校园办公与家属区网络设计

摘　要：面对新的网络发展需求，采用跟合理的技术实现校园网络的三层网络升级设计，在家属区的网络设计方案中提出了新的合理的解决建议。

关键词：校园网；三层交换技术；PPPOE技术
　　1、学校信息网络采用三层交换技术，可以确保计算机网络系统更加合理、安全、有效。
　　随着校园信息化水平的提高，校园信息系统网络规模在日益扩大，随之而来的网络安全、网络流量、网络通信速度、网络维护工作量等问题明显增加。究其原因，目前，信息网络普遍采用二层交换技术的网络架构。其主要弱点是：在局域网内不能划分VLAN；而VLAN对于同属于校园网中的家属区部分又有着不小的功能局限性，例如上网时间控制，ARP冲突，IP冲突等难于维护的问题。此外同一个网段内的工作站过多会引起广播风暴，甚至导致网络瘫痪；不能有效地解决异种网络互连、安全性控制等问题。而采用三层交换技术的网络架构结合家属区PPPOE拨号上网技术，很大程度上避免了二层交换技术网络架构的缺陷，能改善网络整体性能。
　　2、二层交换技术的缺陷
　　众所周知，二层交换技术是在OSI七层网络标准模型中的第二层，即数据链路层进行操作的，它按照所接收到数据包的目的物理地址即MAC地址来进行数据转发，对于网络层或者高层协议来说是透明的。它不处理网络层的IP地址，不处理高层协议，诸如TCP、UDP的端口地址。它只需要数据包的MAC地址，数据交换是靠硬件来实现的，其优点是交换速度快，缺点是广播域太大，而且不能处理不同IP子网之间的数据交换。这种网络结构扁平，没有层次化概念。
　　校园信息系统网络初期采用二层交换技术的网络架构，核心交换机采用二层交换技术，在原先只有100多台工作站的情况下，网络性能较理想。由于网络规模在不断扩大，如学生机房，办公电脑增加，家属区个人电脑的加入数量可能多大500多台时，网络性能明显下降，在业务高峰期网络整体速度缓慢，使用网管软件分析，发现网络中广播包所占比例很大，最高时达到60%左右。另外，对于这种网络，很容易发生诸如网卡故障等原因引起的网络广播风暴，而且一旦发生广播风暴，很难查找故障点，网络维护工作量很大。
　　3、办公网络实现三层交换与VLAN结合
　　三层交换技术，也称多层交换技术或IP交换技术，是相对于二层交换技术提出的，因工作在OSI七层网络标准模型中的第三层而得名。传统的路由器也工作在第三层，它可以处理大量的跨越IP子网的数据包，但是它的转发效率比较低，而三层交换技术在网络标准模型中的第三层实现了分组的高速转发，效率大大提高。简单地说，三层交换技术就是“二层交换技术 + 路由转发”。它的出现，解决了二层交换技术不能处理不同IP子网之间的数据交换的缺点，又解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。
　　VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个不同的网段，从而实现虚拟工作组的技术。它不受网络用户的物理位置限制，而是根据用户需求进行网络分段。IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1q协议标准草案。不同VLAN之间的数据传输是通过第三层（网络层）的路由来实现的，因此，使用VLAN技术，结合数据链路层和网络层的交换设备，可搭建安全可靠的网络。
　　划分VLAN的目的：一是提高网络安全性，不同VLAN的数据不能自由交流，需要接受第三层的检验，因此，在一定程度上加强了虚网间的隔离，有效防止外部用户入侵，提高了安全性。二是隔离广播信息，划分VLAN后，广播域缩小，有利于改善网络性能，能够将广播风暴控制在一个VLAN内部，同时使网络管理趋于简单。三是增强网络应用的灵活性，VLAN是在一个有多台交换机的局域网中统一设定的，这使得用户可以不受所连交换机的限制，不论用户节点移动到局域网中哪一台交换机上，只要仍属于原来的虚网，则应用环境没有任何改变。在划分VLAN时，要考虑VLAN对于网络流量的影响，单个VLAN不宜过大。
　　4、层次化架构三层网络
　　三层网络架构采用层次化模型设计，即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。三层网络架构设计的网络有三个层次：核心层（网络的高速交换主干）、汇聚层（提供基于策略的连接）、接入层（将工作站接入网络）。
　　核心层 核心层是网络的高速交换主干，对整个网络的连通起到至关重要的作用。核心层应该具有如下几个特性：可靠性、高效性、冗余性、容错性、可管理性、适应性、低延时性等。在核心层中，应该采用高带宽的千兆以上交换机。因为核心层是网络的枢纽中心，重要性突出。核心层设备采用双机冗余热备份是非常必要的，也可以使用负载均衡功能，来改善网络性能。
　　汇聚层 汇聚层是网络接入层和核心层的“中介”，就是在工作站接入核心层前先做汇聚，以减轻核心层设备的负荷。汇聚层具有实施策略、安全、工作组接入、虚拟局域网（VLAN）之间的路由、源地址或目的地址过滤等多种功能。在汇聚层中，应该采用支持三层交换技术和VLAN的交换机，以达到网络隔离和分段的目的。
　　接入层 接入层向本地网段提供工作站接入。在接入层中，减少同一网段的工作站数量，能够向工作组提供高速带宽。接入层可以选择不支持VLAN和三层交换技术的普通交换机。三层网络架构模型如图所示。
　　校园信息系统网络采用三层交换技术的网络架构，局域网内划分了VLAN后，网络性能大为改善，具有如下优点：
　　一是合理配置了核心交换机，充分发挥了核心交换机的硬件性能，调整后的核心交换机在带宽、网络流量处理能力上表现出色，具备良好的扩展性。二是在医院信息系统网络内，根据业务需求划分VLAN，控制广播范围，抑制广播风暴，提高了局域网的整体性能和安全性。三是整个网络可靠性得到加强，核心交换机采用双机热备份、负载平衡方式，即两台核心交换机正常情况下都参与工作，当其中的任何一台发生故障时，另外一台可以自动、无缝地接管它的工作，这对网络管理员、用户来说都是透明的，无需人工干预故障切换。四是提高网络对突发事故的自动容错能力，最小化网络的失效时间。
　　5、家属区PPPOE实现
　　合理分配好VLAN之后，实际上对于家属区的PPPOE 拨号上网，只需要一到两个VLAN中的IP地址即可，这要视乎家属区工作站的数量，以及区域的划分，基本原则小于100台的情况下，选择一台服务器作PPPOE服务器平台即可。这里需指出，服务器是指机架式服务器而不是专门的PPPOE硬件服务器，如果选择PPPOE硬件服务器成本太高。服务器需具备基本的双网卡。服务器安装Linux内核的海蜘蛛系统，这样成本比较合算。海蜘蛛系统简单易于操作，集宽带路由、专业级防火墙、带宽流量管理、多线路负载均衡、PPPOE服务器等多项功能于一身，支持功能模块扩展，是一个安装简单、稳定性高、易维护、投资低的一体化智能路由产品。搭建好PPPOE服务器，家属区直接使用二层交换机汇聚即可。
　　6、总结
　　从二层交换技术的网络架构调整到三层交换技术的网络架构，网络的优化效果明显，配之以网管软件，网络的安全性和可防护性大为提高。而网络的扩展能力满足了校园今后一段时间内对网络发展的需求，支持了大型信息化建设。而对于家属区，搭建好的服务器实现了带宽管理、行为管理、和对于收费用户而言三层交换与VLAN结合无法实现的时间控制。最主要的对于家属区的难于维护性，解决了ARP冲突以及IP地址冲突问题，很大程度上减少了维护人员的工作量。