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摘要：在高等職業院校計算機網絡課程實踐環節的教學實驗中，以校園網絡架構為背景，利用EVE-NG虛擬環境仿真網絡架構，使用VRRP與MSTP相結合進行負載與冗余，運用OSPF動態路由協議合理規劃路由區域，并使用PAT技術訪問互聯網等技術手段，滿足數據轉發、負載均衡等基本需求。邏輯網絡架構具備良好的可拓展性，可依據實際情況和業務需求進行拓撲變更與網絡優化措施，滿足學生的個性實驗環境要求，提升學生的實踐能力。

關鍵詞：校園網；EVE-NG；虛擬路由冗余；端口多路復用

1引言

在計算機網絡的實踐課程中[1]，受限于計算機硬件條件，無法滿足進行中小型網絡架構的仿真實驗。GNS3和eNSP等都類似于用戶軟件，無法做到以教學為中心的交互式模型，而融合多廠商網絡設備的EVE-NG虛擬仿真環境[2]是深度定制的Ubuntu操作系統，可以直接架構在物理主機或服務器上，適用于局域網內的多點訪問。中小型園區網作為計算機網絡課程的綜合實驗[3]，涉及路由與交換方面的多種類協議和網絡層次結構，完全可以涵蓋理論課程的全部知識，從而對學生的實踐能力進行全面了解。本文主旨在于構建多功能分區的校園網絡層次模型，從各功能分區的業務需求分析與設計設備接入和匯聚方式，充分考慮設備備份、鏈路冗余及負載均衡等方面，以雙核心模式進行高速轉發[4]，設置服務器集群與數據中心旁掛出口防火墻，保證內網安全性，以此構建具備穩健性與可擴展性的校園網邏輯網絡架構用于實驗教學，滿足計算網絡實踐教學的虛擬仿真環境需求。

2相關技術

EVE-NG（EmulatedVirtualEnvironment–NextGeneration)是具備交互式的CS模型[5]，作為服務器端支持Native和HTMLConsole，融合了Dynamips、IOL、KVM等，可以直接安裝到x86架構的物理主機，也可以通過ova版本導入Vmware進行虛擬環境搭建。

2.1多生成樹協議

MSTP(MultipleSpanningTreeProtocol)是在RSTP的基礎之上運行[6]，為VLAN創建實例（instance）組，將進行相同STP計算的VLAN映射到同一個STP實例中，構建無環生成樹拓撲結構，根據路徑數維護相同數目的STP實例，從而節省系統資源。

2.2開放式最短路徑優先協議

OSPF（OpenShortestPathFirst）是典型的鏈路狀態路由協議[7]，其核心思想最短路徑優先（SPF）使用Dijkstra算法計算路徑最短度量值，支持CIDR和VLSM。路由器鄰居之間進行鏈路狀態信息交換并動態更新，從而每個路由器節點都計算出整張網絡的拓撲結構。

2.3虛擬路由器冗余協議

VRRP(VirtualRouterRedundancyProtocol)保證網絡邊緣設備與整個網絡連接可靠性[8]，VRRP組中所有路由器使用同一個虛擬的IP地址和MAC地址，組內路由器優先級根據鏈路的速度，路由器性能，可靠性及管理策略設定。

3校園網架構設計與實現

3.1邏輯網絡架構總體設計

依據校園網各部分業務需求，對網絡層次結構部署嚴格遵守接入層，匯聚層，核心層三層網絡結構。接入層主要負責用戶管理功能如地址認證，用戶認證，用戶信息收集工作如IP地址、MAC地址、訪問日志，VLAN劃分及二層網絡的隔離與互通[9]。匯聚層主要進行二層的VLAN信息管理與三層網絡路由信息的控制，分割網絡動態區域。匯聚層之下一般通過將多個物理線路通過二層Etherchannel捆綁為一個邏輯的Trunk鏈路傳遞數據，匯聚層之上通過三層接口與核心交換機互聯，運行動態路由協議，提供局域網之間數據轉發。核心層主要負責數據高速轉發及匯聚層之上動態路由協議控制域劃分，并避免使用路由策略，提高數據包轉發效率。針對校園網各功能分區可劃分為教學樓區域、宿舍區域、辦公樓區域、行政樓區域、圖書館區域、數據中心與服務器集群區域等。其中數據中心與服務器區域采用二層網絡區域并在匯聚層設備進行相應路由策略進行訪問控制，保證服務器區域安全性[10]。出口區域作為內網與外網連接點應直連核心層進行高速數據轉發，同時將防火墻旁掛到出口設備下，保護內網安全。

3.2邏輯網絡架構實現方案

接入層提供校園網功能分區中所有的邊緣設備接入網絡，主要包括二層以太網交換機、無線接入點、終端等設備等。接入層設備應充分考慮全局接入安全性，實現虛擬局域網的劃分、生成樹協議、IP地址與MAC地址安全綁定、端口隔離、以及簡單網絡管理協議SNMP與DHCP-Snooping等功能，上聯至匯聚層進行數據轉發時應使用Etherchannel進行物理鏈路邏輯捆綁，從而增大帶寬。接入層交換機通過MSTP生成樹協議形成無環拓撲，避免廣播風暴，保證終端設備安全接入。匯聚層在全局上管理網絡功能分區的VLAN信息，并運行動態路由協議向核心層通告路由信息和傳遞數據，進行路由策略與訪問控制。在進行接入層設備的數據與路由信息匯聚后，維持接入核心層設備前的數據轉發、訪問控制的中介工作，以減輕核心層設備的負荷。匯聚層實現工作組的接入、虛擬局域網之間的路由、源目IP地址及MAC地址過濾、路由策略，數據安全等多種功能。匯聚設備采用VRRP進行虛擬路由冗余，提供接入層設備的持續無障礙連通性。匯聚層設備運行動態路由協議OSPF與核心層設備建立鄰居關系，劃分進相應OSPF區域，傳遞路由信息與數據并動態更新，同時進行路由信息過濾。匯聚層設備是本地網絡的邏輯中心，在實現安全控制和身份驗證時，進行集中式管理，保證核心層的安全和穩定。核心層是校園網絡平臺的骨干網絡中心區域，是所有數據流量的最終承受和匯聚，采用雙核心模式實現設備的冗余備份和可靠的高速傳輸，提供全網數據轉發的負載均衡與OSPF域內域間路由信息通告，提供快速數據轉發和可優化的拓展能力。

4驗證與分析

對于整個設計方案的效果驗證主要以教學樓區域的網絡環境作為測試，主要包含域內MSTP結合VRRP在雙核心模式校園網中的應用，多實例Instance通過STP或RSTP計算生成以確定主根交換機，備份設備在主設備或鏈路失效后成為根交換機提供流量傳輸路徑。VRRP備份組中Master和Backup設備進行主備協商，協商完畢產生虛擬網關設備，生成虛擬IP與MAC地址，當主設備或鏈路故障后，備份設備瞬時切換角色，承擔數據流量轉發，保證網絡服務的不間斷性。OSPF動態路由協議進行區域劃分及域內路由策略，雙核心及下連數據中心劃分為進程號為110的OSPFArea0，將服務器集群區劃分為OSPFArea1，將出口區域劃分為OSPFArea2，預定將核心設備設置為各網段的DR，避免LSA泛洪造成的協商數據包過多影響網絡性能，減少了LSDB交互時所需的帶寬和路由器開銷，加強了OSPF動態運行穩定性。校園網均采用192.168.0.0/16地址段進行私有網段劃分，當內部設備訪問Internet時，需要將私有IP地址轉換為公有IP地址并進行端口復用，測試方法是在出口設備上查看Access-lists的匹配情況及NAT的轉換列表。通過查看得知，私網地址成功轉換為公有IP地址并以端口復用的方式訪問Internet。

5結語

針對高職院校的計算機網絡實踐課程，具備多廠商虛擬仿真環境的EVE-NG解決了計算機硬件條件的不足，在交互模式上更加具有優勢，便于學生以C/S模型的方式進行http/https的任意連接。本文所設計的校園網絡架構模型，在運用了多種類網絡協議的同時，兼顧了網絡架構的穩健性與可擴展性，也便于學生在虛擬仿真環境中進行實踐訓練和拓展，增強了學生的實踐能力，以此提高教學質量。

參考文獻：

[1]夏秋菊.中職計算機網絡課程教學改革的探索與實踐[J].中國管理信息化,2020,23(23):231-232.

[2]曹雪峰,傅冬穎,于萬國,等.基于EVE-NG的虛擬網絡實踐教學平臺設計與實現[J].實驗技術與管理,2019,36(6):158-161,166.

[3]蔣建軍,陳靖棟.新一代校園網絡架構的仿真與優化研究[J].現代電子技術,2016,39(14):69-72.

[4]陳岳.園區級校園網絡規劃與方案設計[J].信息技術與信息化,2020(11):167-170.

[5]唐燈平,凌興宏.基于EVE-NG模擬器搭建網絡互聯技術實驗仿真平臺[J].實驗室研究與探索,2018,37(5):145-148.

[6]李獻軍,張少芳,李巖.基于MSTP的網絡通信負載均衡的實現[J].電腦編程技巧與維護,2019(5):149-150.

[7]郭麗,劉海燕.基于PacketTracer的OSPF多區域中LSA的類型研究[J].電腦知識與技術,2020,16(36):1-2.

[8]甘衛民,李檢輝.基于華為VRP下的VRRP仿真實驗分析[J].網絡安全技術與應用,2020(5):31-33.

[9]陳岳.園區級校園網絡規劃與方案設計[J].信息技術與信息化,2020(11):167-170.

[10]李宗鋒.計算機網絡安全技術在校園網絡建設中的應用[J].電子技術與軟件工程,2019(15):175-176.

作者：王衛國   單位：九州職業技術學院