?摘要：針對(duì)高校智慧校園建設(shè)需要，在分析比較當(dāng)前主流業(yè)務(wù)承載技術(shù)的基礎(chǔ)上，以防火墻安全域結(jié)合VLAN技術(shù)，基于虛擬化構(gòu)建出一個(gè)專用的多業(yè)務(wù)融合承載網(wǎng)絡(luò)，用于支撐不同場(chǎng)景下的校園智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行。
隨著高校智慧校園建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)和深化，智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)逐漸成為高校教學(xué)科研、生活辦公、校務(wù)管理的重要基礎(chǔ)支撐手段，其規(guī)模和應(yīng)用水平在一定程度上衡量著高校信息化發(fā)展的水平和能力。在南開大學(xué)智慧校園建設(shè)過程中，共規(guī)劃了十余個(gè)需要通過專用網(wǎng)絡(luò)支撐的智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，根據(jù)其功能作用大體可以分為以下幾類：教學(xué)科研支撐類、安全監(jiān)控類、生活服務(wù)類、通道門禁類、樓宇自控類、協(xié)同辦公類以及財(cái)務(wù)結(jié)算類。
不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)提出了不同的隔離和承載要求，比如視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要大量存儲(chǔ)視頻文件，同時(shí)安防監(jiān)控中心又有實(shí)時(shí)調(diào)取攝像頭視頻的需求，視頻存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)調(diào)取對(duì)帶寬的要求也不同。面對(duì)高校環(huán)境中復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，單一的承載手段無(wú)法支撐多樣化的應(yīng)用，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景提供多樣化的業(yè)務(wù)承載能力。
本文結(jié)合南開大學(xué)智慧校園建設(shè)實(shí)際需求，在高性能網(wǎng)絡(luò)安全體系的支撐下，在用戶數(shù)據(jù)校園網(wǎng)之外獨(dú)立構(gòu)建了一個(gè)跨校區(qū)的多業(yè)務(wù)融合承載網(wǎng)，以支持多種需要網(wǎng)絡(luò)支撐的智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了各業(yè)務(wù)系統(tǒng)跨校區(qū)的互聯(lián)與互通。
技術(shù)路線比較與選擇
通常情況下，可以選擇兩種不同的技術(shù)路線構(gòu)建承載網(wǎng)絡(luò)，一種方式是為每個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)專用的物理承載網(wǎng)，另一種方式是在一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)上為各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建邏輯承載網(wǎng)，也就是所謂的多業(yè)務(wù)融合承載。
物理專網(wǎng)承載
通過物理專用網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)，即為每一個(gè)業(yè)務(wù)構(gòu)建一套私有支撐網(wǎng)絡(luò)，包括獨(dú)立的通訊鏈路以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
物理專網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)業(yè)務(wù)的隔離是絕對(duì)的隔離，不同物理網(wǎng)絡(luò)之間不能以直接或間接的方式相連接，可以為業(yè)務(wù)系統(tǒng)起到最高級(jí)別的隔離保護(hù)【1】。同時(shí)物理專網(wǎng)的帶寬和設(shè)備只服務(wù)于所承載的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，一般情況不會(huì)存在帶寬和流量的瓶頸問題，也不會(huì)受到其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載的影響。
但對(duì)于大多數(shù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)來(lái)講，流量模型較為固定，流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到需要一套專用網(wǎng)絡(luò)的程度;在高校的現(xiàn)實(shí)條件下，業(yè)務(wù)部門自身信息化技術(shù)力量有限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，仍需要信息化職能部門介入維護(hù);部分專用業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍借助校園網(wǎng)進(jìn)行管理，需要校園網(wǎng)提供接入。同時(shí)，為智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)獨(dú)立組建大量專用物理網(wǎng)絡(luò)，必將使校園網(wǎng)變得越來(lái)越復(fù)雜，背離了把智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)從校園網(wǎng)(公眾部分)剝離并簡(jiǎn)化管理的初衷，給維護(hù)工作帶來(lái)不必要的困難。
因此，為每個(gè)智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建獨(dú)立的物理承載網(wǎng)，不論從建設(shè)成本、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度還是后期維護(hù)來(lái)講，都不再是一種經(jīng)濟(jì)的選擇。
多業(yè)務(wù)融合承載
通過構(gòu)建邏輯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)承載和隔離，通常的做法是在一個(gè)統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)上，劃分出多個(gè)邏輯上相互獨(dú)立、相互隔離的業(yè)務(wù)專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的安全統(tǒng)一承載，目前主要有虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network，VLAN)、多協(xié)議標(biāo)簽交換(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network，VPN)。
1.傳統(tǒng)的VLAN
VLAN技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯隔離，形成虛擬的子網(wǎng)，從而隔離在虛擬子網(wǎng)上運(yùn)行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。VLAN子網(wǎng)之間的通訊，需要借助路由器或路由模塊進(jìn)行三層(即OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，下同)轉(zhuǎn)發(fā)。通過VLAN結(jié)合訪問控制列表(Access Control List，ACL)和路由過濾，可以在IP網(wǎng)絡(luò)層(或數(shù)據(jù)鏈路層)進(jìn)行業(yè)務(wù)的隔離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的整合和統(tǒng)一管理，是一種比較傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)承載和隔離方式。
由于ACL和路由過濾配置復(fù)雜，實(shí)施難度大，特別是在多個(gè)三層核心交換設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中，在采用有效措施對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化之前，容易發(fā)生錯(cuò)誤，因此一定程度上缺乏落地部署的可實(shí)施性。在智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)較少的智慧校園建設(shè)初期，可以采用在校園網(wǎng)上以VLAN結(jié)合ACL和路由過濾方式進(jìn)行業(yè)務(wù)承載和隔離，但隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)的增多，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)配置變得復(fù)雜并難以控制。
2.MPLSVPN
MPLSVPN是一種基于MPLS的VPN解決方案，利用標(biāo)簽交換技術(shù)，通過標(biāo)記交換路徑(Label Switching Path，LSP)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，MPLSVPN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在MPLSVPN網(wǎng)絡(luò)中，骨干網(wǎng)核心(Provider，P)路由器以標(biāo)簽交換方式轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，在骨干網(wǎng)邊緣(Provider Edge，PE)路由器上創(chuàng)建虛擬路由器虛擬路由轉(zhuǎn)發(fā)表(Virtual Routing Forwarding，VRF)，PE設(shè)備通過VRF三層接口連接用戶網(wǎng)絡(luò)邊緣(Custom Edge，CE)路由器，由CE負(fù)責(zé)用戶站點(diǎn)的接入【2】。VPN成員在VRF上定義，是由不同站點(diǎn)組成的集合，屬于同一VPN的站點(diǎn)具有IP連通性，從而達(dá)到業(yè)務(wù)承載的目的，VPN站點(diǎn)之間可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行有控制的互聯(lián)或隔離【3】。
MPLS VPN提供了數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻等多種業(yè)務(wù)相融合的能力，是目前電信運(yùn)營(yíng)商所普遍采用的多業(yè)務(wù)融合承載方式，可以以較低的成本靈活實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景的業(yè)務(wù)支撐。
如同所有管理型共享網(wǎng)絡(luò)，MPLS沒有解決普遍存在的對(duì)受保護(hù)的網(wǎng)元的非法訪問和內(nèi)部攻擊等安全問題【4】?；谙鄬?duì)簡(jiǎn)單的CE與PE路由器的路由，在處理復(fù)雜的路由情況時(shí)可能會(huì)具有一定難度。另外，如MPLS VPN對(duì)路由的依賴度比普通IP網(wǎng)絡(luò)更高，MPLS的標(biāo)記交換機(jī)制給路由和轉(zhuǎn)發(fā)之間引入了新一層的間接性，會(huì)導(dǎo)致MPLSVPN路由層面的故障難以分析和排除【5】。單一的CE設(shè)備的故障可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的路由信息，影響PE甚至網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)的穩(wěn)定性。
對(duì)用戶而言，MPLS雖然可以快速進(jìn)行業(yè)務(wù)的部署，但對(duì)于運(yùn)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，在客觀上存在一定程度的管理難度，尤其在高校信息化建設(shè)職能部門人員編制普遍緊缺的情況下，需要付出很大的管理成本。
承載網(wǎng)構(gòu)建與部署
南開大學(xué)業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，基于承載業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)流量模型相對(duì)固定的原理，采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)，通過“業(yè)務(wù)接入層-高密匯聚層-核心網(wǎng)絡(luò)層”三級(jí)“大二層”結(jié)構(gòu)，利用虛擬化技術(shù)，全冗余鏈路設(shè)計(jì)，構(gòu)建出一個(gè)高可用、可靠、安全及可擴(kuò)展的多業(yè)務(wù)融合承載體系，并針對(duì)各種不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，靈活提供不同的業(yè)務(wù)承載和隔離方案。
構(gòu)建原則
1.高可用性原則
隨著智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)的增多，網(wǎng)絡(luò)流量越來(lái)越大，高帶寬支持的業(yè)務(wù)系統(tǒng)比如視頻監(jiān)控等應(yīng)用會(huì)耗費(fèi)大量帶寬，無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)或者粗放管理無(wú)法保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，因此需要規(guī)范、控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用，需要為不同實(shí)際需求和應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)劃不同的承載方式。
2.高安全性原則
不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間必須實(shí)現(xiàn)有效的隔離，針對(duì)需求實(shí)現(xiàn)有效的安全分區(qū)，進(jìn)行有效的安全防護(hù)和管理，同時(shí)在業(yè)務(wù)安全方面，通過安全策略有效防止惡意攻擊和病毒防范。
3.高可靠性原則
需要保證高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸通道，因鏈路或設(shè)備故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，承載網(wǎng)絡(luò)整體應(yīng)不受線路故障和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓挠绊?，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
4.可擴(kuò)展性原則
可以滿足多種智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接入，快速實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的落地部署，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的業(yè)務(wù)系統(tǒng)開通。
部署方案
1.全冗余基礎(chǔ)架構(gòu)
南開大學(xué)多業(yè)務(wù)融合承載網(wǎng)結(jié)合虛擬化技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各層次均采取了全冗余構(gòu)建方式，全面實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的安全可靠承載，如圖2所示。
業(yè)務(wù)接入層。在業(yè)務(wù)接入層，南開大學(xué)八里臺(tái)校區(qū)采用單體樓作為一個(gè)接入單元，津南校區(qū)按照綜合布線規(guī)范把單體樓劃分為多個(gè)接入單元(網(wǎng)格)，分別匯聚各自范圍內(nèi)的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息點(diǎn)。業(yè)務(wù)接入層采用全千兆高性能交換機(jī)，全面保障接入能力，滿足業(yè)務(wù)系統(tǒng)終端的高速接入需求;同時(shí)通過堆疊虛擬化為單一邏輯設(shè)備，簡(jiǎn)化管理。
高密匯聚層。在匯聚層，根據(jù)南開大學(xué)教學(xué)辦公樓宇的地理分布，采用了高密度、高性能數(shù)據(jù)中心交換機(jī)，通過堆疊技術(shù)，在八里臺(tái)校區(qū)構(gòu)建出1個(gè)高密虛擬化組，在津南校區(qū)構(gòu)建出7個(gè)高密虛擬組，分別匯聚來(lái)自樓宇機(jī)房(網(wǎng)格)業(yè)務(wù)接入層的鏈路，并以二層方式轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的流量。
核心網(wǎng)絡(luò)層。核心網(wǎng)絡(luò)層采用了兩臺(tái)多業(yè)務(wù)安全網(wǎng)關(guān)作為承載網(wǎng)核心設(shè)備和各業(yè)務(wù)系統(tǒng)終端的三層網(wǎng)關(guān)，分別部署于八里臺(tái)校區(qū)與津南校區(qū)。在部署上，采用SCF通過多路裸光纖把兩臺(tái)機(jī)框及板卡虛擬成一臺(tái)邏輯設(shè)備，在不增加管理復(fù)雜度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高可靠性，保證了設(shè)備的冗余和高可用，并通過在核心上配置安全域形式實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)間的安全隔離。
網(wǎng)絡(luò)整體“業(yè)務(wù)接入層-高密匯聚層-核心網(wǎng)絡(luò)層”的連接全部采用冗余鏈路互聯(lián)，不同物理鏈路分別連接至不同的物理設(shè)備或板卡，形成全方位冗余，任一高密設(shè)備或核心設(shè)備板卡發(fā)生硬件停機(jī)故障的情況下，仍可保證整體網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
2.基于安全域和VLAN的業(yè)務(wù)承載和隔離
在業(yè)務(wù)承載網(wǎng)的邏輯架構(gòu)上，借助了防火墻安全域之間缺省配置下相互隔離的特點(diǎn)，每個(gè)智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)分配一個(gè)安全域，并根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的規(guī)模與實(shí)際需求，在同一個(gè)安全域內(nèi)再次通過VLAN的方式來(lái)隔離廣播域，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的承載和隔離，如圖3所示。不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間如有相互訪問的需求，則通過設(shè)置域間ACL的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的互訪。
3.基于場(chǎng)景的業(yè)務(wù)承載
第一，三層承載場(chǎng)景。大多數(shù)智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)均需要通過三層進(jìn)行承載，比如一卡通、門禁、儀器共享平臺(tái)等，終端分布于學(xué)校各教學(xué)辦公樓宇。三層承載主要根據(jù)其終端的數(shù)量、地理分布和未來(lái)發(fā)展需求，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)各構(gòu)建安全域，并為安全域分別劃分一個(gè)或多個(gè)二層VLAN或三層接口。在需要互相訪問的業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間，通過ACL來(lái)實(shí)現(xiàn)互訪。
第二，二層承載場(chǎng)景。通過二層承載的業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要有合作銀行在校內(nèi)的對(duì)賬結(jié)算以及醫(yī)保報(bào)銷等系統(tǒng)。銀行結(jié)算和醫(yī)保報(bào)銷是公共服務(wù)在高校內(nèi)的延伸，其網(wǎng)絡(luò)自成體系，系統(tǒng)的接口或網(wǎng)關(guān)IP地址的配置和控制掌握在銀行和醫(yī)保管理單位自身的技術(shù)部門，一般僅通過二層VLAN的方式進(jìn)行承載和數(shù)據(jù)對(duì)接。
第三，二層、三層混合承載場(chǎng)景。校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)是二、三層混合承載的典型應(yīng)用場(chǎng)景。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在安防監(jiān)控中心實(shí)時(shí)調(diào)度各監(jiān)控區(qū)域視頻的同時(shí)，需要把監(jiān)控視頻資料不間斷存儲(chǔ)到永久物理介質(zhì)以備檢索。校園視頻監(jiān)控?cái)z像頭在校園中分布廣、數(shù)量多，對(duì)帶寬要求高，如果完全通過核心設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，會(huì)影響到核心設(shè)備的性能，進(jìn)而影響到網(wǎng)絡(luò)整體對(duì)其他業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)承載的方案設(shè)計(jì)上，采用了二層、三層混合的方式，視頻的統(tǒng)一調(diào)度及實(shí)時(shí)監(jiān)控的攝像頭數(shù)量較為有限，流量較小，且需要輪詢調(diào)度分布在校園各處的攝像頭，采用三層進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。而對(duì)于視頻的存儲(chǔ)，則以二層VLAN方式直接在高密匯聚層(各組團(tuán)匯聚交換機(jī)虛擬組)把流量轉(zhuǎn)發(fā)給存儲(chǔ)陣列，避免存儲(chǔ)流量上升到三層核心進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，降低核心設(shè)備負(fù)載。
基于安全域與VLAN技術(shù)構(gòu)建專用的多業(yè)務(wù)融合承載網(wǎng)，在物理上分離了校園網(wǎng)公眾部分(傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng))與業(yè)務(wù)系統(tǒng)專用部分(一般稱為管理網(wǎng)或設(shè)備網(wǎng));通過同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了資源整合，便于合理、充分地利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和帶寬，提升訪問速度和服務(wù)質(zhì)量;全冗余構(gòu)建方式，保證了鏈路通暢和數(shù)據(jù)安全性;并為各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供符合其需求的場(chǎng)景化網(wǎng)絡(luò)接入環(huán)境，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種業(yè)務(wù)的有機(jī)融合承載，有效降低維護(hù)成本，能夠方便地新增系統(tǒng)或擴(kuò)大規(guī)模;多業(yè)務(wù)融合的承載能力，將為高校教學(xué)科研、生活辦公以及校務(wù)管理提供全面的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐和保障。
(作者單位為南開大學(xué)信息化建設(shè)與管理辦公室)
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