計算機網絡規劃及實現研究

摘 要:伴隨通信技術和計算機技術的不斷進步，計算機網絡結構的選擇影響著整個網絡的運行效率、可靠性和安全性能。層次化網絡規劃在計算機網絡結構規劃中和以往非層次化網絡的規劃比較，不斷顯現其優越性。這里就網絡規劃做出細致分析并根據現有設備情況提出具體實施方案，為更好地利用網絡提供幫助。關鍵詞:網絡結構; 層次化模型; 網絡規劃; 路由器

中圖分類號:TN911-34; TP39302文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0091-03

Planning and Implementation of Computer Network

CAO Shu-hua

(Information Engineering Institute， Chang′an University， Xi’an 710064， China)

Abstract: With the development of the communication as well as the computer technology， the choice of the computer′s network structure influences the efficiency， reliability and safety of the network. There are more advantages in the gradation structure network design than the structure used before， it is also the design tendency of the modern network structure. The analysis on the network planning and the concrete implementation plan according to the existing equipment situation are proposed for helping to use the network better.Keywords: network structure; gradation structure network; network planning; router

0 引 言

以往計算機網絡的連接方式主要是由網絡設備和通信電纜的選擇決定的，并沒有刻意規劃網絡的結構模型。隨著新型設備的開發和廣泛使用，計算機網絡中由于結構不同而出現性能的差異逐步顯現，由此而產生了對網絡結構規劃的問題[1]。

通常計算機網絡的規劃模型主要分為層次化模型和非層次化模型兩種。層次化的網絡還可以根據不同的模塊進行不同的管理。由于網絡的規劃人員可以很方便地識別出網絡的邊界，因此也可以幫助隔離可能的故障點。層次化的網絡可以為每一層次購買相應的設備，不必為某一特定層次購買額外的特性，這樣大大的降低了網絡的規劃費用。同時，使用層次化的網絡規劃可以精確的規劃每一層的網絡流量，從而減少不必要的帶寬的浪費。非層次化網絡由于CPU要承擔大量的路由器之間相互通告狀態的狀態報告，加重了CPU的負載。同時，由于沒有適當的規劃，網絡最終會發展成為非結構的形式，因此，網絡也會引起CPU的過度連接。這樣，當網絡設備之間相互通信時，設備上的CPU必然承受相當重的負載。不利于網絡的運行和發展。

經過層次化規劃的網絡在使用過程中由于各方面的優良表現必將成為未來網絡架構的方向[2-3]。

1 層次化網絡的規劃

層次化規劃將網絡分為接入層、轉接層和中心層。

1.1 接入層的規劃

接入層集中在OSI參考模型中的應用層、表示層、會話層和傳輸層協議。

接入層是客戶接入的集中點。具體來說在局域網環境中，接入層共享局域網、接入設備與工作站和服務器可用端口。在廣域網環境中，接入層可通過一些廣域網技術將站點接入公司網絡，這些技術包括公共交換電話網、幀中繼、異步傳輸模式、綜合業務數字網、租用線，以及傳統電話線和同軸電纜上的數字用戶線。

在接入層中優化二層交換和三層交換的規劃可以提高接入層的性能:

(1) 使用二層交換。可使用VLAN對交換局域網進行子網劃分;還可使用共享媒介局域網或交換媒介局域網接入到本地工作站和服務器。每個網絡是一個單一的廣播域。單一廣播域的缺點是當任何主機發送大量廣播時，它將阻塞整個網段。該段也是單一的生成樹域，所以任何鏈路出故障將會導致網絡該部分嚴重中斷。

(2) 使用三層交換。對于遠程用戶最常見的是使用路由器。第三層交換機或路由器是廣播域的邊界，用在廣播域間通信。接入路由器使用多種與第三層功能相結合的廣域網技術為遠程辦公環境提供接入，這些第三層功能包括路由傳播、分組過濾、認證、安全性、服務質量等。這些技術使網絡最優化以滿足特定用戶的需求[4]。

1.2 網絡轉接層的規劃思想

轉接層根據接入層提供的信息，做出基于策略的連接決策，這些決策是OSI參考模型傳輸層與網絡層交互的關鍵。轉接層的功能主要是連接接入層和中心層。因此轉接層代表接入層與中心層間的連接點。轉接層設備可以控制對中心層可用資源的訪問，因此必須有效地使用帶寬，轉接層通過將多條低速接入鏈路匯聚成一條高速核心鏈路并使用第二層、第三層交換的組合劃分工作組來匯聚帶寬，同時隔離網絡問題以免影響中心層。該層為接入設備提供冗余連接。冗余連接還可以平衡設備間的負載。

具體來說轉接層的功能有:第一，表示接入層和中心層間的路由選擇邊界;第二，允許中心層在保持多個連接站點的同時保持高性能。為了保持核心中的高性能，轉接層可能在帶寬密集型接入層路由，選擇協議和最優化路由選擇協議間重新分配，因而，轉接層可總結來自接入層的路由以提高路由選擇協議性能，而且對有些網絡，轉接層為接入層路由器提供了一條默認路由并且僅在與核心路由通信時才運行動態路由選擇協議。此外，轉接層將網絡服務連接到接入層，實現安全性、業務負載以及路由選擇方面的策略[5]。

1.3 網絡中心層的規劃思想

中心層的目標是用最少的設備提供最快的傳輸服務。首先，中心層是整個網絡的高速骨干中心，應規劃使其盡可能快地交換分組，以使網絡中的通信傳輸達到最佳。其次，鏈接性對中心層來說很關鍵，因此中心層設備需要提供最大的可用性和可靠性。容錯網絡規劃減少了故障對網絡連接性的影響。核心必須能通過重新路由選擇業務并快速響應網絡拓撲變化來處理故障。中心層必須提供高度冗余。建議提供完全連接，同時至少需要一個連接性很好的部分互連網絡，使它具有來自各設備的多條路徑。中心層不應執行任何分組處理，例如檢查訪問表以及過濾，這些將降低分組交換速度。最后，中心層必須易于管理。核心設備必須能夠實現可擴展協議和技術，被選路徑，以及負載平衡。

因此可以對中心層做出如下的一些規劃選擇:

(1) 由于中心層是整個網絡的高速骨干中心、所有流量的最終承受者和轉接者，所以對其設備的性能要求十分嚴格，所選的設備必須能夠達到網絡所要求的平均流量、峰值流量等要求;又由于中心層設備可用性和可靠性對整個網絡的影響很大，所以鏈接性對中心層來說很關鍵，因此為了提供最大限度的可靠性、可用性，應當采用多臺計算機共同分擔信息流量構成一個服務器群，這樣不僅減輕每臺計算機的負擔，而且提高可靠性。

(2) 在中心層，還有一個不可忽視的問題必須解決，那就是網絡出口的安全性問題。在出口處架設防火墻，可以杜絕一部分網絡攻擊，提高整個網絡的安全性，尤其是在公網的出口處更要提高警惕，增強防范[6-8]。

2 層次化網絡的實現方法

為了滿足網絡規劃的要求，中心層是全網的中心，承擔著傳輸全網數據的任務，因而可選擇性能較高、處理能力較強的設備。轉接層是中心層和接入層的橋梁，但其所承擔的負載不高，所以可選擇性能稍差的設備。

2.1 網絡接入層的實現

在實現網絡的接入層時，需要考慮下列的一些問題:第一，配線柜需要多少用戶或主機端口，將來需要多少，交換機是否應該支持固定或模塊化的配置;第二，配線柜當前什么線纜可用，上行鏈路的連接性有哪些布線選擇;第三，節點需要什么樣的第二層性能，需要什么樣的冗余級別;第四，連接到轉接層交換機的鏈路所需的容量是多少;第五，是否還需要其他的功能，如端口安全性、組播業務管理等。

根據以上問題，可以具體根據需要規劃滿足接入層用戶需求的設備。通過基本網絡智能服務和商業應用的支持，接入層應保持傳統局域網交換的簡單性。

本文以一所具有上萬接入點的大學校園網為例。接入層交換機采用可堆疊交換機 Quidway S3050，Quidway S3026E。采用以下兩種相結合的方式:一種是每臺交換機配置一個千兆單模光纖模塊，采用單模光纖接入到匯聚交換機上以 1 000 Mb/s速率通信;另一種是每個堆疊組接入交換機配置2個千兆單模光纖模塊，直接與中心的核心交換機連接，實現鏈路冗余。每臺交換機可提供48個或24個10/100M RJ45 端口，供各信息點接入。

2.2 網絡轉接層的實現

轉接層聚會接入層，同時集合使用二層、三層交換來分割工作組并將網段從故障和廣播風暴中隔離，該層實現了許多基于接入列表設置的策略。轉接層通過實現所有策略可以達到保護中心層的目的，所以轉接層是接入層和中心層的橋梁。

有關轉接層實現的一個最常見的問題是二層交換機是否夠用，還是必須部署三層交換機。解決方法是:第一，轉接層交換機處理多少用戶;第二，需要什么樣的冗余類型和級別;第三，隨著智能網絡服務的引入，網絡是否仍能為視頻點播、IP組播、IP電話等應用提供高性能的服務。

同時，必須特別注意以下的網絡特性:第一，性能，轉接層的交換機的所有端口應能提供線速度性能。此功能很重要，一方面由于接入層的匯聚，另一方面由于中心層的高速連接。如果選擇不合理，未來的端口或模塊規模的擴大可能導致交換機過載;第二，智能網絡服務，分布交換機不僅支持第二層、第三層快速交換，還應加入智能網絡服務，例如高可用性、安全性，以及各種策略的執行;第三，可管理性和可擴展性，擴展或重新配置轉接層的設備必須很容易且有效，這些設備必須支持所需的管理功能。

根據分析知道轉接層的功能主要起到了連接和屏蔽的作用，所以選則的設備配置比中心層稍低。可采用Quidway S6506交換機，其采用ASIC芯片進行高速路由查找，并通過Crossbar技術進行高速報文交換。Crossbar交換網芯片可提供高達768 Gb/s的交換容量，支持 3個高速業務插槽且主控板可直接提供4個GE接口。

系統采用分布式結構，S6506R支持雙主控板， 接口板通過多個10 Gb/s總線分別連到兩塊主控板上的Crossbar交換網，從而實現真正的雙主控、雙交換網的熱備份。所有單板支持熱插拔，電源系統采用N+1冗余熱備份，支持STP/RSTP/MSTP協議和VRRP協議，能夠滿足苛刻的電信級網絡可靠性要求。最大程度地保護了中心層的安全性和穩定性。

2.3 網絡中心層的實現

中心層交換機減少了轉接層交換機間的連接數量，同時簡化了網絡模塊的規劃，中心層交換機是二層、三層交換機，它們主要集中于所有接口的線速度轉發。核心交換機通過單位端口達到的性能而非端口的密度來劃分。在進行核心骨干網規劃時，所要解決的首要問題是交換機制，然后是整個中心層的規劃，其他需要考慮的問題還包括以下幾個方面:第一，中心層中二層、三層交換機所需的性能;第二，用于分布匯聚以及連接服務器站或分布邊緣等其他模塊的大容量端口的數量;第三，冗余要求，為了提供足夠的冗余，必須至少分別部署兩臺交換機。

根據以上的原理，在中心層目前可選用Quidway S8512萬兆交換機，采用全分布式體系結構設計，采用功能強大的ASIC芯片進行高速路由查找，并通過Crossbar技術進行高速報文交換，從而大大提升了路由交換機的轉發性能和擴充能力。Crossbar交換網芯片內置于主控板，最高可以提供高達1.8 Tb/s背板帶寬、1.44 Tb/s交換容量、864 Mp/s轉發能力。并可以通過軟件設置工作在主備或負荷分擔方式。接口板通過多條高速總線分別連到兩塊主控板上的Crossbar交換網，實現雙主控、雙交換網的熱備份。這樣就可以提供最大程度的安全性、可靠性[9-10]。

3 結 語

計算機網絡組建技術由于計算機網絡的迅速普及而得到迅猛發展。但在組建計算機網絡時常常忽略網絡的性能。對網絡系統不進行必要的規劃，簡單認為只要用傳輸介質將計算機連接在一起就行了。這樣組建網絡的結果使網絡硬件系統、操作系統及管理系統間不能完全協調，網絡可擴展性差，或者不立足企業實際需求，盲目追求組網技術的高、新、難，往往造成投資浪費、資源閑置。網絡的組建應該遵循“強調規劃、重視具體規劃，采用合適的層次化規劃，結構化布線方式”的基本原則，才能建設功能完備、擴展方便、系統安全的經濟適用的計算機網絡系統。

參考文獻

[1]史忠植.高級計算機網絡[M].北京:電子工業出版社，2003.

[2]李宏力.計算機網絡綜合布線系統[M].北京:清華大學出版社，2003.

[3]趙保華.校園網絡層次化安全研究與部署[J].西南民族大學學報:自然科學版，2008(6):1264-1268.

[4]TANENBAUM Andrew S.計算機網絡[M].北京:清華大學出版社，2004.

[5]王能.計算機網絡原理[M].北京:電子工業出版社，2002.

[6]秦健勇，孫杰.淺析校園網建設中存在的問題[J].科技信息，2007(21):551-553.

[7]林俊杰.校園網的規劃與建設[J].湖北師范學院學報:自然科學版，2007，27(3):76-78，114.

[8]孫啟智.校園網的設計與架構[J].棗莊師范專科學校學報，2004，21(2):71-74.

[9]襲建勛.綜合布線系統設計要領[J].科技資訊，2006(18):16.

[10]王延通.淺談綜合布線實驗室的建設[J].科技信息，2007(14):81.