【導讀】清華大學紫荊學生公寓區(qū)局域網(wǎng)。清華大學信息網(wǎng)絡工程研究中心

　　

【正文】 要缺點是，相對 POS（ ）和 RPR（ ）而言， 1Gbps的通信速率對光纖資源的利用率較低。 目前，萬兆位以太網(wǎng)（ 10GE）技術已經(jīng)成熟。 10G 以太網(wǎng) 只工作在 全雙工方式， 可用單模或多模光纖 ，可 采用的光波長 包括 850nm、 1300nm以及 1550nm，與現(xiàn)行以太網(wǎng)技術兼容 。在自愈恢復上，可通過 MPLS 技術達到等同于 SDH 環(huán)的自愈特性。 10G 以太網(wǎng)技術具有網(wǎng)絡結構簡單、成本低等諸多優(yōu)勢 ， 可進行交換、路由，也可共享。目前所有的網(wǎng)絡互聯(lián)技術，都完全與 10G 以太網(wǎng)兼容，正如它們與以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)兼容一樣。 10G 以太網(wǎng)技術的成熟，使得純以太網(wǎng)架構成為大學校園網(wǎng)甚至城域網(wǎng)組網(wǎng)技術的重要發(fā)展趨勢。 第三章 網(wǎng)絡總體方案 16 IP over WDM 將 IP over Fiber改為 IP over WDM就可以把一根物理光纖作為多條邏輯光纖使用。實現(xiàn)的方式有兩種，即 IP over CWDM/ 和 IP over DWDM。 CWDM指稀疏波分復用系統(tǒng)，在波長復用間隔（放寬到 10 nm左右）方面區(qū)別于 DWDM（ ITU標準為 nm）。 CWDM可以使用從 1200～ 1600 nm甚至更寬的窗口，這樣大大降低了系統(tǒng)的光器件成本，并可以利用大量的舊光纜，節(jié)省初期投資成本并解決了光纖的資源問題 ， CWDM系統(tǒng)在不同的波長通道采用不同的傳輸速率 。 DWDM即密集 波分復用系統(tǒng) 。 基于 WLAN 的無線接入技術 寬帶校園網(wǎng)一般均采用以太網(wǎng)（ FE、 GE）接入技術，對此不再贅述。然而為了實現(xiàn)可移動性，提供更加便捷的網(wǎng)絡接入服務，還必須輔以無線接入技術。 無線技術正成為互聯(lián)網(wǎng)的主要接入手段之一，包括 MMDS 等寬 帶固定接入技術， 2G/3G 移動接入技術，尤其是基于 協(xié)議簇的無線局域網(wǎng)（ WLAN）接入技術。 以 IEEE 協(xié)議簇為代表的無線局域網(wǎng)單元接入技術的成熟，使得以 IP網(wǎng)絡作為核心構建大規(guī)模無線局域網(wǎng)成為了可能。由于現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)不僅能夠提供數(shù)十兆 bps 的帶寬，適合文本、圖像、語音、實時多媒體等多種應用，而且組網(wǎng)方式靈活，適合體育場館、圖書館、教室、廣場等各種場合。 WLAN 的重要意義在于跨越了無線、高速、廉價等方面的障礙，徹底剪掉網(wǎng)絡的尾巴，提供無處不在的寬帶網(wǎng)絡服務和移動漫游特性。 WLAN 技術在許多場合可以取代傳統(tǒng)的有線接入網(wǎng)絡或擴展其范圍和功能。在大樓內(nèi)，無線傳輸功能可以實現(xiàn)移動式計算。在筆記本或手提式 PC 機中安裝一塊 PC 卡無線網(wǎng)卡后，用戶可以在接入網(wǎng)絡的同時自由地移動。桌面 PC機也可以根據(jù)需要方便地部署在任何地方。 WLAN 部署在室外，則可以實現(xiàn)無線校園。目前，一些廠商甚至提供了基于 WLAN 的校園移動電話解決方案。 WLAN 也可以作為長距離點對點連接的解決方案。使用傳統(tǒng)的銅線或光纜來在不同大樓間建立橋接時，高速公路、湖泊以及城市規(guī)劃政策都有可能成為不可逾越的障礙。因此，在沒有無線 解決方案的情況下，用戶經(jīng)常不得不租用電信專線來連接多個 LAN，安裝成本通常很高，且要耗費較長時間，尤其是要負擔每月的專線租用費用。借助無線網(wǎng)橋，則可以方便實現(xiàn)相距數(shù)英里乃至數(shù)十英里距離的網(wǎng)絡連接，無線網(wǎng)橋可在購買的當天安裝，安裝成本與 T1/E1 相當，但卻第三章 網(wǎng)絡總體方案 17 是一次性投資，部署完畢后，不需要支付月租費用。 組播通信技術 隨著網(wǎng)絡傳輸能力的極大提高，校園網(wǎng)上產(chǎn)生許多新的應用。如網(wǎng)絡視頻會議、網(wǎng)絡音頻 /視頻廣播、 AOD/VOD、多媒體遠程教育等，這將帶來網(wǎng)絡帶寬的急劇消耗和網(wǎng)絡擁塞。解決這個問題的最佳答案是應用組播技 術。 IP 組播技術是下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要技術之一。作為一種組內(nèi)廣播技術，組播技術由于其在相同傳輸路徑上的不重復占用帶寬的特點，為大規(guī)模用戶共享實時數(shù)據(jù)尤其是流媒體數(shù)據(jù)提供了可能。 1999 年， Sprint 建立起全球第一個支持 native multicast 的、開放的全國性主干網(wǎng)，支持多種多媒體應用的實現(xiàn)和研究。 Abliene 為美國下一代高速網(wǎng)絡Inter2 支撐起了一個組播實驗環(huán)境，支持組播技術研究和下一代應用研究，它與 Mbone、 vBNS、 NREN、 DREN、 Es、 CANARIE、 TEN155/34（ DANTE）、NORDU、 SurfNet 及 APAN 等支持組播的世界其它的下一代 ISP 實現(xiàn)了互通。目前，中國教育和科研計算機網(wǎng)教育網(wǎng)的主干網(wǎng)已經(jīng)開通基于組播的視頻會議系統(tǒng)。 新型網(wǎng)絡應用 新一代校園網(wǎng)應用將具有現(xiàn)行網(wǎng)絡所沒有的特征，包括大規(guī)模高性能多媒體通信、遠程實時操作與控制、移動漫游、共享式虛擬現(xiàn)實等。典型應用包括 HDTV、遠程教育、遠程沉浸（ Teleimmersion）和虛擬社區(qū)等。下面給出幾個 Inter2 應用試驗的快照。 圖 2 視頻網(wǎng)格 第三章 網(wǎng)絡總體方案 18 圖 3 遠程沉浸（ Teleimmersion） 圖 4 CAVE 國內(nèi)外一流大學校園網(wǎng)典型案例介紹 Indiana University 美國 Indiana 大學由 7 個校園組成（其中 Bloomington 和 Indianapolis 的 2 個第三章 網(wǎng)絡總體方案 19 校園相對較大），入網(wǎng)計算機 15000 臺。 Indiana 大學校園網(wǎng)采用三層體系結構： ? Bbackbone：連接不同校區(qū)，采用了 GE、 GE Trunk、 POS 等多種技術； ? Interbuilding：連接建筑群，主要采用 GE 技術； ? Desktop/Intrabuilding：樓內(nèi)局域網(wǎng)， 10M/100M 到桌 面。 下圖是 Indiana 大學校園網(wǎng)主干網(wǎng)示意圖。 Indiana 大學同時也是美國下一代互聯(lián)網(wǎng) Inter2 的網(wǎng)絡運行中心所在地，并建有一個 Inter2 的 GigaPOP。各校區(qū)的網(wǎng)絡可通過高速光纖線路連接 GigaPOP，從而實現(xiàn)與 Inter2 的高速連接。 圖：美國 Indiana 大學 校園網(wǎng)主干網(wǎng) Indiana 大學校園網(wǎng)支持以下先進的網(wǎng)絡應用： ? 遠程教學； ? 數(shù)字圖書館； ? 網(wǎng)絡培訓； ? 辦公自動化，如學生注冊，員工管理等； ? 虛擬現(xiàn)實（ CAVE）； ? 其它多媒體應用，如數(shù)字音樂圖書館， VOD，視頻 會議等。 上述系統(tǒng)在校園網(wǎng)上的分布如下圖所示。 第三章 網(wǎng)絡總體方案 20 圖：信息系統(tǒng)分布 Stanford University 美國 Stanford 大學校園網(wǎng)總體投資超過 5 千萬美元，所有主干線路全部采用雙連接，連接類型為 GE Trunk，設計容量為 72， 000 用戶，百兆到桌面。整個校園分成九個區(qū)，每區(qū)設一個匯聚中心。如下表所示。 第三章 網(wǎng)絡總體方案 21 Stanford 大學校園網(wǎng)主干網(wǎng)拓撲結構如下圖所示。 第三章 網(wǎng)絡總體方案 22 圖： Stanford University 校園主干網(wǎng) 如圖，整個主干網(wǎng)基于純以太網(wǎng)架構，所有線路均為雙連接，連接類型為GE Trunk，具有卓越的性能和服務質(zhì)量保障。局域網(wǎng)接入主干的方式如下圖示。 第三章 網(wǎng)絡總體方案 23 圖： Stanford University 校園接入網(wǎng) 如圖，為保證多媒體應用的質(zhì)量，接入設備選擇了 CISCO 6000 系列高檔交換機，為每個桌面提供一個 CISCO 6000 系列交換機端口。 Stanford University 校園網(wǎng)上的應用系統(tǒng)包括： OA、遠程教育、流媒體服務、IP 電話等。 Stanford University 最具特色的網(wǎng)絡應用是容量為 65， 000 個端口的IP 電話系統(tǒng)，具備 QoS 保障。 本章給出計算機網(wǎng)絡的整 體設計方案?；驹O計原則是：高性能，高負載能力，對 DOS 攻擊具有較高承受力，穩(wěn)定性強，建設和管理成本低，結構簡明并契合樓宇和信息點分布。 主要設計內(nèi)容包括：網(wǎng)絡的層次劃分、拓撲結構設計、帶寬設計、路由設計、 IP 地址規(guī)劃、可靠性設計、基本網(wǎng)絡服務設計等。首先確定網(wǎng)絡的層次劃分和拓撲結構，然后自頂向下逐層給出設計方案，最后給出設備選型方案。 紫荊學生公寓局域網(wǎng)技術 綜合考慮系統(tǒng)性能和建造成本以及清華校園網(wǎng)和教育網(wǎng)的現(xiàn)行技術，紫荊學生公寓局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術體系。其中主干網(wǎng)采用成熟的 10Gb/Gb 以太網(wǎng)技術，接入 子網(wǎng)采用 100M 快速以太網(wǎng)技術。 第三章 網(wǎng)絡總體方案 24 網(wǎng)絡結構設計 層次劃分 根據(jù)清華校園網(wǎng)已有宿舍區(qū)的網(wǎng)絡拓撲，理論上，紫荊公寓宿舍區(qū)可分為 5個層次 ? 樓層接入：樓宇設備間內(nèi)直接連接用戶墻上信息插座的交換機。 ? 樓層匯聚：樓宇設備間內(nèi)匯聚多臺樓層接入交換機流量的交換機。 ? 設備間匯聚：匯聚本設備間內(nèi)多臺樓宇匯聚交換機流量的交換機。 ? 地區(qū)匯聚：匯聚多個設備間的樓宇匯聚交換機流量的交換機。 ? 核心：全網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換核心設備，同時連接教育網(wǎng)和校園網(wǎng)。 根據(jù)實際情況，我們認為： ? 樓層匯聚交換機的作用不大且數(shù)量過少，因此以通過增加設備間匯聚設備端口數(shù)量的方法去掉此層； ? 地區(qū)匯聚與核心設備數(shù)量接近，且園區(qū)面積不大，可以合并此二層； 綜上所述，對分層模型做如下設計：所有網(wǎng)絡設備劃分為三層：核心層，匯聚層和接入層。其中，核心層設備和匯聚層設備共同構成紫荊公寓網(wǎng)絡的主干網(wǎng)，設備間內(nèi)的匯聚設備和接入層設備共同構成本地接入子網(wǎng)。 第三章 網(wǎng)絡總體方案 25 層次定義和功能 (1) 核心層 核心層設備提供各個非直連設備間之間的高速互聯(lián)并提供到校園網(wǎng)及教育網(wǎng)的高速出口。核心層由高性能的核心設備和 高速冗余的鏈路構成 ，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉發(fā)和 負載均衡 功能及部分必需的邊界功能。 (2) 匯聚層 匯聚層向上連接核心 層，向下匯聚接入層，是主干網(wǎng)絡和用戶局域網(wǎng)的邊界。匯聚層由高性能的匯聚設備和 高速冗余的鏈路構成， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉發(fā)、負載均衡 、流量控制、應用中繼、用戶網(wǎng)關等功能。 (3) 接入層 接入層直接連接用戶的桌面計算機，是紫荊學生公寓局域網(wǎng)的邊緣。接入層由穩(wěn)定的接入設備和高速鏈路構成，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的高速轉發(fā)，流量控制，用戶認證等功能。 拓撲結構設計 出于網(wǎng)絡可靠性和穩(wěn)定性考慮，主干網(wǎng)拓撲采用多環(huán)結構。核心層由 3 臺核心設備構成 10G 的環(huán)狀連接。每臺核心誰匯聚臨近的 10～ 15 個設備間流量。匯聚層由設備間匯聚設備構成，每個設備間 的匯聚設備用 1 條 GE 鏈路上連到鄰近的核心設備，用另 1 條 GE 鏈路與鄰近設備間內(nèi)的匯聚設備的 GE 鏈路互連。主干網(wǎng)的拓撲結構設計如下圖所示。 出于成本考慮，同時綜合考慮性能需求，接入子網(wǎng)采用星型拓撲結構。接入層采用二層交換機以 10M/100M 完成用戶接入，同時以 1 個 100M 鏈路完成到本設備間匯聚設備的上連。接入子網(wǎng)的拓撲結構設計如下圖所示。 核心層設計 單從技術上看，小規(guī)模核心層采用二層設備或三層設備都有可能。然而實際上，現(xiàn)在的核心層設備已經(jīng)全是三層設備。核心層采用三層設備有利于簡化網(wǎng)絡結構、更好地進行網(wǎng)絡隔離。 紫荊學生公寓局域網(wǎng)的核心層由 3 臺三層核心交換機構成。每臺分別匯聚臨近的 10～ 15 個設備間的數(shù)據(jù)流量。每臺核心設備通過 2 個 10G 端口和相鄰的核心設備連接。整個紫荊學生公寓局域網(wǎng)的核心層構成 10G 的高速環(huán)路。 第三章 網(wǎng)絡總體方案 26 核心層的 3 臺三層核心交換機平均每臺完成 8000～ 10000 個網(wǎng)絡接入信息點的會聚，極限情況下可為跨核心設備的用戶之間互訪提供至少 1M/人的帶寬。 匯聚層設計 紫荊學生公寓局域網(wǎng)的匯聚層為設備間匯聚設備。根據(jù)校園網(wǎng)已有宿舍區(qū)局域網(wǎng)的經(jīng)驗和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在匯聚層使用三層交換機。匯聚層使用三層交換機的具體考慮 如下： ? 設備間的點數(shù)為 400－ 900之間，相應分成多個子網(wǎng)，三層交換機可以做各子網(wǎng)之間的路由。 ? 設備間采用三層交換機可以阻截廣播包的擴散、提高網(wǎng)絡效率，減小核心設備上的二層壓力。 ? 便于在線式負載均衡冗余鏈路的布設與連接。 匯聚層的上聯(lián)采用雙 GE 鏈路，出于成本的原因，其中一條連到核心設備，另一條連到鄰近的設備間。當其中的任一連路中斷時，所有數(shù)據(jù)可以經(jīng)另一條連路傳輸，提高了網(wǎng)絡的可靠性。 極限情況下，當一個設備間內(nèi)的所有用戶同時需要訪問外邊時，匯聚設備可提供至少 ～ 。而若 50%的應 用為帶寬占用不超過500Kb/s 的低速應用，則高速應用則可獲得 ～ 。 接入層設計 接入層由二層交換機構成， 10/100M 下聯(lián)端口接到用戶的桌面。出于降低投資的目的，接入層交換機采用 100M 端口上聯(lián)接到設備間的匯聚交換機。由于不同型號的交換機間的連路聚合大多實現(xiàn)得不理想，出于可靠性和降低投資的考慮，接入層交換機采用單 100M 連路上連。 極限情況下，單臺接入層交換機如果采用 24 口產(chǎn)品，至少可以提供大于 4M/人的上連帶寬，大于設備間的最低極限出口帶寬 3 倍以上。如或采用采用 36