一種MPLSVPN的分散校區(qū)圖書館教育網(wǎng)組建模型

王廣澤+汪鵬+羅智勇+劉嘉輝

摘 要：針對大部分“院校合并”的高校都存在校區(qū)分散，原有的圖書館教育資源網(wǎng)絡(luò)具有整合困難以及外出師生使用教學(xué)資源不方便等問題，本文提出了使用多協(xié)議標簽交換虛擬專用網(wǎng)（MPLS VPN）技術(shù)來整合多校區(qū)圖書館教育資源網(wǎng)的方法。通過在圖書館教育子網(wǎng)之間建立安全隧道，MPLS VPN保證了數(shù)據(jù)的安全傳輸，從而達到資源整合、優(yōu)化與共享的目的，實現(xiàn)了圖書館電子教學(xué)業(yè)務(wù)的專網(wǎng)專用。實驗數(shù)據(jù)表明，這種模型具有較傳統(tǒng)VPN組網(wǎng)方式更強的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：多協(xié)議標簽交換虛擬專用網(wǎng)；遠程訪問；專網(wǎng)構(gòu)建；多校區(qū)；圖書館

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.006

中圖分類號： TP393.1

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）03-0031-05

Abstract：For the problems of most merged schools that it is difficulty to integrate the original library education resources network due to scattered campus， and it is inconvenient to use teaching resources for outwork teachers and students， this paper puts forward the technology of using multi-protocol label switching virtual private network （MPLS VPN） to integrate education resources in multi-campus library. Through setting up security tunnel between the library education subnet， MPLS VPN ensure the safety of data transmission， so as achieve the goal of resource integration， optimization and share， implements the exclusive use for the electronic teaching business of library. Experimental data show that this model has advantages compared with traditional VPN networking.

Keywords：MPLS VPN；remote access；special network construction；multicampus；library

0 引 言

多校區(qū)高校圖書館電子資源教育具部門分散、教學(xué)科研資源種類繁多和資源使用者層次及數(shù)量眾多等特點[1]。如何保證多校區(qū)高校圖書館電子資源教育順利開展，是整合現(xiàn)有多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)需考慮的核心需求。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展產(chǎn)生了許多網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，虛擬專用網(wǎng)（VPN）技術(shù)[2]也是其中的一種，尤其是近些年出現(xiàn)的MPLS VPN技術(shù)，更為整合多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)提供了參考。所謂VPN（虛擬專用網(wǎng)）是一種通過加密、認證、隧道協(xié)議等技術(shù)，在公用網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)安全專用通信的網(wǎng)絡(luò)。將VPN技術(shù)應(yīng)用到高校多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)的整合中，既可實現(xiàn)連網(wǎng)的核心需求，又可保證通信安全和降低用戶的訪問費用，拓展了教育網(wǎng)的使用范圍。然而，傳統(tǒng)的VPN網(wǎng)絡(luò)存在組網(wǎng)復(fù)雜、管理維護繁瑣和不宜擴展等問題，將先進的多協(xié)議標簽交換 （MPLS）技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有的VPN網(wǎng)絡(luò)中便可以解決這些問題，更好地實現(xiàn)了多校區(qū)圖書館電子資源教育資源網(wǎng)的融合，這也必將在圖書館電子資源教育中發(fā)揮重要的作用[3]。

1 現(xiàn)有多校區(qū)圖書館教育資源網(wǎng)組建模型分析

實現(xiàn)多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)整合大多采用兩種傳統(tǒng)的實現(xiàn)模型，然而這兩種模型存在很多問題，無法真正實現(xiàn)電子資源教育網(wǎng)的真正整合[4]：

1）使用IPSec VPN（IP安全策略虛擬專用網(wǎng)）技術(shù)實現(xiàn)多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)互聯(lián)，如圖1所示。采用這種形式的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，為了穿越不可信任的Internet網(wǎng)就必須采用數(shù)據(jù)加密、隧道和身份認證等方式來防止傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被篡改、丟失和假冒，因而會產(chǎn)生組網(wǎng)成本高、可拓展性差等缺點[5]。使用IPSec VPN構(gòu)建的多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)雖然通過隧道技術(shù)形成專網(wǎng)從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)隔離，但由于圖書館電子資源教育專網(wǎng)并不擁有自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此這樣的網(wǎng)絡(luò)保密性、安全性和可靠性都很難保證，同時還會帶來維護和管理困難等問題[6]。另外，各分教學(xué)部不但要安裝專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及認證軟件，還要負責(zé)繁瑣的IPSec VPN維護工作。這些都不可避免地導(dǎo)致學(xué)員教育業(yè)務(wù)傳輸速率的緩慢，無法提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)服務(wù)[7]。

2）多校區(qū)各部門子網(wǎng)與校園骨干網(wǎng)直聯(lián)，如圖2所示。由于受到原有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳輸介質(zhì)等多方面的限制，各校區(qū)圖書館教學(xué)部門的業(yè)務(wù)大多與非教學(xué)活動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)資源[8]。顯然，這種直接聯(lián)網(wǎng)模式使得多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)如同一個缺乏安全管理的公用網(wǎng)，時常發(fā)生網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒泛濫、QoS效果差、P2P軟件占用帶寬等故障[9]，這些都有可能對圖書館電子資源教育網(wǎng)的運營造成致命打擊。

傳統(tǒng)實現(xiàn)多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)整合的技術(shù)都有缺點[10]：圖1所示的隧道聯(lián)網(wǎng)技術(shù)只是簡單的擴展了網(wǎng)絡(luò)范圍，無法真正做到準確的區(qū)分圖書館電子資源教育業(yè)務(wù)；圖2所示的直接聯(lián)網(wǎng)模式雖然能整合各校區(qū)圖書館為一個統(tǒng)一的電子資源教育網(wǎng)，但無法做到各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全訪問。因此，傳統(tǒng)技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)模式均未能實現(xiàn)多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)所要求的“多網(wǎng)整合”和“安全隔離”的需求[11-12]。

2 MPLS VPN在多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)中的應(yīng)用

MPLS VPN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，它是一種結(jié)合MPLS的第二層和第三層交換技術(shù)，并通過在IP數(shù)據(jù)包中指定的標簽，從而在公網(wǎng)中組建用戶自己的虛擬專用網(wǎng)[13-14]。在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中，路由器主要有三種：CR核心路由器、PER服務(wù)提供商邊緣路由器、ER用戶邊緣路由器。路由器CR主要負責(zé)VPN分組外層標簽的數(shù)據(jù)交換；路由器PER主要負責(zé)綁定或去除VPN用戶數(shù)據(jù)包中的標記；路由器ER主要負責(zé)將收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端和將客戶端的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器PER。

如何實現(xiàn)基于MPLS VPN技術(shù)的多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)各分網(wǎng)的融合以及與非圖書館教育業(yè)務(wù)的隔離，是本文主要考慮的重點。對圖3，課題組作如下規(guī)劃：令路由器CR為校園骨干網(wǎng)的核心設(shè)備，該設(shè)備不提供VPN路由功能，而是負責(zé)骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)的路由和數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)；令路由器PER為與校園骨干網(wǎng)路由器CR相連接的中間網(wǎng)匯聚路由交換設(shè)備，主要負責(zé)完成與子網(wǎng)ER路由器的連接，并維護各圖書館教育點VPN分網(wǎng)的用戶信息；令路由器ER為各校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)與校園網(wǎng)中間網(wǎng)路由器PER相連的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分散在各圖書館電子資源教育網(wǎng)絡(luò)中，對于VPN網(wǎng)絡(luò)而言，ER是完全透明的。通過上述規(guī)劃，課題組建立了一個組建多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)融合的結(jié)構(gòu)模型。

在該結(jié)構(gòu)模型中，由路由器CR完成對圖書館電子資源教育網(wǎng)最外層數(shù)據(jù)標簽的交換工作；由路由器PER負責(zé)存放圖書館電子資源教育網(wǎng)的VRF路由表和骨干網(wǎng)的全局路由表；由路由器ER負責(zé)連接需要加入MPLS VPN專網(wǎng)的各校區(qū)圖書館電子資源教育子網(wǎng)。該模型的運營主要是使用了MPLS VPN的VRF和MPLS這兩個關(guān)鍵技術(shù)，其中VRF技術(shù)確保了虛擬專用網(wǎng)的建立，而標簽轉(zhuǎn)發(fā)MPLS技術(shù)確保了各虛擬專網(wǎng)數(shù)據(jù)的路由送達。就多校區(qū)圖書館電子資源教育網(wǎng)而言，通過設(shè)置不同的圖書館電子資源教育部門VRF，即可實現(xiàn)在路由器PER上傳輸隔離于其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。另一方面，隨著圖書館電子資源教育業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的到達，校園骨干網(wǎng)路由器CR將在MPLS標簽的引導(dǎo)和交換下，實現(xiàn)各分校區(qū)圖書館電子資源教育子網(wǎng)ER設(shè)備之間的連接，從而構(gòu)成專網(wǎng)路由并完成數(shù)據(jù)的相互送達。這樣，該組網(wǎng)模型既實現(xiàn)了圖書館電子資源教育業(yè)務(wù)與非圖書館電子資源教育業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)隔離，又實現(xiàn)了各校區(qū)圖書館電子資源教育子網(wǎng)之間的融合。

3 多校區(qū)圖書館電子資源教育MPLS VPN網(wǎng)模型實現(xiàn)

課題組所在大學(xué)的圖書館不僅擁有豐富的電子教學(xué)文檔和課件，而且還擁有大量的教學(xué)視頻資源，各分圖書館部門分別坐落于相距9km～20km的主校區(qū)（西區(qū)）、南崗校區(qū)（南區(qū)）、香坊校區(qū)（東區(qū)）和江北校區(qū)（北區(qū)）4個哈爾濱市教學(xué)點[15][16]。此外，學(xué)校還于2004年左右興辦了山東榮成分校區(qū)，增加了該校區(qū)的圖書館部門。目前，學(xué)校圖書館電子資源教育網(wǎng)有其獨立的信息資源服務(wù)體系，其數(shù)據(jù)庫主要由自建數(shù)據(jù)庫、本地數(shù)據(jù)庫和遠程數(shù)據(jù)庫組成[17]。訪問學(xué)校圖書館的各類業(yè)務(wù)很多，包括：傳統(tǒng)的圖書管理系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、科研成果管理系統(tǒng)和電子資源教學(xué)系統(tǒng)等。這些業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包混合在一起，共享學(xué)校各校區(qū)的電子資源教育網(wǎng)。然而，將5個校區(qū)圖書館電子資源教育子網(wǎng)采用傳統(tǒng)的IP Sec VPN和SSL VPN方式的技術(shù)整合成一個專網(wǎng)后，卻時常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸效率低且速度等現(xiàn)象，尤其是使用圖書館電子資源教育網(wǎng)的學(xué)生數(shù)過多的時候，系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量嚴重降低。改造前學(xué)校圖書館電子資源教育網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示：

通過研究發(fā)現(xiàn)，圖4所示的圖書館電子資源教育網(wǎng)是一個多校區(qū)分布且各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)混合通過的虛擬校園網(wǎng)。這樣的網(wǎng)絡(luò)各種數(shù)據(jù)易受干擾，且任何一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障都會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的崩潰。因此，構(gòu)建新型的虛擬專用網(wǎng)是解決這些問題的最佳途徑[18]。

在經(jīng)過多方面調(diào)查研究后，學(xué)校圖書館電子資源教育網(wǎng)采用了MPLS VPN進行改造和組建。改造后學(xué)校圖書館電子資源教育網(wǎng)模型如圖5所示：

圖5所示整合后的圖書館電子資源教育網(wǎng)各核心路由器的型號為ZXP 10 T40G以上，都支持MPLS、MPBGP和OSPF協(xié)議，它們與核心路由器CR一起構(gòu)成虛擬專用網(wǎng)的骨干路由，負責(zé)各校區(qū)圖書館電子資源教育業(yè)務(wù)的交換工作；各分校區(qū)圖書館的各個部門通過用戶邊緣路由器ER與他們的核心路由器PER相連，完成具體教育資源業(yè)務(wù)的交換工作。

在各類路由器的配置中，為確保各分校區(qū)圖書館電子資源教育業(yè)務(wù)的相互交換，應(yīng)正確配置服務(wù)提供商邊緣路由器PER中的VRF表，每個VRP表中RT屬性應(yīng)根據(jù)各校區(qū)在整個虛擬專用網(wǎng)的位置特點進行制定[19-20]。將5個PER路由器與各校區(qū)的VPN客戶端相連，確保了該路由器包含它們所對應(yīng)的VRF表。

1）各核心路由器PER之間策略的設(shè)置。由于路由器PER在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中的位置，導(dǎo)致這些路由器必須支持運行MPBGP協(xié)議。又由于這些核心路由器應(yīng)支持MPLS VPN技術(shù)，所以PER路由器還應(yīng)支持MPLS協(xié)議。路由器PER應(yīng)完成將ER路由器傳來的數(shù)據(jù)進行MPLS協(xié)議的格式標簽的封裝和轉(zhuǎn)換，使各分校區(qū)圖書館各類業(yè)務(wù)順利的通過因特網(wǎng)。

2）核心路由器PER和邊緣路由器ER之間策略的設(shè)置。由于兩類路由器都負責(zé)不同的功能，因此它們的策略應(yīng)既要考慮各校區(qū)圖書館具體的工作情況，又要考慮如何在因特網(wǎng)中建立虛擬專用網(wǎng)的實現(xiàn)情況。為此，要求邊緣路由器ER既要運行外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議MPBGP協(xié)議進行外網(wǎng)靜態(tài)策略的路由，又要運行內(nèi)部網(wǎng)關(guān)RIP協(xié)議或OSPF協(xié)議進行內(nèi)網(wǎng)動態(tài)策略的路由。此外，為支持MPLS VPN技術(shù)，邊緣路由器ER還應(yīng)運行MPLS協(xié)議。

3）圖書館電子資源教育網(wǎng)各類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)區(qū)分策略的設(shè)置。根據(jù)學(xué)校圖書館業(yè)務(wù)特點，將它們分為：圖書管理業(yè)務(wù)、科研成果管理業(yè)務(wù)、辦公管理業(yè)務(wù)、電子資源教學(xué)業(yè)務(wù)和其它業(yè)務(wù)5類。每類業(yè)務(wù)被賦予不同的MPLS VPN名稱，根據(jù)ISP提供的獨立系統(tǒng)號200設(shè)置相應(yīng)的RD值，命名各路由中VRF表名和RT屬性值，其具體參數(shù)設(shè)置如表1所示，其中import命令用于策略的導(dǎo)入，export命令用于策略的導(dǎo)出。

4）各類路由器VRF屬性參數(shù)策略的設(shè)置。各類路由器VRF表中的RT屬性值應(yīng)根據(jù)路由器自身的特點進行設(shè)定，通過import命令導(dǎo)入到相應(yīng)路由器成為路由策略。可根據(jù)表1所示的圖書館電子資源教育網(wǎng)各參數(shù)的特點進行制定RT屬性值。

4 MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)性能測試

在完成各個校區(qū)圖書館的網(wǎng)絡(luò)融合之后，課題組對融合后的教育資源網(wǎng)做了如下測試。

1）MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)測試：課題組選用了軟件測試工具Loadrunner，并在1秒鐘內(nèi)以測試10次為一個周期，得出組建的MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)模型的最大連接數(shù)規(guī)律如圖6所示。

經(jīng)分析，融合后的MPLS VPN圖書館教育資源網(wǎng)最大連接數(shù)約為600，可滿足應(yīng)用需求。

2）MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)吞吐量測試：課題組選用Windows XP操作系統(tǒng)的PC機，并選用通信速率為10MB/S的普通網(wǎng)卡，測試數(shù)據(jù)塊的大小為110088018Byte，對多校區(qū)圖書館教育資源網(wǎng)在改造前傳統(tǒng)的IPSec VPN和SSL VPN模式下和改造后MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)的吞吐量進行了測試，測試結(jié)果如圖7所示。

結(jié)合圖7所示的實驗結(jié)果可知，傳輸測試數(shù)據(jù)所用的平均時間傳統(tǒng)SSL VPN用了270.8秒，傳統(tǒng)IPSec VPN用了174.8秒，改造后MPLS VPN用了144秒。因此，傳統(tǒng)SSL VPN的吞吐量是397KB/s；傳統(tǒng)IPSec VPN的吞吐量是615.03KB/s；改造后MPLS VPN的吞吐量是746.58KB/s；可滿足多校區(qū)圖書館教育資源網(wǎng)通信的需求。

5 結(jié) 語

MPLS VPN技術(shù)以其獨有的優(yōu)勢，特別適合多校區(qū)圖書館教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)的整合，尤其是高校圖書館教育資源網(wǎng)的融合。我校圖書館教學(xué)資源網(wǎng)的改造，在沒有增加額外的VPN設(shè)備的前提下，通過充分發(fā)揮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能，很好的實現(xiàn)了四個校區(qū)圖書館子網(wǎng)的融合，并成功的隔離了非圖書館業(yè)務(wù)的訪問，同時這種網(wǎng)絡(luò)具有更強的可擴充性?？梢灶A(yù)見，MPLS VPN技術(shù)必將廣泛地用于多網(wǎng)融合，也必將擁有更為廣闊的發(fā)展空間。

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（編輯：王 萍）