校园网组建终稿

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校园网需求分析、组建方案、IP分派、VLAN划分

说明书

论文题目:校园网组网方案专业年级：电子信息工程2023级学号：082230051姓名：张骏平指导教师、职称：陆立峥讲师

2023年5月18日

校园网需求分析、组建方案、IP分派、VLAN划分

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目录

摘要IAbstractI1引言I2校园网基础知识-2-

2.1校园网概述-2-2.2以太网技术-2-

2.2.1以太网介质访问控制技术-2-2.2.2VLAN（虚拟局域网）-3-2.2.3生成树协议（STP）-4-2.3校园网互联协议-4-

2.3.1TCP/IP协议-4-2.3.2校园IP地址管理-4-2.3.3校园IP地址转换技术-5-

3校园网规划与设计-6-

3.1项目背景-6-3.2需求分析-6-

3.2.1学院自然状况-6-3.2.2建设目标-7-3.3综合布线设计-7-

3.3.1工作区子系统-8-3.3.2水平子系统-8-3.3.3管理子系统-9-3.3.4垂直干线子系统-9-3.3.5设备子系统-10-3.3.6建筑群子系统-10-3.4校园网路由设计-10-3.5网络结构设计-11-

3.5.1核心层-12-3.5.2集聚层-12-3.5.3接入层-13-3.6网络设备选型-14-3.7VLAN与IP地址规划-15-

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3.7.1各层次交换机管理IP地址-15-3.7.2VLAN划分与IP地址分派-16-

4系统测试-19-

4.1测试方法-19-4.1对一致VLAN内的计算机连通性进行测试-20-4.2对不同VLAN内的计算机连通性进行测试-22-4.3测试结果总结-24-终止语-25-

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摘要

随着计算机网络技术的发展，能否充分利用Internet的信息资源，已经成为衡量现在学校办学实力和办学水平的一项重要的指标。其中校园网的充分应用是其衡量的一项重要指标。

本设计结合学院实际状况，基于三层网络设计的思想，进行需求分析，并给出了一套较为完整的规划和设计。全文着重论述了校园网规划与设计过程中可能用到的各种网络技术及方案，涉及到综合布线、网络设备选型、IP地址分派及VLAN划分等关键问题，并给出具体的网络拓扑结构。

关键字：计算机网络；校园网；需求分析；网络技术

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Abstract

Alongwiththedevelopmentofthecomputernetworktechnology,canmakefulluseofInternetinformationresources,hasbecomethemeasurenowrunningschoolstrengthandthelevelofanimportantindex.Oneofthecampusnetworkapplicationthefullmeasureofanimportantindex.

Thisdesignwiththecollegeactualsituation,basedonthethreelayerofnetworkdesignideas,fordemandanalysisispresented,andasetofrelativelycompleteplanninganddesign.Fulltextfocusesonthecampusnetworkplanninganddesignprocessofmaybeusedinallkindsofnetworktechnologyandsolutions,involvestheintegratedwiring,andnetworkequipmentselection,IPaddressallocationandVLANdivision,andotherkeyissues,andgivesthespecificnetworktopologystructure.

Keywords:Thecomputernetwork;Campusnetwork;Demandanalysis;Networktechnology

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1引言

随着信息时代的来临，知识的更新换代在加速，如何更好的、更快、更便捷的学习和把握新知识，是现代教育正面临的问题。充分利用学校网络提供的功能，为现代化教学、科研、学校管理和办公自动化等提供应用性的数字平台，无疑将大大提高学校的综合办学水平。因此，校园网的建设已成为各级各类学校与时俱进、开创现代教育新模式的必然选择。

1994年7月,中国教育和科研计算机网CERNET示范工程启动。同年,清华北大等顶尖大学建成了自己的校园网,这些网络是中国Internet的开端。2000年该网“二期工程〞完成时，除达到连接1000所大学的目标外，对有条件的中小学也将提供上网接入服务。近年来，我国各地校园网建设得到了蓬勃发展。根据学校具体状况制定校园网建设目标，对校园网进行整体规划、设计和建设，是各个学校校园网建设者的首要任务。校园网的建成和使用，对于提高教学和科研的质量、改善教学和科研条件、加快学校的信息化进程，开展多媒体教学与研究以及使教学多出人才、科研多出成果有着十分重要而深远的意义。

组建校园网，应当立足以下三个原则：一是需求分析，考虑学校各部门的应用需求；二是设计的技术原则，包括设备选择相应的网络技术和网络设备；三是：软件系统平台规划，选择适合本校的应用软件。本毕业设计从这些原则出发，论述了校园网建设的基础知识，校园网的硬件和软件组成，以及如何进行校园网设计、规划和建设等内容。

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2校园网基础知识

2.1校园网概述

校园网[1]是指利用网络设备、通信介质和组网技术与协议以及各种系统管理软件和应用软件，将校园内的计算机和各种终端设备有机地集成在一起，并应用于教学、科研、学校管理、信息资源共享和远程教学等方面的计算机局域网系统。

2.2以太网技术

局域网有多重技术，然而应用最广泛的是以太网（Ethernet）技术。由于以太网技术可靠性高、性能优良、易于扩展，成为局域网的主流技术。以太网的传输速率从十兆、百兆、千兆一路攀升到万兆，足以显示其技术发展的强劲。以太网技术在校园网的组建中是不可缺少的关键技术。2.2.1以太网介质访问控制技术

以太网采用介质访问控制方式是带有冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）[1]，CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）技术和冲突避免（CSMA/CA，CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance）技术。其中CSMA/CD技术中，网络上的所有节点均处于平等地位，站点之间需要经过竞争来获得数据的发送权。

在以太网中，同一时刻只允许一个节点发送信息。在这种模式下，当发送者在以太网上发送数据之前要先检测，以确定以太网是否“闲〞，即网上有无数据传输。假使没有数据传输，则发送信息，不再需要进行其他认可；假使以太网“忙〞，即正在传输数据，则发送者需要等待一段时间之后，再尝试发送。这一过程称为“冲突检测〞。CSMA/CD的流程如图2-1所示[2]。

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图2-1CSMA/CD的流程

CSMA/CD协议的基本思想是“竞争—冲突—重发〞，各个节点为了发送各自的数据而竞争总线信道，此方法能过有效的利用信道。但是，即使是合理竞争冲突也在所难免，既当有一个以上的就绪节点同时监听到信道空闲时，那么它们必然都会检测到信号的空闲而发送各自的数据帧，这样的结果必然导致冲突，这时就要开始退避算法（JAM），以进行数据重发。

至于CSMA/CA技术是在计算机发送数据前会发出一个警示信息，说明自己想发送数据。这样计算机就可以避免冲突，但是这也会使网络的性能变慢。所以CSMA/CA不如CSMA/CD流行。2.2.2VLAN（虚拟局域网）

VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）[2]是一种在交换式局域网的基础上从规律上划分成一个个网段。虽然也是一些终端站点的集合，但是网络上任何地方的任何设备都可以成为任何一个VLAN的成员，只有这个VLAN的成员才能听到由该VLAN其他成员发送的广播通信，而听不到其他VLAN的通信。由VLAN的特点可知，一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中，从而有助

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于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。这是划分VLAN的优点。根据其繁杂程度不同，VLAN有常用几种类型：基于端口的VLAN、MAC层的VLAN、基于IP地址的VLAN。2.2.3生成树协议（STP）

STP是一个2层协议，在存在冗余链路的交换机网络里，STP可以阻止规律环路的发生。

生成树协议（spanning-tree）[3]作用是在交换网络中提供冗余备份链路，利用SPA算法，在存在交换机环路的网络中生成一个没有环路的属性网络，运用该算法将交换网络的冗余备份链路从规律上断开，当主链路出现故障时，能够自动的切换到备份链路，保证数据的正常转发。

2.3校园网互联协议

Internet离不开网络协议，网络协议使通信双方共同遵守一致的约定和规范。校园网内部计算机之间通信也离不开网络协议。Internet使用TCP/IP协议，校园网内部计算机也可以使用TCP/IP协议进行通信。2.3.1TCP/IP协议

TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写，译为传输控制协议/因特网互联协议又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。

2.3.2校园IP地址管理

由于校园网网络一般是采用局域网的接入方式访问Internet，校园网内每台计算机都需要配置一个IP地址，一般校园网用户的数目成千上万，因此不可避免的存在IP地址管理的问题。

静态IP地址是由网络管理员按IP地址统一分派，给每一台计算机都分派一个固定的IP地址，其优点是便于管理。不足地方是由于是手工配置IP地址，配置过程可能因误操作造成同一个IP分派给不同的主机，从而导致网络中IP地址冲突，当网络状况发生改变时，可能需要手工重新分派IP地址。

动态IP地址是通过DHCP（DynamicHostConfigurationProtocol）服务

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器自动分派给网络中的计算机的。每次计算机启动时所获的IP地址、子网掩码等有关数据都是冲DHCP服务器获取，这样就减少了配置计算机IP地址的工作量，增加了灵活性。所以这种方法适用于较大网络。

在校园网IP地址管理中，这两种IP地址分派方法可能都要采用，并且要协同使用，以便于关于，又不失灵活性。2.3.3校园IP地址转换技术

IP地址资源的匮乏是一个关键问题，其次校园网络的用户数量巨大，假使每个用户都分派一个注册的IP地址，可想而知，这笔开销也是不菲的，为此在校园网络中，我们使用到了一项技术——网络地址转换（NAT，NetworkAddressTranslator）技术，NAT技术就是利用具有NAT功能的设备通过某种方式将保存IP地址转换为公有IP地址。这样即节省了开销又不会占用太多IP地址资源。

在A类、B类、C类地址中有一部分保存地址，其范围如下：A类：（一个单独Ａ类网络号码）；

Ｂ类：~（16个相邻的Ｂ类网络号）；C类：~（256个相邻的C类网络号）。由于保存网络不与外部相连，即不能附加到Internet，因此只要保证网内保存IP地址的唯一性就可以任意地使用这些地址。在学校内各计算机可以通过保存IP地址进行通信，当计算机要与外部Internet进行通信时，可以通过网络地址的转换将保存IP地址转化成获得注册的IP地址后再接入Internet。

NAT转换可分为静态地址转换和动态地址转换。

静态地址转换是指将内部本地地址与指定合法地址进行一对一转换。动态地址转换和静态地址转换一样，只是这种转换是从内部合法地址池中动态的选择一个未使用的地址对内部本地地址进行转换。

[4]

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3校园网规划与设计

3.1项目背景

某独立学院，已经迈开了从传统学校向现代化学校过渡的脚步，学院正向着数字化、智能化方向发展。现对学院内部进行网络规划，建成一个集教学、科研、消遣为一体的现代网络。

3.2需求分析

校园网建设是一项系统的工程，它不仅要满足目前的需求，还要考虑到以后对校园网络的升级改造的需要。在设计和建设校园网时，对需求的分析是一项重要的工作。3.2.1学院自然状况

目前学院约有10000人的规模，学院拥有8座学生宿舍，每座宿舍楼7层，每层25间，每间设置6个节点；1幢教学楼，目前阶段教学楼楼已有布线，但暂不接入校园网；1座综合试验楼，共6层，其中2层计算机试验室，每层12间，每间70个节点，一层学院办公室，共10间，每间6个网络节点；一座大型图书馆，图书馆阅览室一个，需要300个节点。全院计算机数量在10000台左右。楼宇内部综合布线均采用双绞线，室外布线都是通过光纤互联。学院平面图如图3-1。

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图3-1学院平面图

3.2.2建设目标

学院对校园网的总体目标是建设一个具有数字化、智能化、高性价比、管理便利灵活、安全度高的校园网络，同时具备办公、教学、管理、通信四大功能。具体要求有：

首先，校园网络必需拥有高速的Internet和CERNET接入口，同时必需提供DNS、、FTP、E-mail等多项Internet服务。其次，在管理上拥有灵活、安全的管理模式，对校内计算机用户进行分权限、分级别管理。要求能对每个用户的使用状况能进行事后审计，能够定位到IP地址以及用户所连接的端口和登录的用户名，限定帐号的使用端口。

在校内实现VOD点播、多媒体教学等服务。实现OA办公系统，以及网上教学与学习资源共享。

除此之外，整个校园网主干网络实现千兆传输，即千兆到楼宇，百兆到桌面。还要求网络建成系统具有一点的冗余度和前瞻性，即拥有一定的可扩展性，能够根据需要随时接入新的建筑物和客户端，以适应将来技术发展和应用需求。

3.3综合布线设计

综合布线系统[5]是建筑物或建筑群中的信息传输介质系统，是建筑物内的“信息高速路〞。由大量部件组成，主要有传输介质、线路管理硬件、连接器、插座、传输电子线路、电器保护设施等。综合布线系统结构如图3-2所示。

图3-2综合布线系统结构

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3.3.1工作区子系统

该系统目的是实现用户设备与水平子系统之间的连接，工作区内的信息插座数目根据每个房间的用户数目而定。采用RJ-45端口类型的为信息插座。图3-3为工作区子系统示意图。

3-3工作区子系统示意图

3.3.2水平子系统

该系统目的是实现信息插座和管理子系统间的连接，该子系统由一个工作区的信息插座开始，经水平布置到管理区的线缆所组成，该线缆采用超五类双绞线。图3-4为水平子系统示意图。

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图3-4水平子系统示意图

3.3.3管理子系统

该子系统由交连、互连配线架组成。管理点为连接其它子系统提供连接手段。交连和互连允许将通讯线路定位或重定位到建筑物的不同部分，以便能更简单地管理通信线路，使在移动终端设备时能便利地进行插拔。互连配线架根据不同的连接硬件分楼层配线架（箱）IDF和总配线架（箱）MDF，IDF可安装在各楼层的干线接线间，MDF一般安装在设备机房。3.3.4垂直干线子系统

目的是实现计算机设备、程控交换机（PBX）、控制中心与各管理子系统间的连接，是建筑物干线电缆的路由。该子系统寻常是两个单元之间，特别是在位于中央点的公共系统设备处提供多个线路设施。系统由建筑物内所有的垂直干线多对数电缆及相关支撑硬件组成，以提供设备间总配线架与干线接线间楼层配线架之间的干线路由。常用介质是大对数双绞线电缆和光缆。图3-5为垂直子系统示意图

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图3-5垂直干线子系统

3.3.5设备子系统

该子系统主要是由设备间中的电缆、连接器和有关的支撑硬件组成，作用是将计算机、PBX、摄像头、监视器等弱电设备互连起来并连接到主配线架上。设备包括计算机系统、网络集线器（Hub）、网络交换机（Switch）、程控交换机（PBX）、音响输出设备、闭路电视控制装置和报警控制中心等。3.3.6建筑群子系统

该子系统将一个建筑物的电缆延伸到建筑群的另外一些建筑物中的通信设备和装置上，是结构化布线系统的一部分，支持提供楼群之间通信所需的硬件。它由电缆、光缆和入楼处的过流过压电气保护设备等相关硬件组成，常用介质是光缆。

3.4校园网路由设计

为了确定哪一种路由协议最适合我们要设计的网络，首先应当分析一下网络的组建的需求，再将网络需求与路由协议的规范对照一下，从中选择最满足需求的路由协议。（1）校园网路由设计

校内网一般采用动态路由协议OSPF来保持校内网的网络连通性[6]。OSPF协议的主要优点：

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OSPF是真正的LOOP-FREE（无路由自环）路由协议，源自其算法本身的优

点（链路状态及最短路径树算法）；

OSPF收敛速度快：能够在最短的时间内将路由变化传递到整个自治系统；提出区域（area）划分的概念，将自治系统划分为不同区域后，通过区域之

间的对路由信息的摘要，大大减少了需传递的路由信息数量。也使得路由信息不会随网络规模的扩大而急剧膨胀；将协议自身的开销控制到最小；

OSPF协议是OPEN的，不必全Cisco设备来支持该协议。（2）Internet路由设计

一般采用静态默认路由协议访问Internet，为了实现路由的备份，配置到Internet的两条默认路由，两条路由的优先级可以一致，也可以不同。假使一致，则两条线路采取负载分担方式。假使不同，则是主备方式，其中优先级高的称为主路由，优先级低的为备份路由。在正常状况下，路由器采用主路由发送数据。当线路发生故障时，该路由自动隐蔽，路由器会选择余下的优先级最高的备份路由作为数据发送的途径，这样就实现了主路由到备份路由的切换。当主路由恢复正常时，路由器恢复相应的路由，并重新选择路由。由于该路由的优先级最高，路由器选择主路由来发送数据。（3）校内网和Internet之间的互访

校内网在出口路由器中采用ACL以及NAT相结合的方式进行的，通过ACL功能，使得满足ACL中所允许的私网IP地址才可以通过NAT技术，将其转化为可以访问Internet的公网IP地址，实现私网访问Internet的功能。于此同时将校内网的一些服务器，如HTTP、FTP等服务器做静态的NAT转化，使得通过Internet也可以访问校内主页以及下载相关的资料，从而也实现校内网和Internet之间的互访。

3.5网络结构设计

网络结构上分为核心层、集聚成、接入层三层[7]；分层思想是网络有一个结构化设计，可以针对每一个层次进行模块化分析，对于网络的管理和维护十分有帮助。如图3-6为分层网络结构示意图。

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图3-6分层结构示意图

3.5.1核心层

核心层是校园网的核心主干，负责完成网络中各集聚层节点之间的互联及高效数据传输、交换、转发及路由分发。核心层设备应具有高可靠性和冗余性，所有组件支持热插拔；大容量，可提供几十个到上百个千兆端口；线速转发性能，完善的QoS功能和安全机制，强大的业务能力。核心层结构如图5-4所示。

图3-7核心层结构

3.5.2集聚层

集聚层是网络接入层与核心层之间的分界层，包括校园主干网络以及所有连接的路由器。集聚层除了在接入层进行局部数据的交换、转发以外，还能通过高速接口将数据传输到核心层，在更大范围能进行数据的路由以及处理。

根据集聚层的功能，集聚层设备要考虑到要有足够的带宽；具有三层和多层交换特性；具有灵活多样的业务能力；具有冗余和负载均衡能力；完善的安全机制。集聚层结构如图3-8.

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图3-8集聚层结构

3.5.3接入层

接入层设备位于网络的末端，对下提供对工作站的接入，对上连到集聚层交换机。接入层设备提供各种标准接口将数据接入到网络中，完成基本业务系统之间的隔离和安全控制、认证管理等功能。提供不同数量的100Mbps端口到用户，支持VLAN、VLANTrunk、VLAN聚合、端口镜像、QoS多播、安全特性等。接入层结构如图3-9。

图3-9接入层结构

在确定校园网络的整体网络结构之后，根据实际的校园信息点分布状况可以设计出大约拓扑结构，图3-10为院总体网络结构拓扑图。

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图3-10院总体网络结构拓扑图

3.6网络设备选型

（1）核心交换机[8]

选择依据：核心层的功能主要是实现骨干网络之间的优化传输,骨干层设计任务的重点寻常是冗余能力、可靠性和高速的传输。网络的控制功能最好尽量的少在骨干层上实施。这里选用1台RG-S8610为核心交换机。