网络环境与实现.doc

E-Learning 环境下的网络技术0 前言随着网络技术的高速发展，特别是数字化校园和教育信息化的建设需求，对校园网络的要求越来越高。在速度方面，校园网主干速度已从最初的100 Mbps提高到10,000 Mbps（10 Gbps）。在协议方面，从过去的IPv4升级到了IPv6。在网段方面也有了质的突破：从早期的共享介质的局域网发展到目前的交换式局域网。交换式局域网技术使专用的带宽为用户所独享，极大地提高了局域网传输的效率除此以外，诸如宽带智能网、智能光网络、全光光纤通信网和软交换技术等网络新技术也层出不穷。下面分别给与阐述：1 多层交换园区网技术 目前的网络系统架构均采用分层结构：核心层、汇聚层和接入层。从网络协议的层次上也可以分成第一层、第二层、第三层。对网络系统的架构来说，核心层位于网络中心机房，负责整个校园网的管理。汇聚层一般离网络中心较远，需要对数幢或数十幢楼宇的接入交换机进行汇合，负责某个区域的网络互联。接入层一般位于楼宇内部，用于该楼或该楼层的计算机终端联网。由于校园网络的架构比较复杂，所管理的计算机数量也比较多，为了更好地管理网络，提高网络运行效率，就牵涉到分层交换技术。其中，第三层交换技术是操作在网络协议的第三层，是一种路由理解设备并可起到路由决定的作用；速度极快，几乎达到第二层交换的速度。这里，我们以一个园区为例讨论一下网络设计时应考虑的因素和网络交换技术。1.1平面桥接网 最早的园区网被认为是在单一局域网上添加了多个新用户而形成的。这样的LAN是网络设备通过物理或逻辑线路连在一起构成的网络。在这样的网络中，所有网络设备共享半双工的10 Mbps可用以太网带宽。这时，整个网络是一个冲突域，因为所有网络设备可以侦听到网络上传输的数据，会产生数据包冲突，因此就引进CSMACD碰撞检测机制来规划网络上的数据传输。 当一个冲突域上的数据传输变得非常拥挤时，通常我们就应该加入一个网桥。网桥是一个存储转发型的数据包交换机，它把整个网络分成若干个冲突域，来减小数据包的碰撞，增加传输效率。网桥不会隔离网端上的广播、多播和组播数据，也就是说，整个园区网所有桥接网络是一个单一广播域。这就带来了一个数据回路的问题，应用生成树协议STP的应用可以成功地防止环路。 理论上，广播数据的大小受整个广播域的大小限制，实际上，管理一个桥接架构的园区网会随着网络的不断扩大而变得越来越难，一个工作站的故障有可能造成整个网络的瘫痪。 当设计桥接网的时候，每个桥接网段就相当于一个工作组，工作组服务器和客户机一样被放在同一个网段中，使大部分数据传输在本地网段中，这就是遵循8020原则。1.2 寻址能力和伸缩能力 路由器是一个用来构建互联网络的包交换机，负责在不同的广播域之间传输数据。路由器是根据网络地址而不是物理地址来转发数据包的。互联网络的可伸缩性比桥接的网络要好，因为路由器可以对网络地址进行总结，从而计算出一条最好的传输路径，路由器之间通常使用诸如OSPF，EIGRP之类的路由协议来交换路由信息。 与STP相比，路由协议有以下特征：(1)可以通过几条相同代价的路径来实现链路负载平衡；(2)在I网络之间使用最小开销路经；(3)网络状态变化时进行快速收敛；(4)汇总路由信息。 为了控制广播数据，路由器提供了许多增值功能来提高园区网的可管理性和可伸缩性，路由器IOS软件的功能对TCPIP，AppleTalk，DECnet，Novell IPX，IBM SNA.DLSw，APPN等协议都有特别的支持。 在园区网中，从一端到另一端的路由跳数被称为网 络直径，给园区网设计定义直径需要有丰富的经验，这就要用到分层设计模型，图1所示的就是一个路由器一HUB结构的典型设计。从一个建筑物的终端主机到另一建筑物的终端主机的路由跳数一般只有2跳。图1 用路由器和交换机组成的传统园区网1.3 第二层交换第二层交换是基于硬件设备的桥接，数据帧的发送由专门的硬件来解决，通常是使用ASIC芯片。如今，在园区网的设计中，集线器通常被交换机取代。交换机与集线器相比，它的优点是非常突出的，试想，一个有100人的工作组使用集线器共享一个半双工的10 Mbps网段，那么平均每个人只有分配到100 Kbps左右的带宽，如果是用全双工的交换机的话，那么每端口的带宽是20 Mbps，相差甚大，但服务器的端口就成了“瓶颈。交换机可以使网络设计在每个网段上提供更多的主机数，使一个完整的园区网方案中包含更少的逻辑网络或者物理网络。然而，交换机也和网桥一样有他们共同的局限性，网络的广播数据还是会随着网段上主机数目的增加而增加。广播也影响着主机传输数据，STP限制、收敛速度慢和冗余链路封闭的问题仍然存在。1.4第三层交换第三层交换的实质是基于硬件的路由，数据包的发送也是通过ASIC芯片来完成的。在园区网设计中，第三层交换机可以依靠协议、接口和特殊功能的支持来代替路由器，支持标准数据包头并改写TTL值的第三层交换模式叫逐包转发模式。高档的第三层交换机的实现方法因生产厂家而异，千兆交换路由器是以线速率实现包的快速转发的。交换机使用的是通过ASIC芯片开发的超级交换引擎，第三层交换机是跟标准相兼容的，可以把它当作高速路由器连到网络外部的设备上。 第三层交换机在Catalyst的基础上结合了IOS提供的多协议支持功能和基于第三层硬件交换的技术。路由交换模块RSM是一个由IOS支持的RSP2引擎。NetFlow卡是一个用来在超级引擎上升级的功能子卡，基于硬件的第三层交换机就是通过在NetFlow功能卡上的ASIC芯片来实现包交换的。1.5第四层交换第四层交换指的是在硬件路由的基础上再加上应用程序的功能。在TCP或UDP数据流中，应用请求被编码成端口号放在数据包的头部。路由器可以用扩展访问列表来控制数据传输，也可用NetFlow交换模式进行流量计算。 以太网交换机可以在第三层交换和第四层交换之间自由切换，当它被用作第三层交换的时候，NetFlow功能卡通过目标IP地址来区别数据流量，当它被用作第四层交换的时候，NetFlow功能卡是通过原IP地址、目标IP地址、原端口号和目标端口号来区分数据流量的。因为两种模式都是基于同一种硬件的，所以两种模式几乎没有什么区别。如果是要通过应用程序来进行流量控制就选择第四层交换，如果是要通过应用程序进行流量统计就使用第三层交换。1.6 多层交换 多层交换指的是“一次路由，然后交换”，它可以根据MAC地址、IP地址、协议和端口号进行交换。在高性能的网络中，这种技术被广泛采用。1.7 虚拟局域网VLAN 在园区网中跨网段交换的实现方法是VLAN技术。一个VLAN是从物理网络布局独立出来的逻辑网络，可以跨交换机组成一个VLAN，每一个VLAN是一个独立的广播域，功能和一个扩展桥接网段相似，STP通常在交换机之间起作用。图2展示了3个VLAN，分别是VLAN 1，VLAN2和VLAN3：图2 具有VLAN虚拟网络划分的园区网 VLAN 1=21O.28.178.1； VLAN2=210.28.179.1； VLAN3=21O.28.180.1 支持在园区范围内实现VLAN的一个技术是VLAN关联(trunk)。VLAN关联使得在两个交换机之间可以传输多个逻辑网络的数据，交换机和路由器的VLAN关联只须连接一条网线。在图2中服务器X可以同时和3个VLAN交换数据。 ISL，802.1 O和I 802.1 Q都是用来在VLAN之间互相通信的标记协议，所谓标记就是在VLAN之间传输的数据帧头部添加了一个整数值，用来区别不同的VLAN。 在一个VLAN上的以太网主机或服务器不能和另外一个VLAN的以太网主机或服务器相互访问。图2中，在VLAN 1中的客户机Z不能和VLAN 2中的服务器Y相互通信，因为在两个VLAN中没有由路由器提供服务，如果需要让VLAN之间可以互访必须要有路由模块的支持。2 IPv6协议与核心层模块由于IPv4的局限性，全球的IPv4 地址即将耗尽。 而现有的实时流媒体教学资源和视频会议系统在许多情况下需要有不同的IP地址,为此，我们需要以IPv6为主要目标进行建设，为网络机房的核心路由交换机配齐能够支持IPv6的引擎模块和相应的软件。虽然目前情况下IPv6与IPv4互不兼容,使IPv6与IPv4共存的局面还要维持一段时间。不过，无论怎样，IPv6仍是e-learning 环境的发展方向之一。其原因是除了IPv6的地址远比IPv4多之外，更重要的是有以下主要优点：2.1 服务质量(QoS)基于IPv4的Internet在设计之初，只有一种简单的服务质量，即采用“尽最大努力”(Best effort)传输，从原理上讲服务质量QoS是无保证的。文本传输，静态图像等传输对QoS并无要求。随着IP网上多媒体业务增加，如IP电话、VOD、电视会议等实时应用，对传输延时和延时抖动均有严格的要求。2.2 安全特性IPv6 内置 IPsec (IP Security Protocol)保密, 标配有加密及身份核实认证。不单保障了你的网上私隐, 而且为电子商务, 电子理财服务提供了重要的发展基础。2.3 易于管理IPv6上可实现自动配置(auto configuration)。现在, 在IPv6网络上插入具自动配置功能的产品, 会好像USB产品一样轻松地即插即用(Plug & Play)。设备更易于管理。当然，IPv6的优点远不止这些。至于用户要能够在IPv4的分网上可以查询IPv6网上的信息, 以及利用现有的IPv4网络连通各IPv6的主机，我们可以通过双栈及隧道的技术来解决。3 存储设施光纤通道存储区域网络FC SAN （Fibre Channel Storage Area Network）和基于IP的存储区域网络IP SAN（Internet Protocol Storage Area Network）为代表的网络存储技术现状和特点。3.1 SAN和FC SAN以前的存储设备是每一台服务器都带有自己的磁盘，在异构平台下存储资源无法均衡共享，存储设备利用率低，每台服务器是一个孤立的存储者，不能提供真正意义上的网络化存储。而SAN是通过光纤通道协议将若干台存储服务器、存储阵列组成一个单独的数据网络，提供企业级的块级数据存储服务。它提供了一个能存储大量数据且具有高可靠性和高升级能力的数据存储系统，它为那些需要健壮且易于升级的存储系统的网络提供了一种理想的方案。由于光纤通道存储区域网络FC SAN虽然性能优越，可扩展性好，但也存在某些不足之处。FC SAN的传输距离通常不超过50公里。基于FC SAN的存储设备价格仍居高不下。一个学校就不得不购买HBA、光纤交换机、光纤磁盘阵列、管理软件,价格昂贵。3.2 IP SAN就是IP存储，在整个IP网上创建了一个共享存储环境，很好地实现了数据共享和远程访问。目前，IP存储技术发展有2个技术方向：存储隧道(Storage tuneling)和本地IP存储(Native IPbased storage)。存储隧道的基本思想是将IP协议作为连接异地2个光纤SAN的隧道，用来解决SAN环境的互联问题。本地IP存储的基本思想是利用现有的存储协议，将SCSI和Fibre Channel直接集成在IP协议中，实现存储和网络的无缝融合。光纤存储系统是海量存储必不可少的设备，目前的发展速度非常快，它是基于信息化建设中资源库的存放地。4 其他需要考虑的几个发展因素4.1 宽带智能网未来的信息网络将朝着宽带化、个人化、智能化的方向发展。现有的多媒体业务包括宽带视频会议、VOD以及B-VPN等。多媒体业务的特点是对QoS要求较高，需要较高的带宽，一般都涉及多用户、多连接、多媒体。宽带智能网不是简单地将多种业务集成，它的目的是要实现一个可编程的业务平台，实现业务的灵活加载、扩展和新业务的增加。与以往的业务提供方式不同，宽带智能网能够在一个平台上提供多种业务，实现不同业务之间的资源共用，这样可以有效地降低多媒体业务的运营成本，使用户更容易接受；宽带智能网使得业务的扩展更加灵活，这样能适应不断增长和变化的客户化需求。4.2 智能光网络智能光网络是指具有自动传送交换连接功能的光网络。ITU-T的建议中将与底层无关的标准智能光网络称为自动交换传送网(ASTN)，而底层为光传送网(OTN)的ASTN称为自动交换光网络(ASON)。智能光网络可以实现流量控制功能，允许将网络资源动态地分配给路由；可以实现业务的快速恢复；可以提供新的业务类型，诸如按需带宽业务和光层虚拟专用网(OVPN)等。智能光网络的演进将是一个无缝融合的过程，可以利用现有的基于SONET/SDH和WDM的网络平滑的过渡到动态、智能的多业务光网。4.3 全光光纤通信网全光光纤通信网是新一代网络，是信息社会的神经系统,它基于语音、数据、图像等多媒体信息的高速无阻塞传输和交换，阐述打破现有网络的“电子瓶颈”限制，在光域上进行传输和交换的新型网络及其关键单元技术。全光光纤通信网技术是21世纪前沿信息科学技术的高度集中和升华。4.4 软交换技术软交换又称为呼叫代理、呼叫服务器或媒体网关控制器。软交换技术的基本概念是把呼叫控制功能从传输层(媒体网关)中分离出来。通过