校园网机房扁平化

文/李金方 饶德胜 汪鸿伟

校园网机房扁平化

文/李金方 饶德胜 汪鸿伟

针对校园网区域汇聚层存在的一些问题，本文提出一个校园网的交换设备机房扁平化的方法。该方法就是在校园网络建设时，或者在网络升级更新时，将中心汇聚设备机房升级改造成ISC（Internet Switch Center)即互联网交换中心，免除网络核心设备存放的区域核心汇聚机房的建设，将原有的网络区域核心汇聚设备集中安置在ISC机房里。达到了使网络核心设备的工作环境得到可靠的保障和监控又使得设备的灾备性，静态负载平衡能力得到极大地增强，同时还显著的节约了建设投资的效果。

随着高校校园网十几年的建设，校园网络也从高速发展期步入稳健成长期。保障网络运行和增强服务成为当前的工作重点，而如何满足师生日益增强的信息化需求，为教学和科研提供多元化的服务，为学校发展提供有用的决策支持，让校园网用户充分享受信息化成果，则是我们的工作目标。由于受到建设资金的影响，早期校园网络的物理传输介质通常采用多模光纤（最大传输距离550米）。由于这种因素的影响导致校园网的交换设备放置的物理位置比较分散，校园网的网络拓扑结构通常为四层结构：出口核心汇聚、区域汇聚、楼道汇聚与宽带接入，见图1。

而根据网络交换设备所承担的作用，交换设备放置的物理位置通常划分为中心汇聚机房、区域核心汇聚机房、楼道汇聚与宽带接入机房三类。这种网络组网模式在校园网建设发展中发挥了巨大的作用，同时也存在一些问题，特别是区域核心汇聚层的网络核心设备的工作环境不能得到可靠的保障，网络核心设备的灾备性存在瑕疵（当核心设备发生物理故障时，网络运行不能及时恢复），网络核心设备失却静态负载平衡能力（当该区域新增若干栋学生宿舍时，原区域核心汇聚设备处理能力不足时，只能更换吞吐能力更强的汇聚设备或另增网络核心汇聚设备）。针对上述问题文章提出一个校园网的交换设备机房扁平化的方法。该方法就是在校园网络建设时，或者在网络升级更新时，将中心汇聚设备机房升级改造成ISC（Internet Switch Center)即互联网交换中心，免除网络核心设备存放的区域核心汇聚机房的建设，将原有的网络区域核心汇聚设备集中安置在ISC机房里。同时将楼道汇聚交换机上联到区域核心汇聚交换机的传输光纤全部更新为单模光纤，原中心机房与原区域核心汇聚机房或新的汇聚点之间铺设足够多芯数的单模光纤，使得原核心机房或新的汇聚点建成为网络传输信道的无源汇聚点，这样在校园网物理区域里只有两类放置交换设备的机房——ISC机房和楼道汇聚与宽带接入机房。使网络核心设备的工作环境得到可靠的保障和监控又使得设备的灾备性，静态负载平衡能力得到极大地增强，同时还显著地节约了建设投资的效果。

图1 传统四层网络组网模式拓扑图

校园网络设备机房的几种形式

受传统的校园网络组网形式的影响，网络拓扑结构通常为四级结构，交换设备机房涉及出口和核心设备中心机房、区域汇聚机房和楼道汇聚与接入设备机房三种类性。

楼道汇聚与接入设备机房

在校园里每个楼宇内的接入信息点都比较多（约350-800个），通常需要配置24口接入交换机12台至40台，同时还需配置1-2台汇聚交换机。由于这类交换机涉及的用户数量较少并且均在楼内，因此交换机所需的电源可以直接使用市电。而这类机房通常相对封闭，机房建筑结构的保温性也较好，由此导致机房的网络设备累积发热量非常大，保持机房的工作温度相对稳定是保障网络设备运行的关键因素。因此必须考虑通风降温措施。另外这类机房平时均是无人值守的。

区域汇聚设备机房

区域汇聚设备一般承担着10~20幢楼宇的网络上联的汇聚和信息交换工作。由于它在网络中所处的位置，其重要性和影响面比接入设备大得多，因此交换设备的工作可靠性显得相当的重要，而设备的工作环境也是设备可靠性运行的关键因素之一。不仅要保持设备工作的机房温度相对稳定，还要保证汇聚设备工作的电力稳定可靠，必须安装UPS（不间断电源）以免局部停电导致该区域网络中断。其次和接入设备机房一样，区域汇聚设备机房平时也是无人值守的。

出口和核心设备中心机房

出口和核心设备是校园网与互联网之间相连的枢纽，其重要性已得到共识。其可靠性和安全性是校园网里最高的。保障设备工作环境的机房里的辅助设施，无论是UPS，还是机房温度都需要得到重点的关注。各方面的条件均优于区域汇聚设备机房，并且机房平时均安排专人值守监控。

从校园网络设备机房的几种形式分析，对区域汇聚设备机房和出口和核心设备中心机房的物理要求比较相近，差别就在于无人值守还是有人值守。显然有人值守的中心机房展示出明显的优势。这些优势引导我们在校园网的建设上一个创新的举措——废除区域汇聚层结构，以ISC代之。物理上省略了区域汇聚设备机房的建设，只需对中心机房进行改造形成ISC机房，达到将分散在各处的区域汇聚设备集中安置在ISC机房的目的。使得校园网内只有ISC机房和楼道汇聚与接入设备机房这两类机房。其网络拓扑结构如图2所示。

图2 网络机房扁平化的网络拓扑图

网络光纤改造方案实施路线

将分散在各处的区域汇聚设备集中安置在ISC机房里是实现网络机房扁平化、虚拟化的一个首要步骤，而另一个关键步骤是对校园网主干光纤传输信道的改造。如何改造光纤传输信道达到既能保证网络运行的安全可靠，还要尽量降低光纤改造项目的经费投资。以下几种方案可以参考：

1. 保留原区域汇聚设备机房，将其作为网络区域汇聚的无源汇聚点。将各个楼宇接入设备机房上联到原区域汇聚设备机房的多模光纤改造成单模光纤，再新敷设若干根从ISC机房到区域汇聚机房的单模光纤（光纤芯数应大于各个楼宇到区域汇聚机房的单模光纤敷设的芯数总和，并且留有一些余量），对于校区部分楼宇距离原中心机房小于500M的原光纤线路可以视情况不必改造。在区域汇聚点用光纤跳线按照网络需要将各个楼宇接入设备的光纤上联到ISC机房的核心设备上，使得光纤信道物理联通。该方案实施起来比较方便，投资也少。

2. 由于原先放置在区域汇聚设备机房里的核心交换机已经集中放置在ISC机房，因此光纤汇聚点就不需要电源供给了（即无源汇聚点）。因此可以根据网络新的布局在地下弱电管道井近旁设置室外无源汇聚点，这样可以使得网络线路更清晰、分布更合理。

3. 直接从各个楼宇接入设备机房敷设单模光纤上联到ISC机房，两端再用光纤跳线连接到交换机上，使得光纤信道物理直联。该方案可以使得网络传输的可靠性显著提高，线路故障的排除更快捷高效。

上述方案既可独立使用，也可视环境和具体情况混合采用。

机房扁平化的效果分析

校园网的交换设备机房经过扁平化改造后，呈现的特点如下：

1. 对网络核心交换设备静态负载平衡能力的控制更灵活方便，使得网络传输的负载能力得到了有效的增强。通过核心交换设备的集中和负载平衡的调节，某校原网络核心汇聚需要6台交换设备的工作，现在只需由4台核心交换设备即可承担，而富余的2台核心交换设备即可用作冗余设备，也可用作备份设备。

2. 网络核心设备的灾备性得到了显著地改善；现在的校园网里，当4台核心交换设备中的任意一台设备发生物理故障时，可以及时地使用备份设备替换，极大地缩短了网络恢复的时间。网络的可靠性得到明显地增强，资源的利用率得到提升。

3. 现在尽管网络设备的监控管理在自动化、智能化方面程度越来越高，但是绝对不能替代人工干预的作用，随着核心设备的集中，增强了网络人工管理的方便性，提升了网络管理的效率，降低了网络管理的工作量，进一步提高了网络的安全性。

4. 通过机房扁平化方案的改造建设，某校区将原有的6个核心汇聚设备机房缩减为一个ISC机房，退出5间房间减少占用面积近80平方米，同时还免除了5台UPS设备和5套机房温控设备。不仅极大地降低了网络建设的成本和运维成本，还显著地减少能源消耗。又因为ISC机房的建设标准较高，使得核心设备的工作环境得到可靠的保障，网络的可靠性进一步得到提高。

5. 为网络结构扁平化提供了物质基础和技术准备（由于在楼道汇聚与接入机房里的光纤已经直连ISC机房，则接入汇聚交换机具备了绕过核心汇聚设备直接连到出口核心汇聚设备上的条件）。又由于核心汇聚设备的大集中使得网络虚拟化的工作得以实现，为最终面向信息技术服务的云计算阶段过渡作出准备。

先前校园网里区域交换机和各单位的各种应用服务器分散在校区的各个物理区域,给管理工作和使用带来许多麻烦，是高校信息化发展的瓶颈，通过ISC交换中心和IDC数据中心机房的建设，逐步达到信息化基础设施物理上集中管理，各种资源统一分配，网络结构更加优化，同时也为使用BRAS（宽带接入认证系统）打下基础。

（作者单位为河海大学信息中心）