IP組播是用一個D類地址表示的，當向一個IP組播發送一個IP報文時，這個報文會傳到該組中每一個站點。即可以把一個IP組播看成一個VLAN。（5） 基于策略的VLAN。允許網絡管理員使用前述的任何一種劃分VLAN的方法，也可以把不同方法組合成一種新的策略來劃分VLAN，當一個策略被指定到一個交換機時，該策略就可以在整個網絡上應用[6]。VLAN技術存在的主要問題有三個。首先是標準不一致的問題。目前，不同廠商生產的交換機不能在VLAN層面上互相操作。這意味著，如果需