网络体系结构

随着人们对教育的不断关注，国家对教育的不断重视，社会对教育的不断推动，学校正承受着前所未有的巨大压力。这种压力加快了学校寻找更多的方法和机会改进并完善自身教学管理的步伐。信息化建设已成为深化教育改革、推进素质教育的重要手段，为改进和完善教学管理提供了必不可少的基础平台。当前，整个教育领域都在进行着信息化的建设，都在为培养有信息素质和创造精神的新人做着努力。但是人人都知道信息传输的架构是信息化的基础，它与实际的应用有着密不可分的关系。因此3Com根据长期的网络建设经验，并结合与国内众多学校十多年的实际合作和亲身体验，以“区分应用，按需求建网”作为校园信息化建设的前提。 根据《教育管理信息化标准》的要求，校园网的总体建设目标包括: 教学现代化 管理科学化 学习自主化 校园信息资源共享化和信息国际化 通过使用现代化的技术设备及网络软件资源，更新教育观念，改变传统的教育教学模式和学习方式，从而最大限度地提高教学管理水平和教学质量。 教育技术是关于学习资源和学习过程的设计、开发、利用、管理和评价等五个方面的理论与实践。现代校园网络作为现代教育技术的载体，既有一般网络设计的特点，又有着其特殊性。除了一般网络所必需的可靠性、稳定性和安全性等条件外，在校园网具体建设时，还应该考虑其带宽的特殊性 (VOD等需要高带宽) 以及QoS保证等。此外，由于学校特别是普教系统受到资金上的限制，如何预留扩展空间和进行投资保护，以满足信息量的增长和变化需要，也成为校园网络建设过程中需要考虑的重要因素。 现代校园网络为了满足现代校园信息化建设的要求，不仅要完成信息的高速传递，同时还要实现信息准确有效的传递。 数据、文本、图形、图像、视频和音频是现代校园网中主要的信息传播形式。为了满足大量数据信息的快速、高效传递，校园网建设以多层交换为主。二层交换可以在不需要进行数据类型分析和路由处理的一些节点上使用，但是由于节点所产生的广播信息，因此建议采用具有虚拟网设置功能的交换机。这样通过虚拟网的建立，广播信息可以被有效地分隔在有限的范围内，如部门内或网段内。 三层交换可以为虚拟网间或不同的网段提供连接和路由选择功能。第3层交换机控制着高性能的局域网传输，并且可以经济有效地代替路由器。三层交换是基于硬件的包转发技术，并且所有包转发都由ASIC芯片处理完成。第3 层交换机实际上与传统的路由器在功能上没有什么区别，并且做着同样的工作。 由于丰富多媒体课件被大量采用，多媒体教学系统已经成为当前校园网建设中的基本组成部分。在这些系统的连接点上，甚至是在端到端的跨主干网连接上，所有多媒体数据对带宽的需求都是巨大的，因此在有足够的总带宽保证的前提下，QoS的应用成为了高效传递重要数据、有效分配传输资源的手段。这就要求其所连接的交换机能够提供优秀的信息流传递分类和控制手段，不仅包括802.1p和DSCP等第2层上使用的方法，而且还要根据连接对象和应用类型这些只有在第3层和第4层上才能看到的信息对网络资源做出有效的管理。但是，要想做到“区分应用和连结对象”，没有可以识别“应用和连结对象”的交换机是不行的。一般情况下由于“应用类型和连结对象”的区分主要集中于第四层，因此选择具有四层信息识别功能的二层和三层交换机即可。而且由于二层交换机最接近应用的源点，因此配置具有四层信息识别功能的二层交换机可以从应用的端点既开始对信息流进行控制，达到有效传输各类数据的要求。 校园网中的应用灵活而多变，结合上述对交换机的应用需求和用户端的接入特点，我们采用全交换式星型网络连接，将校园网在逻辑上分为三个层次进行连接，即: 接入层 汇聚层 核心层 作为校园网的边缘，接入层直接面对各个信息节点的接入，它控制着用户和工作组对校园网络资源的访问。这一层应当包括下列功能: 到汇聚层的工作组连接 建立单独的冲突域 (分段) 提供灵活的用户接入及扩展 在校园网中，核心层和汇聚层形成了网络的主干。校园网主干将为整个校园提供信息资源和应用的核心: 教学/科研管理及办公自动化 教学资源，如可视开发与应用、电子图书馆、科研论文档案等 远程教育 互联网接入 校园网是大型的园区网，其各院系办公/教学楼、教工宿舍、学生宿舍和校办企业或产业形成了主要的物理连接区域。基于这些楼宇建筑的功能、地理位置，我们可以将校园网分为若干“子网区域”，从而: 提高网络的总体性能 便于网络的管理 (如建立VLAN)，简化网络结构，提高网络配置的灵活性 便于故障的隔离，提高系统的可靠性 提高网络的安全性，提高抵抗黑客/病毒的能力 作为区域主干，汇聚层的主要功能是提供路由和过滤。并且在必要时，确定数据包如何通过核心层向其他汇聚点或外网进行传递。汇聚层必须确定用户请求和获得服务的最快途径 (例如，文件请求如何被转发到服务器)。在汇聚层确定了最佳途径后，用户请求将被转发到核心层。核心层随后负责将请求快速地传递到正确的服务处。 汇聚层是执行网络策略的地方。在这里，你可以对网络操作进行弹性很大的设计。通常，下列内容应该在汇聚层完成: 包括静态路由在内的路由协议之间的再分配 VLAN和其他工作组支持功能间的路由 定义广播和组播域 可以有选择地: 执行像访问列表、包过滤和排队这样的工具 执行安全和网络策略，包括地址翻译和防火墙 核心层位于校园网络的核心部位。它负责可靠而且快速地对大量的数据进行传递。核心层的惟一目的是尽可能快速地对数据进行交换。 如果核心层出现故障，每一个单独的用户都可能受到影响。因此，这一层上的容错是需要解决的问题。核心层很可能要处理大量的数据传输，因此速度和延迟成为我们需要关注的问题。 逻辑层次的划分为我们应用不同的设备提供了选择框架，必要时各层在物理设备上可以同时存在。下面我们综合校园网内的实际应用进行校园网的设计: 校园无线接入 宿舍区接入 Internet接入 IP规划及用户上网认证 IP数据语音系统的应用 网络流量控制与管理 网络安全 网络管理 基础教育城域网 电子办公/校长办公系统 电子备课 多媒体教学/网上教学 电子阅读/电子图书馆 公共机房 网管及信息中心 宿舍区接入 所谓宿舍接入网就是具体在每栋宿舍里将计算机网络连接到每间宿舍，并且还要与宿舍区汇聚层交换机连接，上联到校园网的骨干网。在校园网的建设中，与教学科研相比，它在运行环境、用户的需求和实际的应用上主要具有以下四个特点: 运行环境差、用户设备质量良莠不齐、接入设备端口密度高和应用丰富、网络负载重。 在宿舍区接入网中，采用交换式以太网可以满足宿舍接入网高吞吐量、高带宽和低延迟的要求，交换机上自适应的10/100Mbps端口可以满足用户接入的多样性要求。可以利用SuperStack 3 Switch 4226T、4228G、4250T为宿舍区桌面计算机提供连接。它们可以通过千兆端口或扩展卡与汇聚层交换机相连。但是这些交换机缺乏利用第4层信息对应用的分类和QoS保障能力，因此如果需要为宿舍区中的用户提供队列机制和QoS保障，仍然需要在宿舍区网络的接入层使用支持第4层交换技术的SuperStack 3 Switch 4400交换机，它可以利用优先权数据队列机制，在网 络中提供广泛的服务级别和服务质量 (CoS/QoS) 保障功能，保证那些最重要应用的数据比次重要应用数据获得更高的优先传输权。并且这些交换机可以混合使用，即保障了高速、多样的接入和一定密度的高效传递，又节省了建设和管理的资金投入。 这些接入层的交换机都具备DUD (Disconnect Unauthorized Device，拒绝非授权连接设备) 功能，可以动态地学习客户机的MAC地址，限制同一端口上客户机的连接数量，达到对接入用户的有效控制和过滤的要求。 在宿舍区网络的汇聚层上，丰富的应用和较重的网络负载对交换机的选择提出了较高的要求。我们建议采用 SuperStack 3 Switch 4900系列交换机或Switch 4050/4060交换机。在网络流量很大的情况下，不会形成“瓶颈”，对广播风暴、错误帧具有良好的抑制和过滤功能。结合VLAN的设置，它们可将广播信息限制在宿舍区内，不对整个校园网产生影响。并且利用XRN (可扩展的弹性网络技术) 技术可以在性能和容量上得到扩展的同时，提高系统的可靠性。 在下图中，宿舍区网络可以按照应用的需求进行设备的选择。 宿舍区网络接入 有些校园的宿舍区与校园网不在同一个地方，传统的拨号连接和DDN等广域网路由连接方式已经无法满足应用对带宽的需求。目前普遍采用光纤连接和宽带接入的方式为异地的宿舍区提供与校园网的接入。 无论是之间的直接连接还是通过运营商的间接接入，光纤的连接为应用高速的以太网连接 (如千兆以太网) 提供了方便。不同地方地域的差别、政令法规和施工条件的限制，使得许多校园网与异地宿舍区的连接仍然在采用宽带接入方式，如ISDN和xDSL技术。但是由于处于校园网的外部，安全问题显得尤为突出。与Internet接入所涉及的外网安全有所不同，它属于内网安全问题，在“网络安全”部分，将对具体的安全问题进行详细的讨论。 对于宽带接入方式，Cable/DSL Gateway为异地校园网的连接和安全保障提出了有益的建议。通过与一台Ca ble/ DSL调制解调器相连，3Com公司的Cable/DSL网关产品可同时为253个用户提供同步的Internet接入服务。它通过一条以太网线缆连接至当前的Cable或DSL调制解调器，其本身集成一个4端口的以太/快速以太网交换机。用户可直接通过这些端口进行连接，另外任何端口都可以用于连接现有的局域网。3Com公司的Cable/DSL网关利用路由器所具备的IP路由和保密性能来确保经济性和简单性。它使用标准的DHCP服务器将IP地址提供给用户，并采用网络地址转换 (NAT和PAT)，使公司内部用户不需采用公共IP地址即可上网，同时防止外部侵入。“黑客模式探测”功能可以防止本地网络遭到“拒绝服务”和其他常见的黑客侵袭。因此它可以使网络具备防范能力，防止大多数已知的恶意侵袭。 3Com公司的Cable/DSL网关可以在以太网上使用PPPoE技术，以确保在常见的基于DSL的ISP网络中可以进行简单的验证。它支持众多基于有线连接网络所使用的基本以太网选项。它使用流行的PPTP和IPSec来实现虚拟专用网的连接，可在采用虚拟专用网通讯的环境中使用。 Internet接入 校园网既为校内教学和科研、管理提供了统一的应用平台，同时又为与外部资源的连接提供了统一的接口。在与外部资源 (如Internet、Cernet) 的连接中，需要考虑以下四方面的内容: 丰富的接入能力方便内外资源的互访。同时提供与CERnet、Internet及公网的上连，即提高规模接入的能力。 提供相对高速高效的Internet访问。同时在提供高效的前提下降低对广域通讯资源的消耗，即改善流量控制的能力。 提供管理和计费等功能，即加强管理能力。 提供远程教育、教学资源共享的应用，即增加应用支持能力。 提高规模接入的能力。 校园网为教师、学生和管理者提供了查询、应用各种信息和资源的场所。由于信息和资源的局限性，Internet、 CERnet的接入为校园网与公网、校园网间的信息交互提供了承载通道。目前光纤、xDSL、DDN、微波是连接所采用的主要手段。光纤是大家都期望使用的连接途径，并且越来越多的运营商 (包括电信运营商) 都采取这种方便的连接方式，并利用以太网技术提供Internet、CERnet或公网的接入。因此在核心交换机上需要预留或增加一些以太网端口。但是由于各地方地域的差别、政令法规和施工条件的限制，不是所有的校园都可以通过光纤连接到Internet、 CERnet或公网，因此宽带接入 & xDSL、ISDN也是当前经常采用的连接方式。 改善流量控制能力: 基于以太网技术的宽带接入方式大大增加了对校园网出口带宽的访问流量压力。同时广域网及网站速度偏低的矛盾将更加突出。因此，在校园网Internet、CERnet或公网的接入设计上，可以采用3Com SuperStack 3 WebCache。它可以达到以下三个功能: 改善对信息的访问速度。 降低对出口，特别是对上一层主干网的带宽压力。降低费用 (如果是按流量计费的话)。 提供更强的流量控制能力。 增加应用支持能力: 建网的目的在于应用。校园网内的高速连接和信息的高度共享为各种教学活动提供了可靠的软硬件支持平台。任何人在任何时间，任何地点都可以学到任何想要学的东西。校园网与外界的灵活连接不仅为信息的交互提供了方便，而且还为各种异地的教学科研活动 (如远程教学) 提供了可能。因此校园网又成为了区域应用支持平台。它可以提供以面向教育的课件制作、存储、管理和发送等功能的应用平台，包括: 多媒体课件制作的素材库及课件数据库。 多媒体课件的制作平台。 课件的发放、交流管理和在线的播放/教学。 学生在线学习、考试及学分/学籍管理。