组建可扩展的计算机网络和网络结构的优化毕业论文.doc

山东师范大学成人高等教育 毕业设计（论文）题 目：组建可扩展的计算机网络和网络结构的优化教学单位： 山东师范大学信息科学与工程学院 年级专业： 计算机科学与技术 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 山东师范大学继续教育学院论文完成时间： 年 月 日评语： 指导老师： 年 月 日 答辩组长： 年 月 日摘要当前随着计算机网络技术的发展，网络越来越贴近人们的生活，越来越多的网络出现在家庭、办公室、学校以及公共场所。为了缓解网络压力，减少投资，提高速率，提高网络的安全性能与稳定，拥有可扩展的网络结构以及对网络结构的优化是形势所趋。而它的重要组成就是网络的拓扑结构和IP地址的划分。一个合理的网络结构是实现网络的扩展以及优化的必要条件。现使用Dynamips GUI和WinPcap软件来构建一个虚拟的网络结构，模拟网络的拓扑连接以及虚拟局域网的划分，从而达到深入了解网络技术，如何有效的构建网络，培养分析、创造、设计的能力、计算机应用能力以及解决实际问题的能力的目的。为了未来网络的可扩展性从事相关的技术奠定一定的基础。关键词：交换机、路由器、虚拟局域网、DynamipsGUI、IP地址AbstractThe more and more press close to people's life , more and more many network of network appears currently with the development of computer network technology, in the family , office , school and a public place. For relieving network pressure , cutting down investment , improving a rate,improve the network safe function and stability , own expansion the network structure and be what circumstances tends towards to network structure optimization. But, its importance is composed of the partition being network topology structure and IP address. A rational network structure is to realize network expansion and the prerequisite optimizing. Use Dynamips to structure a suppositional network structure coming GUI and the WinPcap software now, the simulation network topology connection and suppositional local area network partition, reach the thorough .know about network technology thereby , how to the purpose structuring a network , training ability , computer applications analysing , being created by , designing that an ability and resolving actual problem ability's having effect. Be engaged in the pertinent technology for future network expansion establish the certain basis.Keywords：Switch、Router、Vlan、DynamipsGUI、IP Address目录摘要1ABSTRACT1前言3第一章 计算机网络的概述31.1 计算机网络的定义、组成与功能31.2 交换机的概念和原理31.3 VLAN的定义4第二章 虚拟环境的搭建52.1 需求52.2 所需软件52.3 安装与搭建52.4 生成拓扑文件82.5 连接网络设备82.6 启动网络设备82.7 用SECURECRT连接网络设备9第三章 设计的实现93.1 设计目标93.2 拓扑设计103.3 VLAN对照表103.4 配置过程103.5 结果分析15第四章 网络的优化16结论17致 谢17参考文献18附 录18前言随着计算机技术的不断发展，计算机网络已经成为信息时代的重要特征，人们称它为信息高速公路。网络是计算机技术和通信技术的产物，是应社会对信息共享和信息传递的要求发展起来的，各国都在建设自己的信息高速公路。我国近年来计算机网络发展的速度也很快，在国防、电信、银行、广播等方面都有广泛的应用。我相信在不长的时间里，计算机网络一定会得到极大的发展，那时将全面进入信息时代。正因为网络应用的如此广泛，又在生活中扮演很重要的角色，所以网络的稳定性与安全性是非常重要的。而这又取决于网络的结构，只有一个合理的网络结构才能够保证网络的高效、安全与稳定，所以我们要对网络的结构进行优化，使之能够符合现阶段的网络状况需求，这也是我们将要完成的的目的之一。既然网络发展如此之快，大大小小的网络进行互联，许许多多的计算机加入到了网络中，那么旧的网络结构必然不能胜任我们的要求，在如此飞速发展的现在，只有一个构造成本低，可扩展性强的网络结构才能符合我们的要求。本文就这两个现在网络面临的问题结合软件进行探讨和研究。第一章 计算机网络的概述1.1 计算机网络的定义、组成与功能计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。计算机网络通俗地讲就是由多台计算机（或其它计算机网络设备）通过传输介质和软件物理（或逻辑）连接在一起组成的。总的来说计算机网络的组成基本上包括：计算机、网络操作系统、传输介质（可以是有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是空气）以及相应的应用软件四部分。从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是不同地区的网络互联，不过要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。网络为计算机提供了以下主要功能： 数据传输：网络间个计算机之间互相进行信息的传递。 资源共享：进入网络的用户可以对网络中的数据、软件和硬件实现共享。 分布处理功能：通过网络可以把一件较大工作分配给网络上多台计算机去完成。1.2 交换机的概念和原理交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。广义的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。在计算机网络系统中，交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。我们以前介绍过的HUB集线器就是一种共享设备，HUB本身不能识别目的地址，当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照MAC地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。1.3 Vlan的定义VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1Q协议标准草案。 VLAN技术允许网络管理者将一个物理的LAN逻辑地划分成不同的广播域（或称虚拟LAN，即VLAN），每一个VLAN都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的LAN有着相同的属性。但由于它是逻辑地而不是物理地划分，所以同一个VLAN内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里，即这些工作站不一定属于同一个物理LAN网段。一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中，即使是两台计算机有着同样的网段，但是它们却没有相同的VLAN号，它们各自的广播流也不会相互转发,从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。 VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的，它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLAN ID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。虚拟局域网的好处是可以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态管理网络。 既然VLAN隔离了广播风暴，同时也隔离了各个不同的VLAN之间的通讯，所以不同的VLAN之间的通讯是需要有路由来完成的。第二章 虚拟环境的搭建本案例的所有配置是用虚拟环境dynamips进行模拟的。之所以使用该模拟器，是因为三层交换，以及另外一些技术无法用其他软件（比如Bonson）实现。而该模拟器直接根据Cisco的IOS来模拟路由器的硬件环境，最接近真实的路由器，功能十分强大，甚至可以搭建CCIE的Lab环境。2.1 需求硬件需求： CPU：主频2G以上。推荐P4或者双核，运行速度比较快。内存：1G以上。推荐内存2G，此模拟器运行非常流畅。软件需求： 系统：Windows XP、Vista皆可。2.2 所需软件搭建Dynamips虚拟环境需要如下几个软件包： 1. WinPcap 2. DynamipsGUI 3. Cisco的IOS文件4. 安装SecureCRT2.3 安装与搭建1.安装WinPacp，如无特殊要求建议安装到默认路径：2.安装DynamipsGUI，如无特殊要求建议安装到默认路径：3.解压缩SecureCRT，确认可以正常开启：DynamipsGUI的配置及注意事项1.双击桌面上的DynamipsGUI图标，打开DynamipsGUI。：此区域是选择交换机、路由器和防火墙的个数：这个地方是选择设备类型,IOS路径,idle-p值NPE类型,虚拟RAM(表示虚拟设备的RAM所占的内存大小,因为dynamips在模拟时候需要将主机的物理内存模拟成模拟设备的RAM)：此区域是配置分布式的dynamips的设置区域：这里可以选择一些不需要IOS的模拟设备。如：FrameRelay交换机ATM交换机,以太网交换机(现在已经有支持交换的模块NM-16ESW).由模拟器自己提这些功能：设备类型,选择你所需要模拟的设备，以上的设备为dynamips目前支持的类型,其他的都不支持：这里可以设置连接到主机通信：可以直接读取已经存在配置文件(.ini格式)：输出目录2. 根据画出的拓扑图，进行配置。首先选择路由器（本实验2个）、交换机（本实验2个）与防火墙（本实验没有）的个数。然后选择“虚拟PC”。紧接着，选择路由器的IOS，本实验选择unzip-c3640-js-mz.124-10.bin。路由器配置NM-4T、NM-1FE-TX模块。交换机配置NM-16ESW模块。3. 计算idle-pc值(idle-pc只为了解决在开启模拟设备时不至于使你的CPU占有率达到100%)。指定好IOS路径以后，我们点击计算idle-pc，确定IOS文件存在之后，会弹出一个窗口。按提示操作，直到出现以下画面看count等于后面的数字，找到一个count最大值，然后记下前面的一串16进制数。例如上面这图，count=72，记下这个值.0x606402ac。然后在回到dynamipsGUI界面.将0x606402ac填入。4.填入完成后点击最下面的输出浏览，选择输出目录。5.点击下一步，选择设备类型和模块设置。注意事项：在找到count最大值时，不一定最大值就是必须要选择的值.要看情况而定。如果当选择一个最大值，然后在后面开设备的时候却出现了CPU100%的情况，那么这个时候就应该重新去计算idle-pc值，只到CPU占有率维持在一个正常值。说的选取最大的count值，是应该理解为从最大的count值开始去试，这样一直到找到一个合适的idle-pc值。2.4 生成拓扑文件根据需要选择设备的类型以及模块，完成后选择生成拓扑，点击下一步：弹出一个文件复制的窗口，如下：2.5 连接网络设备1.选择设备和端口，根据拓扑连接，点击连接进行设备的端口。2.连接完成后，点击“保存拓扑配置文件”保存拓扑配置文件。3最后点击“生成.bat文件”生成bat文件。4.完成后点击退出。2.6 启动网络设备打开根目录下的.bat文件。（Router1、Router2、Switch1、Switch2）确定可以正常启动。2.7 用SecureCRT连接网络设备启动SecureCRT，点击“Connect”，然后点击“New Session”选择Telnet协议，点击下一步：填入主机IP地址和端口 127.0.0.1：2001，防火墙选择无，点击下一步：设定一个名称，点击完成。在Connect中选择刚才设定设备点击“Connect”。参照以上方法，完成所有设备的设置。第三章 设计的实现3.1 设计目标某学校由章丘新校区和济南老校区组成。新校区由办公楼和教学楼（楼层均为三层）组成，办公楼与教学楼之间距离为300米；老校区由办公楼和教学楼组成。新校区：要求组建内部局域网。办公楼一层有15个信息点，办公楼二层有16个信息点，办公楼三层有20个信息点；教学楼一层有17个信息点，教学楼二层有12个信息点，教学楼三层有18个信息点。核心交换机安装在网络中心，位于办公楼二层。办公楼汇聚交换机也位于核心机房，教学楼汇聚机房位于二层。办公楼汇聚层和接入层设备暂不要求配置，要求在教学楼汇聚交换机上划分如下VLAN：教学楼一层要求划分2个VLAN，分别给教室和办公室使用，教学楼二层划分3个VLAN，分别给教室、实验室和办公室使用，教学楼三层划分1个VLAN，给教室使用。即教学楼共需6个业务VLAN，每层的教室、实验室和办公室的计算机如果出现病毒引发大量广播，不会传播到其它的楼层。核心层设备与汇聚层设备之间使用路由协议互联，既可以使用静态路由、也可以使用动态路由。老校区：暂不要求划分VLAN，能和新校区连通就可以。新老校之间使用电信租用DDN线路互联，组成一个Intranet。（如果将来还有其他校区，也能够与现在的新校区实现互联，实现内联网网络规模的扩展。）要求新校办公楼二层核心设备、教学楼一层、二层、三层和老校的所有联网计算机都可以互相通信。核心交换机上联一台防火墙，防火墙采用城域网专线接入Internet，防火墙的内口地址为192.168.0.1/30，要求所有机器都能ping通此接口地址。3.2 拓扑设计3.3 Vlan对照表教学楼一层教室Teach1Vlan 11192.168.1.0/24192.168.1.1办公室Vlan 12192.168.2.0/24192.168.2.1二层教室Teach2Vlan 23192.168.3.0/24192.168.3.1办公室Vlan 24192.168.4.0/24192.168.4.1实验室Vlan 25192.168.5.0/24192.168.5.1三层教室Teach3Vlan 36192.168.6.0/24192.168.6.1防火墙的内口地址为192.168.0.1/303.4 配置过程教学楼一层Switch：switch>enpassword:switch#sh vlanVlan Name Status Ports - - - -1 default Active F0/1, F0/2, F0/3, F0/4, F0/5, F0/6, F0/7, F0/8，F0/9,F0/10, F0/11, F0/12, F0/13, F0/14, F0/15, F0/16, F0/17, F0/18，F0/19, F0/20, F0/21, F0/22, F0/23, F0/241002 fddi-d Active1004 fnet-d ActiveVLAN Type SAID MTU- - - -1 enet 100001 15001002 fddi 101002 15001002 fnet 101003 1500switch#conf tswitch(config)#hostname teach1teach1(config)#exitteach1#vlan database teach1(vlan)#vlan 11teach1(vlan)#vlan 12teach1(vlan)#exitteach1#sh vlan Vlan Name Status Ports - - - -1 default Active F0/1, F0/2411 Vlan011 Active F0/2, F0/3, F0/4, F0/5, F0/6, F0/7, F0/8，F0/9,F0/10, F0/1112 Vlan012 Active F0/12, F0/13, F0/14, F0/15, F0/16, F0/17, F0/18，F0/19, F0/20, F0/21, F0/22, F0/231002 fddi-d Active1004 fnet-d ActiveVLAN Type SAID MTU- - - -1 enet 100001 15001002 fddi 101002 15001002 fnet 101003 1500teach1#conf tteach1(config)#int f0/1teach1(config-if)#switchport mode trunkteach1(config-if)#switchport trunk allowed vlan 11,12,23,24,25,36teach1(config-if)#switchport trunk encap dot1qteach1(config-if)#endteach1#conf tteach1(config)#int f0/24teach1(config-if)#switchport mode trunkteach1(config-if)#switchport trunk allowed vlan 11,12,23,24,25,36teach1(config-if)#switchport trunk encap dot1qteach1(config-if)#endteach1#conf tteach1(config)#int vlan 11teach1(config-if)#ip address 192.168.1.0 255.255.255.0teach1(config-if)#exitteach1(config)#ip default-gateway 192.168.1.1teach1(config)#endteach1#conf tteach1(config)#int vlan 12teach1(config-if)#ip address 192.168.2.0 255.255.255.0teach1(config-if)#exitteach1(config)#ip default-gateway 192.168.2.1teach1(config)#end教学楼二层三层Switch：switch>enpassword:switch#sh vlanVlan Name Status Ports - - - -1 default Active F0/1, F0/2, F0/3, F0/4, F0/5, F0/6, F0/7, F0/8，F0/9,F0/10, F0/11, F0/12, F0/13, F0/14, F0/15, F0/161002 fddi-d Active1004 fnet-d ActiveVLAN Type SAID MTU- - - -1 enet 100001 15001002 fddi 101002 15001002 fnet 101003 1500switch#conf tswitch(config)#hostname teach2teach2(config)#exitteach2#vlan database teach2(vlan)#vlan 23teach2(vlan)#vlan 24teach2(vlan)#vlan 25teach2(vlan)#exitteach2#sh vlan Vlan Name Status Ports - - - -1 default Active F0/1, F0/1623 Vlan023 Active F0/2, F0/3, F0/4, F0/524 Vlan024 Active F0/6, F0/7 F0/8, F0/9, F0/1025 Vlan025 Active F0/11, F0/12, F0/13, F0/141002 fddi-d Active1004 fnet-d ActiveVLAN Type SAID MTU- - - -1 enet 100001 15001002 fddi 101002 15001002 fnet 101003 1500teach2#conf tteach2(config)#int f0/1teach2(config-if)#switchport mode trunkteach2(config-if)#switchport trunk allowed vlan 11,12,23,24,25,36teach2(config-if)#switchport trunk encap dot1qteach2(config-if)#endteach2#conf tteach2(config)#int f0/15teach2(config-if)#switchport mode trunkteach2(config-if)#switchport trunk allowed vlan 11,12,23,24,25,36teach2(config-if)#switchport trunk encap dot1qteach2(config-if)#endteach2#conf tteach2(config)#int f0/16teach2(config-if)#switchport mode trunkteach2(config-if)#switchport trunk allowed vlan 11,12,23,24,25,36teach2(config-if)#switchport trunk encap dot1qteach2(config-if)#endteach2#conf tteach2(config)#int vlan 23teach2(config-if)#ip address 192.168.3.0 255.255.255.0teach2(config-if)#exitteach2(config)#ip default-gateway 192.168.3.1teach2(config)#endteach2#conf tteach2(config)#int vlan 24teach2(config-if)#ip address 192.168.4.0 255.255.255.0teach2(config-if)#exitteach2(config)#ip default-gateway 192.168.4.1teach2(config)#endteach2#conf tteach2(config)#int vlan 25teach2(config-if)#ip address 192.168.5.0 255.255.255.0teach2(config-if)#exitteach2(config)#ip default-gateway 192.168.5.1teach2(config)#end教学楼三层Switch：switch>enpassword:switch#sh vlanVlan Name Status Ports - - - -1 default Active F0/1, F0/2, F0/3, F0/4, F0/5, F0/6, F0/7, F0/8，F0/9,F0/10, F0/11, F0/12, F0/13, F0/14, F0/15, F0/16, F0/17, F0/18，F0/19, F0/20, F0/21, F0/22, F0/23, F0/241002 fddi-d Active1004 fnet-d ActiveVLAN Type SAID MTU- - - -1 enet 100001 15001002 fddi 101002 15001002 fnet 101003 1500switch#conf tswitch(config)#hostname teach3teach3(config)#exitteach3#vlan database teach3(vlan)#vlan 36teach3(vlan)#exitteach3#sh vlan Vlan Name Status Ports - - - -1 default Active F0/1, F0/2436 Vlan036 Active F0/2, F0/3, F0/4, F0/5, F0/6, F0/7, F0/8，F0/9,F0/10, F0/11，F0/12, F0/13, F0/14, F0/15, F0/16, F0/17, F0/18，F0/19, F0/20, F0/21, F0/22, F0/23 1002 fddi-d Active1004 fnet-d ActiveVLAN Type SAID MTU- - - -1 enet 100001 15001002 fddi 101002 15001002 fnet 101003 1500teach3#conf tteach3(config)#int f0/1teach3(config-if)#switchport mode trunkteach3(config-if)#switchport trunk allowed vlan 11,12,23,24,25,36teach3(config-if)#switchport trunk encap dot1qteach3(config-if)#endteach3#conf tteach3(config)#int f0/24teach3(config-if)#switchport mode trunkteach3(config-if)#switchport trunk allowed vlan 11,12,23,24,25,36teach3(config-if)#switchport trunk encap dot1qteach3(config-if)#endteach3#conf tteach3(config)#int vlan 36teach3(config-if)#ip address 192.168.6.0 255.255.255.0teach3(config-if)#exitteach3(config)#ip default-gateway 192.168.6.1teach3(config)#end3.5 结果分析使用其中一台pc分别去ping其它Vlan的网关，发现是可以ping通的，这就说明vlan之间可以相互通信。第四章 网络的优化分析给定网络的问题所在并且制定网络优化方案。(改进前拓扑图)问题所在：在办公楼的办公区域，这个区域里面的交换机都是串联的，这样会造成网速变慢，如果单纯的串联，机器很多而又没有做什么设置的话，造成广播域太大。浪费带宽资源又不便于管理和病毒的防护并且交换机的压力很大。一旦关键交换机出现问题会导致其他的交换机也无法使用。优化方案：应该采用树状的连接方案，减小交换机的负担。便于管理和维护。减小了广播域，便于病毒的防护和节省带宽资源。最好做上冗余网络，当当前设备出现问题的时候冗余的备用设备可以继续代替当前设备继续工作而不影响工作和业务。（改进后拓扑图）结论通过一个简单案例的实现与配置，熟悉了网络架构规范与原理。并且对网络设备的选型以及设备的配置有了更为深入的理解。整个过程实现了众多技术，包括Vlan的配置、端口的配置和DynamipsGUI的使用。尤其是DynamipsGUI的使用，熟悉了虚拟网络的搭建，在以后的网络设计和研究中将有莫大的帮助。致 谢在三年的学习生活中，我们学到了知识并且能够运用所学做出自己的作品，这一切的一切都与各位老师的辛勤工作是分不开的，我的这份毕业设计包含了三年来各位老师的汗水，在此我