王 炅 陳華清 黃天宜

(閩江學院 計算機科學系，福建 福州 350108)

1 引言

目前，日漸成熟的網(wǎng)絡和多媒體等信息技術，不僅使中國高教信息化建設產(chǎn)生質的飛躍，而且，中國傳統(tǒng)高教工作的教育模式和教育內(nèi)容也正進入到一個實質性的數(shù)字化變革時代[1]。教育網(wǎng)的建設是推進素質教育、迎接知識經(jīng)濟時代的需要。在跨世紀教育改革中，世界各國都在加快教育現(xiàn)代化的步伐，信息化程度的高低已成為當今世界衡量一個國家綜合國力的重要標志。針對這種現(xiàn)狀，為提高網(wǎng)絡教學水平，結合多所大學的真實情況，開展仿真應用。采用GNS3仿真軟件模擬雙出口到Internet、實現(xiàn)相關教育教學以及全校師生溝通上網(wǎng)達到事半功倍的效果。做到了高效的網(wǎng)絡部署以及對設備、鏈路的冗余備份;同時又能充分利用設備及鏈路帶寬。不僅方便高校之間的交流，也方便高校與Internet的溝通。

2 關鍵技術

采用接入層、匯聚層和核心層的三層結構。教學樓、實驗樓、行政樓、圖書館和食堂通過接入層交換機上聯(lián)至匯聚層交換機。在核心層采用雙核心帶路由功能的高端三層交換機保證設備的冗余和高速轉發(fā)，下連到各個同樣帶路由功能的三層交換機的匯聚層以此作為雙鏈路走向保證數(shù)據(jù)的可靠性。在匯聚層下行是由普通的二層交換機作為接入層以使用戶終端接入。如圖1所示，在對外接入Internet采用雙防火墻連接到不同運營商;本部與分校之間使用VPN技術連接互訪。全網(wǎng)運行OSPF協(xié)議和靜態(tài)路由協(xié)議相結合的路由方式，同時使用PBR技術控制路由走向。本部路由在骨干區(qū)域Area0內(nèi)，分校則在區(qū)域Area1分擔路由。在Vlan的規(guī)劃中采用不同樓層不同Vlan的方式劃分，例如：行政樓與核心層處于Vlan11，而在此Vlan下的Vrrp則分為兩組Vrrp11、Vrrp12作為鏈路及核心設備的備份。同理教學樓處于Vlan12，在Vlan12下的Vrrp則分為 Vrrp21、Vrrp22。在 IP規(guī)劃中 Vlan11處于172.16.2.3/29;Vlan12 處于 172.16.2.11/29。在匯聚交換機中又劃分多個Vlan同核心層分開以此隔離廣播域的范圍;例如：行政樓的匯聚交換機劃分為Vlan100～199;可使用地址為172.17.1.0 ～172.17.255.255，其它樓層也同理如此。為避免 Stp 技術使用時產(chǎn)生的一些復雜問題，使用鏈路聚合技術連接兩臺核心設備后多建立一個Vlan9然后通告Vlan9的路由，使得核心層之間所走路由在Vlan9里面，這樣就有效的避免了核心與匯聚層成環(huán)的問題實現(xiàn)了負載的分擔等等。

圖1 全網(wǎng)拓撲圖

2.1 VRRP虛擬路由器冗余協(xié)議

VRRP可以把一個虛擬路由器的責任動態(tài)分配到局域網(wǎng)上的VRRP路由器中的一臺;是一種設備容錯協(xié)議，可以將一組交換機組織成一個虛擬換機，稱之為一個備份組;當backup檢測到Master出現(xiàn)故障時，會自動接替Master交換機的工作轉發(fā)數(shù)據(jù)[2]。Master設備的選舉有兩種方法：一、比較優(yōu)先級的大小，優(yōu)先級高者當選為Master設備。二、當兩臺優(yōu)先級相同的設備同時競爭Master時，比較接口IP地址大小。接口地址大者當選為Master設備。再同Track技術相結合監(jiān)控上行鏈路，以達到當上行鏈路斷掉一條線路時靜態(tài)路由還在生效的故障。至此，主機不需要增加額外工作，與外界的通信也不會因某臺設備故障而受到影響。

2.2 OSPF開放式最短路徑優(yōu)先動態(tài)路由協(xié)議

在匯聚層和核心層之間劃分了vlan;三層架構之間需要互通就需要配置動態(tài)路由協(xié)議同靜態(tài)路由相結合。OSPF路由協(xié)議是一種典型的鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，一般用于同一個路由域內(nèi)[3]。路由域是一個AS，是一組通過統(tǒng)一的路由政策或路由協(xié)議互相交換路由信息的網(wǎng)絡。在這個AS中，所有的OSPF路由器都維護一個相同的描述這個AS結構的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中存放的是路由域中相應鏈路的狀態(tài)信息，OSPF路由器正是通過這個數(shù)據(jù)庫計算出其OSPF路由表的。OSPF是真正的LOOP-FREE(無路由自環(huán))路由協(xié)議適應各種規(guī)模的網(wǎng)絡。采用SPF算法(Dijkstra算法)計算最佳路徑;能夠快速響應網(wǎng)絡變化;以較低頻率發(fā)送定期更新，被稱為鏈路狀態(tài)刷新。將區(qū)域(Area)進行劃分后，通過區(qū)域之間的路由信息的摘要，大大減少了需傳遞的路由信息數(shù)量。也使得路由信息不會隨網(wǎng)絡規(guī)模的擴大而急劇膨脹。

2.3 NAT地址轉換協(xié)議

由于全世界的ipv4地址都已經(jīng)宣布用完，為節(jié)省公網(wǎng)IP地址以及用戶的上網(wǎng)需求就需要用到 NAT技術[4]。使用NAT的另外2個原因是便于管理和基于安全考慮。NAT的核心思想是將私網(wǎng)地址轉換成公網(wǎng)地址，從而連接到公共網(wǎng)絡。NAT節(jié)省了公網(wǎng)的ip地址;能夠處理編址方案重疊的情況;NAT和PAT只對IP進行轉換，三層設備廣域網(wǎng)中不檢查目的MAC地址，它們只關心路由，它們只會重新封裝源MAC地址，MAC只對二層設備有效，當網(wǎng)絡發(fā)生改變時不需要重新編址;隱藏了真正的IP地址，做到了安全有效的防止外部攻擊。

2.4 VPN虛擬專用網(wǎng)絡

考慮到本部與分校之間的距離問題，在本部與分校之間的聯(lián)通互相訪問采用VPN虛擬專用網(wǎng)絡技術。虛擬專用網(wǎng)絡通過公網(wǎng)而不必投入大量的大量的人力和物力去安裝和維護WLAN設備和遠程訪問設備這就大大降低了網(wǎng)絡建設的成本。并且在公網(wǎng)網(wǎng)絡上建立專用網(wǎng)絡后，虛擬專用網(wǎng)產(chǎn)品均采用加密及身份驗證等安全技術，保證鏈接用戶的可靠性及傳輸數(shù)據(jù)的安全和保密性[5]。

3 仿真實現(xiàn)

3.1 仿真環(huán)境搭建

在GNS3仿真模擬軟件中同外網(wǎng)連接的防火墻Cisco 3640路由器1、2、3采用 IOS版本 C3640-IK.BIN，插槽加上板卡NM-4T，NM-1FE-TX×2;核心、匯聚三層交換機 Catalyst 3560 采用 IOS 版本 c3725-adventerprisek9-mz.124-15.T5.BIN，插槽所加板卡為默認。匯聚層交換機則為Catalyst 2960。拓撲圖如圖1所示。

3.2 仿真實現(xiàn)

防火墻采用NAT技術作為私網(wǎng)跟公網(wǎng)地址的轉換，分校與本部采用VPN技術建立連接。全網(wǎng)運行OSPF動態(tài)路由協(xié)議與靜態(tài)路由相結合的方式進行路由。核心層建立鏈路聚合增加帶寬以及負載的分擔，VRRP技術作為鏈路以及核心層的備份。接入終端獲取的IP地址服務器以及網(wǎng)關放置在匯聚層，并且做PBR策略路由控制路由走向實現(xiàn)鏈路的負載分擔。

DHCP服務器直接放在各匯聚交換機上，IP地址末位為奇數(shù)的采用PBR技術控制該路由數(shù)據(jù)走向核心設備Core2的方向;IP地址末位為偶數(shù)的控制走向Core1的方向后由核心層路由再控制走向。下面是采用技術的主要配置方式(以行政樓為例)：

3.3 仿真測試

試點調(diào)試，是工程實施中一個非常重要的環(huán)節(jié)，直接影響到整個項目的實施進度和方案的正確與否，通過試點后對已經(jīng)設計完的方案進行修改。對GNS3構建校園網(wǎng)的仿真測試需要對以下幾個關鍵點作為測試內(nèi)容：

1)校園網(wǎng)內(nèi)部終端是否能訪問雙出口網(wǎng)絡，并實現(xiàn)負載均衡;

2)當匯聚層與核心層某條鏈路斷掉后能實現(xiàn)虛擬網(wǎng)關的快速切換實現(xiàn)通信;

3)訪問外網(wǎng)時是否進行IP地址轉換。

3.4 測試結果

1)校園網(wǎng)內(nèi)部所有終端機均能夠訪問教育網(wǎng)和電信網(wǎng)，并在鏈路上能基于源IP實現(xiàn)負載均衡;

2)訪問教育網(wǎng)的IP地址走教育網(wǎng)的網(wǎng)關，其余IP地址走電信網(wǎng)網(wǎng)關;

3)當匯聚層與核心層的某條鏈路斷掉時，或核心層到邊緣路由器的某條鏈路斷掉時，虛擬網(wǎng)關能夠迅速自動切換，OSPF路由協(xié)議能迅速收斂，能在短時間內(nèi)恢復與外網(wǎng)的通信;

4)邊緣路由器能夠實現(xiàn)NAT轉換，外網(wǎng)用戶能訪問校級服務器。

4 總結

構建校園網(wǎng)的研究與仿真后期也通過真實設備星網(wǎng)銳捷來測試實現(xiàn)，對于構建真實校園網(wǎng)具有較強參考意義，通過本次構建校園網(wǎng)的研究與仿真中提高了各項技術的認知，理解校園網(wǎng)規(guī)劃的完整過程，但是對于創(chuàng)新點的使用還有待去現(xiàn)實環(huán)境中更加完善。

[1]訪煙.校園網(wǎng)[EB/OL].(2010)[2013].http：//www.360doc.com/content/10/0507/17/1003682_26522167.shtml.

[2]無憂網(wǎng)客聯(lián).虛擬路由冗余協(xié)議[EB/OL].(2011)[2013].http：//www.net527.com/Ciscojishu/Ciscoluyoujiaohuan/11.html.

[3]老徐.組播擴展 OSPF[EB/OL].(2009)[2013].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_54f82cc201013w10.html.

[4]郭雅，李泗蘭.基于Packet Tracer仿真技術的校園網(wǎng)構建技術研究[J].電腦知識與技術，2012，8(12)：2746-2749.

[5]彭晏飛，楊德權.基于VPN技術的高校校園網(wǎng)建設[J].長春工業(yè)大學學報(自然科學版)，2008，29(1)：91-94.