2024年5月30日发(作者：涂巧香)
２０１１年第２期
（总第７２期）
漳州师范学院学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．）
Ｎｏ．２．２０１１年
Ｇｅｎｅｒａｌ Ｎｏ．７２
文章编号：１００８－７８２６（２０１ １）０２．００１５．０５
园区网络的最佳设计研究
郭联志，韩光明
（漳州师范学院计算机科学系，福建漳州３６３０００）
摘要：园区网络设计的目标主要是为用户提供尽可能高的带宽、高可用性、冗余性、扩展性和弹性等．而
构成园区网络的以太网拓扑结构虽然简单，但存在可靠性差，单点故障等，一旦因故障产生拓扑变动，生成树的
收敛时间较长，不能满足实时业务的服务质量．本文是通过研究第三层交换和区分服务、建筑物模块设计和网状
冗余技术等，来实现因区网络最佳设计．
关键词：因区网络；最佳设计；第三层交换；建筑物模块；网状冗余
中图分类号：ＴＰ３９３．１８ 文献标识码： Ａ
Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃａｍｐｕｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ
ＧＵＯ Ｌｉａｎ－ｚｈｉ，ＨＡＮ Ｇｕａｎｇ—ｍｉｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｆｕｊｉａｎ ３６３０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｃａｍｐｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｕｓｅｒｓ ｈｉｇｈ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｈｉｇｈ ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ，
ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ，ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｅｔｃ．Ａｌｔｈｏｕｇｈ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃａｍｐｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｔｈｅ
ｎｅｔｗｏｒｋ ｈａｓ ｐｏｏｒ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｏｎｃｅ ｓｏｍｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｃｃｕｒｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｃｈａｎｇｅｓ，
ｓｐａｎｎｉｎｇ ｔｒｅｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｉｓ ｌｏｎｇ．ｉｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ．ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ
ｌａｙｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｄ ｓｅｒｖｉｃｅｓ，ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｅｓｈ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃａｍｐｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉＳ ｒｅａｌｉｚｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｍｐｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｔｈｉｒｄ ｌａｙｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅｓ；ｍｅｓｈ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ
１ 引言
网络设计的重要目标就是为用户提供尽可能高的带宽、高可用性、冗余性、扩展性和弹性等．
园区网络的基础结构是以太网，以太网的星型结构虽然简单，安装方便，但存在可靠性差，单点故障等缺
点，一旦因故障产生拓扑变动，生成树的收敛时间较长，难以满足高服务质量业务的需求…．
最佳网络设计就是能满足用户需求的设计．世上没有某种正确的交换网络设计，只有在可能的情况下采用
经过证实的设汁原则．根据客观因素，例如预算、可用硬件资源、应用需求和实施时限的不同进行实施，关键
在于理解和权衡每种设计原则和整体设计目标的利弊．
若干年前，园区网络主要是满足ｌｎｔｅｒｎｅｔ的服务，为了获得高速数据传输，人们都被告知采用纯第２层解决
方案——即采用交换处理［２】，仅在必须的时候才使用路由处理．但是目前的园区网络不但需满足一般ｌｎｔｅｒｎｅｔ的
服务，还应当提供语音、视频电话等实时业务服务．第二层交换虽然可以获取得高速数据的传输，但因网络故
障而产生的路由变化，若仅由生成树重新生成新的路径的收敛时间太长，不能满足实时业务的服务质量．在园
区网交换技术领域，如今几乎所有应用都支持ＴＣＰ／ＩＰ协议，并且硬件处理能力得到很大提高，因此应当尽可能
收稿日期：２０１１－０４－１２
基金项目：福建省自然科学基金计划资助项目（Ａ０５４０００７）
作者简介：郭联志（１９５３－），男，福建省福州市人，副教授．
１６ 漳州师范学院学报（自然科学版） ２０１１纯
采用路由处理，在相同的网络中实施第３／４层解决方案，而仅在必需的时候才使用二层交换处理．第三层交换还
有一个很强大的功能，就是可根据ＩＰ头部的服务类型ＴＯＳ对不同的业务流处理．
本文就是通过研究园区网络的第三层
快速路由交换和区分服务、建筑物区模块设
＿
计、网状冗余和协议等，扬长避短，来实现
园区网络的最佳设计方案．
２最佳设计实现
２．１第三层设计
采用第３／４层硬件的设计，比采用第２
层功能的硬件相比较，拥有很多优点：首先，
一Ｉ●一，Ｉ ｌ一—一＿
它能够降低对生成树的依赖．其二，它能对
…………
—Ｉ ……●—一
流量进行智能程度更高的路由和处理．
圈１简单的３层设计模型
在园区网络实现服务质量，可选用的技
术主要有综合服务ｌｓ和区分服务ＤＳ两种．
虽然ｌｓ在园区网络比广域网容易实现，服务质量也好．但ＤＳ只需在园区网络的边缘进行，因此在实现的容易
度上更胜一筹 １．
因此在交换设计方面，采用３层模型，即核心层／汇聚层／接人层．如图１：
核心层和汇聚层交换机采用全网状设计，除交换机
ＳＷ．Ｄ１和ＳＷ—Ｄ２之外，每台核心层交换机和汇聚层交换机都
相互连接．
汇聚层和核心层之间采用第３层路由连接，并且使用
ＶＬＡＮ ８０１—８０５．
国
各台接人层交换机都建立了与ＳＷ－ＤＩ和ＳＷ－Ｄ２的第２
层连接．
每台接人层交换机都为用户数据分配单个ＶＬＡＮ，并且
该ＶＬＡＮ不能扩展到接人层交换机之外．通过为每台交换机
分配数据ＶＬＡＮ，能够消除生成树中的第２层环路，从而大
大降低排错过程的难度．
在图１的网络设计中，虽然不存在第二层生成树环路，
也不能禁用生成树．默认情况下，交换机启用生成树．即使在
无环路的拓扑中，也应当启用生成树作为环路避免机制．
现在，即使在最廉价的接入层交换机平台中也能够支持
第３层交换功能，因此３层模型倾向于所有位置都采用第３
■—■■一●
■—一
层交换的方法，而不仅仅是只在核心和汇聚层采用第３层交
簟 —■—■■●■＿
换方法．这样可以将区分服务ＤＳ从汇聚层推进到接入层，获
图２建筑物模块
得更佳的网络性能．
第２期 郭联志，韩光明：园区网络的最佳设计研究 １７
２．２建筑物区模块设计
园区网络通常是多个建筑物的集合．采用建筑物区模块化是设计交换网络的一种好的实践方法．在熟悉基
本的建筑物区块的设计和配置之后，就可以随着网络的扩展不断增加其他建筑物区块，而不会增加网络排错和
运行的复杂度．下面研究一下典型的园区网络建筑物区模块设计．如图２所示．
图２是单个建筑物区块的远程办公室的典型配置，路由器通过Ｅ１或相似速度连接到帧中继或ＳＤＨ网络．并
且它还通过１０／１００Ｍｂｉｔ／ｓ以太网连接到两台分布交换机．在这种情况下，带宽瓶颈在于连接到家庭办公室或其它
地方的Ｅ１连接，而不在于汇聚层交换机的１０／１００Ｍｂｉｔ／ｓ连接．
在该图中，每台接入层交换机只为单个楼层的员工提供服务，并且每台接人层交换机都有去往汇聚层交换
机的双连接．
在这种拓扑结构的连接关系中，如果用户连接到某台接人层交换机，也就意味着它同时连接到两台汇聚层
交换机．通过交换虚拟接口（ＳＶＩ，Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ），汇聚层交换机能够为每个ＶＬＡＮ提供第３层路
由．此外，通过配置热备路由协议（ＨＳＲＰ，Ｈｏｔ Ｓｔａｎｄｂｙ Ｒｏｕｔｅｒ Ｐｒｏｔｏｃｏ１），ＳＷ－Ｄｌ可以成为ＶＬＡＮ １０１的活跃路
由器，而ＳＷ—Ｄ２可以成为ＶＬＡＮ １０２的活跃路由器．网管可以将工作站的默认网关指定到各自ＶＬＡＮ的ＨＳＲＰ
ｌＰ地址．
图２中阴影部分的ＶＬＡＮ １０１和ＶＬＡＮ １０２表示ＳＷ－Ａ１和ＳＷ—Ａ２上的所有端口分别是是各自ＶＬＡＮ的成
员．阴影部分并不表示ＶＬＡＮ １０１和ＶＬＡＮ １０２的边界．例如，对于连接ＳＷ－Ａ１和ＳＷ．Ｄｌ的端口，它们是ＶＬＡＮ
１０１的成员，就像连接ＳＷ—Ａ１和ＳＷ Ｄ２的端口一样．
对于交换机和外部路由器之间的连接，应当采用手工配置速度和双工模式的方法，并且不允许配置自动协
商．
在这种配置中，ＶＬＡＮ１０１和ＶＬＡＮ １０２之间没有环路，所以ＳＷ—Ｄｌ和ＳＷ—Ｄ２的所有端口都处于转发状态．
根据图２中的箭头所示，对于Ｈｏｓｔ １发送的流量，
将由ＳＷ—ＤＩ直接发送给ＳＷ－Ａ２，并且不必再经过
ＳＷ—Ｄ２进行中转．当ＶＬＡＮ可以被隔离到单台交换
机，并且接入层和汇聚层交换机之间采用双宿连接
时，那么上述配置就可以正常工作．在这种配置中，
交换机ＳＷ－Ｄ Ｉ和ＳＷ．Ｄ２的ＨＳＲＰ流量将流经接入
层．
但在这种建筑物区模块，如果其他关键设备单
独连接到某台汇聚层交换机，会存在潜在的问题．
如图３所示，新增的路由器Ｒ２仅和ＳＷ—Ｄ２相
连接．只要网络未发生故障，并且所有接口都保持
“ｕｐ”和正常运行状态，那么就应当能够从网络中
任意位置访问这些新设备．如果接人层和汇聚层之
间的连接发生故障，就会破坏正常的通信．换言之，
如果某台设备仅和一台交换机相连接，那么一旦交
２ｔｈ ｌａｙｅｒ ｕｐ—ｌｉｎｋ
换机发生完全故障，这种设计就存在单点故障．
Ｔｒｕｎｋ
当ＳＷ—Ａｌ和ＳＷ—Ｄ２之间的链路发生故障．因
图３单点连接的服务器和路由器
为ＳＷ．Ｄ１和ＳＷ—Ｄ２之间不存在承载ＶＬＡＮ １０１的
１８ 漳州师范学院学报（自然科学版） ２０１１证
连接，并且没有配置ＶＬＡＮ间路由选择，所以主机ｌ就不能与ＶＬＡＮ４０１中的服务器或ＶＬＡＮ８ｌ２的Ｒ２进行通
信．只有通过配置服务器双连接和路由器双连接，才可以避免单连接配置的故障的产生．
在日常工作中，网络管理工作会被划分为园区网、广域网和应用等几个团队分别管理．在某些情况下，应
用团队可能私自向网络中增加服务器，但他们又不知道园区网络是如何设计的，如图３ ＶＬＡＮ４０１的服务器和
Ｒ２就容易产生单点故障．因此需在在园区网整体设计中避免这类单点故障的产生．
２．３园区网整体设计
园区网的基本要求包括支持大量的终端
用户和服务器，并且需要建立与ｌｎｔｅｍｅｔ或
Ｓｅｒｖｅｒ
其他位置的广域网连接．如果是多个建筑物
ｆａｒｍｓ
区，需先进行建筑物区互联后再进行远程连
接．图４是简单园区网络三层模型设计，它
包括核心层、汇聚层和接入层，以及包括用
于容纳服务器的双连接交换机建筑物区块．
２．３．１核心层与汇聚层交换机建立网状
连接
核心层和汇聚层交换机具有第３层路由
功能，且为ＶＬＡＮ８０１—８０５采用３０比特的子
网掩码．核心交换机之间的链路能够提供曾
经由高速广域网提供的功能．在这种配置
中，核心层和汇聚层交换机配置运行某种动
态路由选择协议，例如ＯＳＰＦ、ＥＩＧＲＰ协议、
它们有助于在ＶＬＡＮ８０１—８０５内部连接中进
行路由选择和形成相邻关系．
在大多数设计中，核心层和汇聚层交换
机都是高端平台，它们具有更高的交换容量．
并且核心层和汇聚层交换之间的链路也是高
３ｔｈ ｌａｙｅｒ
ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
速链路．基于上述原因，应当尽量避免通过
…
ｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｌｏｗｓ
核心层和汇聚层交换机对接人层或服务器
图４简单园区网设计
ＶＬＡＮ（例如ＶＬＡＮ１０１和１０２或４０１和４０２）
的流量进行路由．在大多数路由选择协议中，
通过对连接到ＶＬＡＮ的接口执行ｐａｓｓｉｖｅ－ｉｎｔｅｒｆａｃｅ命令，禁用接人
层和服务区块的路由功能．
２．３．２接人层与汇聚层交换机之间的链路故障
在图４中，因为ＶＬＡＮ １０１和１０２中不存在第２层环路，所以汇聚层交换机ＳＷ—ＤＩ和ＳＷ—Ｄ２完成ＶＬＡＮ １０１
和１０２之间的路由．如果接入层和汇聚层之间的链路发生故障的时候，它们将选择新的通信路径．为了能进行路
由，Ｈｏｓｔ １的流量将被发往ＳＷ—Ｄ１的活跃ＨＳＲＰ地址，当ＳＷ—Ａ２和ＳＷ・ＤＩ之间的链路发生故障的时候，ＳＷ—ＤＩ
将在路由表中发现通过ＳＷ－Ｃ２去往ＶＬＡＮ １０２的路径．
第２期 郭联志，韩光明：园区网络的最佳设计研究 １９
在大多数网络中，交换机之间的链路故障并不经常发生，使用经过核心层间接路径的临时路由不是问题．但
是，如果某种环境中交换机之间的链路经常发生故障，解决方案之一就是在汇聚层交换机之间增加横向第３层
链路．即在ＳＷ—Ｄ１和ＳＷ－Ｄ２之间建立第３层链路．但大多设计都排除使用这条链路，因为每对汇聚层交换机都
需要建立连接，所以增加了设计成本．另外，这种设计只有在接入层链路发生故障或者设备单连接到汇聚层交
换机时才真正有用．接入层发生故障的几率应当非常低，并且应当尽可能避免设备单连接到汇聚层．
２．４单点故障处理
几乎所有网络所有者都会被迫选择网络中允许单点故障存在．通常情况下，选择单点故障的依据是避免单
点故障的投Ａ．／产出比．除少数情况外，终端主机和接人层交换机之间通常采用单连接，并且容易受到同一部件
（例如服务器）故障的影响．因为创建终端用户的冗余连接会增加很多成本，并且大多数组织希望尽量降低单
个用户故障的对成本的影响，所以几乎不可能彻底排除单点故障．对于服务器而言，可在服务器１和２中安装
双网卡，分别连接到ＳＷ—ＳＩ和ＳＷ—ｓ２．实际上，用户并不关心服务器ｌ和服务器２是否可用，他们只关心服务
器１或服务器２的应用程序是否运行和数据是否可用．所以采用内容网络技术等，用户可以在多台物理或“真
实”的服务器之间进行应用的负载均衡【６Ｊ．
３结论
园区网络的最佳网络设计就是能满足用户需求的设计．在进行网络设计的时候，关键在于理解和权衡每种
设计原则和整体设计目标的利弊．实现全网第３层交换可降低网络故障引起路由收敛时间，在边界实现区分服
务；模块化设计，可简化排错和运行的复杂度；单点故障要考虑投入／产出比等，才能最佳设计出高性能的满足
多业务的园区网络．
参考文献：
【ｌ】Ｇｕｏ Ｌｉａｎｚｈｉ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｍｅｔｒｏ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ．Ｔｈｅ ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ（ＩＣＣＳＥ
２０１０）ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２０１０，８：１０２４．
【２】Ｄ．Ｂａｒｍｅｓ，Ｂ．Ｓａｋａｎｄａｒ．Ｃｉｓｃｏ局域网交换基础［Ｍ】．北京：人 邮电出版社，２００５．
【３】Ｋ．Ｎｉｃｈｏｌｓ，Ｓ．Ｂｌａｋｅ，Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｄ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｆｉｅｌｄ（ＤＳ Ｆｉｅｌｄ）ｉｎ ｔｈｅ ＩＰｖ４ ａｎｄ ＩＰｖ６ Ｈｅａｄｅｒｓ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．
ｉｅｔｆ．ｏｒｇ／ｒｆｃ／ｒｆｃ２４７４．ｔｘｔ，Ｄｅｃ．１ ９９８．
【４］Ｋ．Ｒａｍａｋｆｉｓｈｎａｎ，Ｓ．Ｆｌｏｙｄ．Ａ Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｔｏ ａｄｄ Ｅｘｐｌｉｃｉｔ Ｃｏｎｇｅｓ・ｔｉｏｎ Ｎｏｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ（ＥＣＮ）ｔｏ ＩＰ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｔｆ．ｏｒｇ／ｒｆｃ／ｒｆｃ２４８ １．ｔｘｔ，
Ｊａｎ．１９９９．
［５】Ｇｕｏ ｌｉａｎｚｈｉ，Ｈａｎ ｇｕａｎｇｍｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｇｕｏ。ａｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ Ｉ Ｐｖ６ ｏｎ Ｅｄｇｅ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ２０１ ０（ＩＣＥＥＡＣ）
ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２０１０，１２：６２０８－６２１ １．
［６】Ｄ．Ｔｅａｒｅ，Ｃ．Ｐａｑｕｅ１．园区网络设计【Ｍ】．北京：人 邮电出版社，２００７．
【责任编辑：林宝德］
2024年5月30日发(作者：涂巧香)
２０１１年第２期
（总第７２期）
漳州师范学院学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．）
Ｎｏ．２．２０１１年
Ｇｅｎｅｒａｌ Ｎｏ．７２
文章编号：１００８－７８２６（２０１ １）０２．００１５．０５
园区网络的最佳设计研究
郭联志，韩光明
（漳州师范学院计算机科学系，福建漳州３６３０００）
摘要：园区网络设计的目标主要是为用户提供尽可能高的带宽、高可用性、冗余性、扩展性和弹性等．而
构成园区网络的以太网拓扑结构虽然简单，但存在可靠性差，单点故障等，一旦因故障产生拓扑变动，生成树的
收敛时间较长，不能满足实时业务的服务质量．本文是通过研究第三层交换和区分服务、建筑物模块设计和网状
冗余技术等，来实现因区网络最佳设计．
关键词：因区网络；最佳设计；第三层交换；建筑物模块；网状冗余
中图分类号：ＴＰ３９３．１８ 文献标识码： Ａ
Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃａｍｐｕｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ
ＧＵＯ Ｌｉａｎ－ｚｈｉ，ＨＡＮ Ｇｕａｎｇ—ｍｉｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｆｕｊｉａｎ ３６３０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｃａｍｐｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｕｓｅｒｓ ｈｉｇｈ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｈｉｇｈ ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ，
ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ，ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｅｔｃ．Ａｌｔｈｏｕｇｈ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃａｍｐｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｔｈｅ
ｎｅｔｗｏｒｋ ｈａｓ ｐｏｏｒ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｏｎｃｅ ｓｏｍｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｃｃｕｒｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｃｈａｎｇｅｓ，
ｓｐａｎｎｉｎｇ ｔｒｅｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｉｓ ｌｏｎｇ．ｉｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ．ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ
ｌａｙｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｄ ｓｅｒｖｉｃｅｓ，ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｅｓｈ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃａｍｐｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉＳ ｒｅａｌｉｚｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｍｐｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｔｈｉｒｄ ｌａｙｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅｓ；ｍｅｓｈ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ
１ 引言
网络设计的重要目标就是为用户提供尽可能高的带宽、高可用性、冗余性、扩展性和弹性等．
园区网络的基础结构是以太网，以太网的星型结构虽然简单，安装方便，但存在可靠性差，单点故障等缺
点，一旦因故障产生拓扑变动，生成树的收敛时间较长，难以满足高服务质量业务的需求…．
最佳网络设计就是能满足用户需求的设计．世上没有某种正确的交换网络设计，只有在可能的情况下采用
经过证实的设汁原则．根据客观因素，例如预算、可用硬件资源、应用需求和实施时限的不同进行实施，关键
在于理解和权衡每种设计原则和整体设计目标的利弊．
若干年前，园区网络主要是满足ｌｎｔｅｒｎｅｔ的服务，为了获得高速数据传输，人们都被告知采用纯第２层解决
方案——即采用交换处理［２】，仅在必须的时候才使用路由处理．但是目前的园区网络不但需满足一般ｌｎｔｅｒｎｅｔ的
服务，还应当提供语音、视频电话等实时业务服务．第二层交换虽然可以获取得高速数据的传输，但因网络故
障而产生的路由变化，若仅由生成树重新生成新的路径的收敛时间太长，不能满足实时业务的服务质量．在园
区网交换技术领域，如今几乎所有应用都支持ＴＣＰ／ＩＰ协议，并且硬件处理能力得到很大提高，因此应当尽可能
收稿日期：２０１１－０４－１２
基金项目：福建省自然科学基金计划资助项目（Ａ０５４０００７）
作者简介：郭联志（１９５３－），男，福建省福州市人，副教授．
１６ 漳州师范学院学报（自然科学版） ２０１１纯
采用路由处理，在相同的网络中实施第３／４层解决方案，而仅在必需的时候才使用二层交换处理．第三层交换还
有一个很强大的功能，就是可根据ＩＰ头部的服务类型ＴＯＳ对不同的业务流处理．
本文就是通过研究园区网络的第三层
快速路由交换和区分服务、建筑物区模块设
＿
计、网状冗余和协议等，扬长避短，来实现
园区网络的最佳设计方案．
２最佳设计实现
２．１第三层设计
采用第３／４层硬件的设计，比采用第２
层功能的硬件相比较，拥有很多优点：首先，
一Ｉ●一，Ｉ ｌ一—一＿
它能够降低对生成树的依赖．其二，它能对
…………
—Ｉ ……●—一
流量进行智能程度更高的路由和处理．
圈１简单的３层设计模型
在园区网络实现服务质量，可选用的技
术主要有综合服务ｌｓ和区分服务ＤＳ两种．
虽然ｌｓ在园区网络比广域网容易实现，服务质量也好．但ＤＳ只需在园区网络的边缘进行，因此在实现的容易
度上更胜一筹 １．
因此在交换设计方面，采用３层模型，即核心层／汇聚层／接人层．如图１：
核心层和汇聚层交换机采用全网状设计，除交换机
ＳＷ．Ｄ１和ＳＷ—Ｄ２之外，每台核心层交换机和汇聚层交换机都
相互连接．
汇聚层和核心层之间采用第３层路由连接，并且使用
ＶＬＡＮ ８０１—８０５．
国
各台接人层交换机都建立了与ＳＷ－ＤＩ和ＳＷ－Ｄ２的第２
层连接．
每台接人层交换机都为用户数据分配单个ＶＬＡＮ，并且
该ＶＬＡＮ不能扩展到接人层交换机之外．通过为每台交换机
分配数据ＶＬＡＮ，能够消除生成树中的第２层环路，从而大
大降低排错过程的难度．
在图１的网络设计中，虽然不存在第二层生成树环路，
也不能禁用生成树．默认情况下，交换机启用生成树．即使在
无环路的拓扑中，也应当启用生成树作为环路避免机制．
现在，即使在最廉价的接入层交换机平台中也能够支持
第３层交换功能，因此３层模型倾向于所有位置都采用第３
■—■■一●
■—一
层交换的方法，而不仅仅是只在核心和汇聚层采用第３层交
簟 —■—■■●■＿
换方法．这样可以将区分服务ＤＳ从汇聚层推进到接入层，获
图２建筑物模块
得更佳的网络性能．
第２期 郭联志，韩光明：园区网络的最佳设计研究 １７
２．２建筑物区模块设计
园区网络通常是多个建筑物的集合．采用建筑物区模块化是设计交换网络的一种好的实践方法．在熟悉基
本的建筑物区块的设计和配置之后，就可以随着网络的扩展不断增加其他建筑物区块，而不会增加网络排错和
运行的复杂度．下面研究一下典型的园区网络建筑物区模块设计．如图２所示．
图２是单个建筑物区块的远程办公室的典型配置，路由器通过Ｅ１或相似速度连接到帧中继或ＳＤＨ网络．并
且它还通过１０／１００Ｍｂｉｔ／ｓ以太网连接到两台分布交换机．在这种情况下，带宽瓶颈在于连接到家庭办公室或其它
地方的Ｅ１连接，而不在于汇聚层交换机的１０／１００Ｍｂｉｔ／ｓ连接．
在该图中，每台接入层交换机只为单个楼层的员工提供服务，并且每台接人层交换机都有去往汇聚层交换
机的双连接．
在这种拓扑结构的连接关系中，如果用户连接到某台接人层交换机，也就意味着它同时连接到两台汇聚层
交换机．通过交换虚拟接口（ＳＶＩ，Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ），汇聚层交换机能够为每个ＶＬＡＮ提供第３层路
由．此外，通过配置热备路由协议（ＨＳＲＰ，Ｈｏｔ Ｓｔａｎｄｂｙ Ｒｏｕｔｅｒ Ｐｒｏｔｏｃｏ１），ＳＷ－Ｄｌ可以成为ＶＬＡＮ １０１的活跃路
由器，而ＳＷ—Ｄ２可以成为ＶＬＡＮ １０２的活跃路由器．网管可以将工作站的默认网关指定到各自ＶＬＡＮ的ＨＳＲＰ
ｌＰ地址．
图２中阴影部分的ＶＬＡＮ １０１和ＶＬＡＮ １０２表示ＳＷ－Ａ１和ＳＷ—Ａ２上的所有端口分别是是各自ＶＬＡＮ的成
员．阴影部分并不表示ＶＬＡＮ １０１和ＶＬＡＮ １０２的边界．例如，对于连接ＳＷ－Ａ１和ＳＷ．Ｄｌ的端口，它们是ＶＬＡＮ
１０１的成员，就像连接ＳＷ—Ａ１和ＳＷ Ｄ２的端口一样．
对于交换机和外部路由器之间的连接，应当采用手工配置速度和双工模式的方法，并且不允许配置自动协
商．
在这种配置中，ＶＬＡＮ１０１和ＶＬＡＮ １０２之间没有环路，所以ＳＷ—Ｄｌ和ＳＷ—Ｄ２的所有端口都处于转发状态．
根据图２中的箭头所示，对于Ｈｏｓｔ １发送的流量，
将由ＳＷ—ＤＩ直接发送给ＳＷ－Ａ２，并且不必再经过
ＳＷ—Ｄ２进行中转．当ＶＬＡＮ可以被隔离到单台交换
机，并且接入层和汇聚层交换机之间采用双宿连接
时，那么上述配置就可以正常工作．在这种配置中，
交换机ＳＷ－Ｄ Ｉ和ＳＷ．Ｄ２的ＨＳＲＰ流量将流经接入
层．
但在这种建筑物区模块，如果其他关键设备单
独连接到某台汇聚层交换机，会存在潜在的问题．
如图３所示，新增的路由器Ｒ２仅和ＳＷ—Ｄ２相
连接．只要网络未发生故障，并且所有接口都保持
“ｕｐ”和正常运行状态，那么就应当能够从网络中
任意位置访问这些新设备．如果接人层和汇聚层之
间的连接发生故障，就会破坏正常的通信．换言之，
如果某台设备仅和一台交换机相连接，那么一旦交
２ｔｈ ｌａｙｅｒ ｕｐ—ｌｉｎｋ
换机发生完全故障，这种设计就存在单点故障．
Ｔｒｕｎｋ
当ＳＷ—Ａｌ和ＳＷ—Ｄ２之间的链路发生故障．因
图３单点连接的服务器和路由器
为ＳＷ．Ｄ１和ＳＷ—Ｄ２之间不存在承载ＶＬＡＮ １０１的
１８ 漳州师范学院学报（自然科学版） ２０１１证
连接，并且没有配置ＶＬＡＮ间路由选择，所以主机ｌ就不能与ＶＬＡＮ４０１中的服务器或ＶＬＡＮ８ｌ２的Ｒ２进行通
信．只有通过配置服务器双连接和路由器双连接，才可以避免单连接配置的故障的产生．
在日常工作中，网络管理工作会被划分为园区网、广域网和应用等几个团队分别管理．在某些情况下，应
用团队可能私自向网络中增加服务器，但他们又不知道园区网络是如何设计的，如图３ ＶＬＡＮ４０１的服务器和
Ｒ２就容易产生单点故障．因此需在在园区网整体设计中避免这类单点故障的产生．
２．３园区网整体设计
园区网的基本要求包括支持大量的终端
用户和服务器，并且需要建立与ｌｎｔｅｍｅｔ或
Ｓｅｒｖｅｒ
其他位置的广域网连接．如果是多个建筑物
ｆａｒｍｓ
区，需先进行建筑物区互联后再进行远程连
接．图４是简单园区网络三层模型设计，它
包括核心层、汇聚层和接入层，以及包括用
于容纳服务器的双连接交换机建筑物区块．
２．３．１核心层与汇聚层交换机建立网状
连接
核心层和汇聚层交换机具有第３层路由
功能，且为ＶＬＡＮ８０１—８０５采用３０比特的子
网掩码．核心交换机之间的链路能够提供曾
经由高速广域网提供的功能．在这种配置
中，核心层和汇聚层交换机配置运行某种动
态路由选择协议，例如ＯＳＰＦ、ＥＩＧＲＰ协议、
它们有助于在ＶＬＡＮ８０１—８０５内部连接中进
行路由选择和形成相邻关系．
在大多数设计中，核心层和汇聚层交换
机都是高端平台，它们具有更高的交换容量．
并且核心层和汇聚层交换之间的链路也是高
３ｔｈ ｌａｙｅｒ
ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
速链路．基于上述原因，应当尽量避免通过
…
ｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｌｏｗｓ
核心层和汇聚层交换机对接人层或服务器
图４简单园区网设计
ＶＬＡＮ（例如ＶＬＡＮ１０１和１０２或４０１和４０２）
的流量进行路由．在大多数路由选择协议中，
通过对连接到ＶＬＡＮ的接口执行ｐａｓｓｉｖｅ－ｉｎｔｅｒｆａｃｅ命令，禁用接人
层和服务区块的路由功能．
２．３．２接人层与汇聚层交换机之间的链路故障
在图４中，因为ＶＬＡＮ １０１和１０２中不存在第２层环路，所以汇聚层交换机ＳＷ—ＤＩ和ＳＷ—Ｄ２完成ＶＬＡＮ １０１
和１０２之间的路由．如果接入层和汇聚层之间的链路发生故障的时候，它们将选择新的通信路径．为了能进行路
由，Ｈｏｓｔ １的流量将被发往ＳＷ—Ｄ１的活跃ＨＳＲＰ地址，当ＳＷ—Ａ２和ＳＷ・ＤＩ之间的链路发生故障的时候，ＳＷ—ＤＩ
将在路由表中发现通过ＳＷ－Ｃ２去往ＶＬＡＮ １０２的路径．
第２期 郭联志，韩光明：园区网络的最佳设计研究 １９
在大多数网络中，交换机之间的链路故障并不经常发生，使用经过核心层间接路径的临时路由不是问题．但
是，如果某种环境中交换机之间的链路经常发生故障，解决方案之一就是在汇聚层交换机之间增加横向第３层
链路．即在ＳＷ—Ｄ１和ＳＷ－Ｄ２之间建立第３层链路．但大多设计都排除使用这条链路，因为每对汇聚层交换机都
需要建立连接，所以增加了设计成本．另外，这种设计只有在接入层链路发生故障或者设备单连接到汇聚层交
换机时才真正有用．接入层发生故障的几率应当非常低，并且应当尽可能避免设备单连接到汇聚层．
２．４单点故障处理
几乎所有网络所有者都会被迫选择网络中允许单点故障存在．通常情况下，选择单点故障的依据是避免单
点故障的投Ａ．／产出比．除少数情况外，终端主机和接人层交换机之间通常采用单连接，并且容易受到同一部件
（例如服务器）故障的影响．因为创建终端用户的冗余连接会增加很多成本，并且大多数组织希望尽量降低单
个用户故障的对成本的影响，所以几乎不可能彻底排除单点故障．对于服务器而言，可在服务器１和２中安装
双网卡，分别连接到ＳＷ—ＳＩ和ＳＷ—ｓ２．实际上，用户并不关心服务器ｌ和服务器２是否可用，他们只关心服务
器１或服务器２的应用程序是否运行和数据是否可用．所以采用内容网络技术等，用户可以在多台物理或“真
实”的服务器之间进行应用的负载均衡【６Ｊ．
３结论
园区网络的最佳网络设计就是能满足用户需求的设计．在进行网络设计的时候，关键在于理解和权衡每种
设计原则和整体设计目标的利弊．实现全网第３层交换可降低网络故障引起路由收敛时间，在边界实现区分服
务；模块化设计，可简化排错和运行的复杂度；单点故障要考虑投入／产出比等，才能最佳设计出高性能的满足
多业务的园区网络．
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【责任编辑：林宝德］