如何規劃校園網的主干網絡

2019-11-04 20:27:54

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　　校園網(CampusNetwork)的設計是一個老課題，但在不同時期有不同的方案。不論是主干網、部門網還是工作組網，網絡拓撲、結構形式、傳輸速率、負載分擔等等，可供選擇的方案不斷地在更新、進步。本文主要論述校園網中主干網的規劃和設計，討論各種形式的主干結構，以及路由和交換技術的選擇和安排。
　　一、建立校園網主干所涉及的技術
　　
　　　　主干網絡用于連接各工作組網絡和全局的共享資源，其傳輸速度，工作效率及可靠性必須達到一個很高的水平。主干網絡的互連結構是主干網絡設計的一個核心問題，路由(Routing)和交換(Switching)技術在互連結構中扮演著重要角色。
　　
　　　　（1）　交換技術交換技術工作于OSI參考模型的第二層。現在流行的交換機產品可以看作是一種簡單、低成本、高性能、高端口密度的橋接設備。交換機和網橋相同的是，交換機根據每個數據包中的目標MAC地址作簡單的轉發，轉發決策方案不需要判定數據包深層的其他信息。交換機不同于網橋的地方在于交換機能以非常低的延遲轉發數據包，能比橋接的網絡提供更接近于單一局域網網段的性能。交換技術可以用來調整共享和分離的局域網網段帶寬，從而消除局域網之間的傳輸瓶頸。交換技術主要包括幀交換和信元交換兩類。
　　
　　　　目前市場上可以提供的以太網、快速以太網、千兆以太網、FDDI、ATM、以及令牌環交換機。其中千兆以太網交換機在主干設計中這兩年來備受青睞，一方面是因為速度快，另一方面是因為它的技術繼續了傳統的以太網，比較易于接受，而且可靠。
　　
　　　　A．交換機是一種更快的橋
　　
　　　　交換機提供了很多和傳統網橋相同的用于網絡互連的優點。交換機用非常簡潔、經濟的方法把網絡分段成更小的沖突域(CollisionDomain)，為每個終端站點提供了更高的平均帶寬。交換機是協議透明的，當工作于多協議的網絡環境時，不需要或只需要很少的軟件配置。交換機可以使用現有的電纜系統、集線器、工作站網卡、不需要昂貴的硬件升級。最后，對終端站點的透明特性使得治理開銷非常低，增加、移動、改變站點非常簡單。
　　
　　　　交換機通常使用ASIC技術，這使得它以極小的延遲提供很高的數據包吞吐量，在這一點上，它的性能比傳統的網橋有了很大的增長。
　　
　　　　B．轉發模式
　　
　　　　交換機的轉發模式基本有兩種：(1)即時轉發；(2)存儲一轉發
　　
　　　　即時轉發交換機在接收到整個數據幀時就開始進行轉發，只分析數據包開頭的目標MAC地址。因此，在即時轉發模式下，無論數據包的長短，其處理速度和延遲總是相同的。單純的即時轉發交換的主要缺點是把錯誤幀也進行了轉發。原因是交換機開始轉發時，并沒有判定數據包是否完整、數據校驗是否正確。即時轉發交換應用于兩個相同速度的端口時，它能工作得很好，但假如數據包從一個100Mbps端口向一個10Mbps傳送時，就需要一級緩沖。
　　
　　　　存儲一轉發交換機在接收了完整的數據包并校驗正確之后，才開始進行轉發處理。這種方式可以避免轉發錯誤包，并使得治理者可以定義包過濾器的控制流量和交通。存儲一轉發方式的缺點是，轉發延遲隨數據包長度的增加而增加。
　　
　　　　（2）路由技術
　　
　　　　路由技術工作在ＯＳＩ參考模型的第三層，與交換機相比，它的工作更多地依靠于路由軟件。由于可以得到更多的協議信息，路由器可以作出更加智能的轉發決策。和交換機相同的地方是，路由器為用戶提供了不同局域網網段的無縫連接。和交換機不同的地方在于路由器決定了網段分組的邏輯邊界。路由器提供了防火墻的服務，它僅僅轉發特定地址的數據包，從而可以防止廣播風暴、未支持協議數據包的傳送和未知目標網絡數據包的傳送。
　　
　　　　為了完成路由工作，路由器需要具備兩項基本功能。首先是路由器需要為各種網絡層協議創建并維護路由表，這些表可以通過手工配置，靜態創建；也可通過路由協議動態創建。建立了路由表之后，路由器根據每個數據包中的協議標志，提取網絡層目標地址，并根據路由表作出轉發決策。
　　
　　　　路由器可以根據很多因素選擇最好的傳送路徑，而不僅僅只根據目標ＭＡＣ地址。這些因素包括轉發次數、線路速度、傳送費用、延遲和交通狀況。這些智能特性還可用來增加數據安全、改善帶寬利用、對網絡操作實施更多的控制。路由器的缺點是，復雜的數據包處理增加了延遲，與簡單的交換體系結構相比，性能較低。
　　
　　　　路由器與交換機的另一個區別是，由交換機連接的網段仍屬于同一個廣播域，廣播數據包會在交換機連接的所有網段上傳播，在某些情況下會導致通信擁擠和安全漏洞。連接到路由器上的網段會被分配成不同的廣播域，廣播數據不會穿過路由器。
　　
　　
　　
　　二、校園網拓撲
　　
　　　　一般來說有兩種拓撲結構可供選擇：集中式和分布式。網絡拓撲的選擇是根據網絡中要害性應用的應用模型來進行，但同時要看到應用模型會隨時間的推移而改變，要注重設計的靈活性。
　　
　　　　（1）集中模式
　　
　　　　集中模式的拓撲中，業務集中在較少的幾臺服務器上，這些服務器被集中放置在網絡中心。采取這種結構有兩個主要原因，第一，它們是從主機系統中繼續的傳統應用結構。第二，單一(或較少)的主機減少了數據庫一致性問題的發生，同時，這種模式簡化了治理工作。
　　
　　　　這種結構的問題在于由于所有的用戶終端都需要訪問中心的服務器，網絡流量會匯集到網絡主干上，這將導致傳統的共享網絡主干上交通擁擠，從而導致系統應用性能下降。幸運的是，由交換技術提供的高速鏈路為這一問題的解決提供了辦法。由于具有高速度、低延遲的特性，交換機構造更好的響應速度。低延遲意味著從客戶機到服務器之間的網絡連接所跨越的交換機數量對實際響應時間影響較小。
　　
　　　　這種結構的主干可以看作是多級的、連接不同"星"的"星"。像小溪流進大河一樣，數據通信被匯聚到主干中，所以中心交換機需要采用高速網絡技術，如快速以太網、千兆以太網、ＦＤＤＩ、ＡＴＭ等。這種結構中，中心設備將成為一個集中失效點，一旦該設備失效就會導致應用癱瘓，所以一定要選用高可靠、容錯性好的設備。
　　
　　　　（2）分布模式
　　
　　　　分布模式的拓撲中，往往把應用服務器設置在靠近用戶的最大集中點，支持分布模式拓樸的網絡，要求把網絡用戶分配到不同的應用領域，每個應用域需要為所有域用戶訪問的主要應用提供訪問。
　　
　　　　在分布模式的網絡中，我們可以由交換機服務器群的分布外形看出應用域的物理表現形式。用戶及其相關的服務器被連接到同一個交換機上，這種把客戶機和服務器都作為網絡葉節點的形式，使整個網絡的結構變得平坦。
　　
　　　　可以采用這么一個簡單的設計原則：當一臺服務器需要被許多用戶共享且響應時間很重要時，就在那里放置一臺交換機。把整個企業應用分配到很多的交換機/服務器群中，每個服務器中裝載了該域用戶經常訪問的數據和應用。這樣一來，客戶機/服務器的事務就基本在本地進行，而網絡主干僅用于服務器間的數據同步。
　　
　　這種結構的設計要點是，把服務器放置在最佳位置利用，分布式數據庫技術和交換機的能力使數據通信盡量發生在本地。它的主要優點是，可以得到優秀的應用性能和響應時間。這種結構的主干可以看作連接不同"星"的"網"。其流量情況比較復雜，需要根據具體情況核定，以選擇足夠帶寬的鏈路。這種結構的"網"特性使得主干的容錯性能較好，一個點的失效不會導致整個企業應用的癱瘓。但這種結構的治理比較復雜。
　　
　　三、校園網的互連結構
　　
　　　　（1）在數據中心設置低密度高速數據鏈路
　　
　　　　工作組交換機分別配置于各樓層，它們為終端用戶提供獨立的或共享的10Mbps連接，為工作組服務器提供獨立的高速連接，并用一根高速鏈路連接到數據中心的路由器上。數據中心的服務器組連接到路由器的一個高速接口上，共享可用帶寬。通過調整每臺服務器運用獨立的或共享的高速連接，來調節每臺服務器的網絡性能。中心的折疊主干路由器提供了各樓層交換機、服務器組以及廣域網間的連接。由于路由器是工作在網絡層，它把整個網絡分解成不同的廣播域，并提供各個分離子網間的保密功能。在這種配置狀況中，路由器是整個網絡的中心，交換機為邊界用戶提供了附加帶寬。
　　
　　　　（2）在數據中心設置高密度高速數據鏈路
　　
　　　　在這里，增加了一臺交換機為各樓層交換機、中心服務器組提供獨立的高速連接。路由器處于較邊緣的位置，用于連接廣域網和其他需要互連的網絡。建筑物間的連接可以通過路由器，也可通過交換機進行高速連接，由更大的范圍內的拓撲和安全方面的考慮來決定。這種結構需考慮的另一個問題是，高速交換機代替了路由器的中心地位之后，可能會帶來網絡邏輯拓樸結構方面的改變。另外，這種互連結構在整個環境中采取單一的廣播域。
　　
　　　　假如不能接受在同一個建筑中采取單一的廣播域，那么就需要配置多個高速的路由接口，用來連接屬于不同廣播域的中心交換機。由于在中心服務器組和各個交換工作組之間不再存在直接的連接。
　　
　　　　（3）具有冗余結構的主干
　　
　　　　路由器有一個重要性能---支持冗余路徑，為我們建立可靠的網絡主干提供了方案。
　　
　　四、結論
　　
　　　　現在的網絡設計，越來越趨向于以交換為中心的結構，千兆以太網交換機、大型ＡＴＭ交換機、ＦＤＤＩ交換機的出現更為大規模交換主干的設計提供了有力的幫助。但路由器在建立校園網時同樣必不可少，廣域網連接、進行帶寬和安全控制、連接不同的廣播域、建立冗余連接等工作都需要利用路由器。穿越ＡＴＭ建立

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