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计算机局域网组建论文
计算机局域网的组建
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应用了网络技术中的重要分支局域网技术来建设与管理的,本人通过所学的知识结合自己长期从事单位组网的规划设计及宽带专业的维护工作,就学校组建局域网用到的有关局域网技术及实施方案为设计的方向,目的是为校园网的组建提供理论依据和实践指导。
关键字:
校园网、Internet、计算机网络、网络协议、服务器、防火墙
前言
当今世界,各种先进的科学技术飞速发展,给人们的生活带来了深远的影响,它极大的改善我们的生活方式。
在以计算机技术为代表的信息科技的发展更是日新月异,从各个方面影响和改变着我们的生活,而其中的计算机网络技术的发展更为迅速,已经渗透到了我们生活的各个方面,人们已经离不开计算机网络。
并且随着因特网的迅速普及,给我们的学习与生活条件带来更大的方便,我们与外部世界的联系将更加的紧密和快速。
随着人们对于信息资源共享以及信息交流的迫切需求,促使网络技术的产生和快速发展,计算机网络的产生和使用为人类信息文明的发展带来了革命性的变化。
自1995年中国教育教研网(CERNET)建成后,校园网的建设已经进入到一个蓬勃发展的阶段。
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。
其主要包括各种局域网的技术思想、网络设计方案、网络拓扑结构、布线系统、Intranet/Internet的应用、网络安全,网络系统的维护等内容。
借助南阳市第十高中局域网的组建,通过本毕业设计课题的论述,希望使读者能够了解学校局域网的建设过程以及所涉及到的各种网络技术,并能对今后大家在学习网络技术知识或是进行校园网的工程建设中有所借鉴。
一、计算机网络的基础知识
1.1、计算机网络的分类
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,可分为局域网(LocalAreaNetwork,LAN)、城域网(MetropolitanAreaNetwork,MAN)、广域网(WideAreaNetwork,WAN)。
我们经常用到的因特网(Internet)属于广域网,校园网属局域网。
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。
1.2、计算机网络的体系结构
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(OpenSystemInterconnectionReferenceModel)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。
TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol,传输控制协议和互连网协议)缩写,TCP/IP体系结构是当前应用于Internet网络中的体系结构,它是由OSI结构演变来的,它没有表示层,只有应用层、运输层,网际层和网络接口层。
1.3、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,在校园局域网上用到的协议主要有,ICP/IP协议、IPX/SPX协议等。
(1)TCP/IP协议
TCP/IP协议是目前在网络中应用得最广泛的协议,TCP/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,它也成为局域网的首选协议。
TCP/IP是一种分层协议,它共被分为个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。
(2)超文本传输协议(HTTP)
HTTP(HyperTextTransferProtocol),超文本传输协议)是WWW浏览器和WWW服务器之间的应用层协议,是用于分布式超文本信息系统的、通用的、面向对象的协议,HTTP协议还是基于TCP/IP协议之上的应用层协。
(3)文件传输协议(FTP)
FTP(FileTransferProtocol,文件传输协议)是由支持Internet文件传输的各种规则所组成的集合。
这些规则能使网络用户把文件从一个主机拷贝到另一个主机上,FTP是采用客户/服务器方式服务的。
(4)远程登录协议(Telnet)
远程登录协议的目的是提供一个全面的、双向的、面向8个比特字节的通信工具,其主要目标是提供终端设备与面向进程接口的标准方法,Telnet是应用层的协议,采用客户/服务器模式工作的,Telnet不仅允许用户登录到远端主机上,还允许用执行远端主机的命令,这样用户就能以极小的网络资源代价完成大型的网络应用。
1.4、局域网介绍
局域网是一个通信系统,它允许数台彼此独立的计算机在适当的区域内,以适当的传输速率直接进行沟通。
它可以是同一建筑、同一校园、方圆几公里远的地域内的专用网络。
局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)局域网标准委员会员会曾提出局域网的一些具体特征:
A、局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,比如我们可以用1个计算机毕业设计的理念来理解的。
B、较高传输率的物理通信信道也是局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。
C、因为连接线路都比较短,中间几乎不会爱任何干扰,所以局域网还具有始终一致的低误码率。
D、局域网一般是一个单位或部门专用的,所以管理起很方便。
另外局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。
局域网可分为小型局域网和大型局域网。
小型局域网是指占地空间小、规模小、建网经费少的计算机网络,常用于办公室、学校多媒体教室、游戏厅、网吧,甚至家庭中的两台计算机也可以组成小型局域网。
大型局域网主要用于企业Intranet信息管理系统、金融管理系统等。
1.5、局域网的拓扑结构
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
二、计算机网络常用网络设备概况
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。
2.1、网卡
网卡(简称NIC),是指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,是计算机与局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(MediaAccessControl)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。
2.2、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。
2.3、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之外,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等功能。
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。
2.4、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,局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。
2.4.1、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,其结构如图1所示。
2.4.2、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,双绞线可按其是否外加金属网丝套的屏蔽层而区分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP).在EIA/TIA-568A标准中,将双绞线按电气特性区分有:
三类、四类、五类线。
网络中最常用的是五类线,第五类双绞线目前占有最大的LAN市场,最高速率可达100Mbps,符合IEEE802.3100Base-T的标准。
2.4.3、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(SingleModeFiber)和多模光纤(MultiModeFiber)。
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。
光纤通信系统的基本构成如图3所示:
三、校园网网络需求分析及技术分析
3.1、业主需求分析
学校组网的总体目标,利用先进实用的计算机技术和网络通信技术,把学校内所有的局域网、网段和单机用户都连接起来,组成—个分布式网络系统。
同时通过校园网向上连通CERNET和Internet连接,向下覆盖全校,分享国内外的计算机资源信息,并建立基于校园网的应用系统,这是业主总的需求。
下面从如下几个方面进行需求分析。
3.1.1、应用需求
1)网络办公管理功能
2)网络多媒体教学功能
3)电子图书馆功能
4)Internet/Intranet信息服务功能
5)系统管理和维护功能
3.1.2、网络管理需求
1)虚拟网的划分:
在内部主干网上要求作到能够划分跨越物理子网的虚拟网,以便使各种网段(尤其是办公网)的划分不受地理区域的限制,并有效地限制网间广播,控制网间访问;
1虚拟网管理:
对虚拟网的配置可以进行集中的控制管理,以便随时进行扩充、迁移等调整;
2设备及端口管理:
对主干网上所有网络设备及连接局域网的所有端口可以进行集中的控制管理;
3网络检测:
对主干网的运行状态和故障进行集中检测、报警、统计。
3.1.3、网络安全需求
1)划分内部网和外部网:
所有向Internet提供的信息发布服务放在外部网上、所有校内应用放在内部网上,内部网与外部网之间设置防火墙以保证内部网的安全.
2)内部网的各个子网之间的互访可以控制,杜绝非授权的访问.
3.1.4、计算机设备需求
3.1.4.1、服务器的选取
校园网中的服务器主有数据库服务器和代理服务器,数据服务器与代理服务器主要是面向校园网内部用户的服务。
由于用户数量非常大,也非常集口中,所以在选型代理服务器时,主要考虑的是要有较大的容量、较高的处理速度和较高的稳定性,服务器必须具有高可靠性,I/O吞吐能力强,数据处理快,可扩展性和可管理性良好的特点。
一般来说都选用大型服务器作为代理服务器。
3.1.4.2、客户机的选取
市场上一般家用或商用的PC机,主频应高于2GHZ,操作系统windowsXP及以上版本,10M/100M自适应网卡,就可满足组网需要。
3.1.5、广域网连接需求分析
校园主干网广域网的连接需求主要表现在:
1)能够与国际互联网连接;能够与Cernet、Chihanet连接,与国内各个单位交流信息。
3.2、校园网的组建注意的关键问题
学校建设校园局域网有许多需要考虑注意的问题,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,直接关系着局域网的能否稳定运行,必须根据需要认真的比较,针对性的选择。
3.2.1、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。
3.2.2、网络操作系统
网络操作系统NOS(NetworkOperatingSystem)是在计算机操作系统的基础上,加上一些具有实现网络访问和控制功能的模块以及相关的数据通信协议,是使网络上各计算机能够方便有效地共享网络资源、为网络用户提供所需的各种服务软件和规程的集合。
目前主要的网络操作系统有NetWare、Unix、Linix和WindowsNT/2000。
在校园网中一般情况下都用Windows2000网络操作系统,因为它是图形化的操作界面、使用简单、安全可靠,所以普及率很高同时与Windows系列单机操作系统的兼容性很好。
3.2.3、Internet接入技术
校园网和Internet的连接技术就显得十分重要了,它关系到校园网与外部网络能能否进行可靠的连接。
用户计算机接入Internet主要有两种方式,通过局域网或通过电话线网。
不过,我们一般采取局域网接入方式。
但不管使用哪种接入方式,首先都要连接到ISP的主机。
从用户角度看,ISP位于Internet的边缘,用户通过某种通信线路连接到ISP,再通过ISP的连接通道接入Internet。
通过局域网接入Internet是指用户局域网使用路由器,通过数据通信网与ISP相连接,再通过ISP的连接通道接入Internet。
选择哪种数据通信网络与租用多大的带宽,通常取决于用户的信息流量与能够承担的费用等多种因素。
3.2.4、防火墙
防火墙是一种特殊的设备,在两个网络之间执行访问控制。
通常一个路由器,也可以是一台运行防火墙软件的PC机。
防火墙有选择地过滤或阻塞网络间的流量。
它通常在Intranet和Internet的交接处,也可以在两个Intranet之间设立防火墙。
防火墙一般是基于源地址和目的地址以及每个IP包的端口来作出禁止或允许判断。
3.2.5、VLAN的划分及IP地址分配
(1)vlan的含义VLAN(VirtualLocalAreaNetwork)又称虚拟局域网,是指在交换局域网的基础上,采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。
一个VLAN组成一个逻辑子网,即一个逻辑广播域,它可以覆盖多个网络设备,允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中
(2)组建VLAN的条件VLAN是建立在物理网络基础上的一种逻辑子网,因此建立VLAN需要相应的支持VLAN技术的网络设备。
当网络中的不同VLAN间进行相互通信时,需要路由的支持,这时就需要增加路由设备——要实现路由功能,既可采用路由器,也可采用三层交换机来完成
(3)VLAN优点:
a:
控制广播风暴:
一个VLAN就是一个逻辑广播域,通过对VLAN的创建,隔离了广播,缩小了广播范围,可以控制广播风暴的产生。
b:
提高网络整体安全性:
通过路由访问列表和MAC地址分配等VLAN划分原则,可以控制用户访问权限和逻辑网段大小,将不同用户群划分在不同VLAN,从而提高交换式网络的整体性能和安全性。
c:
网络管理简单、直观
随着校园网内的计算机数量的增加,VOD视频点播在课堂教学上的大量应用,广播包的数量也会急剧增加,当广播包的数量占到总量的30%时,网络的传输效率将会明显下降。
特别是当某网络设备出现故障后,会不停地向网络发送广播,从而导致网络风暴,使网络通信陷于瘫痪。
这就要考虑使用VLAN技术,即将一个完整网络物理地分为逻辑上独立的子网,逻辑子网相对独立,每个逻辑子网之间不能相互通信,达到抑制广播风暴的目的,减少网络臃塞的机会,大大提高网络的稳定性。
各虚拟子网间通过路由设备连接实现通讯。
当校园网络内计算机数超过200台后,就必须采取措施将网络分隔开来,将一个大的广播域划分成若干个小的广播域。
VLAN的划分应与IP规划结合起来,使得一个VLAN接口IP就是一个子网关。
并且VLAN应以部门划分为原则,相同部门的主机IP以VLAN接口IP为依据划归在一个子网范围,同属于一个VLAN。
这样不仅在安全上有益,而且更方便网络管理员的管理和监控。
(4)IP地址的分配IP地址的基本知识IP地址是32位的二进制数值,用于在TCP/IP通讯协议中标记每台计算机的地址。
通常我们使用点式十进制来表示,如192.168.1.6等。
每个IP地址又可分为两部分。
即网络号部分和主机号部分:
网络号表示其所属的网络段编号,主机号则表示该网段中该主机的地址编号。
按照网络规模的大小,IP地址可以分为A、B、C、D、E五类,其中A、B、C类是三种主要的类型地址。
A、B、C三类IP地址有效范围如下:
A类IP地址一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成,网络地址的最高位必须是“0”,地址范围从1.0.0.0到126.0.0.0。
可用的A类网络有126个,每个网络能容纳1亿多个主机。
B类IP地址一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成,网络地址的最高位必须是“10”,地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。
可用的B类网络有16382个,每个网络能容纳6万多个主机。
C类IP地址一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成,网络地址的最高位必须是“110”。
范围从192.0.0.0到223.255.255.255。
C类网络可达209万余个,每个网络能容纳254个主机。
在做局域网一般用的都是C类地址。
子网掩码子网掩码是与IP地址结合使用的一种技术。
它的主要作用有两个,一是用于确定厂地址中的网络号和主机号,二是用于将一个大的IP网络划分为若干小的子网络。
子网掩码以4个字节24bit表示,子网掩码中为1的部分定位网络号,为零的部分定位主机号。
因此,地址与子网掩码二者相“与”(and)时,非零部分即为网络号,为零部分即为主机号。
可以通过修改子网掩码的方式来改变原有地址分类中规定的网络号和主机号。
在进行VLAN划分和IP地址分配时,可根据部门的类别及每个部门的电脑的台数,来确定划分VLAN的个数及使用的IP地址段。
3.3、流量负载均衡控制
负载均衡(LoadBalance)建立在现有网络结构之上,它提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。
负载均衡有两方面的含义:
首先,大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理,减少用户等待响应的时间;其次,单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理,每个节点设备处理结束后,将结果汇总,返回给用户,系统处理能力得到大幅度提高。
针对网络上负载过重的不同瓶颈所在,从网络的不同层次入手,我们可以采用相应的负载均衡技术来解决现有问题。
随着带宽增加,数据流量不断增大,网络核心部分的数据接口将面临瓶颈问题,原有的单一线路将很难满足需求,而且线路的升级又过于昂贵甚至难以实现,这时就可以考虑采用链路聚合(Trunking)技术。
链路聚合技术(第二层负载均衡)将多条物理链路当作一条单一的聚合逻辑链路使用,网络数据流量由聚合逻辑链路中所有物
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