基于Packet Tracer的綜合實驗平臺研究

喬焰++張武

摘要：利用Packet Tracer仿真軟件搭建計算機網(wǎng)絡(luò)的綜合實驗平臺，可同時模擬VLAN技術(shù)、子網(wǎng)劃分技術(shù)、NAT技術(shù)、動態(tài)路由OSPF技術(shù)、DNS技術(shù)以及電子郵件等關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，引入到《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程的教學(xué)中，能夠開拓學(xué)生的創(chuàng)新性思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習的積極性，也能夠有效地幫助同學(xué)們理解關(guān)鍵技術(shù)的工作原理。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真；教學(xué)實驗；Packet Tracer；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；路由器配置

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）25-0020-05

Integrated Computer Network Simulation Using Packet Tracer

QIAO Yan， ZHANG Wu

（School of information and computer， Anhui Agricultural University， Hefei 230061， China）

Abstract： An integrated computer network is simulated using Packet Tracer in this paper， which merges the technologies of VLAN， subnetting， NAT， OSPF， DNS and EMAIL together. Introducing such experimental platform to the course teaching can both develop students creative thinking and motivate their initiative of learning. It also can help the students to better understand the operational principle of the computer networks.

Key words： network simulation； teaching experiment； simulation software； network protocol； router configuration

1 引言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，基于計算機網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們生活的各個角落，社會對計算機網(wǎng)絡(luò)各個層次的人才需求已經(jīng)變得非常迫切[1]，因而《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》也成為計算機以及相關(guān)專業(yè)的必修課程之一。由于《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程是圍繞OSI七層模型和TCP/IP四層模型展開教學(xué)，內(nèi)容多涉及抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及繁雜的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生在有限的教學(xué)時間內(nèi)掌握抽象的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理，并具備動手能力是極其困難的。

Packet Tracer軟件是由思科公司開發(fā)的，專門用于教學(xué)，提高學(xué)生動手能力的網(wǎng)絡(luò)仿真模擬軟件[2]。它能夠在有限的空間內(nèi)模擬局域網(wǎng)以及廣域網(wǎng)等組網(wǎng)技術(shù)，同時能夠逐步呈現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的過程以及數(shù)據(jù)包在各個網(wǎng)絡(luò)層次中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。本文利用Packet Tracer軟件搭建了綜合網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，能夠同時模擬《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程中多個重點網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及關(guān)鍵的組網(wǎng)技術(shù)，并給出詳細的設(shè)計細節(jié)和配置命令，幫助同學(xué)理解抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、體系結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)工作原理，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習積極性。

2 Packet Tracer組網(wǎng)

利用Packet Tracer組建的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。拓撲中包含以下設(shè)備：（1） 1841路由器3臺（本地路由器、外網(wǎng)路由器1和外網(wǎng)路由器2）；（2） 3560-24PS三層交換機1臺；（3） 2950-24二層交換機2臺；（4）臺式PC機4臺；（5）服務(wù)器5臺（DNS服務(wù)器、2臺郵件服務(wù)器、2臺網(wǎng)頁服務(wù)器）。其中本地路由器及其所連接的三層交換機構(gòu)成內(nèi)部局域網(wǎng)，外網(wǎng)路由器1、外網(wǎng)路由器2及其所連接網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成外網(wǎng)。

其中1841路由器添加WIC-2T串口，并通過DCE串口線連接，如圖2所示。 5臺服務(wù)器分別作為DNS服務(wù)器、收件人郵局服務(wù)器、發(fā)件人郵局服務(wù)器和兩個網(wǎng)頁服務(wù)器。

3 關(guān)鍵組網(wǎng)技術(shù)

在圖2所示的網(wǎng)絡(luò)拓撲中主要包含了以下幾個關(guān)鍵技術(shù)：（1）三層交換機劃分VLAN；（2）子網(wǎng)劃分；（3）地址轉(zhuǎn)換NAT；（4） 動態(tài)路由協(xié)議OSPF；（5）DNS、電子郵件與HTTP。下文將針對每個關(guān)鍵技術(shù)展開詳細描述。

3.1 三層交換機劃分VLAN

虛擬局域網(wǎng)（VLAN）是邏輯上獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，管理員可將連接在交換機上的站點按需劃分為多個與物理位置無關(guān)的邏輯組，每個邏輯組就是一個VLAN。在交換機組成的網(wǎng)絡(luò)里，一臺主機發(fā)出的廣播，其他所有主機都能夠收到，而通過實現(xiàn)VLAN技術(shù)就可以起到分割廣播域的作用。因此VLAN技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的運用相當廣泛，并具有安全、高性能、防范廣播風暴、提高效率、簡單管理等諸多優(yōu)點[3]。在圖2中，利用拓撲中的3560-24PS三層交換機將四臺主機劃分為兩個VLAN：VLAN10和VLAN20。

在三層交換機上的詳細配置方法為：

Switch>enable

Switch#configure terminal

Switch（configure）#vlan 10 //創(chuàng)建VLAN 10

Switch（configure-vlan）#exit

Switch（configure）#interface range fa0/1，fa0/2

Switch（configure-if-range）#switchport access vlan 10 //將接口fa0/1和fa0/2加入VLAN 10

Switch（configure-if-range）#exit

Switch（configure）#vlan 20 //創(chuàng)建VLAN 20

Switch（configure-vlan）#exit

Switch（configure）#interface range fa0/3，fa0/4

Switch（configure-if-range）#switchport access vlan 20 //將接口fa0/3和fa0/4加入VLAN 20

Switch（configure-if-range）#exit

3.2 子網(wǎng)劃分

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理中，IP地址方案的設(shè)計至關(guān)重要，良好的IP 地址方案能夠大大提高IP 地址利用率，易于管理網(wǎng)絡(luò)。好的IP地址方案不僅可以減少網(wǎng)絡(luò)負荷，還能為以后的網(wǎng)絡(luò)擴展打下良好的基礎(chǔ)[4]。

根據(jù)實驗要求，將地址塊192.168.1.0/27進行劃分，分配給本地路由器下的內(nèi)部局域網(wǎng)中的交換機、路由器端口和主機。將地址塊211.1.1.0/27進行劃分，分配給外網(wǎng)中的各個路由器端口和服務(wù)器，如圖3所示。下文將分別闡述內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的劃分方法。

3.2.1 內(nèi)網(wǎng)子網(wǎng)劃分

內(nèi)網(wǎng)中包含3個子網(wǎng)，如圖4所示。其中子網(wǎng)1包含主機0，主機1和三層交換機上VLAN 10的虛擬接口。子網(wǎng)2包含主機2，主機3和三層交換機上VLAN 20的虛擬接口，子網(wǎng)三包含交換機fa0/5接口和路由器fa0/0接口。

內(nèi)網(wǎng)的子網(wǎng)劃分方法如下：（1） 子網(wǎng)1：192.168.1.0/29，子網(wǎng)1需要在三層交換機上創(chuàng)建VLAN 10的虛擬接口作為該子網(wǎng)的默認網(wǎng)關(guān)；（2） 子網(wǎng)2：192.168.1.8/29，子網(wǎng)2需要在三層交換機上創(chuàng)建VLAN 20的虛擬接口作為該子網(wǎng)的默認網(wǎng)關(guān)；（3） 子網(wǎng)3：192.168.1.16/30，子網(wǎng)3在為三層交換機fa0/5接口分配IP地址時，需要將fa0/5接口的交換機屬性關(guān)閉。

3.2.2 外網(wǎng)子網(wǎng)劃分

外網(wǎng)包含4個子網(wǎng)，如圖5所示。其中子網(wǎng)1包含DNS服務(wù)器、兩臺郵件服務(wù)器和外網(wǎng)路由器1的fa0/0接口，子網(wǎng)2包含兩臺網(wǎng)頁服務(wù)器以及外網(wǎng)路由器2的fa0/0接口，子網(wǎng)3包含本地路由器的Se0/1/0接口和外網(wǎng)路由器1的Se0/1/0接口，子網(wǎng)4包含外網(wǎng)路由器2的Se0/1/1接口和外網(wǎng)路由器2的Se0/1/0接口。

外網(wǎng)的子網(wǎng)劃分方法如下：（1） 子網(wǎng)1：221.1.1.0/29；（2） 子網(wǎng)2：221.1.1.8/29；（3） 子網(wǎng)3：221.1.1.16/30；（4） 子網(wǎng)4：221.1.1.20/30。

3.2.3 三層交換機上的詳細配置

Switch（config）#interface vlan 10 //創(chuàng)建VLAN 10的虛擬接口

Switch（config-if）#ip address 192.168.1.1 255.255.255.248

Switch（config-if）#exit

Switch（config）#interface vlan 20 //創(chuàng)建VLAN 20的虛擬接口

Switch（config-if）#ip address 192.168.1.9 255.255.255.248

Switch（config-if）#exit

Switch（config）#interface fa0/5

Switch（config-if）#no switchport //關(guān)閉接口的交換機屬性

Switch（config-if）#ip address 192.168.1.17 255.255.255.252

Switch（config-if）#exit

3.3 地址轉(zhuǎn)換NAT

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）是一種將私有IP地址轉(zhuǎn)換為公共IP地址的轉(zhuǎn)換技術(shù)，被廣泛應(yīng)用與各種類型因特網(wǎng)接入方式以及不同類型的網(wǎng)絡(luò)中。NAT不僅完美地解決了IP地址不足的問題，而且能夠隱藏內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地降低內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)受到攻擊的風險[5]。

首先在本地路由器上設(shè)置訪問控制列表（允許內(nèi)網(wǎng)的主機與外界通信），然后將內(nèi)網(wǎng)的私有地址用動態(tài)超載的方式轉(zhuǎn)換為公有地址與外界通信。本地路由器的詳細配置命令如下：

Router>enable

Router#configure terminal

Router（config）#interface fa0/0

Router（config-if）#ip nat inside //設(shè)置為內(nèi)部接口

Router（config-if）#exit

Router（config）#interface se0/1/0

Router（config-if）#ip nat outside //設(shè)置為外部接口

Router（config-if）#exit

Router（config）#access-list 1 permit 192.168.1.0 0.0.0.31 //設(shè)置訪問控制列表ACL

Router（config）#ip nat inside source list 1 interface se0/1/0 overload //NAT地址轉(zhuǎn)換

3.4 配置動態(tài)路由協(xié)議OSPF

OSPF（最短路徑優(yōu)先協(xié)議）路由協(xié)議是基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，通過路由器之間通告網(wǎng)絡(luò)接口的狀態(tài)信息來建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，生成最短路徑樹，每個OSPF路由器使用這些最短路徑來構(gòu)造路由表[6]。在三臺路由器以及內(nèi)網(wǎng)的三層交換機上配置OSPF路由協(xié)議，使三層交換機和每一臺路由器能夠動態(tài)地獲得各自的路由表，詳細配置命令如下：

（1） 三層交換機

Switch（config）#ip routing

Switch（config）#router ospf 10 //創(chuàng)建OSPF進程

Switch（config-router）#network 192.168.1.0 0.0.0.7 area 0 //通告相鄰網(wǎng)絡(luò)

Switch（config-router）#network 192.168.1.8 0.0.0.7 area 0

Switch（config-router）#network 192.168.1.16 0.0.0.3 area 0

（2） 本地路由器

Router（config）#router ospf 10

Router（config-router）#network 192.168.1.16 0.0.0.3 area 0

Router（config-router）#network 221.1.1.16 0.0.0.3 area 0

（3） 外網(wǎng)路由器1

Router（config）#router ospf 10

Router（config-router）#network 221.1.1.16 0.0.0.3 area 0

Router（config-router）#network 221.1.1.20 0.0.0.3 area 0

Router（config-router）#network 221.1.1.0 0.0.0.7 area 0

（4） 外網(wǎng)路由器2

Router（config）#router ospf 10

Router（config-router）#network 221.1.1.20 0.0.0.3 area 0

Router（config-router）#network 221.1.1.8 0.0.0.7 area 0

3.5 DNS，電子郵件與HTTP

DNS、電子郵件和萬維網(wǎng)分別為應(yīng)用層的三個重要的協(xié)議。DNS（域名系統(tǒng)）是將因特網(wǎng)上的域名解析為IP地址的分布式數(shù)據(jù)庫[7]。DNS能夠使用戶更方便地訪問互聯(lián)，而不用記住目的端的IP地址。HTTP（超文本傳輸協(xié)議）是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用最廣泛的應(yīng)用層協(xié)議[8]，用于從萬維網(wǎng)服務(wù)器傳輸超文本到本地瀏覽器的傳輸協(xié)議。它可以使瀏覽器更加高效，使網(wǎng)絡(luò)傳輸量大大減少。電子郵件是—種用電子手段提供信息交換的通信方式。在應(yīng)用層，電子郵件使用SMTP協(xié)議作為郵件的發(fā)送協(xié)議，使用POP協(xié)議作為郵件的推送協(xié)議[9]。

外網(wǎng)路由器1連接的三臺服務(wù)器分別為DNS服務(wù)器和兩個電子郵件服務(wù)器，外網(wǎng)路由器2連接的兩臺服務(wù)器為兩個網(wǎng)頁服務(wù)器。兩個郵件服務(wù)器分別取域名為163.com和qq.com，兩個網(wǎng)頁服務(wù)器取名為www.taobao.com和www.jd.com。五臺服務(wù)器IP地址對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 5臺服務(wù)器域名與IP地址對應(yīng)關(guān)系

[服務(wù)器＼&域名＼&IP地址＼&DNS服務(wù)器＼&＼&211.1.1.2＼&電子郵件服務(wù)器1＼&163.com＼&221.1.1.3＼&電子郵件服務(wù)器2＼&qq.com＼&221.1.1.4＼&網(wǎng)頁服務(wù)器1＼&www.taobao.com＼&221.1.1.10＼&網(wǎng)頁服務(wù)器2＼&www.jd.com＼&221.1.1.11＼&]

DNS需要解析兩個郵件服務(wù)器域名，則需要在DNS中手動地錄入，如圖6所示。郵件服務(wù)器的域名還需要另外添加smtp以及pop的域名。

4 應(yīng)用層協(xié)議的模擬與仿真

4.1 發(fā)送電子郵件及瀏覽網(wǎng)頁

在以上搭建的模擬網(wǎng)絡(luò)中，令VLAN 10中兩臺主機相互發(fā)送電子郵件。首先需要在兩臺主機上設(shè)置用戶代理，如圖7所示。

設(shè)置完成后，VLAN 10中兩臺主機可以互相發(fā)送電子郵件，如圖8所示。

VLAN 20中兩臺主機可通過瀏覽器訪問外網(wǎng)路由器2下的兩臺網(wǎng)頁服務(wù)器，如圖9所示。

4.2 電子郵件與萬維網(wǎng)協(xié)議模擬

通過Packet Tracer自帶的模擬器，能夠清晰地查看電子郵件的收發(fā)以及瀏覽網(wǎng)頁的詳細過程。

發(fā)送電子郵件的過程為： （1） 通過DNS服務(wù)器解析發(fā)件人郵件服務(wù)器域名；（3） 與發(fā)件人郵件服務(wù)器建立TCP連接；（4） 通過SMPT協(xié)議向發(fā)件人郵件服務(wù)器發(fā)送電子郵件。

通過模擬器顯示發(fā)送郵件每個步驟中使用的協(xié)議數(shù)據(jù)包如圖10所示。

接收電子郵件的過程為：（1） 通過DNS服務(wù)器解析收件人郵件服務(wù)器域名；（2） 與收件人郵件服務(wù)器建立TCP連接；（3） 通過POP協(xié)議從收件人郵件服務(wù)器上接收郵件

通過模擬器顯示接收郵件每個步驟中用到的協(xié)議數(shù)據(jù)包如圖11所示。

瀏覽網(wǎng)頁的過程為：（1） 通過DNS服務(wù)器解析網(wǎng)頁服務(wù)器域名；（2） 與網(wǎng)頁服務(wù)器建立TCP連接；（3） 通過HTTP協(xié)議傳送并響應(yīng)請求

通過模擬器顯示瀏覽網(wǎng)頁每個步驟中用到的協(xié)議數(shù)據(jù)包如圖12所示。

5 結(jié)論

《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》是一門抽象的課程，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對于初次接觸這門課程的學(xué)生來講是難以接收的。Packet Tracer軟件將組網(wǎng)的過程以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理以圖形界面顯示，為學(xué)生理解協(xié)議原理，提高動手能力提供了有效的途徑。本文利用Packet Tracer軟件搭建了融合多種網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)，能夠讓學(xué)生系統(tǒng)地了解這幾種關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用場景和工作原理，從而提高學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思路。

參考文獻：

[1] 顧明遠. 終身學(xué)習與人的全面發(fā)展[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2008（6）：5-12.

[2] 張宇國， 王宏群. 基于Packet Tracer的網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)仿真實驗綜述[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2014.

[3] 楊姝. VLAN技術(shù)實驗的設(shè)計與仿真實現(xiàn)研究[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2014：114-117.

[4] 米潔. IP子網(wǎng)劃分與可變長子網(wǎng)掩碼的探討[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2014.

[5] 劉金明， 劉桂陽， 于成江. 基于Packet Tracer的NAT實驗教學(xué)設(shè)計[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù)， 2014（12）：39-42.

[6] 姜海波. 利用PacketTracer仿真OSPF網(wǎng)絡(luò)研究[J]. 軟件， 2013：88-91.

[7] Tan Y. Design of DNS server experiment based on Packet Tracer[J]. Experimental Technology & Management， 2013（9）.

[8] 朱杰. 使用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的幾種方式的比較[J]. 信息與電腦：理論版， 2014.

[9] 畢軍. 電子郵件及其協(xié)議標準研究[J]. 計算機應(yīng)用研究， 1996：8-9.