虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下路由綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹雪峰， 孟 偉， 傅冬穎

(河北民族師范學(xué)院 a.數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)系； b.教務(wù)處，河北 承德 067000)

虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下路由綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹雪峰a， 孟 偉b， 傅冬穎a

(河北民族師范學(xué)院 a.數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)系； b.教務(wù)處，河北 承德 067000)

采用GNS3中集成的IOU構(gòu)建路由綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)部署動(dòng)態(tài)路由選擇協(xié)議實(shí)現(xiàn)多個(gè)自治系統(tǒng)的互聯(lián)互通。利用Wireshark協(xié)議分析軟件捕獲報(bào)文，對(duì)OSPF協(xié)議的DR和BDR選舉過(guò)程進(jìn)行分析，解釋了OSPF的5種常用LSA，驗(yàn)證了路由重分配的工作過(guò)程，并對(duì)BGP協(xié)議的工作原理進(jìn)行說(shuō)明，使學(xué)生從理論和實(shí)踐兩方面更好地理解路由技術(shù)的工作原理，增強(qiáng)了實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力。

虛擬網(wǎng)絡(luò)； 動(dòng)態(tài)路由； 路由重分配

0 引 言

路由技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)等課程的核心內(nèi)容之一，要求學(xué)生理解其原理，并掌握實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)路由綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間的通信，能夠使學(xué)生從理論和實(shí)踐兩方面更好地掌握網(wǎng)絡(luò)層路由技術(shù)[1-3]。如果使用真實(shí)物理設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備配備不足的問(wèn)題，利用GNS3及其整合的IOU可以解決這個(gè)問(wèn)題[4-5]。IOU的運(yùn)行環(huán)境是基于Unix的操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以運(yùn)行在Oracle VirtualBox或者VMware虛擬機(jī)上，由于是把IOU鏡像運(yùn)行在Unix系統(tǒng)上，故對(duì)系統(tǒng)資源的占用非常低，支持在單機(jī)上模擬大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。另外GNS3的IOU在拓?fù)涞臉?gòu)建方面比WEB IOU靈活了很多，操作更方便[6]。利用Wireshark分析虛擬網(wǎng)絡(luò)中捕獲的報(bào)文來(lái)學(xué)習(xí)路由選擇協(xié)議的工作原理[7-8]，進(jìn)而掌握路由技術(shù)的應(yīng)用。

1 路由原理

路由選擇是指路由器根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的情況，按照一定的策略為報(bào)文選擇一條可用的路由的過(guò)程。路由器只能在路由表中自動(dòng)添加直連網(wǎng)段的路由信息，而非直連網(wǎng)段的路由信息需要利用路由選擇協(xié)議來(lái)添加，路由選擇算法是其核心，包括靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由。網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)手動(dòng)配置靜態(tài)路由，適用于規(guī)模較小并且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。動(dòng)態(tài)路由是在路由器上運(yùn)行路由選擇協(xié)議，通過(guò)路由器之間不斷交換路由信息構(gòu)建路由表。動(dòng)態(tài)路由能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的通信量和拓?fù)涞淖兓詣?dòng)進(jìn)行路由更新，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源需求較多。

大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)中路由器數(shù)量巨大，采用層次路由，將大的互聯(lián)網(wǎng)劃分成多個(gè)自治系統(tǒng)(Autonomous System,AS)，不同的自治系統(tǒng)用自治系統(tǒng)號(hào)區(qū)分。在一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)的路由器可以自由地選擇所用的機(jī)制，用來(lái)發(fā)現(xiàn)路由、傳播路由、確認(rèn)路由以及檢測(cè)路由的一致性，同時(shí)還使用一種自治系統(tǒng)之間的路由選擇協(xié)議用以確定報(bào)文在自治系統(tǒng)之間的路由。自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由選擇協(xié)議即內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Interior Gateway Protocol，IGP)，常用IGP協(xié)議包括RIP、OSPF、IS-IS等。自治系統(tǒng)之間的路由選擇協(xié)議即外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Exterior Gateway Protocol，EGP)，常用EGP協(xié)議是BGP-4[9-14]。

2 搭建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按圖1所示搭建網(wǎng)絡(luò)。圖中：所有路由器和FR幀中繼交換機(jī)是運(yùn)行i86bi-linux-l3-adventerprisek9-12.4.bin映像的IOU路由器；SW交換機(jī)是運(yùn)行i86bi-linux-l2-adventerprisek9-15.1a.bin映像的IOU交換機(jī)。

圖1 路由綜合實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 設(shè)備配置

R1路由器主要配置如下[15-16]：

R1#show run

□

version 12.4

!

hostname R1

!

interface Loopback0

ip address 1.1.1.1 255.255.255.0

!

interface Serial2/0

ip address 172.16.10.1 255.255.255.0

encapsulation ppp

serial restart-delay 0

!

interface Serial2/1

ip address 172.16.20.1 255.255.255.0

encapsulation ppp

serial restart-delay 0

!

interface Serial2/2

ip address 172.19.10.1 255.255.255.0

encapsulation ppp

serial restart-delay 0

!

interface Serial2/3

ip address 172.18.10.1 255.255.255.0

encapsulation frame-relay IETF

serial restart-delay 0

frame-relay map ip 172.18.10.2 100 broadcast

no frame-relay inverse-arp

!

□

router ospf 1

log-adjacency-changes

redistribute rip metric 200 subnets

network 1.1.1.0 0.0.0.255 area 0

network 172.16.10.0 0.0.0.255 area 0

network 172.16.20.0 0.0.0.255 area 0

network 172.18.10.0 0.0.0.255 area 2

neighbor 172.18.10.2

!

router rip

version 2

redistribute ospf 1 metric 10

network 172.19.0.0

!

router bgp 100

no synchronization

bgp log-neighbor-changes

neighbor 2.2.2.2 remote-as 100

neighbor 2.2.2.2 update-source Loopback0

neighbor 2.2.2.2 next-hop-self

neighbor 8.8.8.8 remote-as 100

neighbor 8.8.8.8 update-source Loopback0

neighbor 8.8.8.8 next-hop-self

no auto-summary

!

□

end

R9路由器主要配置如下：

R9#show run

□

version 12.4

!

hostname R9

!

interface Loopback0

ip address 9.9.9.9 255.255.255.0

ip router isis

!

interface Serial2/0

ip address 10.0.0.2 255.255.255.0

encapsulation ppp

serial restart-delay 0

!

interface Serial2/1

ip address 10.1.10.1 255.255.255.0

ip router isis

encapsulation ppp

serial restart-delay 0

!

interface Serial2/2

ip address 10.1.20.1 255.255.255.0

ip router isis

encapsulation ppp

serial restart-delay 0

isis circuit-type level-2-only

!

□

router isis

net 49.0001.1111.1111.1111.00

!

router bgp 200

no synchronization

bgp log-neighbor-changes

neighbor 10.0.0.1 remote-as 100

neighbor 10.10.10.10 remote-as 200

neighbor 10.10.10.10 update-source Loopback0

neighbor 10.10.10.10 next-hop-self

neighbor 13.13.13.13 remote-as 200

neighbor 13.13.13.13 update-source Loopback0

neighbor 13.13.13.13 next-hop-self

no auto-summary

!

□

end

其他路由器參考R1和R9進(jìn)行配置，在AS100中配置RIP和OSPF協(xié)議，利用路由重分配在RIP和OSPF中分別引入對(duì)方的路由信息。在AS200中配置IS-IS協(xié)議。在4個(gè)自治系統(tǒng)之間配置EBGP,在AS100中的R1、R2和R8以及AS200中的R9、R10和R13路由器上配置IBGP。最終實(shí)現(xiàn)各自治系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，并且能夠從AS300中的192.168.10.1 ping通AS400中的192.168.60.1。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 OSPF中DR/BDR的選舉

在廣播多路訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中,OSPF需要選舉DR和BDR來(lái)建立起作為鏈路狀態(tài)和LSA更新的中心節(jié)點(diǎn)。選舉利用Hello報(bào)文內(nèi)的Router ID和優(yōu)先權(quán)(Priority)字段值來(lái)確定。優(yōu)先權(quán)字段值大小從0到255，優(yōu)先權(quán)值最高的路由器為DR。如果優(yōu)先權(quán)值大小一樣，則Router ID值最高的路由器選舉為DR;優(yōu)先權(quán)值次高的路由器選舉為BDR。需要注意的是：只有在廣播或NBMA類型接口才會(huì)選舉DR，在點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)類型的接口上不需要選舉DR。一旦DR和BDR路由器選舉完畢，其他路由器(DR others)只與DR、BDR路由器之間建立鄰接關(guān)系。R3、R4和R5之間選舉DR/BDR過(guò)程中在R3-SW鏈路上捕獲的OSPF Hello報(bào)文如圖2所示。

圖2 R3-SW鏈路上捕獲的Hello報(bào)文

68號(hào)報(bào)文是R3發(fā)送的多播Hello報(bào)文，DR為172.17.10.1，BDR為0.0.0.0，還沒(méi)有鄰居路由器。75號(hào)報(bào)文是收到R4發(fā)送的多播Hello報(bào)文，DR為172.17.10.2，BDR為0.0.0.0，還沒(méi)有鄰居路由器。然后R3發(fā)送83號(hào)多播Hello報(bào)文，DR為172.17.10.1，BDR為0.0.0.0，鄰居路由器ID為172.17.10.2。87號(hào)報(bào)文是R4返回的對(duì)83號(hào)報(bào)文的單播Hello響應(yīng)報(bào)文，DR為172.17.10.2，BDR為0.0.0.0，鄰居路由器ID為3.3.3.3。至此R3和R4建立雙向通信關(guān)系，路由器ID出現(xiàn)在對(duì)方的鄰居列表中。

106號(hào)報(bào)文是收到R5發(fā)送的多播Hello報(bào)文，DR為172.17.10.3，BDR為0.0.0.0，鄰居路由器ID為3.3.3.3和172.17.10.2。然后108號(hào)報(bào)文是R3返回的對(duì)106號(hào)報(bào)文的單播Hello響應(yīng)報(bào)文，DR為172.17.10.3，BDR為172.17.10.1，鄰居路由器ID為172.17.10.2和172.17.10.3。至此DR選舉結(jié)束繼續(xù)進(jìn)行BDR選舉。

130號(hào)報(bào)文是R4發(fā)送的多播Hello報(bào)文，DR為172.17.10.3，BDR為172.17.10.2，鄰居路由器ID為3.3.3.3和172.17.10.3。136號(hào)報(bào)文是R3發(fā)送的多播Hello報(bào)文，DR為172.17.10.3，BDR為172.17.10.2，鄰居路由器ID為172.17.10.2和172.17.10.3。139號(hào)報(bào)文是R5發(fā)送的多播Hello報(bào)文，DR為172.17.10.3，BDR為172.17.10.2，鄰居路由器ID為3.3.3.3和172.17.10.2。至此BDR選舉結(jié)束。R3、R4和R5上DR/BDR選舉結(jié)果如下：

R3#showipospfneighborNeighborIDPriStateDeadTimeAddressInterface2.2.2.20FULL/-00:00:37172.16.30.1Serial2/11.1.1.10FULL/-00:00:32172.16.20.1Serial2/0172.17.10.21FULL/BDR00:00:32172.17.10.2Ethernet0/0172.17.10.31FULL/DR00:00:36172.17.10.3Ethernet0/0 R4#showipospfneighborNeighborIDPri State DeadTimeAddressInterface3.3.3.31FULL/DROTHER00:00:33172.17.10.1Ethernet0/1172.17.10.31FULL/DR 00:00:31172.17.10.3Ethernet0/1 R5#showipospfneighborNeighborIDPri State DeadTimeAddressInterface3.3.3.31FULL/DROTHER00:00:32172.17.10.1Ethernet0/0172.17.10.21FULL/BDR 00:00:32172.17.10.2Ethernet0/0

3.2 理解OSPF LSA

OSPF協(xié)議中常用LSA有5種類型。

1類LSA(路由器LSA)：由每臺(tái)路由器產(chǎn)生，它被擴(kuò)散到當(dāng)前區(qū)域的所有路由器。

2類LSA(網(wǎng)絡(luò)鏈路LSA)：始發(fā)于指定路由器(DR)，網(wǎng)絡(luò)鏈路LSA也只能在始發(fā)這條LSA的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。

3類LSA(匯總鏈路到網(wǎng)絡(luò)LSA)：由ABR生成，將一個(gè)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通告給其他區(qū)域。

4類LSA(匯總鏈路到AS邊界路由器LSA)：通告的是一個(gè)區(qū)域外部的ASBR路由器，提供一條前往該ASBR的路由。

5類LSA(自治系統(tǒng)外部鏈路LSA)：是由ASBR路由器始發(fā)的自治系統(tǒng)外的網(wǎng)絡(luò)的路由，在整個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)擴(kuò)散。

下面是在R3路由器的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的LSA：

R3#showipospfdatabase OSPFRouterwithID(3.3.3.3)(ProcessID1) RouterLinkStates(Area0)LinkIDADVRouterAgeSeq#ChecksumLinkcount1.1.1.11.1.1.15590x800000030x00A0FD52.2.2.22.2.2.25590x800000030x00335153.3.3.33.3.3.35630x800000020x00FD695 SummaryNetLinkStates(Area0)LinkIDADVRouterAgeSeq#Checksum172.17.10.03.3.3.35630x800000010x0093CB172.18.10.01.1.1.15630x800000010x00E14E RouterLinkStates(Area1)LinkIDADVRouterAgeSeq#ChecksumLinkcount3.3.3.33.3.3.35270x800000020x002D4F1172.17.10.2172.17.10.25320x800000020x001CE41172.17.10.3172.17.10.35330x800000020x001AE31 NetLinkStates(Area1)LinkIDADVRouterAgeSeq#Checksum172.17.10.3172.17.10.35280x800000020x00E21C SummaryNetLinkStates(Area1)LinkIDADVRouterAgeSeq#Checksum1.1.1.13.3.3.35660x800000010x005F883.3.3.33.3.3.35660x800000010x00AE75172.16.10.03.3.3.35660x800000010x0040A9172.16.20.03.3.3.35660x800000010x004FD0172.16.30.03.3.3.35660x800000010x00E035172.18.10.03.3.3.35650x800000010x0028BF SummaryASBLinkStates(Area1)LinkIDADVRouterAgeSeqChecksum1.1.1.13.3.3.35660x800000010x007576 Type-5ASExternalLinkStatesLinkIDADVRouterAgeSeq#ChecksumTag8.0.0.01.1.1.15470x800000010x00706F0172.19.10.01.1.1.15760x800000010x00C05D0172.19.10.21.1.1.15760x800000010x00AC6F0172.19.20.01.1.1.15490x800000010x0052C10

其中在Area0有3條1類LSA和2條3類LSA。在Area1有3條1類LSA，1條2類LSA，6條3類LSA，1條4類LSA和4條5類LSA。

3.3 路由重分配

由于在AS100中運(yùn)行著RIP和OSPF協(xié)議，因此采用路由重分配相互通告路由信息，實(shí)現(xiàn)自治系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。在R1上進(jìn)行路由重分配配置后，路由器R3的路由表內(nèi)容如圖3所示。

圖3 R3的路由表

圖中:路由指示符為“O E2”的4條2類外部路由是ASBR(路由器R1)通告的外部路由。它們是路由重分配后引入OSPF路由域中的RIP路由。

路由器R7的路由表如圖4所示。圖中路由開(kāi)銷值為“11”的6條RIP路由是路由重分配后引入RIP路由域中的OSPF路由。

可以看到,RIP路由和OSPF路由分別被引入到對(duì)方的路由域中。

圖4 R7的路由表

3.4 EBGP和IBGP

BGP在位于不同自治系統(tǒng)的路由器之間運(yùn)行時(shí)被稱為EBGP，運(yùn)行EBGP的路由器彼此直接相連，如R2和R9。BGP在位于同一個(gè)自治系統(tǒng)的路由器之間運(yùn)行時(shí)被稱為IBGP，IBGP用于在自治系統(tǒng)內(nèi)部交換BGP信息，讓所有的內(nèi)部BGP鄰居擁有相同的外部自治系統(tǒng)的BGP路由信息，并將這些信息傳播到其他自治系統(tǒng)。所有同一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)的IBGP路由器建立全連接的關(guān)系，并且關(guān)閉同步機(jī)制，避免引發(fā)路由環(huán)路或路由黑洞。圖5所示為AS200中IBGP路由器R10的路由表?？梢钥吹?外部路由信息出現(xiàn)在路由表中。

圖5 R10的路由表

而AS100中路由器R3由于不在中轉(zhuǎn)路徑上，沒(méi)有配置IBGP，因此,在R3的路由表中就沒(méi)有外部路由信息(見(jiàn)圖3)。

通過(guò)以上配置能夠從AS300中的192.168.10.1ping通AS400中的192.168.60.1，結(jié)果如圖6所示。

圖6 ping命令執(zhí)行結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計(jì)路由綜合實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種路由選擇協(xié)議進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間的通信。利用協(xié)議分析的方法，分析了動(dòng)態(tài)路由選擇協(xié)議的工作原理，使學(xué)生能夠從理論和實(shí)踐兩方面更好地理解和掌握路由技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

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[13] Doyle J, Carroll J. TCP/IP路由技術(shù)(第一卷)[M]. 2版.葛建立，吳劍章譯. 北京:人民郵電出版社,2007.

[14] Doyle J, Carroll JD. TCP/IP路由技術(shù)(第二卷)[M]. 夏俊杰譯. 北京:人民郵電出版社,2009.

[15] Solie K. CCIE實(shí)驗(yàn)指南(第1卷)[M]. 李 津,卓 林譯. 北京:人民郵電出版社,2002.

[16] Solie K,Lynch L. CCIE實(shí)驗(yàn)指南(第2卷)[M]. 姚軍玲,顧彬,梅洪濤等譯. 北京:人民郵電出版社,2006.

Design and Realization of Integrated Routing Experiment Based on Virtual Network Environment

CAOXuefenga,MENGWeib,FUDongyinga

(a. Department of Mathematics and Computer; b. Office of Academic Affairs，Hebei Normal University for Nationalities， Chengde 067000， Heibei, China)

The paper uses IOU integrated in GNS3 to build routing comprehensive experimental environment, designs the experiment scheme. The dynamic routing protocol is developed to implement multiple autonomous system connectivity. The DR and BDR election process of OSPF protocol is analyzed by Wireshark software with the aid of protocol analysis method. The five kinds of commonly use of LSA of the OSPF are explained, the routing redistribution’s working process is verified and the working principle of BGP protocol is illustrated. The experiment lets students better understand the working principle of routing technology from both theoretical and practical, also enhances the practical ability and comprehensive application ability.

virtual network; dynamic routing; routing redistribution

2016-10-18

國(guó)家民委高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(15114)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(ZC2016116)

曹雪峰(1967-)，男，河北隆化人，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Tel.：18230143496;E-mail：cxf_cd@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)06-0098-05