校园局域网网络规划与设计.docx
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校园局域网网络规划与设计
中文摘要
随着网络的逐步普及，校园网络的建设成为了学校向信息化发展的必然选择，也成为了学校教育建设必不可少的重要部分。
本次设计是根据兰州理工大学西校区校园现有条件，以西校区为模型，通过对兰州理工大学西校区校园网络环境、用户分布、校园端口、网络数目及所需IP地址的整体调查。
从而利用网络通信基本原理、组网规则、交换机配置原则、IP地址规则，进行了校园局域网的规划及交换机的选型与分配，规划了三层网络结构，绘制了拓扑结构图，撰写了设计说明书。
关键词：
校园网；交换机；IP地址
前言
校园网是学校进行教育教学、科研、各项管理工作和各类信息交流沟通的应用平台，是一个集成相关软件系统和硬件设备于一体的具有综合功能的宽带计算机局域网，为学校提供了一个日常教学、科研、管理和通讯的综合性网络应用环境。
为学校的教育教学服务是校园网的首要功能，师生应当能通过校园网进行备课、教学、查阅资料、多媒体教学软件的开发与演示、师生之间以及主管部门和兄弟学校之间互相通信、浏览因特网，甚至于进行个别辅导、小组讨论、远程教学等。
校园网为学校提供了一个先进的带宽多媒体网络环境，而这个先进环境的最重要的任务就是发挥其一切潜能为学校的教育教学服务，为学校的教书育人服务。
只有充分认识并在日常教学工作中努力做到这一点，校园网才能发挥其应有的作用，才能具备强盛而持久的生命力。
校园网建设是一项非常复杂且技术性很强的系统工程，在设计网络方案时需要考虑多方因素，如可靠性、性能价格比以及网络的先进性、实用性、安全性、开放性、与可扩展性。
当前网络技术日新月异，网络解决方案多种多样，在具体设计时应从学校的实际实际需求出发，兼顾今后的发展要求，对各种方案进行分析、比较和选择。
校园网的建设设计到学校各个部门。
为了校园网的顺利实施，可设置一个专门组织机构，来制定校园网建设的战略规划，讨论和审定有关工程实施方案，协调网络建设有关的部门，组织工程具体实施，并且对校园网的运行管理、维护和发展负有全面的责任。
由于校园网规模较大，通常采用“统一规划、分步实施”的原则，按经费条件在总体目标的指导下制定阶段性目标，分阶段实施。
既不要起点太低，购置面临淘汰的产品，使网络及设备生命周期太短，造成浪费，同时又不要盲目追高，忽略产品的成熟性，造成一次性投资过大，设备闲置，功能不能充分发挥。
一、目的及意义
1、目的
（1）理解网络协议的作用;
（2）掌握IP地址的含义,网段的划分方法;
（3）理解静态和动态分配IP地址的作用;
（4）掌握IP地址、MAC地址和交换机端口绑定;
2、意义
《计算机通信与网络课程设计》是实践性教学环节之一，是《计算机通信与网络》课程的辅助教学课程。
通过课程设计，使学生计算机通信及网络的基本概念，结合实际的操作和设计，巩固和加深计算机通信与计算机网络课程中所学的理论知识和实际应用能力,通过课程设计训练,基本掌握分析问题,总体结构设计,用户界面的设计基本技能和技巧,包括问题描述;分析,设计,实现,运行结果分析;熟悉计计算机通信与网络设计规范,获得初步的网络应用经验,为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
把理论课与实验课所学内容做一综合，并在此基础上强化学生的实践意识、提高其实际动手能力和创新能力。
二、设计任务及要求
设计任务：
掌握计算机通信工作原理和组网规则，熟练运用基本设计方法进行网络设计，实现局域网网络规划与设计。
工作要求：
1、分析计算机通信工作原理；
2、研究局域网网络规划（包括IPv4、IPv6两部分）；
3、实现兰州理工大学西校区校园局域网网络规划图纸设计；
4、提交设计图纸、设计说明书。
三、基本原理
1、计算机通信工作原理
计算机通信网络是计算机技术和通信技术相结合而形成的一种新通信方式，主要是满足数据通信的需要。
它将不同地理位置、具有独立功能的多台计算机、终端及附属设备用通信链路连接起来，并配备相应的网络软件，以实现通信过程中资源共享而形成的通信系统。
它不仅可以满足局部地区的一个企业、公司、学校和办公机构的数据、文件传输需要，而且可以在一个国家甚至全世界范围进行信息交换，储存和处理，同时可以提供话音、数据和图像的综合性服务，具有诱人的发展前景。
目前，计算机网络和数据通信发展迅速，各国都通过建成的公用数据通信网享用各数据库资源和网络设备资源。
为发展高新技术和国民经济服务。
计算机通信技术、数据库技术相基于两者基础上的联机检索技术已广泛应用于信息服务领域。
从报刊、人工采集、会员单位组织的传统信息服务方式正逐步被以数据库形式组织的信息通信计算机网络供用户联机检索所代替。
信息量和随机性增大，信息更新加快，信息价值明显提高，信息处理和利用更加方便。
因此，计算机网络通信系统是信息社会的显著标志，在信息处理和传递中占重要位置。
可以预料，整个90年代，计算机通信将是信息产业发展最快的领域，数据通信将在国民经济中起着举足轻重的作用。
计算机网络按照其地理分布范围可以划分为局域网、城域网和广域网，它们在性能、结构和特点上有很大差别。
2、IP地址
1）公用IP地址
所谓IP地址就是给每个连接在Internet上的主机分配的一个32bit地址。
IP地址就好象电话号码：
有了某人的电话号码，你就能与他通话了。
同样，有了某台主机的IP地址，你就能与这台主机通信了。
按照TCP/IP（TransportControlProtocol/InternetProtocol，传输控制协议/Internet协议）协议规定，IP地址用二进制来表示，每个IP地址长32bit，比特换算成字节，就是4个字节。
例如一个采用二进制形式的IP地址是“00001010000000000000000000000001”，这么长的地址，人们处理起来也太费劲了。
为了方便人们的使用，IP地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号“.”分开不同的字节。
于是，上面的IP地址可以表示为“10.0.0.1”。
IP地址的这种表示法叫做“点分十进制表示法”，这显然比1和0容易记忆得多。
有人会以为，一台计算机只能有一个IP地址，这种观点是错误的。
我们可以指定一台计算机具有多个IP地址，因此在访问互联网时，不要以为一个IP地址就是一台计算机；另外，通过特定的技术，也可以使多台服务器共用一个IP地址，这些服务器在用户看起来就像一台主机似的。
2）IPV4数据包头格式
将IP地址分成了网络号和主机号两部分，设计者就必须决定每部分包含多少位。
网络号的位数直接决定了可以分配的网络数（计算方法2^网络号位数）；主机号的位数则决定了网络中最大的主机数（计算方法2^主机号位数-2）。
然而，由于整个互联网所包含的网络规模可能比较大，也可能比较小，设计者最后聪明的选择了一种灵活的方案：
将IP地址空间划分成不同的类别，每一类具有不同的网络号位数和主机号位数。
IP地址是IP网络中数据传输的依据，它标识了IP网络中的一个连接，一台主机可以有多个IP地址。
IP分组中的IP地址在网络传输中是保持不变的。
3）基本地址格式
现在的IP网络使用32位地址，以点分十进制表示，如192.168.0.1。
地址格式为：
IP地址=网络地址+主机地址或IP地址=网络地址+子网地址+主机地址。
网络地址是因特网协会的ICANN（theInternetCorporationforAssignedNamesandNumbers）分配的，下有负责北美地区的InterNIC、负责欧洲地区的RIPENIC和负责亚太地区的APNIC目的是为了保证网络地址的全球唯一性。
主机地址是由各个网络的系统管理员分配。
因此，网络地址的唯一性与网络内主机地址的唯一性确保了IP地址的全球唯一性。
保留地址的分配
根据用途和安全性级别的不同，IP地址还可以大致分为两类：
公共地址和私有地址。
公用地址在Internet中使用，可以在Internet中随意访问。
私有地址只能在内部网络中使用，只有通过代理服务器才能与Internet通信。
4）IP地址的划分
IP地址分为五类，A类保留给政府机构，B类分配给中等规模的公司，C类分配给任何需要的人，D类用于组播，E类用于实验，各类可容纳的地址数目不同。
A、B、C三类IP地址的特征：
当将IP地址写成二进制形式时，A类地址的第一位总是0，B类地址的前两位总是10，C类地址的前三位总是110。
A类地址A类地址第1字节为网络地址，其它3个字节为主机地址。
它的第1个字节的第一位固定为0.A类地址范围：
1.0.0.1---126.255.255.254。
A类地址中的私有地址和保留地址：
①10.X.X.X是私有地址（所谓的私有地址就是在互联网上不使用，而被用在局域网络中的地址）。
范围（10.0.0.0---10.255.255.255）②127.X.X.X是保留地址，用做循环测试用的。
B类地址B类地址第1字节和第2字节为网络地址，其它2个字节为主机地址。
它的第1个字节的前两位固定为10.B类地址范围：
128.0.0.1---191.255.255.254。
B类地址的私有地址和保留地址：
①172.16.0.0---172.31.255.255是私有地址；②169.254.X.X是保留地址。
如果你的IP地址是自动获取IP地址，而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器。
就会得到其中一个IP。
C类地址C类地址第1字节、第2字节和第3个字节为网络地址，第4个字节为主机地址。
另外第1个字节的前三位固定为110。
C类地址范围：
192.0.0.1---223.255.255.254。
（3）C类地址中的私有地址：
192.168.X.X是私有地址。
（192.168.0.0---192.168.255.255）
D类地址D类地址不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前四位固定为1110。
D类地址范围：
224.0.0.1---239.255.255.254
E类地址E类地址不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前五位固定为11110。
E类地址范围：
240.0.0.1---247.255.255.254。
IP地址如果只使用ABCDE类来划分，会造成大量的浪费：
一个有500台主机的网络，无法使用C类地址。
但如果使用一个B类地址，6万多个主机地址只有500个被使用，造成IP地址的大量浪费。
因此，IP地址还支持VLSM技术，可以在ABC类网络的基础上，进一步划分子网。
无类地址除ABCDE以外的IP地址段划分方式，如：
192.168.1.0255.255.255.252等非成C段划分的地址。
5）虚拟IP、固定IP与动态IP
虚拟IP：
IP位址仅为xxx.xxx.xxx.xxx的资料型态，其中，xxx为1-255间的整数，由于近来计算机的成长速度太快，实体的IP已经有点不足了，好在早在规划IP时就已经预留了三个网段的IP做为内部网域的虚拟IP之用。
这三个预留的IP分别为：
A级：
10.0.0.0-10.255.255.255
B级：
172.16.0.0-172.31.255.255
C级：
192.168.0.0-192.168.255.255
上述中最常用的是192.168.0.0这一组。
不过，由于是虚拟IP，所以当您使用这些地址的时候﹐当然是有所限制的，限制如下：
私有位址的路由信息不能对外散播
使用私有位址作为来源或目的地址的封包﹐不能透过Internet来转送
关于私有位址的参考纪录（如DNS）﹐只能限于内部网络使用
由于虚拟IP的计算机并不能直接连上Internet，因此需要特别的功能才能上网。
不过，这给我们架设IP网络做成很大的方便﹐比如﹕即使您目前的公司还没有连上Internet﹐但不保证将来不会啊。
如果使用公共IP的话﹐如果没经过注册﹐等到以后真正要连上网络的时候﹐就很可能和别人冲突了。
也正如前面所分析的﹐到时候再重新规划IP的话﹐将是件非常头痛的问题。
这时候﹐我们可以先利用私有位址来架设网络﹐等到真要连上internet的时候﹐我们可以使用IP转换协定﹐如NAT（NetworkAddresssTranslation）等技术﹐配合新注册的IP就可以了。
固定IP（即静态IP）：
固定IP地址是长期固定分配给一台计算机使用的IP地址，一般是特殊的服务器才拥有固定IP地址。
一般来说，采用专线上网的计算机才拥有固定的InternetIP地址而且需要比较昂贵的费用。
动态IP：
通过Modem、ISDN、ADSL、有线宽频、小区宽频等方式上网的计算机，每次上网所分配到的IP地址都不相同，而这是由ISP动态分配暂时的一个IP地址，这就是动态IP地址。
因为IP地址资源很宝贵，大部分用户都是通过动态IP地址上网的。
普通人一般不需要去了解动态IP地址，这些都是计算机系统自动完成的。
6）IPv4的局限与IPv6
来自CNNIC的数据称，截至到2011年1月24日，IANA（互联网数字分配机构）地址池剩余7个A的IPv4地址（即1.17亿），预计在今年2月分配完毕。
截至到2010年12月底，我国持有的IPv4地址数量为2.77亿个。
中国的IPv4地址主要是通过几大网络运营商和中国互联网络信息中心申请到的。
在我国拥有的IPv4地址中，运营商手中仍掌握部分IPv4可以使用，根据运营商网络和业务的不同情况，有的运营商手中的地址可以支撑未来5-6年，有的则只能支撑1-2年。
目前，为了应对危机，全球都在研究用下一代的互联网通信协议IPv6来解决地址短缺问题。
这种新的通信协议技术可以支持众多的终端设备，有比喻说，使用IPv6后地球上的每一粒沙子都可以拥有一个IP地址。
IPv6是"InternetProtocolVersion6"的缩写，也被称作下一代互联网协议，它是由IETF小组（Internet工程任务组InternetEngineeringTaskForce）设计的用来替代现行的IPv4（现行的IP）协议的一种新的IP协议。
我们知道，Internet的主机都有一个唯一的IP地址，IP地址用一个32位二进制的数表示一个主机号码，但32位地址资源有限，已经不能满足用户的需求了，因此Internet研究组织发布新的主机标识方法，即IPv6。
在RFC1884中（RFC是RequestforCommentsDocument的缩写。
RFC实际上就是Internet有关服务的一些标准），规定的标准语法建议把IPv6地址的128位（16个字节）写成8个16位的无符号整数，每个整数用四个十六进制位表示，这些数之间用冒号（：
）分开，例如：
3ffe:
3201:
1401:
1280:
c8ff:
fe4d:
db39
IPv6特点：
a）扩展的寻址能力
b）简化的报头格式
c）对扩展报头和选项支持的改进
d）标识流的能力
e）认证和加密能力
3、子网划分
Internet组织机构定义了五种IP地址，有A、B、C三类地址。
A类网络有126个，每个A类网络可能有16777214台主机，它们处于同一广播域。
而在同一广播域中有这么多结点是不可能的，网络会因为广播通信而饱和，结果造成16777214个地址大部分没有分配出去。
可以把基于类的IP网络进一步分成更小的网络，每个子网由路由器界定并分配一个新的子网网络地址,子网地址是借用基于类的网络地址的主机部分创建的。
划分子网后，通过使用掩码，把子网隐藏起来，使得从外部看网络没有变化，这就是子网掩码。
RFC950定义了子网掩码的使用，子网掩码是一个32位的2进制数，其对应网络地址的所有位都置为1，对应于主机地址的所有位都置为0。
由此可知，A类网络的默认子网掩码是255.0.0.0，B类网络的默认子网掩码是255.255.0.0，C类网络的默认子网掩码是255.255.255.0。
将子网掩码和IP地址按位进行逻辑“与”运算，得到IP地址的网络地址，剩下的部分就是主机地址，从而区分出任意IP地址中的网络地址和主机地址。
子网掩码常用点分十进制表示，我们还可以用网络前缀法表示子网掩码，即“/<网络地址位数>”。
如138.96.0.0/16表示B类网络138.96.0.0的子网掩码为255.255.0.0。
4、MAC地址
MAC（Medium/MediaAccessControl）地址，或称为MAC位址、硬件位址，用来定义网络设备的位置。
在OSI模型中，第三层网络层负责IP地址，第二层数据链路层则负责MAC位址。
因此一个网卡会有一个全球唯一固定的MAC地址，但可对应多个IP地址。
IP地址就如同一个职位，而MAC地址则好像是去应聘这个职位的人才，职位既可以让甲坐，也可以让乙坐，同样的道理一个结点的IP地址对于网卡是不做要求，基本上什么样的厂家都可以用，也就是说IP地址与MAC地址并不存在着绑定关系。
本身有的计算机流动性就比较强，正如同人才可以给不同的单位干活的道理一样的，人才的流动性是比较强的。
职位和人才的对应关系就有点像是IP地址与MAC地址的对应关系。
比如，如果一个网卡坏了，可以被更换，而无须取得一个新的IP地址。
如果一个IP主机从一个网络移到另一个网络，可以给它一个新的IP地址，而无须换一个新的网卡。
当然MAC地址除了仅仅只有这个功能还是不够的，就拿人类社会与网络进行类比，通过类比，我们就可以发现其中的类似之处，更好地理解MAC地址的作用。
无论是局域网，还是广域网中的计算机之间的通信，最终都表现为将数据包从某种形式的链路上的初始结点出发，从一个结点传递到另一个结点，最终传送到目的结点。
数据包在这些节点之间的移动都是由ARP（AddressResolutionProtocol：
地址解析协议）负责将IP地址映射到MAC地址上来完成的。
5、三层结构
三层交换（也称多层交换技术，或IP交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。
众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。
简单地说，三层交换技术就是：
二层交换技术＋三层转发技术
接入层有时也称桌面层，是控制用户和工作组对互联网络资源的访问的。
大多数的用户所需要的资源在本地就可以得到，分配层的设备才处理远程服务的数据流。
接入层的功能有：
连续的访问控制和策略（对分配层的延续），创建分隔的冲突域，确保工作组到分配层的连通性。
接入层经常采用的技术有DDR,以太网。
汇聚层也称工作组层，是上下2层之间的通信点，这一层的功能主要是实现一下一些策略：
1路由（即文件在网络中传输的最佳路径）2访问表，包过滤和排序3网络安全如防火墙等4重新分配路由协议，包括静态路由5在vlan之间进行路由，以及其他工作组所支持的功能6定义组播域和广播域。
这一层主要是实现策略的地方。
核心层位于顶层，主要负责可靠和迅速的传输大量的数据流。
用户的数据是在分配层进行处理的，如果需要的话，分配层会将请求发送到核心层。
如果这一层出现了故障将会影响到每一个用户，所以容错也比较重要。
所以在这一层不要做任何影响通讯流量的事情，如访问表，vlan和包过滤等。
也不要在这一层接入工作组。
当网络扩展时（比如添加路由器），应该避免扩充核心层。
但是如果核心层的性能成了问题，就应该直接升级而不是扩充。
在设计这一层时应该着重考虑传输速率，所以最好使用比较优秀的技术，如FDDI，千M以太网，甚至时ATM。
最后一点是要选择收敛时间短的路由协议，否则快速和有冗余的数据链路连接就没有意义。
三个层次之间传输介质不尽相同，如核心层与汇聚层之间以及核心层之间一般是以1000M的光纤连接。
而汇聚层与接入层之间的链接一般是100M的光纤。
接入层到网络终端设备的选择更多，双绞线，同轴电缆等都可以作为其传输介质。
而这三层之间的介质之所以不尽相同，也是因为这三层之间不同的分工所造成的。
四、设计方案
1、环境分析
兰州理工大学西校区始建于2005年6月，于2019年竣工。
到建成时，共计8栋连体宿舍楼，5栋公寓楼，7栋教学楼，6栋实验楼，1栋食堂楼，1栋学生活动中心楼，1栋图书馆，1栋体育馆，2栋综合性服务楼。
届时整个西校区可以容纳25000人，并为其。
截止至2011年7月，已建成8栋连体宿舍楼，1栋公寓楼，4栋教学楼，2栋实验楼，1栋食堂楼，1栋学生活动中心楼（暂包括图书馆），2栋综合性服务楼。
2、数据统计
表4.1兰州理工大学西校区校园局域网网络调查
建筑
位置
设置信息点数目
终端网络设备
交换机数目
体育馆（含校医院、体育调研室）
南村
2
20
1个汇聚交换机
A馆
北村
65
760
32接入交换机
B馆
南村
70
1275
80接入交换机、2汇聚交换机
大学生活动中心（包括学生处、学生会）
北村
2
10
1个接入交换机
图书馆（包括电子阅览室、后勤）
北村
12
110
1个汇聚交换机、6个接入交换机
北C电子阅览室
北村
6
107
6个接入交换机
1号教学楼
南村
5
70
1汇聚交换机、5接入交换机
2号教学楼
北村
5
70
1汇聚交换机、5接入交换机
4号教学楼
北村
5
65
1汇聚交换机、5接入交换机
6号教学楼
北村
5
64
1汇聚交换机、5接入交换机
A座电子阅览室
南村
8
292
14接入交换机
C座电子阅览室
南村
8
304
14接入交换机
北A、C宿舍
北村
360
540+720=1260
1汇聚交换机、14接入交换机
北B、D宿舍
北村
360
540*2=1080
1汇聚交换机、14接入交换机
北E、G宿舍
北村
360
720*2=1440
1汇聚交换机、14接入交换机
北F、H宿舍
北村
360
540+720=1260
1汇聚交换机、14接入交换机
南A、C宿舍
南村
360
720*2=1440
1汇聚交换机、14接入交换机
南B、D宿舍
南村
360
720*2=1440
1汇聚交换机、14接入交换机
南E、G宿舍
南村
360
720*2=1440
1汇聚交换机、14接入交换机
南F、H宿舍
南村
360
720*2=1440
1汇聚交换机、14接入交换机
9号宿舍
南村
180
360
1汇聚交换机、7接入交换机
大西洋食堂
南村
3
20
1个汇聚交换机、4个接入交换机
3、方案分析
从实际调查结果可以看出，整个兰州理工大学西校区的局域网网络以区域分配为原则，每栋楼为单位，进行规划。
整个西校区将以三层交换网络结构进行设计，即核心层，汇聚层，接入层。
其中核心层是以若干分工不同的交换机组成；汇聚层是以每一栋楼为单位进行的汇聚；接入层按照每栋楼实际的格局、功能等进行的不同的划分。
如果整个兰州理工大学西校区按建筑物的位置划分成三个区域，整个西校区网络的核心层以一台交换机作为主要交换机连接校本部，一台交换机作为主备用，三台交换机作为以上两台交换机的低级交换机，分别管理学校的以划分好的三个大区；每一栋建筑为单位，进行汇聚，即汇聚层；将部分信息点作为终端网络设备的接入点，即接入层。
五、实际规划
1、总体规划
根据兰州理工大学西校区现有的规划，我们将兰州理工大学西校区分为三个大区：
将北村宿舍楼及大学生活动中心划为第一大区；将南村宿舍楼及南村食堂划为第二大区；教学楼实验楼及其他划为第三大区。
其总体规划图见附图。
1）第一大区
①整个第一大区的区域里一共有4栋连体宿舍楼，每个连体楼有360个宿舍，将每个宿舍视为一个信息点，每个信息点
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