高校校园网络的双冗余优化设计与实现
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DOI:10.16707/ki.fjpc.2017.10.009
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高校校园网络的双冗余优化设计与实现
冯政军， 董学枢， 吴 凡
（ 江海职业技术学院 江苏 扬州 225101） 【 摘 要】随着高校信息化建设的深入，校园网已然成为高校教学工作中不可或缺的重要工具。 针对校园网普遍存在 带宽不足、网络入侵、广播风暴等使用问题，提出校园网的双冗余设计优化配置。核心层采用 VRRP 协议和 OSPF 协议进 行设备和链路的双冗余设计，汇聚层基于 STP 协议采取链路冗余策略，有效提高校园网络的可靠性可用性。 【 关键词】校园网；冗余；VRRP 协议；OSPF 协议；STP 协议 1. 引言 随着网络技术、 多媒体技术等现代信息技术的快速发展， 高校校园网信息化建设开展的如火如荼。 如今，高校的教师、学 生、管理人员可以通过校园网络进行信息交流，高校的教学、管 理、办公、科研等工作可以通过校园网络进行资源共享[1]。 为了 更好地开展维护高校教学管理活动，建设高性能的校园网络显 得尤为重要，高校校园网络的冗余设计是增强网络可靠性和可 用性最有效的方法之一[2]。 2. 校园网优化方案设计 2.1 校园网发展现状 随着信息化进程的加快以及网络经济的迅猛发展，学校的 信息应用和资源共享有了很大提升，学校的信息化水平得到了 很大提高，高校校园网络得到了迅速扩张。 近年来，我院的校园 网络基本实现信息化，网络框架已经初具规模，实现光纤到楼， （ 核心层，汇 以太网入户，运行基本正常[3]。 我院校园网采用三层 聚层，接入层）架构设计， “ 核心层”主要负责数据的高速传输， 是校园网的主干，由核心交换机构成； “ 汇聚层”主要由汇聚交 换机连接“ 核心网”与 “ 接入层”； “ 接入层”主要通过接入层交换 机连接用户。 随着学院规模的不断扩展，我院校园网络已经不能满足现 有的需求，各种问题相继出现，在运维过程中也暴露了一些问 题。 1) 网络安全和管理： 校园网络通常轻视网络安全管理，容 易使高校网络陷入瘫痪，从而影响校园网络的运行。 经常出现 的网络安全隐患主要有：网络入侵、网络攻击、网络风暴、病毒 传播等安全性问题。 2) 网络带宽不足：目 前 ，很 多 高校的校园网经常出现资源 浪费、关键应用的故障隐患、伸缩性和扩展性差、网络设备及安 全设备不能升级等带宽不足的情况； 3) 采用距离向量路 由 协议 (RIP)：网络使用规 摸 扩 大 ，使更 新网络 路 由 时间 、网络 拓扑时间 加 长 ，进而计 算收敛 的 时间 加 长。 RIP 协议不适用于大型网络； 4) 广播风暴时有发生，容易造成网络阻塞。 2.2 校园网配置方案 基 于 我院校园网的发展现状， 对 校园网进行重 新配置优 化，规划出 上 网更安全、使用更 长久 ，网速更快 捷 的网络架构。 基于 OSPF 协议对校园网网络防火墙、防毒墙、备用核心交换机 等硬件配置进行改进，利用 VRRP 技术，STP 技术和 OSPF 技术
基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目
对 校园网进行 双 核心冗余设计， 实现核心层设 备 和 链路 的冗 余，能 减少 校园网络 故障 ，有效提高网络核心层的可靠性和可 用性，保证校园网可靠和稳定运行。 总体配置方案如下： （ 1） 核心层设备的双核心冗余配置方案： 在整个校园网络中，最重要的配置方案是核心层的配置方 案。 核心层交换机是整个网络中最关键的核心设备。 在此次配 置方 案 中，为了有效 解决 高校校园网冗余，在校园网络的核心 （ 主核心交换机+备份核心交换机）实现 层配置两台核心交换机 双核心冗余设计。 2） 核心层链路的双核心冗余配置方案： （ 与核心交换机相连的 链路 设计也是 整个 高校校园网络 配 置方案中的关键。 采用 VRRP 技术将两台核心交换机配置成主 交换机和备份交换机以实现网关冗余， 当主交换机出现故障， 备份交换机接替主交换机主持工作。 （ 3）核心交换机与核心路由器间的链路配置方案 采用 OSPF 协议配置核心层交换机与核心路由器间的三层 链路冗余。 （ 4）汇聚层交换机之间的链路配置方案 汇聚层交换机之间采用 STP 二层链路配置方案。 通过汇聚 层二层链路上行 至 核心层主， 备份 核心交换机， 配置 STP 协议 防止二层网络因环路导致的广播风暴。 2.3 相关技术 虚拟路由冗余协议 （ VRRP）是一种基于网络路由的冗余备 份选择协议。 通常在核心层，当核心交换机或路由器发生故障， 备份交换机或路由器将通过选举策略迅速进入服务状态，提供 完全透明的切换，从而实现网络内主机不间断地与外部网络进 行通信，切实提高网络可靠性和服务质量。 OSPF 协议是一种基于 SPF 算法的开放最短路径优先路由 协议，是 Internet 网迅速发展而产生的一种内部路由协议。 每一 台配置 OSPF 协议的路由器都会将自己的接口以及邻接信息以 及相应的链路状态收集起来， 并存储在链路状态数据库 （ LSDB LS 数据库） 中，OSPF 路由器通过链路状态数据库来查找路 由 表。 并且应用到整个 OSPF 区域中去，整个系统保持相对同步。 生成 树协议 （ STP）是一种基 于二 层网络的管理 协议 ，用 于 解决冗余链路的环形网络问题。 STP 协议使用生成树算法，当 校园网络在二层网络中发现有物理环路时，主动阻断一个或多 个冗余 端 ， 同时持续 地 探测 网络，从而2017 年第 10 期
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优化，在逻辑上变成没有环路的树型网络，防止广播风暴的产 生。 3. 校园网优化方案的实现 基于我院校园网的信息冗余、广播风暴等现状，根据我院 校园网的优化方案，在核心层设计双核心冗余，保障校园网的 可靠性和可用性。 我院校园网优化方案仿真采用 GNS3 模拟器进行仿真。 在 核心层， 三层路由交换机 IOU1 为主核心交换机，IOU2 为备份 核心交换机。 IOU1，IOU2 之间配置 VRRP 协议进行路由备份， 与核心路由器之间运行 OSPF 路由协议；在汇聚层，各交换机通 过配置 STP(生成树协议)上行主、备核心交换机，防止广播风暴 发生。 本院校园网网络拓扑图如图 1 所示。
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高校校园网络的双冗余优化设计与实现
冯政军， 董学枢， 吴 凡
（ 江海职业技术学院 江苏 扬州 225101） 【 摘 要】随着高校信息化建设的深入，校园网已然成为高校教学工作中不可或缺的重要工具。 针对校园网普遍存在 带宽不足、网络入侵、广播风暴等使用问题，提出校园网的双冗余设计优化配置。核心层采用 VRRP 协议和 OSPF 协议进 行设备和链路的双冗余设计，汇聚层基于 STP 协议采取链路冗余策略，有效提高校园网络的可靠性可用性。 【 关键词】校园网；冗余；VRRP 协议；OSPF 协议；STP 协议 1. 引言 随着网络技术、 多媒体技术等现代信息技术的快速发展， 高校校园网信息化建设开展的如火如荼。 如今，高校的教师、学 生、管理人员可以通过校园网络进行信息交流，高校的教学、管 理、办公、科研等工作可以通过校园网络进行资源共享[1]。 为了 更好地开展维护高校教学管理活动，建设高性能的校园网络显 得尤为重要，高校校园网络的冗余设计是增强网络可靠性和可 用性最有效的方法之一[2]。 2. 校园网优化方案设计 2.1 校园网发展现状 随着信息化进程的加快以及网络经济的迅猛发展，学校的 信息应用和资源共享有了很大提升，学校的信息化水平得到了 很大提高，高校校园网络得到了迅速扩张。 近年来，我院的校园 网络基本实现信息化，网络框架已经初具规模，实现光纤到楼， （ 核心层，汇 以太网入户，运行基本正常[3]。 我院校园网采用三层 聚层，接入层）架构设计， “ 核心层”主要负责数据的高速传输， 是校园网的主干，由核心交换机构成； “ 汇聚层”主要由汇聚交 换机连接“ 核心网”与 “ 接入层”； “ 接入层”主要通过接入层交换 机连接用户。 随着学院规模的不断扩展，我院校园网络已经不能满足现 有的需求，各种问题相继出现，在运维过程中也暴露了一些问 题。 1) 网络安全和管理： 校园网络通常轻视网络安全管理，容 易使高校网络陷入瘫痪，从而影响校园网络的运行。 经常出现 的网络安全隐患主要有：网络入侵、网络攻击、网络风暴、病毒 传播等安全性问题。 2) 网络带宽不足：目 前 ，很 多 高校的校园网经常出现资源 浪费、关键应用的故障隐患、伸缩性和扩展性差、网络设备及安 全设备不能升级等带宽不足的情况； 3) 采用距离向量路 由 协议 (RIP)：网络使用规 摸 扩 大 ，使更 新网络 路 由 时间 、网络 拓扑时间 加 长 ，进而计 算收敛 的 时间 加 长。 RIP 协议不适用于大型网络； 4) 广播风暴时有发生，容易造成网络阻塞。 2.2 校园网配置方案 基 于 我院校园网的发展现状， 对 校园网进行重 新配置优 化，规划出 上 网更安全、使用更 长久 ，网速更快 捷 的网络架构。 基于 OSPF 协议对校园网网络防火墙、防毒墙、备用核心交换机 等硬件配置进行改进，利用 VRRP 技术，STP 技术和 OSPF 技术
基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目
对 校园网进行 双 核心冗余设计， 实现核心层设 备 和 链路 的冗 余，能 减少 校园网络 故障 ，有效提高网络核心层的可靠性和可 用性，保证校园网可靠和稳定运行。 总体配置方案如下： （ 1） 核心层设备的双核心冗余配置方案： 在整个校园网络中，最重要的配置方案是核心层的配置方 案。 核心层交换机是整个网络中最关键的核心设备。 在此次配 置方 案 中，为了有效 解决 高校校园网冗余，在校园网络的核心 （ 主核心交换机+备份核心交换机）实现 层配置两台核心交换机 双核心冗余设计。 2） 核心层链路的双核心冗余配置方案： （ 与核心交换机相连的 链路 设计也是 整个 高校校园网络 配 置方案中的关键。 采用 VRRP 技术将两台核心交换机配置成主 交换机和备份交换机以实现网关冗余， 当主交换机出现故障， 备份交换机接替主交换机主持工作。 （ 3）核心交换机与核心路由器间的链路配置方案 采用 OSPF 协议配置核心层交换机与核心路由器间的三层 链路冗余。 （ 4）汇聚层交换机之间的链路配置方案 汇聚层交换机之间采用 STP 二层链路配置方案。 通过汇聚 层二层链路上行 至 核心层主， 备份 核心交换机， 配置 STP 协议 防止二层网络因环路导致的广播风暴。 2.3 相关技术 虚拟路由冗余协议 （ VRRP）是一种基于网络路由的冗余备 份选择协议。 通常在核心层，当核心交换机或路由器发生故障， 备份交换机或路由器将通过选举策略迅速进入服务状态，提供 完全透明的切换，从而实现网络内主机不间断地与外部网络进 行通信，切实提高网络可靠性和服务质量。 OSPF 协议是一种基于 SPF 算法的开放最短路径优先路由 协议，是 Internet 网迅速发展而产生的一种内部路由协议。 每一 台配置 OSPF 协议的路由器都会将自己的接口以及邻接信息以 及相应的链路状态收集起来， 并存储在链路状态数据库 （ LSDB LS 数据库） 中，OSPF 路由器通过链路状态数据库来查找路 由 表。 并且应用到整个 OSPF 区域中去，整个系统保持相对同步。 生成 树协议 （ STP）是一种基 于二 层网络的管理 协议 ，用 于 解决冗余链路的环形网络问题。 STP 协议使用生成树算法，当 校园网络在二层网络中发现有物理环路时，主动阻断一个或多 个冗余 端 ， 同时持续 地 探测 网络，从而2017 年第 10 期
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优化，在逻辑上变成没有环路的树型网络，防止广播风暴的产 生。 3. 校园网优化方案的实现 基于我院校园网的信息冗余、广播风暴等现状，根据我院 校园网的优化方案，在核心层设计双核心冗余，保障校园网的 可靠性和可用性。 我院校园网优化方案仿真采用 GNS3 模拟器进行仿真。 在 核心层， 三层路由交换机 IOU1 为主核心交换机，IOU2 为备份 核心交换机。 IOU1，IOU2 之间配置 VRRP 协议进行路由备份， 与核心路由器之间运行 OSPF 路由协议；在汇聚层，各交换机通 过配置 STP(生成树协议)上行主、备核心交换机，防止广播风暴 发生。 本院校园网网络拓扑图如图 1 所示。