Packet Tracer在獨(dú)立學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用研究

和鳳珍　石進(jìn)平　賈志洋

摘要：將Cisco Packet Tracer仿真軟件引入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中，運(yùn)用VLAN、DHCP、NAT、OSPF、WIFI、IPSec VPN和端口映射技術(shù)組建云南大學(xué)旅游文化學(xué)院校園網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了不同校區(qū)、因特網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。利用仿真工具教學(xué)不僅有助于加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識，同時激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性和積極性，提高了學(xué)生未來職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競爭力，而且有助于完成很多真實(shí)環(huán)境中不易完成的實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：Packet Tracer；校園網(wǎng)；仿真；OSPF； IPSec； NAT

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0123-06

近年來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在云計(jì)算時代上的應(yīng)用越來越注重分布式計(jì)算。作為高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教師，如何在更好地講授計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的同時切實(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生的實(shí)際動手能力和效率是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[1]、[2]詳細(xì)分析了在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性。利用仿真工具可以幫助教師打破現(xiàn)實(shí)環(huán)境對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的束縛，而且仿真軟件可以讓學(xué)生靈活地參與到學(xué)習(xí)活動中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。Cisco Packet Tracer模擬仿真軟件很好地解決了上述問題。

在這篇文章中，我們以云南大學(xué)旅游文化學(xué)院為例演示了如何在Cisco Packet Tracer工具中模擬組建校園網(wǎng)。該工具軟件可以讓學(xué)生建立真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)，觸及真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并感受一些關(guān)于未來職業(yè)工作中需要做的事情。

本文的內(nèi)容組織如下：第1部分是組網(wǎng)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、VLAN、DHCP、NAT、VPN等關(guān)鍵技術(shù)將在本部分進(jìn)行詳細(xì)分析；第2部分是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能的具體配置實(shí)現(xiàn)；第3部分是測試，DHCP、VPN、NAT和連通性將被測試；第4部分是結(jié)束語，對本文工作進(jìn)行總結(jié)。

1 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

1.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

校園網(wǎng)由校本部、因特網(wǎng)、分校區(qū)三部分組成，采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即核心層、匯聚層和接入層，實(shí)現(xiàn)校本部與因特網(wǎng)、分校區(qū)的互聯(lián)互通，同時可以進(jìn)行家庭辦公。校本部校園網(wǎng)的核心使用帶路由功能的核心三層交換機(jī)（Multi Switch），它向外與因特網(wǎng)的出口路由器相聯(lián)，向內(nèi)聯(lián)接匯聚層交換機(jī)和網(wǎng)管中心，使得校內(nèi)各個主機(jī)相互連接且相互能夠通信，并接入因特網(wǎng)，匯聚層交換機(jī)下聯(lián)接入層交換機(jī)，接入層交換機(jī)則直接與用戶終端相連，為了簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有接入層的交換機(jī)在圖1中均未給出。分校區(qū)采用二層交換機(jī)連接內(nèi)網(wǎng)各主機(jī)、出口路由并接入因特網(wǎng)。另外還模擬了采用無線網(wǎng)絡(luò)訪問Internet。圖1中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖是在Cisco Packet Tracer 5.3.1軟件界面下繪制的，圖1中只是象征性的畫出了教學(xué)樓、宿舍、圖書館、網(wǎng)管中心等實(shí)例，在實(shí)際情況中，還可以擴(kuò)展很多，但配置實(shí)現(xiàn)的原理都相同。

1.2 VLAN

本文采用靜態(tài)端口分配的方法在交換機(jī)上劃分了4個VLAN ，如表1所示。端口分別連接到對應(yīng)的部門，并為每一個接口設(shè)置一個IP地址，這些IP地址同時也將作為各個部門計(jì)算機(jī)的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。最后在啟動三層交換機(jī)上的路由功能，實(shí)現(xiàn)個網(wǎng)段的互相通信。被分配在一個VLAN里的主機(jī)通過交換機(jī)只能和本VLAN的主機(jī)通信[3]。

1.3 DHCP

校園網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)非常多，除服務(wù)器需要手動配置靜態(tài)IP地址外，其他計(jì)算機(jī)一般都是自動獲取IP地址。一般情況下，DHCP對自己直聯(lián)網(wǎng)段內(nèi)的主機(jī)，通過配置地址池，可以直接實(shí)現(xiàn)DHCP服務(wù)[4]。但這需要在核心三層交換機(jī)Multi Switch啟用DHCP服務(wù)，為每個VLAN獨(dú)立動態(tài)的分配地址。配置完畢后需單擊其圖標(biāo)，選擇Desktop下的IP Configuration配置中選擇DHCP選項(xiàng)即可自動獲取IP地址。詳細(xì)信息如表2所示：

1.4 NAT

由于IPV4地址緊缺，可獲得的公網(wǎng)IP又不能滿足校園眾多計(jì)算機(jī)的接入因特網(wǎng)的需求。因此，校內(nèi)網(wǎng)一般采用專用地址（私有地址），但網(wǎng)內(nèi)主機(jī)又必須和因特網(wǎng)上的主機(jī)通信，目前使用得最多的方法是采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT。NAT至少需要一個全球IP地址（100.1.1.2）才能和因特網(wǎng)相連。NAT技術(shù)雖然解決了IP地址緊缺的問題，但是NAT也破壞了傳統(tǒng)的端到端的傳輸方式。

1.5 端口映射

由于校園內(nèi)網(wǎng)使用的是私有地址，因此因特網(wǎng)上的主機(jī)不能訪問其內(nèi)部，但是有時候內(nèi)網(wǎng)的Web服務(wù)器需要對外發(fā)布信息，這時就要采用端口映射技術(shù)，只要因特網(wǎng)上的主機(jī)訪問路由器的80端口，就自動映射到Web服務(wù)器的80端口，這樣就實(shí)現(xiàn)了內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)頁對外發(fā)布。

1.6 OSPF

路由協(xié)議的選擇是校園網(wǎng)設(shè)計(jì)中最為重要的環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[4]采用靜態(tài)路由，由于靜態(tài)路由配置是雙向的，需添加兩者相互連通的路由表項(xiàng)，而且內(nèi)網(wǎng)又劃分了VLAN，采用靜態(tài)路由會隨著VLAN和路由器數(shù)目的增加而使靜態(tài)路由表項(xiàng)增多，這不利于網(wǎng)絡(luò)管理。動態(tài)路由協(xié)議將被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)組建，常用的動態(tài)路由協(xié)議有RIP、OSPF。RIP協(xié)議主要用于規(guī)模較小的網(wǎng)絡(luò)中，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)開銷也隨之增大，路由更新過程的收斂時間過長。而OSPF協(xié)議具有適用范圍廣、快速收斂、支持VLSM 等特點(diǎn)[5]，它在校園網(wǎng)的路由設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。文中采用OSPF動態(tài)路由協(xié)議進(jìn)行路由配置，其中HQ路由器和Internet路由器的端口地址如表3、表4所示：

1.7 應(yīng)用服務(wù)器

在Cisco Packet Tracer中提供了WEB、FTP、DNS、EMAIL等多種應(yīng)用服務(wù)器，配置應(yīng)用服務(wù)器時只需要單擊需要配置的應(yīng)用服務(wù)器圖標(biāo)，單擊Config選項(xiàng)卡配置相應(yīng)的服務(wù)，在配置服務(wù)器時需要留意服務(wù)器的DHCP服務(wù)是否關(guān)閉。

1.8 WiFi

Cisco Packet Tracer提供了多種無線寬帶路由設(shè)備，組建無線網(wǎng)絡(luò)時只需選擇一個無線寬帶路由設(shè)備，安裝上無線網(wǎng)卡模塊即可。無線寬帶路由設(shè)備默認(rèn)處于通電狀態(tài)，添加無線網(wǎng)卡時會提示通電狀態(tài)下不能添加模塊，我們需按照先斷電、添加模塊、通電的步驟進(jìn)行操作，同時無線寬帶路由設(shè)備提供的GUI管理界面和真實(shí)的無線路由器幾乎完全一樣，這個設(shè)備高度逼真地模擬了現(xiàn)實(shí)世界。

1.9 VPN

由于業(yè)務(wù)的需要，校本部需要與分校區(qū)共享一些內(nèi)部數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的解決方案一般通過租用專線解決，這種方式通常需要花費(fèi)高額費(fèi)用而且擴(kuò)展性差。目前主流的方法是在Internet基礎(chǔ)之上利用IPSec對數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密，從而確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全傳輸，在應(yīng)用上達(dá)到專用網(wǎng)效果的同時具有低費(fèi)用、接入靈活、擴(kuò)展性良好的特點(diǎn)[6]。

2配置實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過上述組網(wǎng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)分析后，下面給出核心交換機(jī)、HQ路由器 、Internet路由器 、Branch路由器上的部分關(guān)鍵配置，#表示注釋。

2.1 VLAN配置

2.1.1 基于端口的VLAN劃分

點(diǎn)擊Multi Switch交換機(jī)，進(jìn)入CLI界面，通過命令創(chuàng)建VLAN，并將端口加入到VLAN。

Switch（config）#vlan 10 #創(chuàng)建一個VLAN 10

Switch（config-if）#interface fa0/23 #進(jìn)入快速以太網(wǎng)端口23的配置模式

Switch（config-if）#switchport access vlan 10 #把端口23分配給VLAN 10

Switch（config-if）#no shut #激活端口

…… #省略了VLAN 1、VLAN 20、VLAN 30相關(guān)配置，方法同上

2.1.2 配置VLAN并啟用路由

Switch（config）#interface vlan 1 #進(jìn)入vlan 1接口配置模式

Switch（config-if）#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 #為vlan1接口配置IP地址

Switch（config-if）#no shut #激活vlan 1

…… #省略了VLAN 10 、VLAN 20、 VLAN30的相關(guān)配置，方法同上

Switch（config-if）#exit

Switch（config）#ip routing #啟動路由功能

2.2 配置啟用DHCP

Switch（config）#ip dhcp pool wgzx #創(chuàng)建名為wgzx的地址池

Switch（dhcp-config）#default-router 192.168.1.1 #配置wgzx的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)

Switch（dhcp-config）#dns-server 192.168.1.2 #配置wgzx的默認(rèn)DNS服務(wù)器

Switch（dhcp-config）#network 192.168.1.0 255.255.255.0 #配置wgzxd的動態(tài)分配的網(wǎng)段

Switch（dhcp-config）#exit

Switch（config）#ip dhcp excluded 192.168.1.1 #排除地址，當(dāng)采用自動獲取IP地址時，192.168.1.1地址不會自動分配

…… #省略了VLAN 10 、VLAN 20、 VLAN30的相關(guān)配置，方法同上

2.3 配置路由器

2.3.1配置HQ路由器

Router#hostname HQ #設(shè)置主機(jī)名

HQ（config）#interface fa0/1

HQ（config-if）#ip address 100.1.1.2 255.255.255.0

HQ（config-if）#no shut

HQ（config-if）#exit

HQ（config）#interface fa0/0

HQ（config-if）#ip address 192.168.1.254 255.255.255.0

HQ（config-if）#no shut

2.3.2配置Internet路由器

Router（config）#hostname Internet #設(shè)置主機(jī)名為Internet

Internet（config）#interface fastethernet 0/1 #進(jìn)入fe0/1接口配置模式

Internet（config-if）#ip add 100.1.1.1 255.255.255.0 #設(shè)置fe0/1的IP 地址

Internet（config-if）#no shut #激活fe0/1接口

Internet（config-if）#exit

…… #省略了Internet路由器其他3個接口的相關(guān)配置，方法同上

Internet（config）#ip dhcp pool wifi #定義名為wifi的地址池

Internet（dhcp-config）#network 210.1.1.0 255.255.255.0 #wifi動態(tài)分配的網(wǎng)段

Internet（dhcp-config）#default-router 210.1.1.1 #配置wifi的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址

Internet（dhcp-config）#dns-server 202.103.96.112 #配置wifi的默認(rèn)DNS地址

Internet（config）#ip dhcp excluded-address 210.1.1.1 #設(shè)置wifi的排除地址

2.3.3配置Branch路由器

Router（config）#hostname Branch #將分校區(qū)的接口路由器命名為Branch

Branch（config）#interface fa0/0 #進(jìn)入fa0/0的接口配置模式

Branch（config-if）#ip add 200.1.1.2 255.255.255.0 #設(shè)置fa0/0接口的IP地址

Branch（config-if）#no shut #激活接口

Branch（config-if）#ip nat outside #將此接口定義為外網(wǎng)

Branch（config-if）#exit

Branch（config）#interface fa0/1 #進(jìn)入fa0/1的接口配置模式

Branch（config-if）#ip address 192.168.2.254 255.255.255.0 #設(shè)置fa0/1接口的IP地址

Branch（config-if）#no shut

Branch（config-if）#ip nat inside #將此接口定義為內(nèi)網(wǎng)

Branch（config-if）#exit

Branch（config）#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 200.1.1.1 #添加默認(rèn)路由

Branch（config）#ip dhcp pool Branch

Branch（dhcp-config）#network 192.168.2.0 255.255.255.0 Branch（dhcp-config）#default-router 192.168.2.254

Branch（dhcp-config）#dns-server 202.103.96.112

Branch（config）#ip dhcp excluded-address 192.168.2.254

Branch（dhcp-config）#exit

Branch（config）#access-list 100 deny ip 192.168.2.0 0.0.0.255 192.168.1.0 0.0.0.255 #拒絕192.168.2.0網(wǎng)段中的主機(jī)訪問本部校園網(wǎng)中的主機(jī)

Branch（config）#access-list 100 permit ip 192.168.2.0 0.0.0.255 any #允許192.168.2.0 網(wǎng)段中的主機(jī)訪問任意主機(jī)

Branch（config）#ip nat inside source list 100 interface FastEthernet0/0 overload #加載NAT

2.4 配置OSPF

2.4.1 HQ路由器上的OSPF配置

HQ（config）#HQ ospf 100 #啟用一個OSPF路由選擇協(xié)議進(jìn)程，進(jìn)程號為100

HQ（config-HQ）#network 192.168.1.0 255.255.255.0 area 1 #指定與該路由器直接相連的網(wǎng)絡(luò)

HQ（config-HQ）#network 100.1.1.0 255.255.255.0 area 0

2.4.2 Internet路由器上的OSPF配置

Internet（config）#router ospf 100

Internet（config-router）#network 100.1.1.0 255.255.255.0 area 0

Internet（config-router）#network 202.103.96.0 255.255.255.0 area 1

2.4.3核心三層交換機(jī)上的OSPF配置

Switch（config）#router ospf 100

Switch（config-router）#network 192.168.1.0 255.255.255.0 area 1

Switch（config-router）#network 192.168.10.0 255.255.255.0 area 1

Switch（config-router）#network 192.168.1.0 255.255.255.0 area 1

Switch（config-router）#network 192.168.20.0 255.255.255.0 area 1

Switch（config-router）#network 192.168.1.0 255.255.255.0 area 1

Switch（config-router）#network 192.168.30.0 255.255.255.0 area 1

Switch（config-router）#network 192.168.1.0 255.255.255.0 area 1

2.4.4本部路由器HQ上配置默認(rèn)路由

HQ（config）#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 100.1.1.1 #指定默認(rèn)路由

2.4.5核心交換機(jī)上配置默認(rèn)路由

Switch（config）#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.254

2.5 配置NAT

鼠標(biāo)單擊HQ路由器，進(jìn)入的CLI界面，配置啟用NAT

HQ（config）#interface fa0/1

HQ（config-if）#ip nat outside #設(shè)置外網(wǎng)

HQ（config-if）#exit

HQ（config）#interface fa0/0

HQ（config-if）#ip nat inside #設(shè)置內(nèi)網(wǎng)

HQ（config）#ip nat inside source list 100 interface FastEthernet0/1 overload #配置NAT映射

至此，已啟用NAT方式，校園內(nèi)的各主機(jī)，已能夠訪問因特網(wǎng)，可在校園網(wǎng)內(nèi)任意一臺主機(jī)上使用測試命令“ping 202.103.96.112”。

2.6端口映射配置

采用端口映射技術(shù)來配置路由器實(shí)現(xiàn)WEB服務(wù)器對外發(fā)布，配置如下：

HQ（config）#ip nat inside source static tcp 192.168.1.3 80 100.1.1.2 80 #把內(nèi)網(wǎng)web服務(wù)器的80端口映射到外網(wǎng)

2.7 配置VPN

HQ路由器上的VPN配置如下：

HQ（config）#crypto isakmp policy 10 #進(jìn)入IKE策略配置模式

HQ（config-isakmp）#encr 3des #加密算法為DES

HQ（config-isakmp）#hash md5 #散列算法為MD5

HQ（config-isakmp）#authentication pre-share #IKE策略的驗(yàn)證方法為預(yù)共享密鑰

HQ（config-isakmp）#crypto isakmp key sjp address 200.1.1.2 #設(shè)置pre-share密鑰為sjp

HQ（config）#crypto ipsec transform-set tim esp-3des esp-md5-hmac #變換集tim指定了兩種，使用DES算法進(jìn)行加密的ESP 和使用MD5-HMAC算法的驗(yàn)證

HQ（config）#access-list 101 permit ip 192.168.1.0 0.0.0.255 192.168.2.0 0.0.0.255 #使用隧道分隔的訪問列表

HQ（config）#crypto map sjp 11 ipsec-isakmp #創(chuàng)建名為sjp序列號為11的加密映射表

HQ（config-crypto-map）#set peer 200.1.1.2 #指定與IPSec對等體地址200.1.1.2

HQ（config-crypto-map）#set transform-set tim #指定在上面創(chuàng)建的名為tim的變換集

HQ（config-crypto-map）#match address 101 #指定表號為101的加密訪問列表

HQ（config-crypto-map）#interface FastEthernet0/1 #進(jìn)入端口配置模式

HQ（config-if）#crypto map sjp #將加密映射表應(yīng)用于外部端口Fa0/1

HQ（config-if）#aaa new-model #啟用AAA

HQ（config）#aaa authentication login eza local #定義驗(yàn)證方法列表eza

HQ（config）#aaa authorization network ezo local #定義網(wǎng)絡(luò)授權(quán)方法列表ezo

HQ（config）#username qjnu password qjnuadmin #定義用戶名為qjnu，密碼為qjnuadmin

HQ（config）#ip local pool ez 192.168.3.1 192.168.3.100 #設(shè)置名為ez的地址池， HQ（config）#crypto isakmp client configuration group qjnu #創(chuàng)建名為qjnu的組策略配置文件

HQ（config-isakmp-group）#key qjnu #指定預(yù)共享密鑰為 qjnu

HQ（config-isakmp-group）#pool ez #指定名為qjnu的給遠(yuǎn)程接入客戶分配地址的IP地址池

HQ（config-isakmp-group）#crypto dynamic-map ezmap 10 #創(chuàng)建名為ezmap，序列號為10的動態(tài)加密映射表

HQ（config-crypto-map）#set transform-set tim #指定在上面創(chuàng)建的名為tim的變換集

HQ（config-crypto-map）#reverse-route #反向路由注入

HQ（config-crypto-map）#crypto map sjp client authentication list eza #使用上面創(chuàng)建的eza方法列表來配置擴(kuò)展驗(yàn)證

HQ（config）#crypto map sjp isakmp authorization list ezo #使用上面創(chuàng)建的ezo方法列表來配置授權(quán)

HQ（config）#crypto map sjp client configuration address respond #指定客戶模式地址，以便路由器響應(yīng)的地址請求

HQ（config）#crypto map sjp 10 ipsec-isakmp dynamic ezmap #用ezmap來創(chuàng)建加密配置文件

Branch路由器上的VPN配置與HQ路由器的配置相同。

3 測試

3.1 DHCP測試

如圖2所示，點(diǎn)擊PC1圖標(biāo)，選擇Desktop選項(xiàng)卡下的IP Configuration，選擇DHCP即可成功獲得動態(tài)IP地址。

3.2連通性測試

如圖3所示，使用ping命令來檢測鏈路的連通性，點(diǎn)擊PC1圖標(biāo)，選擇Desktop選項(xiàng)卡下的Command Prompt，輸入“ping 202.103.96.120”后按回車鍵。

3.3 VPN測試

如圖4所示，在連接VPN之前外網(wǎng)主機(jī)請求的數(shù)據(jù)包100%丟失，說明其無法訪問校園網(wǎng)內(nèi)部主機(jī)。如圖5所示，當(dāng)輸入正確的VPN賬號和密碼后，點(diǎn)擊Connect按鈕后，VPN連接成功。如圖6所示，當(dāng)成功接入VPN后，可以成功的訪問校園網(wǎng)內(nèi)部主機(jī)。至此，VPN的功能已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)。

3.4 NAT測試

如圖7所示，因特網(wǎng)上的主機(jī)在瀏覽器中的URL地址欄中輸入www.lywhxy.com后點(diǎn)擊“Go”，可以成功的訪問到校園網(wǎng)Web服務(wù)器上的信息，表明NAT功能已成功實(shí)現(xiàn)，學(xué)校可以對外發(fā)布主頁。

4結(jié)束語

本文利用Cisco Packet Tracer仿真工具，模擬實(shí)現(xiàn)了校園網(wǎng)的基本功能。將Packet Tracer仿真軟件引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，可以幫助我們完成很多真實(shí)環(huán)境中不易完成的實(shí)驗(yàn)，通過在Packet Tracer仿真軟件中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目，闡明復(fù)雜抽象的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)概念，切實(shí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，同時讓同學(xué)們可以獨(dú)立自主地完成實(shí)際工程項(xiàng)目，為將來的職業(yè)工作積累經(jīng)驗(yàn)，奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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