校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的研究
——以陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例

郝 平

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

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校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的研究
——以陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例

郝 平

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

文章以陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園網(wǎng)優(yōu)化改造工程為例，根據(jù)校園網(wǎng)絡(luò)的需要，利用扁平化大二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架對學(xué)生公寓和家屬區(qū)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，形成校園網(wǎng)扁平化與三層網(wǎng)絡(luò)并存的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建一種行之有效的校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；扁平化；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；校園網(wǎng)

教育信息化建設(shè)的核心就是校園網(wǎng)建設(shè)，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、用戶數(shù)量的不斷增多、業(yè)務(wù)量的不斷增加和應(yīng)用流量的復(fù)雜化，現(xiàn)有的校園網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足師生日益增長的通訊需求。本文以陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園網(wǎng)優(yōu)化改造工程為例，旨在研究一種行之有效的校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，充分發(fā)揮校園網(wǎng)的作用，為校園網(wǎng)系統(tǒng)改造與優(yōu)化提供了一種可借鑒的方案。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用層次化模型設(shè)計(jì)，即將復(fù)

雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分成幾個(gè)層次，每個(gè)層次著重于某些特定的功能，這樣就能夠使一個(gè)復(fù)雜的大問題變成許多簡單的小問題。三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)有三個(gè)層次：核心層、匯聚層、接入層。三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型如圖1所示。

圖1 三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型

1.2 扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

扁平化來源于企業(yè)管理，核心思想就是減少管理中的中間層次，告別線形組織的那種多層級的金字塔狀的模式，將渠道或管理中的層次精簡。它并不是要把網(wǎng)絡(luò)從三層結(jié)構(gòu)簡單地壓縮為兩層，而是綜合考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的具體大小程度以及業(yè)務(wù)的多樣性等，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的功能劃分等盡可能地實(shí)現(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)層次的簡化。其基本原理就是把傳統(tǒng)架構(gòu)中的三層，通過對于模糊化的分區(qū)進(jìn)行清晰化處理來實(shí)現(xiàn)對于用戶以及業(yè)務(wù)控制中的集中化，并不是要實(shí)現(xiàn)物理層次的減少，而是實(shí)現(xiàn)邏輯層次的簡化。扁平化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型如圖2所示。

圖2 扁平化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型

2 校園網(wǎng)現(xiàn)狀分析

2.1 校園網(wǎng)基本情況概述

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院是陜西省教育廳管理的省屬高職院校，2011年被教育部、財(cái)政部確定為“國家示范性高等職業(yè)院?！保F(xiàn)有全日制高職?？圃谛W(xué)生18000余人，教職員工1160余人，校園網(wǎng)始建于2002年，整個(gè)校園網(wǎng)的結(jié)構(gòu)采用樹形結(jié)構(gòu)，三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。該院校園網(wǎng)基本情況如下：

(1)校園網(wǎng)建成信息點(diǎn)10500個(gè)，網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房1個(gè)，匯聚機(jī)房5個(gè)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備350余臺，90%左右的設(shè)備均采用神州數(shù)碼公司提供的設(shè)備。

(2)采用以太網(wǎng)構(gòu)架，三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，核心層在中心機(jī)房，在家屬區(qū)、學(xué)生公寓區(qū)、辦公區(qū)等設(shè)有匯聚機(jī)房，網(wǎng)絡(luò)覆蓋全校所有樓群，主要分布樓宇之間的主干線路均用千兆光纖連接，建筑物內(nèi)部通過超五類雙絞線百兆到桌面。

(3)全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證管理，認(rèn)證用戶4500個(gè)，實(shí)際接入終端5000余臺，分一次身份認(rèn)證和WEB認(rèn)證兩種方式并施行計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)。

2.2 校園網(wǎng)存在的問題與分析

隨著剛性需求的增加和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的不斷增多，新生公寓網(wǎng)絡(luò)的即將開通，網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的不斷增多，導(dǎo)致高帶寬與高消耗之間的矛盾不斷加?。盒@網(wǎng)缺乏有效的流量區(qū)分與QoS技術(shù)手段；缺乏面向用戶個(gè)人的行為管理控制手段；合理的教學(xué)科研類服務(wù)受到嚴(yán)重影響。校園網(wǎng)的規(guī)模和設(shè)備性能等已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)有的教學(xué)、科研和管理的發(fā)展需求。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不合理：現(xiàn)有的校園網(wǎng)絡(luò)基本沿用建網(wǎng)初期的規(guī)劃，但是現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)主體結(jié)構(gòu)已發(fā)生很大變化，同時(shí)隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不安全因素也在不斷增多，舊的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃也不能滿足當(dāng)今的需要。

(2)網(wǎng)絡(luò)利用率低：校園網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要分布在辦公區(qū)，上班時(shí)間網(wǎng)絡(luò)利用率較高，而在晚上、周末及假期，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量非常低。而教職工家屬區(qū)剛好相反，應(yīng)進(jìn)行合理調(diào)配，充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

3.1 原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型分析

原有的校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要使用神州數(shù)碼設(shè)備，采用樹形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使用核心層、匯聚層和接入層的三層交換構(gòu)架模式。隨著學(xué)校規(guī)模的擴(kuò)大，新建2棟公寓樓，增加信息點(diǎn)2000個(gè)，學(xué)生入網(wǎng)人數(shù)不斷增加，致使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)上網(wǎng)高峰期網(wǎng)速緩慢。同時(shí)，學(xué)生公寓與教職工家屬區(qū)的網(wǎng)絡(luò)用戶使用P2P軟件和在線視頻等應(yīng)用嚴(yán)重占用網(wǎng)絡(luò)流量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中異常流量和病毒流行，急需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造。

原有的校園網(wǎng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流采用樹形結(jié)構(gòu)。樹形結(jié)構(gòu)允許匯聚層和接入層之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)流交換，交換機(jī)內(nèi)同一VLAN可以進(jìn)行直接互訪，也就是說相同VLAN的終端用戶進(jìn)行相互的數(shù)據(jù)交換直接在匯聚層就完成了，只有跨VLAN跨網(wǎng)段的數(shù)據(jù)流才交于核心交換機(jī)進(jìn)行交換轉(zhuǎn)發(fā)，造成終端用戶間流量不需要經(jīng)過核心層設(shè)備。樹形流量模型圖如圖3所示。

圖3 樹形流量模型圖

學(xué)?，F(xiàn)有的學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)樓層一組接入交換機(jī)在同一VLAN下，家屬區(qū)的網(wǎng)絡(luò)是一棟樓一組堆疊接入交換機(jī)在同一VLAN下，教學(xué)區(qū)基本同公寓樓的網(wǎng)絡(luò)部署相同。

此種方式在學(xué)生公寓和家屬區(qū)的網(wǎng)絡(luò)中使用，對終端用戶缺乏有效的管理，存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于學(xué)生公寓和家屬區(qū)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸增大，接入網(wǎng)用戶數(shù)也不斷增多，典型的網(wǎng)絡(luò)安全問題也應(yīng)運(yùn)而生，ARP病毒、廣播風(fēng)暴、大量P2P應(yīng)用占用帶寬，對網(wǎng)絡(luò)影響非常大，尤其是在學(xué)生下午和晚上的上網(wǎng)高峰期，經(jīng)常發(fā)生一層樓所有用戶網(wǎng)絡(luò)堵塞。大量的使用P2P的下載工具，影響了所有用戶的網(wǎng)絡(luò)，幾乎所有的學(xué)生都在抱怨校園網(wǎng)的網(wǎng)速。

學(xué)生公寓和家屬區(qū)的網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們基本上不需要開放性和互通性，需要每個(gè)終端用戶相對獨(dú)立，安全性和管理控制要求較高。而辦公區(qū)與教學(xué)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)恰恰相反，網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問比較多，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力要求高，它們的安全信任度較高，需要終端用戶間進(jìn)行互通，繼續(xù)采用原有的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.2 引用扁平化結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)學(xué)生公寓和家屬區(qū)的網(wǎng)絡(luò)的共同特點(diǎn)，調(diào)整這部分網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，引用扁平化結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流采用星型結(jié)構(gòu)，解決三層構(gòu)架樹型流量模式所帶來的諸多問題。扁平化結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)勢很明顯：

第一，網(wǎng)絡(luò)層次清晰化。將原來各個(gè)層次模糊的功能區(qū)分清晰化，不同層次各司其職，有利于管理和維護(hù)。用戶/業(yè)務(wù)控制的集中化，由能力最強(qiáng)、功能最豐富的核心設(shè)備提供集中的業(yè)務(wù)控制和管理，有利于功能和業(yè)務(wù)的部署，能夠保證有較好的性能。

第二，精細(xì)化控制。該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)用戶之間/業(yè)務(wù)之間的有效隔離，避免相互之間的干擾和影響，做到可細(xì)分、可隔離。實(shí)現(xiàn)基于用戶身份的行為控制，諸如可訪問的資源權(quán)限、對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用等方面的控制，做到可控制、可管理。

那么這種扁平化結(jié)構(gòu)就采用星型流量組網(wǎng)，現(xiàn)有校園網(wǎng)家屬區(qū)和學(xué)生公寓接入的交換機(jī)DCS-3950S支持QinQ技術(shù)，這種方式使接入層和匯聚層沒有橫向流量，采用QinQ機(jī)制的每個(gè)用戶終端之間都使用二層隔離，用戶終端之間互訪全部通過核心交換機(jī)進(jìn)行交換。每個(gè)終端用戶之間互不影響，安全性和管控性較高，但是由于所有流量都要匯聚到核心層，對核心設(shè)備要求較大。星型組網(wǎng)原理如圖4所示。

圖4 星型組網(wǎng)原理圖

3.3 優(yōu)化方案實(shí)施

綜上所述，根據(jù)對比分析兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和扁平化架構(gòu)混合模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對不同區(qū)域網(wǎng)絡(luò)需求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對辦公區(qū)和教學(xué)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，對家屬區(qū)和學(xué)生區(qū)采用扁平化構(gòu)架模式。以高速路由交換機(jī)為核心，多層交換機(jī)作為匯聚層，可管理性交換機(jī)作為接入層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。優(yōu)化重點(diǎn)保證核心層的高速、穩(wěn)定、可靠，匯聚層的可擴(kuò)展性，完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的優(yōu)化改造工作。

(1)辦公區(qū)和教學(xué)區(qū)網(wǎng)絡(luò)。保持原有網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，調(diào)整兩個(gè)核心設(shè)備DCS-7515交換機(jī)，分別接辦公區(qū)網(wǎng)絡(luò)和教學(xué)區(qū)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)另做調(diào)整。將原有DHCP服務(wù)器進(jìn)行調(diào)整，將DHCP功能慢慢調(diào)整到匯聚層DCRS-7208交換機(jī)上。將原圖書館匯聚DCRS-7208交換機(jī)移到實(shí)訓(xùn)樓使用。對原有辦公區(qū)VLAN進(jìn)行調(diào)整，將以前一層樓一個(gè)VLAN調(diào)整為一個(gè)處級部門一個(gè)VLAN，一個(gè)二級學(xué)院一個(gè)VLAN，同時(shí)將以前使用的192.168.0.0網(wǎng)絡(luò)地址段調(diào)整為172.16.0.0網(wǎng)絡(luò)地址段，在匯聚層交換機(jī)應(yīng)用管理策略，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。原實(shí)訓(xùn)樓從家屬區(qū)匯聚調(diào)整至教學(xué)區(qū)匯聚上。調(diào)整后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 辦公區(qū)和教學(xué)區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

(2)家屬區(qū)和學(xué)生區(qū)網(wǎng)絡(luò)。將原有的三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架調(diào)整為扁平化構(gòu)架，匯聚和接入設(shè)備不變，將原實(shí)訓(xùn)樓的3臺小匯聚DCRS-5512交換機(jī)移至學(xué)生區(qū)作為匯聚交換機(jī)使用，學(xué)生區(qū)和家屬區(qū)的2臺匯聚層DCRS-7208交換機(jī)上開啟DHCP服務(wù)，增加一臺高性能路由器即由H3C公司研發(fā)的SR8802核心路由器作為核心層設(shè)備，承擔(dān)主要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，滿足扁平化改造需求。其它設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行任何調(diào)整。同時(shí)引入QinQ技術(shù)，每個(gè)終端用戶一個(gè)VLAN，實(shí)現(xiàn)每個(gè)終端用戶相互隔離，完全的二層隔離措施，緩解了學(xué)生公寓區(qū)網(wǎng)絡(luò)流量大的情形，有效地解決了網(wǎng)絡(luò)病毒的干擾，保證網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 優(yōu)化后的效果

優(yōu)化后采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，提高主干網(wǎng)絡(luò)的可靠性和運(yùn)行速率，調(diào)整優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和使用范圍，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。學(xué)生和家屬區(qū)、辦公和教學(xué)區(qū)分區(qū)域控制效果較好，接入層數(shù)據(jù)流量穩(wěn)定均衡，沒有升級之前的突發(fā)，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理大大簡化。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)突發(fā)情況，保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和質(zhì)量。

4 結(jié)語

校園網(wǎng)已經(jīng)是高校發(fā)展必要基礎(chǔ)平臺，如何充分利用已投入使用的網(wǎng)絡(luò)軟硬件功能，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化其網(wǎng)絡(luò)性能，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用水平，是各高校校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的工作重點(diǎn)。陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院施行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改造后，明顯提高了網(wǎng)絡(luò)性能，提升了網(wǎng)絡(luò)訪問速度，充分發(fā)揮校園網(wǎng)的作用，為校園網(wǎng)系統(tǒng)改造與優(yōu)化提供了一種可借鑒的方案。

[1] Agueda Sofia Monteiro Tavares.大學(xué)校園網(wǎng)架構(gòu)[D].重慶：重慶大學(xué)，2011：98—100.

[2] 申繼年，邱家學(xué).校園網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)的比較與分析 三層交換架構(gòu)vs扁平純路由架構(gòu)[J].中國教育網(wǎng)絡(luò)，2012(1)：46—47.

[3] 吳乃忠.基于扁平化架構(gòu)的下一代高校校園網(wǎng)的建設(shè)研究[J].電子世界，2012(18)：30—31.

(責(zé)任編輯：竇靜)

The paper takes the campus net optimization and improvement project in Shaanxi Polytechnic Institute as an example. Based on the need of the campus network, by applying the flattening big two network skeletons to the transformation of the network in students apartment and the faculty family area, the mixing network structure of campus net flattening and three network coexisting is formed. Thus, one effective campus network structure optimization plan is developed.

network structure; flattening; network optimization; campus network

2015—02—12

郝平(1981—)，男，陜西咸陽人，陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、虛擬技術(shù)等。

TP393.02；TP393.18

A

1672—9536(2015)01—0004—05