摘要當今社會已步入信息社會，信息成為社會經濟發展的核心因素，信息化已成為當今世界潮流?？梢哉f，信息化程度已成為衡量一個國家現代化水平和綜合國力強弱的重要標志。隨著信息時代的來臨,知識的更新換代在加快，如何更好、更快、更便捷的學習和掌握新知識，是現代教育正面臨的問題，利用現代化的電教設備，充分發揮科學教育的優越性，是提高教學質量的重要手段，因此校園網的建設越來越受到各大校園的重視。校園網絡的建設在全國各大校園中掀起一股熱潮，許多學校都建起了自己的校園網。校園網是利用Internet 技術把一個學校內的信息資源全部鏈接起來，使全校師生員工能共享和傳遞校園網絡上的各種信息資源，同時又能通過通信線路與外部的Internet網絡相互連接。校園網是學校教育資源的重要組成部分，已成為現代高等學校不可或缺的重要基礎設施和基礎條件。校園網建設為高校利用網絡化、信息化手段提高教學質量、促進研究型自主學習提供了更為廣闊、自由的教學與科研空間，從而推動了教育教學的整體變革1。一個學校有了自己的校園網，一方面學校的老師和學生足不出校就能及時的獲取外界的信息，了解到全國各地最新的動態，方便與其他地區的聯系和信息的交流，有利于提高學校的科研教學水平，另一方面也能更好的管理學校，它能為現代化教學、綜合信息管理和辦公自動化等一系列應用提供基本操作平臺。建設校園網對每個學校來說都不是一件容易的事情，校園網不只是涉及技術方面，而是包括網絡設施、應用平臺、信息資源、專業應用、人員素質等眾多成份的綜合化、信息化教學管理環境系統。本畢業設計課題主要是基于三層交換技術和局域網技術來構建校園網。 關鍵字：校園網；三層交換技術；虛擬局域網；IPV4網目錄1 校園網的規劃31.1校園網規劃31.1.1.需求分析31.1.2設計目標31.1.3設計原則41.1.4設計方案51.1.5設備選擇62 主要技術概述72.1三層交換技術72.1.1三層交換技術的概念72.1.2三層交換技術的原理72.1.3三層交換技術的功能82.1.4三層交換機的特點82.2虛擬局域網技術92.2.1虛擬局域網技術的概念92.2.2虛擬局域網技術的功能102.2.3虛擬局域網的特征112.2.4劃分VLAN的方法112.2.5虛擬局域網存在的問題123 子網劃分和子網編址133.1子網劃分133.1.1子網劃分的原則133.1.2 IP地址劃分133.1.3 Vlan 設計133.2子網編址144 網絡設計方案描述154.1網絡總體規劃設計154.1.1核心層設計154.1.2匯聚層設計164.1.3接入層設計164.2軟件仿真部分174.2.1 Cisco Packet Tracer仿真軟件介紹174.2.2仿真拓撲圖224.2.3主要設備介紹及配置234.2.4一些重要的配置命令255 性能測試276 總結語30參考文獻32致 謝331 校園網的規劃1.1校園網規劃 1.1.1.需求分析校園網必須能覆蓋整個校園，包括教學樓、宿舍樓、圖書館、實驗樓、辦公樓等等，具備通訊、管理、教學等一個學校所需要的功能。教師通過校園網不僅能及時的掌握學生的動態，與學生及時的交流，還可以方便快捷的瀏覽與教學相關的網頁，查詢網上的資源，能夠及時的了解現代教育發展的現狀和本學科的一些前言知識，更好的進行教學和科研工作；學生通過校園網不僅能夠及時的了解學校發布的信息、新推出的政策、學校最近一段時間的活動，還可以方便的與他人進行交流，從網上查詢一些學習資料，通過網絡進行網上學習，視頻學習等，及時的了解教育方面前沿的信息，擴充自己的知識面，開闊視野；學校的管理人員通過校園網可以方便地對教務、行政事務、學生學籍、財務、資產等進行綜合管理，同時可以實現各級管理層之間的信息數據交換，實現網上信息采集和處理的自動化，實現信息和設備資源的共享。校園網還應實現虛擬局域網（VLAN）的功能，以保證全網的良好性能及網絡安全性。主干網交換機應具有很高的包交換速度，整個網絡應具有高速的三層交換功能。1.1.2設計目標 （1）最基本的目標是：建設校園網絡中心，并通過一定的網絡拓撲結構構建連接校園網絡中心、計算機教室、實驗室、教學樓、辦公樓、學生宿舍樓、圖書館等的校園網，使之能通過一定的應用軟件完成行政辦公管理、教師備課授課、學生學習交流、校內信息公告、遠程電子通訊等基本功能構建普通學校校內Internet環境，并通過代理服務器接入Internet，實現與Internet 交流，實現廣泛的軟件、硬件資源共享，如網上沖浪、電子郵件、文件傳輸、遠程登錄、存儲數據及論壇討論等。（2）校園網系統高可靠性在考慮現有網絡的基礎上,整個業務網網絡結構的拓撲結構盡量采用穩定可靠的結構形式,以保證整個網絡的高可靠性。網絡設備和整個網絡系統必須具備高可靠性特征。（3）校園網系統高穩定性其中核心交換機采用高性能,為整個校園網提供真正的高速無阻塞的傳輸,保證全線速交換；不僅硬件實現三層路由和交換，關鍵功能均通過硬件實現,極大程度上提高了數據處理能力；而管理交換引擎、電源等關鍵部件的冗余,實現了系統高穩定性和可靠性2。（4）校園網系統可擴展性網絡系統應以開放性為基礎,具有廣泛的適應性和可擴充性, 作為一個骨干網的核心,下面的一些新的應用將不斷增加,系統的容量也將隨之擴展,因此方案應具有良好的可擴充性適應系統不斷增長的需求3。（5）校園網系統可維護性整個業務網必須具備良好的可管理性,網管系統應具有監測、故障診斷、故障隔離、過濾設置等功能,以便于系統的管理和維護。同時應盡可能選取集成度高、模塊化、可通用的產品,以便于管理和維護。1.1.3設計原則（1）先進性技術上的先進性將保證處理數據的高效率、系統工作的靈活性、網絡的可靠性，技術上的先進性也使系統的擴充和維護變得十分簡單。（2）實用性課題的設計既要在相當長的時間內保證其先進性，還應本著實用的原則，在實用的基礎上追求先進性，使系統便于聯網，實現信息資源共享。易于維護管理，具有廣泛兼容性，同時為適應我國實際情況，設備應具有使用靈活、操作方便的漢字、圖形處理功能。（3）經濟性在完成系統目標的基礎上，力爭用最少的錢辦最多的事，創造出最大的使用效益（4）安全性目前，計算機網絡都與外部網絡互連互通日益增加，都直接或間接與國際互連網連接。因此，在系統方案設計需考慮到系統的可靠性、信息安全性和保密性的要求。（5）易于擴展性由于信息技術和人們對于新技術的需求發展都非常迅速，為了避免不必要的重復投資，應選擇具有一定擴展能力的設備，能夠保證在網絡規模逐漸擴大的時候，不需要增加的設備，而只需要增加一定數量的模塊就行。（6）安全、穩定、可靠作為整個校園網絡系統的硬件基礎，網絡設備必須是具備安全性、穩定性和可靠性的特點。這是網絡系統穩定運行的最基本條件。最好是經過相當長時間，在世界范圍內被廣泛應用的網絡產品，所以在選擇產品時選用國際知名廠商的產品。（7）管理和維護方便先進的設備必須配合先進的管理和維護的方法，才能夠發揮最大的作用。所以，在選擇設備時必須支持現有的、常用的網絡管理協議和多種網絡管理軟件，便于管理人員的維護。1.1.4設計方案整個校園網的信息點都可接入Internet，Internet通過校園外部的路由器進入到整個校園的核心交換機上，再經核心交換機分別接入到每棟樓的交換機，校園網能夠提供WWW服務器、域名服務器、FTP服務器、代理服務器、數據庫服務器等，其中數據庫服務器主要是內部管理、教學數據庫，學生和教師資料數據庫。對校園網內部提供視頻點播服務，使用教務教學管理系統對學校教務教學進行管理，因此有一個專門的服務區連接核心交換機來為整個校園網提供服務。各大樓之間可互聯互通，每棟樓有一個總交換機連接每一層的交換機，層交換機再經連接到每個房間的交換機，每個房間的所有信息點連接到這個房間的交換機上。這樣整個校園的網絡結構基本完成。如圖1.1所示。圖1.1 校園網整體結構拓撲圖1.1.5設備選擇設備選擇的原則4：(1) 安全、穩定、可靠：作為整個校園網絡系統的硬件基礎，網絡設備必須是具備安全性、穩定性和可靠性的特點。這是網絡系統穩定運行的最基本條件。 (2) 技術先進性：在選擇網絡設備應該采用當今較先進的技術，能夠保持該設備在相當長的一段時間內不會因為技術落后而被淘汰。同時，在網絡規模進一步擴大，該設備不能承擔繁重的負荷時，能夠降級使用。(3) 易于擴展性：由于信息技術和人們對于新技術的需求發展都非常迅速，為了避免不必要的重復投資，應選擇具有一定擴展能力的設備，能夠保證在網絡規模逐漸擴大的時候，不需要增加的設備，而只需要增加一定數量的模塊就行。(4) 管理和維護方便：先進的設備必須配合先進的管理和維護的方法，才能夠發揮最大的作用。所以，在選擇設備時必須支持現有的、常用的網絡管理協議和多種網絡管理軟件，便于管理人員的維護。2 主要技術概述2.1三層交換技術2.1.1三層交換技術的概念在計算機數量眾多的局域網絡中，為了提高網絡安全性和通信效率必須劃分VLAN,而不同VLAN間的通信只有通過路由設備才能實現。如果使用傳統路由器作為VLAN間的路由設備，將由于其吞吐量太小而很難適應大規模、高速率網絡傳輸的需要，這無疑將成為快速以太網或千兆以太網網絡傳輸的瓶頸。于是，專門用于解決VLAN間通信的、集第三層轉發與第二層交換于一身的第三層交換技術產生了。第三層交換技術實際上是使用了集成電路的路由器，但比傳統的路由器提供了更高的速度和更低的成本，也比傳統的路由器更易于管理。正因為第三層交換技術集成了路由器的功能，所以第三層交換機也被成為路由交換機。2.1.2三層交換技術的原理第三層交換機根據OSI模型網絡層（即第三層）的IP地址完成端到端的數據交換，主要應用于不同VLAN子網間的路由。當某一信息源的第一個數據流進行第三層交換（路由）后，交換機會產生一個MAC地址與IP地址的映射表，并將該表存儲起來，如同一信息源的后續數據流再次進入交換機，交換機將根據第一次產生并保存的地址映射表，直接從第二次有源地址傳輸到目的地址，不再經過第三路由系統處理，提高了數據包的轉發效率，解決了VLAN子網間傳輸信息時傳統路由器產生的速率瓶頸。2.1.3三層交換技術的功能根據第三層協議對路由進行計算，其支持的路由協議包括RIP（路由信息選擇協議）和OSPF（開放最短路徑優先）等。支持IGMP（Internet組管理協議）、DVMRP（距離矢量組播路由選擇協議）等各種常用的IP組播協議，當交換式路由器收到組播報文后，首先將報文轉發到包含組播組成員的VLAN上，繼而再把報文轉發到組播組成員的端口上。支持服務質量（QoS），將報文賦予特定的優先級，不同優先級的報文送到不同的隊列按先后轉發。支持標準的SNMP（簡單網絡管理協議）協議，支持傳統的命令行接口（CLI）。對虛擬網的多種劃分策略，尤其是它不僅支持傳統的機遇端口的VLAN劃分，而且還支持基于IP地址，子網號和協議類型的VLAN劃分，這給園區網的管理帶來極大的方便。具有自動發現功能，該功能可以減少配置的復雜性。第三層交換機可以通過監視數據流來學習路由信息，通過對端口入站數據包的分析，第三層交換機能自動的發現和產生一個廣播域、VLAN 、IP 子網和更新他們的成員。自動發現功能在不改變任何配置的情況下，提高網絡的性能5。2.1.4三層交換機的特點除了優秀的性能之外，三層交換機還具有一些傳統的二層交換機沒有的特性，這些特性可以給校園和城域教育網的建設帶來許多好處，列舉如下：（1）高可擴充性三層交換機在連接多個子網時，子網只是與第三層交換模塊建立邏輯連接，不像傳統外接路由器那樣需要增加端口，從而保護了用戶對校園網、城域教育網的投資。并滿足學校35年網絡應用快速增長的需要。（2）高性價比三層交換機具有連接大型網絡的能力，功能基本上可以取代某些傳統路由器，但是價格卻接近二層交換機?，F在一臺百兆三層交換機的價格只有幾萬元，與高端的二層交換機的價格差不多。（3）內置安全機制三層交換機可以與普通路由器一樣，具有訪問列表的功能，可以實現不同VLAN間的單向或雙向通訊。如果在訪問列表中進行設置，可以限制用戶訪問特定的IP地址，這樣學校就可以禁止學生訪問不健康的站點。訪問列表不僅可以用于禁止內部用戶訪問某些站點，也可以用于防止校園網、城域教育網外部的非法用戶訪問校園網、城域教育網內部的網絡資源，從而提高網絡的安全。（4）適合多媒體傳輸教育網經常需要傳輸多媒體信息，這是教育網的一個特色。三層交換機具有QoS（服務質量）的控制功能，可以給不同的應用程序分配不同的帶寬。2.2虛擬局域網技術2.2.1虛擬局域網技術的概念虛擬局域網（VLAN）技術用于在不更改網絡的拓撲結構的前提下對局域網進行重組。在以前的局域網應用中，當站與站之間的通信關系改變后，需要對網絡的的物理結構進行調整，而采用虛擬局域網技術后，網管人員只需在交換機上對網絡進行邏輯重構，即可使網絡結構適應新的通信要求，并維持通信的高效率。具體的講，虛擬局域網技術是通過路由和交換設備，在網絡物理拓撲的基礎上建立一個邏輯網絡。每個VLAN都構成一個獨立的廣播域，處于同一VLAN中的網絡用戶可以不受地理位置的限制而像處于同一個VLAN上那樣互相交換信息。VLAN必須在交換網絡中實現，每個交換設備均可根據網絡管理人員所定義的VLAN劃分方法對報文進行過濾和轉發，并能將這種劃分信息傳遞到網絡中其他交換設備和路由器中。LAN交換設備在VLAN的劃分及實現低延遲的報文轉發方面起著重要的作用。事實上，在網絡層對網絡進行互聯的路由器，能夠在網絡層對網絡進行隔離，并抑制廣播數據。而VLAN則是一種不采用路由器對廣播數據進行抑制的解決方案。在VLAN中，對廣播數據的抑制由交換機完成。2.2.2虛擬局域網技術的功能采用VLAN技術后，可使當網絡中的站點發生移動，增強和移出時的管理開銷大為減少，可以抑制廣播數據的泛濫、提高網的安全性。這些優點都源于交換機具有可根據管理員的要求生成VLAN的功能，即交換機能夠將網絡工作站組織為若干虛擬局域網并實現虛擬網間的隔離，虛擬網的結構可以獨立于網絡的物理結構。VALN的主要功能如下：（1） 提高管理效率。當網絡中站點出現了移動、增加和移出時，網絡管理員可以十分方便的對VLAN進行重組。（2） 抑制廣播數據。當集線器或一般交換機組建局域網時，第二層廣播數據將被傳送到集線器或一般交換機的所有接口，進而傳到所有用戶，這樣勢必耗費大量的網絡資源。雖然用路由器對網絡進行分段可以減少廣播數據（路由器一般不在接口間轉發廣播數據），但傳輸會延遲會增加。而VLAN可以有效的抑制廣播數據，某個VLAN中的廣播數據只是被復制到其成員所連接的端口。這實際上是為在交換型網絡中建立起同路由器功能類似的防火墻提供了一種有效的手段。在VLAN中，大部分數據都是通過交換機轉發的，只有VLAN間的數據才需經過路由器轉發，可有效地提高VLAN中大部分數據的傳輸速度。（3） 增強網絡安全性。將整個網絡劃分成若干互相獨立的廣播組是一種有效的增強網絡安全性的方法?？梢韵拗颇硞€VLAN中的用戶數量，可以禁止那些沒有得到許可的用戶加入到某個VLAN中。這樣,VLAN就可以提供一道防火墻，以控制用戶對網絡資源的訪問，控制廣播組的大小和構成，并借助于網管軟件在非法入侵發生時通知網管人員。（4） 實現虛擬工作組。在整個園區網絡環境下實現VLAN后，同一個部門的所有成員將可以像處于同一個LAN上那樣進行通信。當某人從一個場地遷移到另一個場地時，只要其工作部門不變，就用不著對其機器進行重新配置。與此類似，如果某人改變了工作部門，可以不改變工作地點，只需網管人員修改其VLAN成員身份即可5。2.2.3虛擬局域網的特征（1）VLAN與由物理位置決定的傳統VLAN有著本質不同，它不受網絡物理位置的限制，可跨越多個物理網絡、多臺交換機。我們可將網絡用戶按功能分成多個邏輯工作組，每一個組為一個VLAN。（2）每一個VLAN中的廣播只有VLAN中的成員才能聽到，而不會傳輸到其他VLAN中去，因此，VLAN可隔離廣播信息，每個VLAN為一個廣播域，用戶可以通過劃分VLAN的方法來限制廣播域，以防止廣播風暴的發生。如果要實現不同VLAN之間的主機通信，則必須通過一個路由器或者三層交換機。（3）劃分VLAN可以有效提升寬帶，我們可以將網絡上的用戶按業務功能劃分成多個邏輯工作組，每一個為一個VLAN,這樣，日常的通信交流信息絕大部分被限制在一個VLAN內部，使帶寬得到有效利用。（4）VLAN均由軟件實現定義與劃分，使得建立與重組VLAN十分靈活，當一個VLAN中增加、刪除和修改用戶時不必從物理位置上調整網絡6。2.2.4劃分VLAN的方法劃分VLAN的方法主要有以下幾種：（1） 按交換機端口進行劃分。這種方法最常用，也最簡單和有效。其缺點是，當用戶從一個端口移至另一個端口時，必須對VLAN成員重新配置。（2） 按MAC地址劃分。由網管人員指定屬于同一個VLAN中的各用戶站的MAC地址。這種劃分的優點是：由于MAC地址是固化在網卡中的，當用戶站移至其他位置后，其仍將屬于原VLAN，這樣定義的VLAN可以看成是基于用戶的VLAN。采用這種方法劃分VLAN的缺點是：在大型網絡中初始配置工作量很大。（3） 按第三層協議劃分。這種劃分方法在決定VLAN成員的身份時，主要考慮網絡層地址（如TCP/IP網絡的子網地址）。當按網絡層地址劃分VLAN時，要將子網地址映射到VLAN，交換機則根據子網地址將各機器的MAC地址同VLAN聯系起來。這種劃分方法的優點是：根據第三層協議劃分VLAN，當用戶的機器移動位置后，不必重新配置網絡地址。這種劃分方法的缺點是：對報文中的網絡地址（IP）進行檢查比對幀中MAC地址檢查所需要的開銷大，使交換設備轉發速率下降。（4） IP組播VLAN。IP組播是用一個D類地址表示的，當向一個IP組播發送一個IP報文時，這個報文會傳到該組中每一個站點。即可以把一個IP組播看成一個VLAN。（5） 基于策略的VLAN。允許網絡管理員使用前述的任何一種劃分VLAN的方法，也可以把不同方法組合成一種新的策略來劃分VLAN，當一個策略被指定到一個交換機時，該策略就可以在整個網絡上應用6。2.2.5虛擬局域網存在的問題VLAN技術存在的主要問題有三個。首先是標準不一致的問題。目前，不同廠商生產的交換機不能在VLAN層面上互相操作。這意味著，如果需要使用VLAN技術，就必須購買同一廠商生產的交換機。不過，對VLAN技術進行標準化的工作已經取得了一些進展。其中一個重要進展是IEEE開發了802.3Q標準。第二個問題是站點地址的管理。VLAN的設計初衷主要是通過第2層地址實現網段劃分，即當計算機自一個位置移至另一個位置后，VLAN交換機可自動檢測第2層地址并將其加入其原來所在的網段。不幸的是利用DHCP可完成同樣的工作并且更加簡單，因此大多數網絡管理者在配置網絡時都選擇利用DHCP實現網段劃分，因此，實際運行的虛擬網往往是基于端口的。而對大學網絡而言，按端口劃分的虛擬網是十分繁瑣的。第三個問題隨著第3層交換機的問世幾乎使虛擬網失去了存在的價值。原因是，第3層交換機同時實現了網橋和路由器的功能，當使用第2層交換機時，可通過建立虛擬網絡縮小廣播域，而用第3層交換機可以完成同樣的任務，并且避免了創建虛擬局域網的麻煩7。3 子網劃分和子網編址3.1子網劃分3.1.1子網劃分的原則子網網段劃分一般依據以下幾條原則進行：（1）將需要對外開放的服務器劃分到同網段，并分配給合法的IP地址；（2）將各網絡設備劃分到專業的網段，并分配個合法的IP地址；（3）將不對外開放的服務器劃分到不同的網段，其地址對外隱蔽；（4）盡量將分屬于不同部門的機器劃分到不同的網段，便于管理；（5）子網的劃分應使IP地址管理較為簡單。使用可變長子網掩碼，合理分配IP地址8。3.1.2 IP地址劃分對校園網IP 地址分配建議采用如下規劃原則：（1）網絡系統的編址方案利用CIDR （無類型域間選路）和可變長子網掩碼技術,并支持Ipv6；（2）在整個網絡環境中必須保持IP 地址的唯一性；（3）為提高路由處理效率,實現理想的路由匯總，縮減路由表項數，盡量為同一網絡分配連續地址；（4）地址分配具有層次性,便于管理,局部的變動不影響網絡的其他部分；（5）為了滿足不斷增長的 IP 地址需求，并實現與其他網絡互聯和內部子網互聯的有效控制和管理，建議校園網采用內部保留地址,給將來的網絡發展留下充分的余地；3.1.3 Vlan 設計校園網VLAN的劃分應從網絡的高效性、安全性和靈活性等多方面綜合考慮。一些部門由于安全性和信息實時處理的需要，強調網絡的高效性和安全性；另一些部門，由于物理端口可能會經常變動，要求網絡配置具有較高的靈活性，而不同的VLAN劃分機制又各有其優缺點，因此，應該根據實際情況考慮多種VLAN劃分機制及安全策略配合使用，使整個網絡性能及安全達到最優。針對內部VLAN之間的路由瓶頸造成的網絡性能問題。采用第三層交換機做為校園網核心交換機，取代傳統路由器進行內部VLAN之間的路由。同時通過對核心交換機和二級交換機之間直接相連的端口配置標記(Tag)封裝，實現了對整個校園網跨交換機的VLAN劃分和配置。虛擬局域網規劃中采用基于端口和基于IP子網兩種方式相結合的VLAN劃分方案。在設計VLAN時，盡可能地將同一工作性質的節點劃分在同一VLAN內，以減少跨VLAN訪問，提高網絡的效率。通過給每個VLAN分配相對固定的靜態端口，來防止非授權節點在該虛擬子網中出現。提高了重要網絡資源及撥號上網用戶的安全性。定義VLAN后，還需在核心交換機上進行VLAN之間通信的路由配置。首先給各個VLAN配置一個相應的網關地址，然后在交換機上創建VLAN之間的靜態路由表。也可以通過核心交換機支持的RIP(V2)和OSPF等標準的路由協議來配置動態路由。核心交換機支持VLAN間的線速路由。從而可保證子網間信息交換的效率9。3.2子網編址子網也就是某一個機構擁有的地址大于它實際需求的，