学报专栏

校园区域网的组建与规划 (作者张 芳)

(山西信息职业技术学院信息工程系  山西临汾  041000)
        【摘  要】随着网络的逐步普及,校园网络的建设是学校向信息化发展的必然选择。校园网网络系统是一个非常庞大而复杂的系统,它不仅为现代化教学、综合信息管理和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台,而且能提供多种应用服务,使信息能及时、准确地传送给各个系统。而校园网工程建设中主要是应用网络技术中的重要分支区域网技术来建设与管理的,因此本毕业设计课题将主要以校园区域网络建设过程可能用到的各种技术及实施方案为设计方向,为校园网的建设提供理论依据和实践指导。
        【关键词】区域网、计算机网络、网络协议、防火墙
第一章       计算机网络
         计算机网络是指通过传输媒休连接的多部计算机组成的系统,使登录其上的所有用户能够共享软硬件资源。计算机网络如按网络的组建规模和延伸范围来划分的话,可分为区域网(Local Area Network,LAN)、城域网(Metropolitan Area Network,MAN)、广域网(Wide Area Network,WAN)。我们经常用到的因特网(Internet)属于广域网,校园网属区域网。未来的网络技术将向着使用简单、高速快捷、多网合一、安全保密方向发展。
         1.1  校园网的建设思路.
         校园网的建设是一项非常复杂的系统工程,校园作为一个特殊的网络应用环境,它的建设与使用都有其自身的特点。在选择区域网的网络技术时要体现开放式、分布式、安全可靠,维护简单的原则。校园网的建设主要应用区域网技术以及多媒体技术为主的各种网络应用技术。区域网技术是一项在20世纪70年代发展起来的计算机互联技术,经过多年的发展,技术已经成熟,并得到了广泛的应用,区域网技术成为网络技术的重要组成部分。计算机多媒体技术是伴随着多媒体信息的应用而得到迅速的计算机应用技术,在网络环境下,多媒体得到了更快更好的应用,使我们得到了更好更多的信息。校园网是使用了区域网技术以及各种多媒体应用技术,并结合Internet应用等其它的技术来建设。使得校园网能满足现代教学对信息处理的要求,使计算机的应用能对教学管理现代化起重要的促进作用,能实现信息查寻、教务管理,并与外部网络系统进行交流等多种需要。
         1.2  校园网的建设原则
         校园网建设是一项综合性非常强的系统工程,它包括了网络系统的总体规划、硬件的选型配置、系统管理软件的应用以及人员培训等诸多方面。因
此在校园网的建设工作中必须处理好实用与发展、建设与管理、使用与培训等关系,从而使校园网的建设工作健康稳定地开展。首先,校园网的建设是一个为学校教育教学活动长期服务的工作,因此在校园网的规划建设过程中,必须从学校长远发展规划出发,以服务于教育为基本点,结合学校当前教育教学的实际需要,做出科学的规划部署。在校园网的规划建设中,一般学校应遵循“统一规划、整体设计、分步实施”的原则。其次在校园网的建设中必须坚持硬件建设与组织管理协调发展的原则,在重视硬件建设的同时,加强网络的组织管理水平,不断开发网络的功能,从而充分发挥校园网络的功效,提高校园网对学校教育的服务水平。 
第二章  区域网简介
        区域网是同一建筑、同一校园、方圆几公里远的地域内的专用网络。区域网通常用来连接公司办公室或企业内部的个人计算机和工作站,以共享软、硬件资源。美国电气和电子工程师协会(IEEE)区域网标准委员会员会曾提出区域网的一些具体特征:
(1)区域网在通信距离有一定的限制,一般在1~2Km的地域范围内。比如在一个办公楼内、一个学校等。
(2)较高传输率的物理通信信道也是区域网的一个主要特征,在广域网中用电话线连接的计算机一般也只有20~40Kpbs的速率。
(3)因为连接线路都比较短,中间几乎不会爱任何干扰,所以区域网还具有始终一致的低误码率。
(4)区域网一般是一个单位或部门专用的,所以管理起很方便。
(5)另外区域网的拓扑结构比较简单,所支持连接的计算机数量也是有限的。组网时也就相对很容易连接。
        2.1  网络的体系结构.
        网络通常按层或级的方式来组织,每一层都建立在它的下层之上。不同的网络,层的名字、数量、内容和功能都不尽相同。但是每一层的目的都是向它的上一层提供服务,这一点是相同的。层和协议的集合被称为网络体系结构。作为具体的网络体系结构,当前重要的和使用广泛的网络体结构有OSI体系结构和TCP/IP体系结构。
OSI是开放系统互连基本参考模型OSI/RM(Open System Interconnection Reference Model)缩写,它被分成7层,这7个层次分别定义了不同的功能。几乎所有的网络都是基于这种体系结构的模型进行改进并定义的,这些层次从上到下分别是应用层、表示层、会话层、运输层、网络层,数据链路层和物理层,其中物理层是位于体系结构的最低层,它定义了OSI网络中的物理特性和电气特性。
        2.2  网络协议
        网络协议是通信双方共同遵守的约定和规范,网络设备必须安装或设置各种网络协议之后才能完成数据的传输和发送,在校园区域网上用到的协议主要有,ICP/IP协议TCP/IP协议TCP/IP协议是目前在网络中应用得最广泛的协议,ICP/IP实际上是一个关于Internet的标准,并随着的Internet广泛应用而风靡全球,它也成为区域网的首选协议。TCP/IP是一种分层协议,它被分为个4层次,大约包含近期100个非专有协议,通过这些协议,可以高效和可靠地实现计算机系统之间的互连。TCP/IP协议中的核心协议有TCP(传输控制协议)、UDP(用户数据报协议)和IP(因特网协议)。
       TCP协议可以在网络用户启动的软件应用进程之间建立通信会话,并实现数据流量控制和错误检测,这样就可以在不可靠的网络上提供可靠的端到端数据传输。UDP协议是一种无连接的协议,它在传输数据之前不建立连接,也不提供良好的可靠性和差错检查,只仅仅依赖于校验来保证可靠性。UDP不进行流量控制,没有序列或者确认,因此它处理和传输数据的速度快,还被用来传输关键的网络状态消息。
       IP协议的基本功能是提供数据传输、数据包编址、数据包路由,分段等。通过IP编址约定,可以成功地将数据通过路由传输到正确的网络或者子网。每个网络站点具有一个32位的IP地址,它和48位MAC地址一起协作,完成网络通信,IP协议也是一种无连接的协议。
第三章  常用网络设备
       网络设备主要是指硬件系统,各种网络设备之间是有着相互关联而不是相互独立的,每一部分在网络中有着不同的作用,缺一不可,只有把这些设备通过一定的形式连起来才能组成一个完整的网络系统,网络设备主要包括网卡、集线器、交换机、路由器、传输介质等。
        3.1网卡
        网卡(简称NIC),也网络适配卡或网络接口卡,网卡作为计算机与网络连接的接口,是不可缺少的网络设备之一。无论是双绞线网络、同轴电缆网络还是光缆网络,都必须借助于相应类型的网卡才能实现与计算机的连接,是计算机与区域网相互连接的惟一接口。每块网卡上都有一个世界惟一的ID号,也就是MAC(Media Access Control)地址,计算机在连入网络之后,就是依靠这个ID号才能实现在不同计算机之间的通信和信息交换。网卡有很多种,不同类型的网络需要使用不同种类的网卡,不同速度的网络需求也要使用不同的网卡。如根据带宽来分的话,有10Mbit/s网卡、10/100Mit/s自适应网卡和1000Mbit/s网卡;如按总线分,有ISA总线、PCI总线、PCMCIA总线网卡等。从目前校园网建设的实际情况来看,工作站网卡选择PCI总线的10M/100Mbit/s自适应网卡最适合
        3.2交换机
        交换机,也称交换式集线器,是专门设计的,使各计算机能够相互高速通信的独享带宽的网络设备。作为高性能的集线设备,随着价格的不断降低,交换机已逐步取代了集线器而成为集线设备的首选。由交换机构建的交换式网络系统不仅拥有高速的传输速率,而且交换延时很小,使得信息的传输效率大大提高,适合于大数据量并且使用非常频繁的网络通信,被广泛应用于各种类型的多媒体和数据传输网络。交换机具有很强的网络管理功能,它能自动根据网络通信的使用情况来动态管理网络,因为交换机采用了独享网络带宽的设计。
        3.3路由器
        路由器除了有连接不同的网络物理分支和不同的通信媒介、过滤和隔离网络数据流及建立路由表,还有控制和管理复杂的路径、控制流量、分组分段、防止网络风暴及在网络分支之间提供安全屏障层等到功能。根据路由设备的组成可以分为软路由和硬路由。根据路由表的设置方式可以将路由器分为静态的和动态的。路由器工作在网络层,因此它可以在网络层交换和路由数据帧,访问的是对方的网络地址。当数据帧到达路由器后,路由器查看数据帧的目标地址,并在路由表查看到达目标地址的路径,根据路径的代价,选择一条最佳的路径,然后把数据帧沿这条路径发送给目标地址。
        3.4传输介质
        网络要求把各个独立的计算机连接起来的,这样就必然要求有一种介质将计算机连接起来,这就是传输介质,区域网的传输介质可分为有线介质和无线介质两种,一般情况下都是用有线介质的,因为它的稳定性高,连接可靠,无线介质只是在特殊环境下才使用的传输方式。常用的有线介质主要有以下几类。
(1) 同轴电缆
        同轴电缆以硬铜线为芯,外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕,网外又覆盖一层保护性材料。同轴电缆有许多种不同的规格,最常用是细同轴电缆和粗同轴电缆。细同轴电缆主要用于建筑物内的网络连接,而粗同轴电缆则常用于建筑物间相连。它们的区别在于粗同轴电缆屏蔽更好,能传输更远的距离。
        同轴电缆是由中心导体、绝缘材料层、网状织物构成的屏蔽层以及外部隔离材料层组成。
(2) 双绞线
        双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消,与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制,但价格较为低廉。目前,双绞线可分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。                       
(3) 光纤
        光纤是一种直接为50~100um的柔软的、能传导光波的介质,一般由玻璃制造。光纤分为:传输点模数类分单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multi Mode Fiber)。单模光纤的纤芯直径很小,在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤,与单模光纤相比,多模光纤的传输性能较差。
第四章  校园网的建设规划
        校园网建设作为一项复杂的系统工程,与任何一项工程建设一样,在开始建设前都要根据工程的特点事先进行详细的工程规化与技术需求分析,它的成功与否都直接影响到工程的建设质量以及今后网络能否可靠运行都有直接的关系,因此要特别认真地进行系统规划。对于校园网来说,必须对技术和教育的发展前景有着清醒的认识,只有这样,才能从很好地为校园网进行合理的规划。 
        4.1总体设计
        校园网络结构设计主要是进行网络的物理设计和逻辑设计,在完成结构设计后才能对网络设备进行选型。网络结构设计对于整个网络系统来说是十分重要的,它设计的成功与否都直接影响网络的使用功能的实现以及网络是否能满足网络的需求。
        计算机网络系统是校园网系统的核心,因此在设计中必须遵循以下原则:
1. 软硬件的可行性。系统软硬件配置必须考虑各种约束条件,主要是性能需求、当前技术水平和改造资金多少,兼顾现实性和技术领先性。
2. 系统开放原则。系统应具有良好的开放性,或称职兼容性和扩展性,以适应技术的不断发展和不增强的应用需求,因此,应尽量采用工业标准或事实上的工业标准技术。在系统设计时,要考虑系统的生命周期,一般要按超前3~5年考虑。
3. 整体最优原则。在进行系统设计和配置时,常遇到很多矛盾,需根据有限合理性原则,进行综合考虑和评价,折中选择。应考虑的因素有:先进性、可靠性、安全性、经济性。
4. 开放性、先进性原则。系统的传输速率至少目前要够用,最好要有一定的余量,以适应应用的不断增长困采用公认的行业标准,以增强适应性,避免淘汰。要留有足够的扩展扩充的余地,以便对系统进行扩充和改进。网络可先择Microsoft的产品,以Web为中心,以Intranet技术为基础,采用TCP/IP和HTTP为传输协议,客户通过浏览器访问Web及Web相连的数据库。
        4.2网络技术
        学校建设校园网有许多需要考虑的问题,如网络技术的选择、网络拓扑结构的选择、网络产品的选择、网络服务器的选择以及操作系统、网络应用服务、网络管理及网络安全等方面。下面根据前面介绍过的各种网络技术来进行校园网组建技术的选择。
(1) 网络技术类型
        网络系统的建设应遵循高可靠性、技术先进、开放性、成熟标准、易于扩展、可维护性好等原则,并充分考虑性能价格比和今后技术的发展。要求系统兼容性好,易于平滑连接,避免网络瓶颈。
        当前达到或超过100Mbps的高速网络技术主要有:快速以太网、FDDI、千兆以太网、ATM交换网。FDDI是几年前十分流行的高速网络技术,虽然技术十分成熟,但网络管理复杂且成本较高,现已被逐渐淘汰。ATM是比较先进的网络技术,它采用信元交换方式,以很高的速率在任意两点间建立直接的虚拟通信链路,有较强的传输质量控制能力,特别适合于多媒体信息的传输。但在实际使用事因端口价格过高,难以大规模采用。以太网是种成熟的、质优价廉的网络技术,其标准已制定完备。经过多年发展,形成了完善的10Mbps、100Mbps和千兆以太网技术,同时还由共享式的网络发展成为交换式的以太网,具备与FDDI、ATM网络融合的多种方法与规范。
(2) 网络拓扑的选择
        计算机网络拓扑结构有很多种,主要有总线型拓扑、环型拓扑和星型拓扑。总线型拓扑结构中所有的电脑用介质将整个网络从头串到尾。这是所有的网络拓扑结构中最简单的一种。环型拓扑结构,就是指所有站点被绕成一圈的电缆所连接起来,整个结构看起来象是一个圆圈。当前在各种网络系统的建设中使用最多的是星型拓扑结构,虽然星型拓扑结构的网络在布线和网络设备的花费多一些,不过目前各种硬件设备已经非常便宜了,这种花费是可以承受的。因而它的优点也是十分突出的,主要是当网络中某个节点出现故障时不会影响整个网络的运行,这使得网络从总体上可以提供高度的可靠性和沉佘性,这个性能十分适合校园网这种应用环境,也是校园网的建设中必须要求做到的。
        4.3  网络组成
(1)校园网的主干
        校园网主干提供两个简单但至关重要的功能.其一,它用于在中间层交换机组之间建立互联.其二,它提供对企业各部分共享的所有资源的高速访问.因其重要性,校园网主干必须具有高吞吐量和高可用性.如果主干变慢或拥挤,则整个网络对常用资源的访问将变慢.通过同一令牌,主干上的中断将影响整个网络的恢复能力和高可用性基本要求。基于当前信息技术发展形势及经济实用可持续发展原则,建议构建100M带宽的快速以太网,根据实际工作站信息点到网络中心的距离,选择适当的传输媒介进行网络综合布线。一般来讲,在同一幢大楼内距离不超过100米均可铺设超五类非屏蔽双绞线,而楼与楼之间的连接主干线原则上应架设光缆,以满足今后发展的需要。
(2) 网络中心
        也就是校园网中心机房,应配置有各种系统服务器(如:Web服务器、代理服务器)、文件服务器(数据库服务器)、中心交换机、配线机柜等。如刚使用时数据流量不大,可只配置一台服务器,视今后网络发展情况再作扩充。为保证网络运行稳定可靠,网络中心的设备选型应选择信誉可靠、质量上等、性能稳定、扩充性优良的专业产品。
(3) 计算机教室
        配置100台586以上微机,通过星型网络拓扑结构将所有微机连接到可堆叠交换机上,再通过交换机连接校园主干网。为方便教学,可在以上网络教室的基础上安装多媒体教学平台,使之成为一个既能完成信息技术学科教学,又能进行多媒体辅助教学,还能开展基于Internet技术的网络活动的多媒体网络活动室。
(4)多媒体综合教室
        信息化环境的构筑其根本目的是为教学服务的,因此课堂信息化教学环境的建立应该是校园网建设的一个重要目标。针对课堂教学而言,计算机网络应能为师生合作教学模式提供支持。在合作教学模式下,教师通过网络安排教学计划,指导学生学习,批改学生作业,实施网上教学;学生既可以在教师帮助下进行自主学习,也可通过小组讨论等形式在同伴中开展合作学习。多媒体综合教室内配备有多媒体计算机、高亮度液晶投影仪、多功能视频展示台各一台,功放音响一套,其中多媒体计算机通过网卡连入校园主干网,从而方便调用网络内其它计算机上的教学资源,实现资源共享。多媒体综合教室不仅可满足正常的辅助教学活动,还可以用来举办讲座、开展培训,不失为当前形势下一种经济实惠的选择。
【参考文献】
【1】祁玉芹主编.《区域网组建与应用》.北京:电子工业出版社,2007.6
【2】刘爱民主编.《组建区域网》.重庆:重庆出版社,2004.5
【3】杨威主编.《网络工程设计与安装》.北京:电子工业出版社,2006.7
The construction and plan of the LAN
     Abstract: With the popularity of the network, it is necessary to build the campus’ network. The campus’ network system is a very large and complicated one which not only provides the platform for the modern teaching, comprehensive information management and office automation, but also provides all sorts of applied service that transmits the information exactly and timely, while the campus’ network construction mainly applies the most important branch of the network technology. Therefore, the design makes a direction following the campus’ network construction and its plan. At the same time it provides the theory and guidance.
     Keywords: regional network, computer network, network protocol, firewall 


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