基于三层交换和虚拟局域网技术的校园网的设计与实现

网 络 工 程 期 末 综 合 报 告课程名称： 计算机网络工程 题 目：基于三层互换和虚拟局域网技术的校园网的设计与实现 学 院： 信息工程与自动化学院 前 言当今社会已步入信息社会，信息成为社会经济发展的核心因素，校园网的建设越来越受到各大校园的注重。校园网络的建设在全国各大校园中掀起一股热潮，许多学校都建起了自己的校园网。在校园网的建设中，应用三层互换技术作为局域网搭建方式已经成为了一种普遍流行的方式。基于三层互换的虚拟局域网技术重要采用VLAN技术对网段进行划分， 可以满足校园网络应用中不同方式的网络访问与应用。其对复杂的数据和不同类型的数据都具有良好的网络传播效能。校园网是运用Internet 技术把一种学校内的信息资源所有链接起来，使全校师生员工能共享和传递校园网络上的多种信息资源，同步又能通过通信线路与外部的Internet网络互相连接。校园网是学校教育资源的重要构成部分，已成为现代高等学校不可或缺的重要基本设施和基本条件。校园网建设为高校运用网络化、信息化手段提高教学质量、增进研究型自主学习提供了更为广阔、自由的教学与科研空间，从而推动了教育教学的整体变革。一种学校有了自己的校园网，一方面学校的教师和学生足不出校就能及时的获取外界的信息，理解到全国各地最新的动态，以便与其她地区的联系和信息的交流，有助于提高学校的科研教学水平，另一方面也能更好的管理学校，它能为现代化教学、综合信息管理和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台。建设校园网对每个学校来说都不是一件容易的事情，校园网不只是波及技术方面，而是涉及网络设施、应用平台、信息资源、专业应用、人员素质等众多成分的综合化、信息化教学管理环境系统。文章一方面对三层互换技术进行简介， 重要简介波及到的 VLAN 技术和三层互换技术原理。另一方面根据学校局域网应用特点设计基于三层互换技术的校园虚拟局域网， 对网络构造设计和VLAN 规划设计进行简介。最后，针对基于三层互换技术和虚拟局域网技术在虚拟机上构建校园网。 核心字：校园网；三层互换技术；虚拟局域网目 录1 需求分析4 1.1.1 需求业务4 1.1.2 顾客需求4 1.1.3 应用需求4 1.1.4 计算平台需求4 1.1.5 网络需求顾客规模及业务状况需求4 1.1.6 顾客的计算机及网络应用水平需求5 1.1.7 应用系统和网络服务需求52 网络设计72.1 设计目的72.2 设计细节9 2.2.1 网络技术选择9 2.2.2 网络分层设计10 2.2.3 IP地址分派11 2.2.4 广域网接入设计 11 2.2.5 网络服务设计12 2.2.6 网络安全设计.12 2.2.7 网络冗余设计.123 系统实现133.1设备选择的原则13 3.2设备选型13 3.3 系统部署13 3.4 系统调试134 网络设计方案描述154.1网络总体规划设计154.1.1核心层设计154.1.2汇聚层设计164.1.3接入层设计164.2软件仿真部分174.2.1 Cisco Packet Tracer仿真软件简介174.2.2仿真拓扑图224.2.3重要设备简介及配备234.2.4某些重要的配备命令255 性能测试276 总结语30参照文献321 需求分析业务需求、顾客需求、应用需求、计算平台需求、网络需求顾客规模及业务状况，顾客的计算机及网络应用水平、所建设网络必须要支撑的应用系统和网络服务。1.1.1 业务需求：校园网必须能覆盖整个校园，涉及教学楼、宿舍楼、图书馆、实验楼、办公楼等等，具有通讯、管理、教学等一种学校所需要的功能。1.1.2 顾客需求：（） 教师通过校园网不仅能及时的掌握学生的动态，与学生及时的交流，还可以以便快捷的浏览与教学有关的网页，查询网上的资源，可以及时的理解现代教育发展的现状和本学科的某些前言知识，更好的进行教学和科研工作； （） 学生通过校园网不仅可以及时的理解学校发布的信息、新推出的政策、学校近来一段时间的活动，还可以以便的与她人进行交流，从网上查询某些学习资料，通过网络进行网上学习，视频学习等，及时的理解教育方面前沿的信息，扩大自己的知识面，开阔视野；（） 学校的管理人员通过校园网可以以便地对教务、行政事务、学生学籍、财务、资产等进行综合管理，同步可以实现各级管理层之间的信息数据互换，实现网上信息采集和解决的自动化，实现信息和设备资源的共享。1.1.3 应用需求：（） 校园网应实现虚拟局域网（VLAN）的功能，以保证全网的良好性能及网络安全性。（） 主干网互换机应具有很高的包互换速度，整个网络应具有高速的三层互换功能。1.1.4 计算平台需求：具有先进性、成熟性和原则性的计算机，对操作系统没有规定，支持IPV4即可。1.1.5 网络需求顾客规模及业务状况需求：考虑到校园网的顾客数量，出口的速率必须在100Mbps以上，且应实现负载均衡和备份。负载均衡是指当一种出口过于拥挤时应将流量合适分流到另一种出口，备份是指当一种出口浮现问题时应切换到另一种出口，只有这样才干保证可靠性、稳定性和高性能。1.1.6 顾客的计算机及网络应用水平需求：校园网内部拥有大量计算机和顾客，由于内部顾客对网络的构造和应用模式都比较理解，特别是在校学生的好奇心和求知欲较强，因此加强内网安全也不容忽视。内网安全应重要防备内部对服务器和网络设备的袭击、病毒在内网的传播以及内部网络管理制度上的漏洞。1.1.7 应用系统和网络服务需求：（1）校园网需连接到Internet，而Internet作为一种开放的、原则的技术，面向所有顾客，所有资源均通过网络共享，需使用的TCP/IP合同以及网页、E_mail等方式。应用系统的建设重要涉及：（）公共数据存储：提供校内顾客的公共存储使用，运用FTP等，目前的许多大学，新生入校交纳一定的费用就可以获得一种上网账户。大大丰富了学生使用网络的内容，也丰富了校园网上的资源； （）网站系统：涉及学校主页，及各系部、科室的网站，对于其中的某些访问量较大的网站还应启用域名系统；（） 一卡通系统：通过校园网实现食堂、超市、浴室、银行等的连接； （） 教务管理系统：实现学籍管理、课程管理、成绩管理等功能；（） 数字化教学资源系统：实现数字化课程和课件，在课堂上教师可通过点播技术 或组播技术播放课件，学生也可在课后点播相应的课程自我学习； （） 数字化图书馆：实现图书检索、电子阅览室、电子论文库等功能； （） 办公自动化系统：实现网上公文流转、信息发布等功能。在进行校园网设计时必须考虑到将来应用系统的建设以及应用系统的功能扩展。在安装服务器的地点应留有接口和较宽的带宽，同步还应容许在校外访问部分服务器。 2 网络设计网络技术选择（重要涉及物理层传播介质的选择，局域网技术选择）、网络分层设计、IP地址分派、广域网接入设计、网络服务设计、网络安全设计、网络冗余设计2.1设计目的 （1）最基本的目的是：建设校园网络中心，并通过一定的网络拓扑构造构建连接校园网络中心、计算机教室、实验室、教学楼、办公楼、学生宿舍楼、图书馆等的校园网，使之能通过一定的应用软件完毕行政办公管理、教师备课授课、学生学习交流、校内信息公示、远程电子通讯等基本功能构建一般学校校内Internet环境，并通过代理服务器接入Internet，实现与Internet 交流，实现广泛的软件、硬件资源共享，如网上冲浪、电子邮件、文献传播、远程登录、存储数据及论坛讨论等。（2）校园网系统高可靠性在考虑既有网络的基本上,整个业务网网络构造的拓扑构造尽量采用稳定可靠的构造形式,以保证整个网络的高可靠性。网络设备和整个网络系统必须具有高可靠性特性。（3）校园网系统高稳定性其中核心互换机采用高性能,为整个校园网提供真正的高速无阻塞的传播,保证全线速互换；不仅硬件实现三层路由和互换，核心功能均通过硬件实现,极大限度上提高了数据解决能力；而管理互换引擎、电源等核心部件的冗余,实现了系统高稳定性和可靠性。（4）校园网系统可扩展性网络系统应以开放性为基本,具有广泛的适应性和可扩大性, 作为一种骨干网的核心,下面的某些新的应用将不断增长,系统的容量也将随之扩展,因此方案应具有良好的可扩大性适应系统不断增长的需求。（5）校园网系统可维护性整个业务网必须具有良好的可管理性,网管系统应具有监测、故障诊断、故障隔离、过滤设立等功能,以便于系统的管理和维护。同步应尽量选用集成度高、模块化、可通用的产品,以便于管理和维护。2.2设计细节2.2.1 网络技术选择：三层互换技术：在计算机数量众多的局域网络中，为了提高网络安全性和通信效率必须划分VLAN,而不同VLAN间的通信只有通过路由设备才干实现。如果使用老式路由器作为VLAN间的路由设备，将由于其吞吐量太小而很难适应大规模、高速率网络传播的需要，这无疑将成为迅速以太网或千兆以太网网络传播的瓶颈。于是，专门用于解决VLAN间通信的、集第三层转发与第二层互换于一身的第三层互换技术产生了。第三层互换技术事实上是使用了集成电路的路由器，但比老式的路由器提供了更高的速度和更低的成本，也比老式的路由器更易于管理。正由于第三层互换技术集成了路由器的功能，因此第三层互换机也被成为路由互换机。虚拟局域网（VLAN）技术：虚拟局域网（VLAN）技术用于在不更改网络的拓扑构造的前提下对局域网进行重组。在此前的局域网应用中，当站与站之间的通信关系变化后，需要对网络的的物理构造进行调节，而采用虚拟局域网技术后，网管人员只需在互换机上对网络进行逻辑重构，即可使网络构造适应新的通信规定，并维持通信的高效率。具体的讲，虚拟局域网技术是通过路由和互换设备，在网络物理拓扑的基本上建立一种逻辑网络。每个VLAN都构成一种独立的广播域，处在同一VLAN中的网络顾客可以不受地理位置的限制而像处在同一种VLAN上那样互相互换信息。VLAN必须在互换网络中实现，每个互换设备均可根据网络管理人员所定义的VLAN划分措施对报文进行过滤和转发，并能将这种划分信息传递到网络中其她互换设备和路由器中。LAN互换设备在VLAN的划分及实现低延迟的报文转发方面起着重要的作用。事实上，在网络层对网络进行互联的路由器，可以在网络层对网络进行隔离，并克制广播数据。而VLAN则是一种不采用路由器对广播数据进行克制的解决方案。在VLAN中，对广播数据的克制由互换机完毕。2.2.2 网络分层设计：本校园网重要由如下三部分构成：互换模块、广域网接入模块、服务器模块。为了简化互换网络设计、提高互换网络的可扩展性，我们采用分层的措施来设计校园网。校园网数据互换设备可以划分为三个层次：接入层、汇聚层、核心层。不同层工作在OSI模型的不同层次上。一般将网络中直接面向顾客连接或访问网络的部分称为接入层，将位于接入层和核心层之间的部分称为分布层或汇聚层。接入互换机一般用于直接连接电脑，汇聚互换机一般用于楼宇间。汇聚相称于一种局部或重要的中转站，核心相称于一种出口或总汇总。本来定义的汇聚层的目的是为了减少核心的承当,将本地数据互换机流量在本地的汇聚互换机上互换,减少核心层的工作承当,使核心层只解决到本地区域外的数据互换。 核心层设计设计核心层是网络建设的核心，功能是实现高性能的互换和传播。因此，核心层设备应当具有高性能的传播功能和高可靠性、可管理性以及高带宽，以达到网络的设计规定。服务器：将选用一台小型机作为网络管理服务器，同步提供Web、E-MAIL、FTP服务。采用高性能的PC Server作为全校应用服务及信息存储的中心，涉及：学生信息管理子系统、教师信息管理子系统、财务管理子系统、IC卡子系统、图书馆管理子系统、多媒体网上教学系统、视频点播子系统。中心互换机：中心互换机采用三层互换机作为校园网的主互换设备，提供划分内部虚拟网等功能，连接校园网内部各子网。它的重要工作是：提供互换区块的连接，提供到其她区块的访问，尽量快的互换数据。核心互换机属于高品位互换机，所有采用模块化的构造，可作为网络骨干构建局域网。核心层互换机可以提供顾客化机制、优先级队列服务和网络安全控制，并能不久适应数据增长和变化的需要，从而满足顾客的需求。对于有更多需求的网络，核心互换机不仅可以传送海量数据和控制信息，更具有硬件冗余和软件可伸缩性特点，保证网络的可靠运营。校园网的核心层是一种数据互换枢纽，提供高速、有效地数据互换。鉴于其重要性和必要性，核心层的可用性也在设计中得到了充足的体现。核心层是一种路由域。通过在核心层配备动态路由合同，提供数据的路由和路由的迂回。网络核心层是网络的中心，其功能是实现高性能的互换和传播。因此核心层设备应当是高性能的互换机，可实现高速度的互换传播，以连接服务器等核心设备；并且非常可靠，实现不间断工作。 汇聚层设计汇聚层重要负责汇集分散的接入点进行数据互换，提供流量控制和顾客管理功能，作为校园网的业务提供层面，它是使校园网可运营、可管理的最重要构成部分。汇聚层设备是顾客管理的基本设备，也是保证校园网承载和业务安全的基本屏障，更是保障校园网安全性能的核心。汇聚层互换机（也称汇接层或分布层互换机）提供了边界定义，并在该处对潜在的费力的数据帧操作进行解决，汇聚层互换机是多台接入层互换机的汇聚点，它必须可以解决来自接入层设备的所有通信量，并提供到核心层的上行链路，因此汇聚层互换机与接入层互换机比较，需要更高的性能，更少的接口和更高的互换速率。它有如下功能：VLAN聚合、部门级或工作组接入、广播域的定义、VLAN间路由、介质转换等，汇聚层互换机被归纳为可以提供基于方略的连通性互换机。汇聚层互换连接核心层和接入层，应当采用带VLAN和网管功能的中档互换机。汇聚层互换机具有迅速的级联核心的以太端口以及高速堆叠模块；带VLAN子网划分功能，能较好的管理接入层顾客。 接入层设计接入层，其重要功能就是实现每个合法顾客的安全接入。因此，对接入层而言其核心安全要素就是顾客的安全认证，管理和迅速介入功能。接入层网络是纯二层互换网络，提供顾客的网络接入。由于接入层设备需要部署在楼层，因此规定这些设备容易管理并且投资成本少。在接入层根据顾客类型的不同划分为不同的VLAN；在公共场合，例如：教学楼、实验室、图书馆、办公室等，部署具有接入控制功能的以太网互换机，通过对顾客的身份认证及该顾客在RADIUS服务器上定义的VLAN属性，划分相应的VLAN。接入层互换机是最后顾客被容许接入网络节点的互换机，该层的互换机可以通过过滤或访问控制列表提供对顾客流量的进一步控制，因此接入层互换机具有低成本和高品位口密度特性。接入互换机是最常用的互换机，它直接与外网联系，使用最广泛，特别是在一般办公室、小型机房和业务受理较为集中的业务部门、多媒体制作中心、网站管理中心等部门。该层互换机的重要功能是为最后顾客提供网络接入，提供共享带宽，互换带宽及第二层功能。它重要使用可以通过低成本、高品位口，密度的设备来提供这些功能。2.2.3 IP地址分派对校园网IP 地址分派采用如下规划原则：（1）网络系统的编址方案运用CIDR （无类型域间选路）和可变长子网掩码技术,并支持Ipv6；（2）在整个网络环境中必须保持IP 地址的唯一性；（3）为提高路由解决效率,实现抱负的路由汇总，缩减路由表项数，尽量为同一网络分派持续地址；（4）地址分派具有层次性,便于管理,局部的变动不影响网络的其她部分；（5）为了满足不断增长的 IP 地址需求，并实现与其她网络互联和内部子网互联的有效控制和管理，建议校园网采用内部保存地址,给将来的网络发展留下充足的余地；通过一段时间的规划与分析，建立的校园网需要涉及教学楼、办公楼、实验楼和图书馆四个区域内的所有计算机。我们给每个区域划分一种VLAN，教学楼是VLAN 2：17.168.2.254，办公楼属于VLAN 3：17.168.3.254，宿舍楼是VLAN 4：17.168.4.254，图书馆是VLAN 5：17.168.5.254 ；6个互换机的IP地址分别为17.168.0.1， 17.168.0.3， 17.168.0.4， 17.168.0.5， 17.168.0.6， 17.168.0.7，17.168.0.82.2.4 广域网接入设计采用高性能的PC Server作为全校应用服务及信息存储的中心，在拓扑图中用PC 7体现出来，PC 7的IP地址为17.168.100.1，通过路由器Router 0(17.168.0.2)接入核心互换机，广域网接入是VLAN 1：17.168.100.254。2.2.5 网络服务设计WEB服务器(17.168.6.1)是VLAN 6：17.168.6.254，163邮箱(17.168.7.1)是VLAN 7：17.168.7.254，FTP服务器(17.168.8.1)是VLAN 8：17.168.8.2542.2.6 网络安全设计作为整个校园网络系统的硬件基本，网络设备必须是具有安全性、稳定性和可靠性的特点。这是网络系统稳定运营的最基本条件。最佳是通过相称长时间，在世界范畴内被广泛应用的网络产品，因此在选择产品时选用国际出名厂商的产品。当构建的校园网初具规模后，应当对校园网的整体运营状况做一下细致的测试和评估，重要的测试内容应当涉及：对管理IP地址的测试；对相似VLAN内的通信的测试；对不同VLAN内的通信进行测试；对冗余链路的工作状态进行测试；对多种服务器提供的服务进行访问等。2.2.7 网络冗余设计某些部门由于安全性和信息实时解决的需要，强调网络的高效性和安全性；另某些部门，由于物理端口也许会常常变动，规定网络配备具有较高的灵活性，而不同的VLAN划分机制又各有其优缺陷，因此，应当根据实际状况考虑多种VLAN划分机制及安全方略配合使用，使整个网络性能及安全达到最优。针对内部VLAN之间的路由瓶颈导致的网络性能问题。采用第三层互换机做为校园网核心互换机，取代老式路由器进行内部VLAN之间的路由。虚拟局域网规划中采用基于端口和基于IP子网两种方式相结合的VLAN划分方案。在设计VLAN时，尽量地将同一工作性质的节点划分在同一VLAN内，以减少跨VLAN访问，提高网络的效率。定义VLAN后，还需在核心互换机上进行VLAN之间通信的路由配备。一方面给各个VLAN配备一种相应的网关地址，然后在互换机上创立VLAN之间的静态路由表。核心互换机支持VLAN间的线速路由。从而可保证子网间信息互换的效率。2.3设计方案整个校园网的信息点都可接入Internet，Internet通过校园外部的路由器进入到整个校园的核心互换机上，再经核心互换机分别接入到每栋楼的互换机，校园网可以提供WWW服务器、域名服务器、FTP服务器、代理服务器、数据库服务器等，其中数据库服务器重要是内部管理、教学数据库，学生和教师资料数据库。对校园网内部提供视频点播服务，使用教务教学管理系统对学校教务教学进行管理，因此有一种专门的服务区连接核心互换机来为整个校园网提供服务。各大楼之间可互联互通，每栋楼有一种总互换机连接每一层的互换机，层互换机再经连接到每个房间的互换机，每个房间的所有信息点连接到这个房间的互换机上。这样整个校园的网络构造基本完毕。如图1.1所示。图1.1 校园网整体构造拓扑图3 系统实现设备选型（给出重要设备的重要性能指标和参数）、系统部署和调试等。 3.1 设备选择的原则：(1) 安全、稳定、可靠：作为整个校园网络系统的硬件基本，网络设备必须是具有安全性、稳定性和可靠性的特点。这是网络系统稳定运营的最基本条件。 (2) 技术先进性：在选择网络设备应当采用当今较先进的技术，可以保持该设备在相称长的一段时间内不会由于技术落后而被裁减。同步，在网络规模进一步扩大，该设备不能承当繁重的负荷时，可以降级使用。(3) 易于扩展性：由于信息技术和人们对于新技术的需求发展都非常迅速，为了避免不必要的反复投资，应选择具有一定扩展能力的设备，可以保证在网络规模逐渐扩大的时候，不需要增长的设备，而只需要增长一定数量的模块就行。(4) 管理和维护以便：先进的设备必须配合先进的管理和维护的措施，才可以发挥最大的作用。因此，在选择设备时必须支持既有的、常用的网络管理合同和多种网络管理软件，便于管理人员的维护。3.2 设备选型：3.3 系统部署：3.4 系统调试：4.2软件仿真部分4.2.1 Cisco Packet Tracer仿真软件简介Cisco Packet Tracer5.3是Cisco 公司针对其CCNA认证开发的一种用来设计、配备和故障排除网络的模拟软件。软件界面如图4.1所示。图4.1 Packet Tracer 5.3仿真软件主界面工作界面涉及：菜单、快捷工具栏、工作拓扑图区、设备类表去、报文跟踪区几种部分。（1）设备的选择与连接如果想要搭建网络，可在左下角选择所需要设备进行。从左到右，从上到下依此为Routers（路由器）、Switches（互换机）、Hubs（集线器）、Wireless Devices（无线设备）、Connections（设备之间的连线）、End Devices（终端设备）、WAN Emulation（仿真广域网）、Custom Made Devices（自定义设备）、Multiuser Connection（多顾客连接）。当你需要用哪个设备的时候，先用鼠标单击一下它，然后在中央的工作区域点一下就可以了，或者直接用鼠标摁住这个设备把它拖上去。连线你就选中一种线，然后就在要连接的线的设备上点一下，选接口，再点另一设备，选接口就可以了。注意，接口不能乱选。连接好线后，你可以把鼠标指针移到该连线上，你就会看到线两端的接口类型和名称，配备的时候要用到它。对搭建好的网络，只要双击某个设备，就可对其进行配备。下图4.2是一种简朴的网络界面和一种路由器的配备命令界面。图4.2 一种简朴的网络构造界面和路由器配备命令界面下面着重讲一下“Connections（设备之间的连线）”，用鼠标点一下它之后，在右边你会看到多种类型的线，依次为Automatically Choose Connection Type（自动选线，万能的，一般不建议使用，除非你真的不懂得设备之间该用什么线）、Console（控制线）、Copper Straight-through（直通线）、Copper Cross-Over（交叉线）、Fiber（光纤）、Phone（电话线）、Coaxial（同轴电缆）、Serial DCE、Serial DTE。其中DCE和DTE是用于路由器之间的连线，实际当中，你需要把DCE和一台路由器相连，DTE和另一台设备相连。而在这里，你只需选一根就是了，若你选了DCE这一根线，则和这根线先连的路由器为DCE，配备该路由器时需配备时钟。交叉线只在路由器和电脑直接相连，或互换机和互换机之间相连时才会用到。（2） 对设备进行编辑如图4.1所示，在右边有一种区域，从上到下依次为Select/Esc（选定/取消）、Layout（移动：总体移动，移动某一设备，直接拖动它就可以了）、Place Note（需要注意的地方）、Delect（删除）、Inspect（选中后，在路由器、PC机上可看到多种表，如路由表等）、Resize shape（调节形状）、Add simple PDU（添加简朴的PDU,PDU是合同数据单元）、Add complex PDU（添加复杂的PDU）。（3） Realtime mode(实时模式)和Simulation mode（模拟模式）注意到软件界面的最右下角有两个切换模式，分别是Realtime mode(实时模式)和Simulation mode（模拟模式），实时模式顾名思意即时模式，也就是说是真实模式。举个例子，两台主机通过直通双绞线连接并将她们设