一種MPLSVPN的分散校區圖書館教育網組建模型

王廣澤+汪鵬+羅智勇+劉嘉輝

摘 要：針對大部分“院校合并”的高校都存在校區分散，原有的圖書館教育資源網絡具有整合困難以及外出師生使用教學資源不方便等問題，本文提出了使用多協議標簽交換虛擬專用網（MPLS VPN）技術來整合多校區圖書館教育資源網的方法。通過在圖書館教育子網之間建立安全隧道，MPLS VPN保證了數據的安全傳輸，從而達到資源整合、優化與共享的目的，實現了圖書館電子教學業務的專網專用。實驗數據表明，這種模型具有較傳統VPN組網方式更強的優越性。

關鍵詞：多協議標簽交換虛擬專用網；遠程訪問；專網構建；多校區；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

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

1 現有多校區圖書館教育資源網組建模型分析

實現多校區圖書館電子資源教育網整合大多采用兩種傳統的實現模型，然而這兩種模型存在很多問題，無法真正實現電子資源教育網的真正整合[4]：

1）使用IPSec VPN（IP安全策略虛擬專用網）技術實現多校區圖書館電子資源教育網互聯，如圖1所示。采用這種形式的網絡互聯，為了穿越不可信任的Internet網就必須采用數據加密、隧道和身份認證等方式來防止傳輸的數據被篡改、丟失和假冒，因而會產生組網成本高、可拓展性差等缺點[5]。使用IPSec VPN構建的多校區圖書館電子資源教育網雖然通過隧道技術形成專網從而實現了網絡隔離，但由于圖書館電子資源教育專網并不擁有自己的網絡設備，因此這樣的網絡保密性、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，各分教學部不但要安裝專用網絡設備及認證軟件，還要負責繁瑣的IPSec VPN維護工作。這些都不可避免地導致學員教育業務傳輸速率的緩慢，無法提供高質量的網絡教學服務[7]。

2）多校區各部門子網與校園骨干網直聯，如圖2所示。由于受到原有網絡設備和傳輸介質等多方面的限制，各校區圖書館教學部門的業務大多與非教學活動業務數據共享網絡資源[8]。顯然，這種直接聯網模式使得多校區圖書館電子資源教育網如同一個缺乏安全管理的公用網，時常發生網絡攻擊、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的運營造成致命打擊。

傳統實現多校區圖書館電子資源教育網整合的技術都有缺點[10]：圖1所示的隧道聯網技術只是簡單的擴展了網絡范圍，無法真正做到準確的區分圖書館電子資源教育業務；圖2所示的直接聯網模式雖然能整合各校區圖書館為一個統一的電子資源教育網，但無法做到各類業務數據的安全訪問。因此，傳統技術的聯網模式均未能實現多校區圖書館電子資源教育網所要求的“多網整合”和“安全隔離”的需求[11-12]。

2 MPLS VPN在多校區圖書館電子資源教育網中的應用

MPLS VPN的網絡結構模型如圖3所示，它是一種結合MPLS的第二層和第三層交換技術，并通過在IP數據包中指定的標簽，從而在公網中組建用戶自己的虛擬專用網[13-14]。在MPLS VPN網絡中，路由器主要有三種：CR核心路由器、PER服務提供商邊緣路由器、ER用戶邊緣路由器。路由器CR主要負責VPN分組外層標簽的數據交換；路由器PER主要負責綁定或去除VPN用戶數據包中的標記；路由器ER主要負責將收到的數據包轉發給客戶端和將客戶端的數據發送給路由器PER。

如何實現基于MPLS VPN技術的多校區圖書館電子資源教育網各分網的融合以及與非圖書館教育業務的隔離，是本文主要考慮的重點。對圖3，課題組作如下規劃：令路由器CR為校園骨干網的核心設備，該設備不提供VPN路由功能，而是負責骨干網業務的路由和數據的快速轉發；令路由器PER為與校園骨干網路由器CR相連接的中間網匯聚路由交換設備，主要負責完成與子網ER路由器的連接，并維護各圖書館教育點VPN分網的用戶信息；令路由器ER為各校區圖書館電子資源教育網與校園網中間網路由器PER相連的網絡設備，該網絡設備分散在各圖書館電子資源教育網絡中，對于VPN網絡而言，ER是完全透明的。通過上述規劃，課題組建立了一個組建多校區圖書館電子資源教育網融合的結構模型。

在該結構模型中，由路由器CR完成對圖書館電子資源教育網最外層數據標簽的交換工作；由路由器PER負責存放圖書館電子資源教育網的VRF路由表和骨干網的全局路由表；由路由器ER負責連接需要加入MPLS VPN專網的各校區圖書館電子資源教育子網。該模型的運營主要是使用了MPLS VPN的VRF和MPLS這兩個關鍵技術，其中VRF技術確保了虛擬專用網的建立，而標簽轉發MPLS技術確保了各虛擬專網數據的路由送達。就多校區圖書館電子資源教育網而言，通過設置不同的圖書館電子資源教育部門VRF，即可實現在路由器PER上傳輸隔離于其他業務系統的數據。另一方面，隨著圖書館電子資源教育業務數據的到達，校園骨干網路由器CR將在MPLS標簽的引導和交換下，實現各分校區圖書館電子資源教育子網ER設備之間的連接，從而構成專網路由并完成數據的相互送達。這樣，該組網模型既實現了圖書館電子資源教育業務與非圖書館電子資源教育業務之間的數據隔離，又實現了各校區圖書館電子資源教育子網之間的融合。

3 多校區圖書館電子資源教育MPLS VPN網模型實現

課題組所在大學的圖書館不僅擁有豐富的電子教學文檔和課件，而且還擁有大量的教學視頻資源，各分圖書館部門分別坐落于相距9km～20km的主校區（西區）、南崗校區（南區）、香坊校區（東區）和江北校區（北區）4個哈爾濱市教學點[15][16]。此外，學校還于2004年左右興辦了山東榮成分校區，增加了該校區的圖書館部門。目前，學校圖書館電子資源教育網有其獨立的信息資源服務體系，其數據庫主要由自建數據庫、本地數據庫和遠程數據庫組成[17]。訪問學校圖書館的各類業務很多，包括：傳統的圖書管理系統、辦公自動化系統、科研成果管理系統和電子資源教學系統等。這些業務的數據包混合在一起，共享學校各校區的電子資源教育網。然而，將5個校區圖書館電子資源教育子網采用傳統的IP Sec VPN和SSL VPN方式的技術整合成一個專網后，卻時常出現網絡運行不穩定、數據傳輸效率低且速度等現象，尤其是使用圖書館電子資源教育網的學生數過多的時候，系統的服務質量嚴重降低。改造前學校圖書館電子資源教育網結構模型如圖4所示：

通過研究發現，圖4所示的圖書館電子資源教育網是一個多校區分布且各種數據業務混合通過的虛擬校園網。這樣的網絡各種數據易受干擾，且任何一個網絡設備發生故障都會導致整個網絡的崩潰。因此，構建新型的虛擬專用網是解決這些問題的最佳途徑[18]。

在經過多方面調查研究后，學校圖書館電子資源教育網采用了MPLS VPN進行改造和組建。改造后學校圖書館電子資源教育網模型如圖5所示：

圖5所示整合后的圖書館電子資源教育網各核心路由器的型號為ZXP 10 T40G以上，都支持MPLS、MPBGP和OSPF協議，它們與核心路由器CR一起構成虛擬專用網的骨干路由，負責各校區圖書館電子資源教育業務的交換工作；各分校區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務的交換工作。

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

1）各核心路由器PER之間策略的設置。由于路由器PER在網絡拓撲結構中的位置，導致這些路由器必須支持運行MPBGP協議。又由于這些核心路由器應支持MPLS VPN技術，所以PER路由器還應支持MPLS協議。路由器PER應完成將ER路由器傳來的數據進行MPLS協議的格式標簽的封裝和轉換，使各分校區圖書館各類業務順利的通過因特網。

2）核心路由器PER和邊緣路由器ER之間策略的設置。由于兩類路由器都負責不同的功能，因此它們的策略應既要考慮各校區圖書館具體的工作情況，又要考慮如何在因特網中建立虛擬專用網的實現情況。為此，要求邊緣路由器ER既要運行外部網關協議MPBGP協議進行外網靜態策略的路由，又要運行內部網關RIP協議或OSPF協議進行內網動態策略的路由。此外，為支持MPLS VPN技術，邊緣路由器ER還應運行MPLS協議。

3）圖書館電子資源教育網各類數據業務區分策略的設置。根據學校圖書館業務特點，將它們分為：圖書管理業務、科研成果管理業務、辦公管理業務、電子資源教學業務和其它業務5類。每類業務被賦予不同的MPLS VPN名稱，根據ISP提供的獨立系統號200設置相應的RD值，命名各路由中VRF表名和RT屬性值，其具體參數設置如表1所示，其中import命令用于策略的導入，export命令用于策略的導出。

4）各類路由器VRF屬性參數策略的設置。各類路由器VRF表中的RT屬性值應根據路由器自身的特點進行設定，通過import命令導入到相應路由器成為路由策略。可根據表1所示的圖書館電子資源教育網各參數的特點進行制定RT屬性值。

4 MPLS VPN網絡性能測試

在完成各個校區圖書館的網絡融合之后，課題組對融合后的教育資源網做了如下測試。

1）MPLS VPN網絡連接數測試：課題組選用了軟件測試工具Loadrunner，并在1秒鐘內以測試10次為一個周期，得出組建的MPLS VPN網絡模型的最大連接數規律如圖6所示。

經分析，融合后的MPLS VPN圖書館教育資源網最大連接數約為600，可滿足應用需求。

2）MPLS VPN網絡吞吐量測試：課題組選用Windows XP操作系統的PC機，并選用通信速率為10MB/S的普通網卡，測試數據塊的大小為110088018Byte，對多校區圖書館教育資源網在改造前傳統的IPSec VPN和SSL VPN模式下和改造后MPLS VPN網絡的吞吐量進行了測試，測試結果如圖7所示。

結合圖7所示的實驗結果可知，傳輸測試數據所用的平均時間傳統SSL VPN用了270.8秒，傳統IPSec VPN用了174.8秒，改造后MPLS VPN用了144秒。因此，傳統SSL VPN的吞吐量是397KB/s；傳統IPSec VPN的吞吐量是615.03KB/s；改造后MPLS VPN的吞吐量是746.58KB/s；可滿足多校區圖書館教育資源網通信的需求。

5 結 語

MPLS VPN技術以其獨有的優勢，特別適合多校區圖書館教學資源網絡的整合，尤其是高校圖書館教育資源網的融合。我校圖書館教學資源網的改造，在沒有增加額外的VPN設備的前提下，通過充分發揮現有網絡設備的性能，很好的實現了四個校區圖書館子網的融合，并成功的隔離了非圖書館業務的訪問，同時這種網絡具有更強的可擴充性。可以預見，MPLS VPN技術必將廣泛地用于多網融合，也必將擁有更為廣闊的發展空間。

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（編輯：王 萍）