中小学校园网组网方案设计.docx
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中小学校园网组网方案设计
新疆财经大学
毕业（设计）论文
题目：
中小学校园网组网方案设计
学号：
2012100930
姓名：
魏子清
院部：
计算机科学与工程学院
专业：
计算机科学与技术
班级：
计算机科学与技术12-1班
指导教师
姓名及职称：
汪晓洁（讲师）
完成日期：
2015年11月20日
摘要
基于乌鲁木齐市第六十八中学校园网组建需求，充分利用以太网技术、主干网负载均衡技术、冗余备份技术、成熟、稳定的三层结构设计、高性价比的网络设备等，对校园网络进行总体研究设计，解决内网、外网的流量大、管理策略复杂、网络安全威胁大、网络覆盖地域范围广的问题，在具体的环境下将研究、设计方案进行具体实施，实现了网络的应用功能，提高了网络运行的稳定性和访问的安全性。
本设计结合学院实际情况，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地址分配及VLAN划分等关键问题，并给出具体的网络拓扑结构。
关键词：
校园网络；方案设计；需求分析；实施
目录
摘要1
关键词1
1.前言1
1.1课题背景与意义1
1.2网络技术的发展和校园网建设现状1
1.3论文主要内容与安排2
2.校园网基础知识3
2.1校园网基本概述3
2.2校园网络关键技术3
2.2.1以太网技术3
2.2.2VLAN虚拟局域网3
2.2.3访问控制列表技术（ACL）4
2.2.4TCP/IP协议4
2.2.5IP地址的管理5
2.2.6三层交换技术5
3.校园网规划与设计7
3.1校园网设计应遵循的原则7
3.1.2项目背景8
3.2系统方案详细需求8
3.2.1建立办公自动化系统9
3.2.2建立多媒体教学模式9
3.2.3建立微机实验室9
3.2.4满足宿舍上网需求9
4总体网络拓扑结构设计10
4.1网络拓扑结构设计10
4.1.1核心层设计10
4.1.2汇聚层设计11
4.1.3接入层设计11
4.1.4总拓扑设计12
4.2综合布线系统设计13
4.2.1综合布线组成13
4.2.2乌鲁木齐六十八中综合布线设计14
4.2.3主教学楼综合布线设计14
4.3校园网服务器部署设计16
4.3.1WEB服务器16
4.3.2FTP服务器16
4.3.3E-mail服务器16
4.4校园网边界安全设计16
4.4.1防火墙系统16
4.4.2DMZ区17
4.4.3认证和审计17
5校园网络实施与调试18
5.1子网划分18
5.2校园路由设置18
5.2.1链路聚合19
5.3器材选型和预算21
结束语23
参考文献24
致谢25
1.前言
1.1课题背景与意义
近些年来，人们的生活因为网络的飞跃式发展，有了巨大的改变。
在这个充斥着信息技术的网络时代，传统的教育方式受到了巨大的冲击，如何在网络上学习新的知识、让教育更便捷、是现代教育不可逃避的问题。
随着互联网的兴起，教育模式相比以往有了很大的改变，这其中校园网便是顺应了时代潮流而诞生的。
首先，校园网应当是一个使教育和教学变得更方便快捷、更简单先进的能交流信息的平台。
其次，还应该具有很强的交互功能，并且还是一个专业性很强的局域性的平台。
在这上面，应当可以进行多媒体教学、教师网上备课、网上电子阅览、搜索教育教学考试资料。
最后，在它这个平台上应当能处理行政和教务，并且有总务管理的功能。
因此，为了改变传统教育模式，打造一个便捷的学习环境，校园网的建设成为各大中小院校的不二之选。
在组建校园网时我们应该考虑到几点：
一是需求分析，考虑学校的教育服务功能需求和学校管理功能的需求；二是设计的技术原则，选择合适的设备和合适的网络技术；三是安全性和可靠性，为教育平台提供安全的保障。
本毕业设计从这几点出发，论述了校园网建设的基础知识，如何进行校园网设计、规划和建设，校园网络的安全性和可靠性保障等内容。
1.2网络技术的发展和校园网建设现状
计算机网络技术起源于二十世纪60年代的美国，一开始只是在军事领域内做通讯使用，再往后逐渐开始在民用领域慢慢发展开来，经过了40年的发展，计算机便已经融入了人们的生活。
在20年前，在我国很少有人接触过网络。
但是到了现在，计算机已经是生活中不可或缺的一部分，网络也已经改变了人们的生活。
互联网之所以能不断的更新和发展，就是因为人们对信息的依赖，在这过程当中，网络交换技术就是其中的一个优秀产物。
互联网的飞速发展，大力地推进了我国互联网络的建设。
其中中国教育科研网（CERNET）的发展，就促进了我国各高等院校的网络建设。
大部分高校都建成了自己的校园网，并接入了中国教育网（CERNET），还有很多院校选择了接入中国电信网（ChinaNet），网络带宽也随着用户量的增加而不断扩充，各功能模块和应用系统不断完善，高校信息化体系初现规模。
我国互联网技术的普及本来就晚，所以我国高校的校园网信息化建设普遍起步晚，但是在短短几年内就发生了跨越式的发展，目前的信息化管理水平较高的院校已经同步发达国家的信息化管理进入了应用集成和信息集成的阶段。
但是在这种大跨步的发展中也产生了不少的问题，比如网络建设规模与实际需求之间有差距，重视网络的建设而忽视了网络服务的质量，软件和硬件的发展不能同步和协调，进行网络系统维护的人员素质不高，在技术方面也有待加强。
这几点成了制约校园网进一步发展的几大原因。
1.3论文主要内容与安排
本文从实际工作出发，以乌鲁木齐第六十八中学校园网建设为背景，通过分析用户的实际需求，比较详细地论述整个网络方案的设计与实现的过程，给出了一个较典型的校园网建设工程案例，具有重要的实践价值。
本论文共分五章，各章研究的内容及结构安排如下:
第一章前言，分析该课题的研究背景，研究目的和意义、通过分析目前网络技术的发展及校园网的建设现状与问题，指出校园网建设的必要性。
第二章校园网络关键技术，主要讲述了关键网络技术ACL、OSPF路由协议、NAT、三层交换等技术在园区网络中的运用。
第三章需求分析，对乌鲁木齐第六十八中学网络现状和需求进行全面而深入的分析。
第四章校园网络结构设计与分析和总体网络拓扑设计，该设计重点论述了湖南城市学院总体设计原则及主干网技术设计。
论述了校园网设计方案的思路，对该校区网络拓扑设计、物理分层设计、无线网络设计、用户管理设计、综合布线设计及服务器部署设计进行了详尽的设计。
第五章校园网络实施与调试，按照设计方案进行实施和部署，对设备的选择与配置最后得出施工预算。
2.校园网基础知识
2.1校园网基本概述
校园网是一个能在网络上为学生何老师提供教育教学资源并分享信息、友好交互的平台，它是一个计算机信息系统，也可以叫校园网信息系统。
他是在学校内部针对学生和老师组建的局域网，不像企业内部网，它有自己独特的一面，它的主要任务就是提供资源的共享、引导辅助教学、协同各部门工作以及提供一个交流平台。
校园网应为学校的教育、教学、科研、管理、日常办公、内外交流等各方面提供全方位的支持，实现教育资源、信息管理、教学方式、生活方式和沟通传播方式的网络化、数字化、智能化，形成高度信息化的人才培养环境，促进高水平的师生互动，促进科学、高效的管理，更好地培养学生的应用和创新能力。
2.2校园网络关键技术
2.2.1以太网技术
以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网常用的技术。
IEEE制定的IEEE802.3标准给出了以太网的技术标准，它规定了物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。
以太网是当前局域网组网中应用最普遍技术。
以太网技术在校园网建设所需要的技术中是重中之重。
快速以太网以它造价比较低、性能较高，并且技术相对成熟的优势，成为了资金不是很富裕的中小型单位在局域网的建设中首选的技术。
目前，它被广泛应用于大型企业的二级、三级网络组网或直接连接到桌面工作站。
基于性能和价格的综合考虑，本设计方案采用主干为千兆网，接入端10M/100M自适应或者100M交换到桌面的解决方案。
2.2.2VLAN虚拟局域网
虚拟局域网是依存在逻辑上的虚拟的设备或者用户。
虚拟局域网不会受到物理因素的影响，它可以根据功能、部门以及应用需求而划分，在这之间的各个设备通信就像是在同一网段一样，由此得名虚拟局域网。
VLAN是一种比较新的技术，一个VLAN就是一个广播域，VLAN之间的通信是通过第3层的路由器来完成的。
与传统的局域网技术相比较，VLAN技术更加灵活，它具有以下优点：
网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少；可以控制广播活动；可提高网络的安全性。
2.2.3访问控制列表技术（ACL）
在校园网中，各个设备需要进行通信，而这些通信需要有安全保障的数据传输和稳定的网络环境。
访问控制列表ACL（AccessControlList）可以定义一系列不同的规则，设备根据这些规则对数据包进行分类，并针对不同类型的报文进行不同的处理，从而可以实现对网络访问行为的控制、限制网络流量。
提高网络性能、防止网络攻击。
访问控制列表（ACL）由多条判断语句组成。
每条语句给出一个条件和处理方式（通过或拒绝）。
路由器对收到的数据包按照判断语句的书写次序进行检查，当遇到相匹配的条件时，就按照指定的处理方式进行处理。
ACL中各个控制语句的输入顺序是非常关键的，如果某个数据包和一条控制语句判断条件匹配了，这个数据包的判断过程就终止，并且会将剩下的所有控制语句忽略。
2.2.4TCP/IP协议
TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写是TCP/IP，中文的翻译是“传输控制协议/因特网互联协议”，平时很多人又叫他“网络通讯协议”，它是国际互联网络的最基本的协议，也是国际互联网络的基础，它是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议共同构成。
它定义了数据在电子设备连入互联网后数据传输间的标准，同时，也定义了电子设备在连入互联网的要求。
此协议的使用层级结构，共分为四层，每一层要完成需求时都会联系它的下一层，让下一层提供协议来完成工作。
简单来讲：
TCP的责任就是发现传输中的问题，当发现有问题时就发送信号，要求传输重头进行，这个循环会一直到全部数据安全正确的传输到目的地。
2.2.5IP地址的管理
校园网络一般是采用局域网的接入方式访问Internet，所以每一台在局域网内的PC机都需要一个IP地址，校园网的用户数量一般都会很多，所以不可避免的存在IP地址管理的问题。
IP地址的分配方法有两种，第一种是静态IP地址。
这种IP地址是由网络管理员手动分配，并且一般不会更改。
有点事便于管理，特别是在根据IP地址限制网络流量的局域网中，以固定的IP地址或IP地址分组产生的流量为依据管理，可以免除在按用户方式计费时用户每次上网都必须进行的身份认证的繁琐过程，同时也避免了用户经常忘记密码的尴尬。
另一种是动态IP地址,它是由DHCP服务自动为每一个网络中的用户机分配的IP地址。
也就是说当你使用网络时便会给你分配一个网络地址，这样大大节省了手工分配IP地址所消耗的时间，同时也缓解了IP危机，也解决了IP冲突的问题。
2.2.6三层交换技术
三层交换是相对于传统交换概念三层交换（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。
大家都知道，以往的交换技术都是在数据链路层实施的，也就是OSI网络标准模型中的第二层，为了能在网络模型的第三层实现高速转发数据包的功能，人们研究出了三层交换技术。
也就是说，三层交换技术其实就是：
二层交换技术和三层转发技术相结合。
自从三层交换技术被研究出来，它解决了在局域网中划分的网段必须由路由器进行管理的状况，解决了传统路由的速度慢、技术复杂而导致的网络问题。
我们可以这样理解，一个设备，它具有三层交换的功能，他就是一个第二层的交换机并且有着三层路由的功能，但是它并不是简简单单的将路由器设备的基础硬件和软件功能叠加在交换机上，它是这两者的结合。
它的原理简单说就是：
假设站点1和站点2都使用的是IP协议，它们要通过三层交换机进行通信，站点1开始发送数据时，将自己和站点2的IP地址作比较，如果判断得出结果站点1和站点2在同一个子网内，直接进行二层交换；如果他们两个站点不在同一个子网内，站点1需要向“缺省网关”发送地址解析封包，而“缺省网关”的交换模块也就是三层交换机的IP地址。
当站点1向“缺省网关”发出（广播）地址解析的请求时，如果从三层交换模块的以往通信历史中能获取到站点2的MAC地址，就向站点1发送站点2的MAC地址。
如果不知道站点2的MAC地址，就由三层交换模块向站点2广播一个地址解析请求（ARP请求），站点2收到请求后将自身MAC地址回复给三层交换模块，此时三层交换模块再将这个MAC地址发送给站点1，同时将站点2的MAC地址保存到二层交换模块的MAC地址表中。
以后如果站点1要向站点2发送数据包就可以全交给二层交换模块处理，由此可以将信息成功交换。
因为在这个数据交换的过程中仅仅在路由的过程需要用到三层的处理，其他数据转发都可以只经过二层交换便可，因此三层交换机的运行速度接近二层交换机的速度同时兼具路由功能，并且价格要比相同路由器低上不少。
3.校园网规划与设计
3.1校园网设计应遵循的原则
①实用性相结合
由于计算机网络技术的升级换代较快，校园网建设要有一定的前瞻性，以保证网络在一段时间内的先进性。
但是，我们也不能一味的追求先进，我们首先应该考虑的是学校的现有规模和资金能力，并从教学的实际需要考虑，将实用性和和先进性结合来看，不能过于浪费资源，要考虑到性价比选择。
不能买了一堆先进设备回来后而其实用性大打折扣，过于宏大而浪费资源。
②开放性和标准性
采用符合国际标准的标准化技术和产品，支持当前流行的多种网络通信协议、多种传输介质和多种主机相连，能支持多种数据格式的传输，以方便与Internet网络互联。
③安全性与可靠性
网络系统应具备完整的安全防范措施。
具备防止系统内外部成员的非法侵入、攻击，能保护合法用户的权益不受侵害，保证信息安全；另外还应考虑网络设备的供电、防盗、防雷等方面采取一些措施。
同时，建成的校园网应性能稳定、运行通畅、维护简便。
④为教学应用和教学管理服务
校园网应具有网上课程管理、实验室管理、学生成绩与学籍管理、图书资料管理的管理功能。
能够发布教学教学图片、文字、授课录像等方面的各种信息，学生和家长可以在校内通过Internet，实时浏览或下载学校的教育教学信息，补听课堂教学、网上批改作业。
提供学生在校园网上交互学习、协作学习的平台。
⑤网络建设总体规划，分步实施
整体规划网络设计方案。
要考虑到初期投入资金量，当时的网络技术是什么水平，学校对于组将的网络要求和未来的可扩展程度的要求。
校园网的建设不可能一步到位，也有着成长的过程。
校园网的总体设计方案应与学校的长远规划相结合，具体实施时可采用统筹规划、分段实施、逐步到位的建配模式。
在规划校园网时，总体结构上要考虑到今后扩充升级的方便，并能充分保护现有的资源。
3.1.2项目背景
乌鲁木齐市第68中学，学校设施齐全，有主教学楼一栋、综合实验楼一栋、学生宿舍一栋。
学校正向着数字化、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、娱乐为一体的现代网络。
3.2系统方案详细需求
学校现规模约为2500人左右，主教学楼一楼左侧主要为行政办公室和会议室，总共11间，每间需要两个信息点；右侧为六间教室和一个办公室，每间教室一个信息点，办公室6个信息点,一楼共需34个信息点；二楼到四楼每层有12间教室，三间办公室，，一间大办公室，需要12个信息点，每层需要42个信息点；五楼左半侧楼有6间教室和一间办公室，右半侧楼有4间微机室，每间需50个信息点，一个老师办公室；小型阅览室一间，2个信息点，五楼需要信息点220个；全楼共需信息点380个。
宿舍楼五层，总共100间宿舍，两间宿管老师办公室，两间值班室共需110个信息点。
实验楼暂时没有网络需求，但是不排除未来会建立网络。
图3.2建筑分布图
3.2.1建立办公自动化系统
全楼共有教师办公室和行政办公室26间，132个信息点，要求通过校园网连至INTERNET，达到100M到桌面，并对财务科，人事科等科室进行单独子网管理。
3.2.2建立多媒体教学模式
全楼总共48间教室，48个信息点，每间教室都要配备电脑和投影仪，要求能通过校园网连接Internet，达到100M到桌面。
3.2.3建立微机实验室
总共4间微机室，每间需要50个信息点，总共200个信息点。
要求每间教室分割成独立网段，可以连接校园网，学生机不能连接Internet，教师机可以连接。
3.2.4满足宿舍上网需求
宿舍内实现网络互联，要求学生宿舍只能连接校园网，不能连接外部网络，而教职工宿舍可以连接Internet。
4总体网络拓扑结构设计
4.1网络拓扑结构设计
本次校园网络结构设计采用主流的三层结构设计技术，即核心层、汇聚层、接入层，核心层主要是指负责整个校园网出口的核心设备，即网络中心内的高端核心设备；汇聚层一般处于整个校园网的中层，在物理地址中它一般是在建筑群的中心位置，向下层负责所有的网络的接入，向上它连接着核心层的设备，可以看出他在一个网络内属于承上启下的关键位置。
接入层主要是在网络划分的最末端，他负责所有信息点的网络接入。
如下图4.1所示，本次设计的网络结构图。
4.1网络结构图
4.1.1核心层设计
核心层是整个网络中的主干，同时也是高速交换干路，对整个网络的连通性至关重要。
核心层应当具有以下几个特点：
非常高的可靠性、要做到数据备份和冗余、还要提供一定的容错、必须能够适应将来网络的变化、延迟较低、很便捷、简单的管理性。
校园网络系统的核心是网络中心节点，网络中心节点必须提供告诉的数据转换；并且，在数据流量非常大的时候，要能保障关键业务的服务质量。
另外作为整个网络的交换中心，只保证了高性能和畅通交换是远远不够的，它还必须能保证运行时稳定安全。
因此在网络中心的设备选型和结构设计必须考虑整体网络的高性能和高可靠性。
具体来说核心节点的交换机有两个基本要求：
（1）高密度端口情况下，还能保持各端口的线速转发；
（2）关键模块必须冗余，如管理引擎、电源、风扇。
由于校园网建设最终必将采用万兆技术，因此需要考虑到核心设备对万兆的支持能力。
在本设计中，考虑到六十八中校园网属于中小型网络，在核心层选择时我决定使用两台三层交换机组建，两台交换机间用链路聚合做数据冗余，保证核心数据层数据安全。
同时还可以用到三层交换功能分担路由器的压力，因为信息用户的数量不大两台三层路由足够完成局域网内的数据交换工作。
4.1.2汇聚层设计
汇聚层是网络接入层和核心层的“中介”。
它也有比较重要的作用，应当实现以下几点功能：
保障安全、工作组接入、不同虚拟局域网之间的路由、地址过滤等多种重要功能。
在本方案中，校园网络属于中小型网络。
汇聚层采用的是二层交换机设备，便可以达到任务要求。
理论上，汇聚层区域内的数据包如果处于同一网段，则进行二层数据转发，对于不同网段的数据包则进行三层交换；对于汇聚区外的数据包则进行路由间的数据包交换。
汇聚区域内的核心采用双汇聚设备，在这种双链路上连得结构中，可以确保汇聚区外的路由备份，对汇聚层内的三层交换则启用双汇聚设备来实现，从而构成高可用性校园网络。
原则上，每个独立的教学楼、办公楼、学生宿舍等都放置一个汇聚交换机，将楼内的接入交换机汇聚起来，上联到核心。
同时，考虑学校网络的建设成本，设计网络在信息点少的大楼，可以不设汇聚层交换机，直接连接到核心交换机。
4.1.3接入层设计
接入层向本地网段提供用户接入。
在校园网中，接入层的特征是交换式或共享带宽式局域网。
在接入层中，如果同一网段上的用户PC机数量减少了，就可以提高工作组的宽带速度。
接入层的设计主要考虑三个方面的因素，一是vlan的形成与划分；二是上联备份链路的设计；三是应用设备的接入部署，在大型局域网络组建中，vlan技术是不可缺少的关键技术，科学的vlan设计可以成为局域网络带来一系列的优点。
在同一物理网络中可以划分出第二层的工作组，实现不同工作组之间第二层的完全隔离，而且，他们的组员可以在物理网络中的任何一个位置。
不受同一台设备限制；隔离广播风暴，提高效率，避免不相关的广播帧在全网扩散，浪费有效带宽资源。
接入层的工作较为简单，再选择时要考虑选择端口较多的设备，连接方式用简单的级联就行，或者也可考虑使用高速安全的数据链路聚合。
在学校教学楼内布线时信息点不是很密集，应当将交换机安置在楼层中间位置。
4.1.4总拓扑设计
本网络方案中整个校园网络拓扑采用的是星型网络拓扑和高速以太网技术结合的网络拓扑结构。
这种拓扑结构网络的基本特点有以下几点：
（1）便于控制：
所有端用户的通信都会经过中心节点。
如此，便给维护带来了很大的便利，同时也提高了安全。
一个节点故障不会影响其他节点的连接，可任意拆走故障节点。
（2）容易实现：
这种拓扑结构相对简单，并且在施工中需要的传输介质价格不高。
（3）节点扩展、移动方便：
如果网络要进行扩展，只需要从中心设备多拉出一条线便可以，而要移动一个节点只需要把相应节点设备移动到新节点即可。
在本设计中为了考虑成本和性价比最优，将采用华为和华三的设备混合使用，达到网络需求效果的前提下保证成本最小。
如图4.3.2所示，外部网络首先连接到路由器，让后再通过防火墙，这种设计可以将外部网络和内部网络隔离，对内网的安全性有很大的提升。
在防火墙的DMZ区再架设服务器，利用防火墙可以做到单向访问控制的功能，仅允许局域网内用户和外网的部分合法的用户可以通过防火墙来访问架设好的公开服务器，而公开服务器不可以主动发起对内部网络的访问。
连接到防火墙的两台核心交换机都是具有三层路由功能的交换机，从而使内部网络的Vlan间路由可以由核心层交换机完成。
并且两台核心交换机间做数据冗余，防止一台出问题后网络不通。
图4.3.2网络拓扑图
4.2综合布线系统设计
综合布线系统是一种由线缆及相关连续设备组成的信息传输系统，它能够支持多种应用系统。
综合布线系统中不包括应用系统中的各种终端设备和转换装置。
综合布线系统的主体是建筑区或建筑物内的信息传输媒体，以使语音、数据通信设备、交换设备和其他信息管理系统彼此相连，并使得这些设备与外部通信网络连接。
它包括建筑物内部和外部线路间的缆线及相关设备的连接措施。
4.2.1综合布线组成
目前，在综合布线领域被广泛遵循的标准是EIA/TIA-568A，即CommercialBuildingTelecommunicationWiringStandard。
在EIA/TIA-568A标准中，把综合布线系统分成六个子系统，包括工作区子系统、水平子系统、垂直子系统、管理间子系统、设备间子系统和建筑群子系统，如图3.5.1所示。
图3.5.1综合布线系统组成
4.2.2乌鲁木齐六十八中综合布线设计
乌鲁木第齐六十八中学的信息点不多切主要姐终于一栋教学楼内，布线系统应当提供足够的连接带宽，以适应不断增长的计算机数量和新的网络应用对网络传输所提出的越来越高的需求。
下面就以主教学楼为例，概述整体综合布线设计。
4.2.3主教学楼综合布线设计
教学楼内有大量的计算机，用于日常教学办公、行政事务处理和计算机实验，网络内的多媒体数据和普通数据传输量不大，在布线时使用五类非屏蔽双绞线与多模光缆布线系统相结
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