如何规划校园网的主干网络

2019-11-04 20:27:54

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供稿：网友

　　校园网(CampusNetwork)的设计是一个老课题，但在不同时期有不同的方案。不论是主干网、部门网还是工作组网，网络拓扑、结构形式、传输速率、负载分担等等，可供选择的方案不断地在更新、进步。本文主要论述校园网中主干网的规划和设计，讨论各种形式的主干结构，以及路由和交换技术的选择和安排。
　　一、建立校园网主干所涉及的技术
　　
　　　　主干网络用于连接各工作组网络和全局的共享资源，其传输速度，工作效率及可靠性必须达到一个很高的水平。主干网络的互连结构是主干网络设计的一个核心问题，路由(Routing)和交换(Switching)技术在互连结构中扮演着重要角色。
　　
　　　　（1）　交换技术交换技术工作于OSI参考模型的第二层。现在流行的交换机产品可以看作是一种简单、低成本、高性能、高端口密度的桥接设备。交换机和网桥相同的是，交换机根据每个数据包中的目标MAC地址作简单的转发，转发决策方案不需要判定数据包深层的其他信息。交换机不同于网桥的地方在于交换机能以非常低的延迟转发数据包，能比桥接的网络提供更接近于单一局域网网段的性能。交换技术可以用来调整共享和分离的局域网网段带宽，从而消除局域网之间的传输瓶颈。交换技术主要包括帧交换和信元交换两类。
　　
　　　　目前市场上可以提供的以太网、快速以太网、千兆以太网、FDDI、ATM、以及令牌环交换机。其中千兆以太网交换机在主干设计中这两年来备受青睐，一方面是因为速度快，另一方面是因为它的技术继续了传统的以太网，比较易于接受，而且可靠。
　　
　　　　A．交换机是一种更快的桥
　　
　　　　交换机提供了很多和传统网桥相同的用于网络互连的优点。交换机用非常简洁、经济的方法把网络分段成更小的冲突域(CollisionDomain)，为每个终端站点提供了更高的平均带宽。交换机是协议透明的，当工作于多协议的网络环境时，不需要或只需要很少的软件配置。交换机可以使用现有的电缆系统、集线器、工作站网卡、不需要昂贵的硬件升级。最后，对终端站点的透明特性使得治理开销非常低，增加、移动、改变站点非常简单。
　　
　　　　交换机通常使用ASIC技术，这使得它以极小的延迟提供很高的数据包吞吐量，在这一点上，它的性能比传统的网桥有了很大的增长。
　　
　　　　B．转发模式
　　
　　　　交换机的转发模式基本有两种：(1)即时转发；(2)存储一转发
　　
　　　　即时转发交换机在接收到整个数据帧时就开始进行转发，只分析数据包开头的目标MAC地址。因此，在即时转发模式下，无论数据包的长短，其处理速度和延迟总是相同的。单纯的即时转发交换的主要缺点是把错误帧也进行了转发。原因是交换机开始转发时，并没有判定数据包是否完整、数据校验是否正确。即时转发交换应用于两个相同速度的端口时，它能工作得很好，但假如数据包从一个100Mbps端口向一个10Mbps传送时，就需要一级缓冲。
　　
　　　　存储一转发交换机在接收了完整的数据包并校验正确之后，才开始进行转发处理。这种方式可以避免转发错误包，并使得治理者可以定义包过滤器的控制流量和交通。存储一转发方式的缺点是，转发延迟随数据包长度的增加而增加。
　　
　　　　（2）路由技术
　　
　　　　路由技术工作在ＯＳＩ参考模型的第三层，与交换机相比，它的工作更多地依靠于路由软件。由于可以得到更多的协议信息，路由器可以作出更加智能的转发决策。和交换机相同的地方是，路由器为用户提供了不同局域网网段的无缝连接。和交换机不同的地方在于路由器决定了网段分组的逻辑边界。路由器提供了防火墙的服务，它仅仅转发特定地址的数据包，从而可以防止广播风暴、未支持协议数据包的传送和未知目标网络数据包的传送。
　　
　　　　为了完成路由工作，路由器需要具备两项基本功能。首先是路由器需要为各种网络层协议创建并维护路由表，这些表可以通过手工配置，静态创建；也可通过路由协议动态创建。建立了路由表之后，路由器根据每个数据包中的协议标志，提取网络层目标地址，并根据路由表作出转发决策。
　　
　　　　路由器可以根据很多因素选择最好的传送路径，而不仅仅只根据目标ＭＡＣ地址。这些因素包括转发次数、线路速度、传送费用、延迟和交通状况。这些智能特性还可用来增加数据安全、改善带宽利用、对网络操作实施更多的控制。路由器的缺点是，复杂的数据包处理增加了延迟，与简单的交换体系结构相比，性能较低。
　　
　　　　路由器与交换机的另一个区别是，由交换机连接的网段仍属于同一个广播域，广播数据包会在交换机连接的所有网段上传播，在某些情况下会导致通信拥挤和安全漏洞。连接到路由器上的网段会被分配成不同的广播域，广播数据不会穿过路由器。
　　
　　
　　
　　二、校园网拓扑
　　
　　　　一般来说有两种拓扑结构可供选择：集中式和分布式。网络拓扑的选择是根据网络中要害性应用的应用模型来进行，但同时要看到应用模型会随时间的推移而改变，要注重设计的灵活性。
　　
　　　　（1）集中模式
　　
　　　　集中模式的拓扑中，业务集中在较少的几台服务器上，这些服务器被集中放置在网络中心。采取这种结构有两个主要原因，第一，它们是从主机系统中继续的传统应用结构。第二，单一(或较少)的主机减少了数据库一致性问题的发生，同时，这种模式简化了治理工作。
　　
　　　　这种结构的问题在于由于所有的用户终端都需要访问中心的服务器，网络流量会汇集到网络主干上，这将导致传统的共享网络主干上交通拥挤，从而导致系统应用性能下降。幸运的是，由交换技术提供的高速链路为这一问题的解决提供了办法。由于具有高速度、低延迟的特性，交换机构造更好的响应速度。低延迟意味着从客户机到服务器之间的网络连接所跨越的交换机数量对实际响应时间影响较小。
　　
　　　　这种结构的主干可以看作是多级的、连接不同"星"的"星"。像小溪流进大河一样，数据通信被汇聚到主干中，所以中心交换机需要采用高速网络技术，如快速以太网、千兆以太网、ＦＤＤＩ、ＡＴＭ等。这种结构中，中心设备将成为一个集中失效点，一旦该设备失效就会导致应用瘫痪，所以一定要选用高可靠、容错性好的设备。
　　
　　　　（2）分布模式
　　
　　　　分布模式的拓扑中，往往把应用服务器设置在靠近用户的最大集中点，支持分布模式拓朴的网络，要求把网络用户分配到不同的应用领域，每个应用域需要为所有域用户访问的主要应用提供访问。
　　
　　　　在分布模式的网络中，我们可以由交换机服务器群的分布外形看出应用域的物理表现形式。用户及其相关的服务器被连接到同一个交换机上，这种把客户机和服务器都作为网络叶节点的形式，使整个网络的结构变得平坦。
　　
　　　　可以采用这么一个简单的设计原则：当一台服务器需要被许多用户共享且响应时间很重要时，就在那里放置一台交换机。把整个企业应用分配到很多的交换机/服务器群中，每个服务器中装载了该域用户经常访问的数据和应用。这样一来，客户机/服务器的事务就基本在本地进行，而网络主干仅用于服务器间的数据同步。
　　
　　这种结构的设计要点是，把服务器放置在最佳位置利用，分布式数据库技术和交换机的能力使数据通信尽量发生在本地。它的主要优点是，可以得到优秀的应用性能和响应时间。这种结构的主干可以看作连接不同"星"的"网"。其流量情况比较复杂，需要根据具体情况核定，以选择足够带宽的链路。这种结构的"网"特性使得主干的容错性能较好，一个点的失效不会导致整个企业应用的瘫痪。但这种结构的治理比较复杂。
　　
　　三、校园网的互连结构
　　
　　　　（1）在数据中心设置低密度高速数据链路
　　
　　　　工作组交换机分别配置于各楼层，它们为终端用户提供独立的或共享的10Mbps连接，为工作组服务器提供独立的高速连接，并用一根高速链路连接到数据中心的路由器上。数据中心的服务器组连接到路由器的一个高速接口上，共享可用带宽。通过调整每台服务器运用独立的或共享的高速连接，来调节每台服务器的网络性能。中心的折叠主干路由器提供了各楼层交换机、服务器组以及广域网间的连接。由于路由器是工作在网络层，它把整个网络分解成不同的广播域，并提供各个分离子网间的保密功能。在这种配置状况中，路由器是整个网络的中心，交换机为边界用户提供了附加带宽。
　　
　　　　（2）在数据中心设置高密度高速数据链路
　　
　　　　在这里，增加了一台交换机为各楼层交换机、中心服务器组提供独立的高速连接。路由器处于较边缘的位置，用于连接广域网和其他需要互连的网络。建筑物间的连接可以通过路由器，也可通过交换机进行高速连接，由更大的范围内的拓扑和安全方面的考虑来决定。这种结构需考虑的另一个问题是，高速交换机代替了路由器的中心地位之后，可能会带来网络逻辑拓朴结构方面的改变。另外，这种互连结构在整个环境中采取单一的广播域。
　　
　　　　假如不能接受在同一个建筑中采取单一的广播域，那么就需要配置多个高速的路由接口，用来连接属于不同广播域的中心交换机。由于在中心服务器组和各个交换工作组之间不再存在直接的连接。
　　
　　　　（3）具有冗余结构的主干
　　
　　　　路由器有一个重要性能---支持冗余路径，为我们建立可靠的网络主干提供了方案。
　　
　　四、结论
　　
　　　　现在的网络设计，越来越趋向于以交换为中心的结构，千兆以太网交换机、大型ＡＴＭ交换机、ＦＤＤＩ交换机的出现更为大规模交换主干的设计提供了有力的帮助。但路由器在建立校园网时同样必不可少，广域网连接、进行带宽和安全控制、连接不同的广播域、建立冗余连接等工作都需要利用路由器。穿越ＡＴＭ建立

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