園區網流量負載均衡設計與應用

[摘 要] 網絡設備是一門實踐性很強的學科，作為中職網絡專業學生，各種網絡設備的配置與管理是其必須熟練掌握的基本技能。而園區網負載均衡內容教材上并未提及，但在現實生活中應用卻很多，從基于MSTP和防火墻多出口解決園區網流量負載均衡問題，通過原理分析、動畫類比、分解實驗、視頻演示等方法使學生能更好地掌握園區網流量負載均衡的實現。

[關 鍵 詞] MSTP；防火墻多出口；負載均衡；園區網可靠性

[中圖分類號] TP393 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）02-0158-02

一、園區網可靠性現狀分析

園區網的可靠性從網絡范圍來說可分為內部網絡業務的可靠性和訪問外部網絡的可靠性兩個方面。

（一）在園區網的重要節點采用相同功能的多個設備形成相互備份保護

如果一臺設備出故障，另一臺設備能迅速接管故障設備，使對整個網絡系統的影響降到最低；同樣在園區網的出口，采用兩條及以上不同的接入鏈路（通常是不同的ISP），一條鏈路中斷后，另一條鏈路則迅速接管中斷鏈路的流量，使對外業務數據受到的影響降到最低。

（二）提高網絡可靠性的技術手段

網絡的可靠性是以各種投入為代價而實現的，因而在實際應用中，需要在網絡建設費用與網絡可靠性之間進行權衡。從性價比的角度來說，并不是可靠性越高越好，而往往采用對網絡的關鍵設備或鏈路提供備份的辦法，保證網絡的相對可靠性。保障網絡可靠性的技術手段主要有網絡拓撲結構的優化、網絡分層設計模型、容錯與負載均衡技術、路由協議備份技術及選用高可靠性網絡產品等。

二、負載均衡的實現原理

負載均衡 （Load Balancing） 建立在現有網絡結構之上，它提供了一種廉價、有效、透明的方法擴展網絡設備和服務器的帶寬、增加吞吐量、加強網絡數據處理能力、提高網絡的靈活性和可用性。它具有高性能、可擴展性、可管理性、用戶透明性等優點。負載均衡技術從廣義上講有服務器負載均衡、防火墻負載均衡和鏈路負載均衡等類型，各種負載均衡技術應用于不同的場合。鏈路負載均衡指網絡設備轉發數據流量時，數據流量在滿足一定的條件下選擇不同的鏈路走向，從而達到鏈路流量分擔，消除鏈路瓶頸，實現網絡鏈路服務的可靠性。鏈路負載均衡技術在園區網的內部和網絡出口均有一定的應用價值。

為了實現鏈路的冗余與備份，交換機之間往往會形成物理上的環路。一旦存在環路就會造成報文在環路內不斷循環，造成廣播風暴，影響網絡的正常通信。802.1協議制訂的STP協議，能夠有效阻止網絡風暴的產生，但是STP協議收斂速度慢，容易出現網絡瓶頸。為此，隨后又推出了RSTP協議，RSTP協議很好地解決了網絡收斂速度慢的問題，但是仍不能實現基于VLAN的流量均衡和冗余備份。

三、教學設計

（一）學情分析

在上本節實訓課之前，學生掌握了一定的計算機網絡基礎知識和操作技能，系統地學習了交換機、路由器和防火墻的基礎知識，并且掌握了相關配置。作為“90后”的他們上課積極，思維活躍，接受新事物的能力較強，喜歡實訓操作課，但不喜歡理論學習課，缺乏對知識的整體認識和梳理，因此學了新知、忘了舊知的現象嚴重，分析問題、解決問題的能力有待提高。

（二）設計意圖

根據往屆學生課堂實訓反饋，如果把整個項目作為一個整體讓學生去做，難度較大，學生掌握情況不是很好。為此，我特地將本次實訓項目分解成兩個實驗進行實訓操作，這兩個實驗分別涵蓋了負載均衡的兩塊知識點。

（三）教學過程

1.項目引入：某外貿進出口有限公司員工收發訂單及聯系國內外客戶，都需要網絡支持，但目前公司網絡拓撲比較簡單（如圖1所示），網絡冗余沒有實現，因此公司網絡經常擁堵和掉線，各部門間也不能正常通信，嚴重影響了公司正常的業務開展。這種來源于生活的案例更具有說服力，學生有一種身臨其境的感覺，也體現了基于工作過程的教學思想。

2.項目分析：根據呈現的拓撲圖讓學生小組討論該網絡存在的問題，并回答解決的方案，然后教師再介紹兩種負載均衡的工作原理，以此來解決公司存在的網絡問題。

3.項目實施：根據均衡原理的不同，針對本項目我設計了兩個分解實驗。本次實訓課就是圍繞這兩個分解實驗展開的。分解實驗一（如圖2所示）是利用MSTP實現公司內部數據分流，解決網絡數據擁堵，實現網絡的負載均衡。將一樓交換機和二樓交換機利用雙絞線連接，在MSTP作用下，實現不同實例（其中一個實例可以包括多個VLAN）走不同的鏈路，解決了網絡內部流量分擔即負載均衡的問題，同時也解決了如果某一鏈路斷掉立即啟用備用鏈路的問題，實現了網絡內部鏈路的備份冗余，解決了單一鏈路的不可靠性，有力地保證網絡暢通。由于MSTP原理相對比較復雜，為幫助學生理解，我設計了一個Flash動畫類進行類比呈現，來突破本次課的第一個難點。說明：現在在A地和B地間只有一條馬路，所有的汽車都走這條馬路，該馬路顯得擁堵不堪，汽車運行緩慢；現在在A地和B地間又新修了一條馬路，而且規定尾號為雙的所有汽車走原有馬路，尾號為單的所有汽車走新修馬路，現在馬路井然有序，汽車流量相對均衡。該動畫中，所有尾數為單（或雙）的汽車代表的是一個MSTP實例，A地和B地相當于兩臺交換機，2條馬路代表的是兩條鏈路。學生通過教師MSTP的原理介紹及Flash類比說明講解后，極大地降低了學習難度，提高了學習積極性，個個躍躍欲試。當然，實際操作的過程中會遇到很多困難，學生可以通過學習平臺（如圖3所示）查看相關配置，該自主學習平臺網站包括“項目簡介”“原理介紹”“分解實驗”“實驗視頻”和“項目評價”五部分項目。

分解實驗二（如圖4所示）是利用防火墻網關多出口實現網絡的負載均衡，保證公司外網的暢通。在這里我同樣設計了一個Flash進行類比（如圖5所示）說明來突破本次實訓課的第二個難點。說明：現在A地和B地間有兩條馬路可以通行，但馬路1車流量大，比較擁堵，而馬路2就幾輛車在開，在交警的指揮下，新進來的車輛都選擇了車流量少的馬路2，實現了兩條馬路車流量的相對均衡。該動畫中，A地代表的防火墻出口，B地代表的是目的計算機，兩條馬路相當于防火墻內部的兩條等價路由。由于防火墻的基本配置都在Web界面完成，相對簡單，因此我在這里主要進行操作演示講授，學生在實際操作過程中也可以通過視頻回看相關配置教程。

四、教學評價和反思

1.每個分解實驗結束后學生都要填寫評價表，每個知識點分成完全理解、有點理解和完全不懂三部分，學生通過自評、組評和師評的形式考查知識點落實情況，評價表中還須填寫組內分工情況、實驗完成情況和存在的問題。

2.整個實訓教學通過項目引入、項目分析、項目實施和項目評價緊緊貫穿在一起，通過分解實驗的分析和實施，體現了“以技能為本位、以就業為導向”的教學理念，運用了“做中學、做中教”的教學模式。本次實訓教學課充分利用了各種信息化技術作為教學手段，破解教學重點和難點，如學習網站平臺的架設和Flash動畫視頻。

網絡設備是一門操作性極強的課程，學生不僅要學會在Cisco Packet模擬器中練習強化，還要會對真實設備進行操作，由于中職學生英語基礎薄弱，學習起來相對困難，教師要對關鍵命令不斷強調甚至讓學生默寫，而更重要的是學生對各知識的原理理解，從根本上理解配置過程和實現方法，通過多條途徑幫助學生理解多實例生成樹和多出口網關實現園區網流量負載均衡的方法。

參考文獻：

[1]程慶梅.防火墻系統實訓教程[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]叢玉華.多鏈路出口負載均衡技術的研究及實現[J].計算機與數字工程，2012（9）：76-78.