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    NAT實(shí)驗(yàn)教學(xué)在Packet Tracer軟件上的實(shí)現(xiàn)

    2018-05-13 23:02:20邊勝琴王洪泊崔曉龍
    關(guān)鍵詞:公網(wǎng)IP地址路由器

    邊勝琴,王洪泊,崔曉龍

    (北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,北京 海淀區(qū) 100083)

    IPv4的32位地址空間嚴(yán)重不足,下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6還沒有大規(guī)模使用,網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)(network address translation,NAT)還在廣泛使用,它的產(chǎn)生主要是為了解決 IPv4地址枯竭問題,NAT技術(shù)可以將數(shù)百個(gè)私有IP地址映射到一個(gè)公網(wǎng)IP地址,減少了公網(wǎng)IP地址的使用;另外,NAT技術(shù)還能屏蔽內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性,有效降低內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)受攻擊的風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。

    計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)涵蓋物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等,涉及面廣、內(nèi)容抽象,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作機(jī)理難以理解。合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟,能更好地再現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工作原理,幫助學(xué)生理解理論教學(xué)的內(nèi)容?;A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般包括網(wǎng)絡(luò)命令熟悉、交換機(jī)配置、交換機(jī)VLAN組網(wǎng)、路由器配置、路由協(xié)議應(yīng)用和分析等,采用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)完成的基礎(chǔ)上展開,有FTP服務(wù)器配置及FTP協(xié)議分析、WEB服務(wù)器配置及TCP協(xié)議分析、NAT地址轉(zhuǎn)換和內(nèi)網(wǎng)安全等內(nèi)容,部分內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件上完成。

    NAT實(shí)驗(yàn)的開展需要交換機(jī)、路由器、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、直連線或交叉線、串口線等多種硬件,實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建也比較繁瑣,因?yàn)橛布O(shè)備有限,經(jīng)常會多人一組開展實(shí)驗(yàn),出錯(cuò)的幾率較高,而且學(xué)生缺少掌握完整實(shí)驗(yàn)技術(shù)的機(jī)會,影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

    網(wǎng)絡(luò)仿真軟件在一定程度上,能夠彌補(bǔ)硬件設(shè)備的不足,很多高校選擇仿真軟件來輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5-17]。在學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)命令熟悉的基礎(chǔ)上,嘗試使用Packet Tracer軟件模擬開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),將一些抽象的概念和難以觀察的現(xiàn)象,準(zhǔn)確、形象地表現(xiàn)出來。選擇仿真軟件,一方面學(xué)生能夠快速、準(zhǔn)確地完成設(shè)備的選型和連線,提高學(xué)習(xí)效率;另一方面,學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到網(wǎng)路工程技術(shù)的各個(gè)模塊和細(xì)節(jié),最重要的是自己能夠獨(dú)立地實(shí)施整個(gè)項(xiàng)目,不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、條件、時(shí)間和學(xué)時(shí)等限制。仿真軟件也方便教師做一些教學(xué)改革,增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,要求學(xué)生從項(xiàng)目需求出發(fā),分析、設(shè)計(jì)、配置、測試及實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程,對不同的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行比較和優(yōu)化,從實(shí)際到技術(shù)理論,極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)人才。

    1 NAT的原理與類型

    1.1 NAT原理

    大部分用戶通過局域網(wǎng)接入到Internet,局域網(wǎng)使用的內(nèi)部IP地址也稱私有地址,公網(wǎng)IP地址是指在Internet上使用的全球唯一的IP地址,需要向當(dāng)?shù)氐幕ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)提供商 (internet service provider,ISP)申請和繳費(fèi)。私有地址根據(jù)用戶數(shù)量可以分為以下3種類型。

    1)A類:10.0.0.0-10.255.255.255

    2)B類:172.16.0.0-172.31.255.255

    3)C類:192.168.0.0-192.168.255.255

    局域網(wǎng)連接到Internet的出口路由器上,啟用NAT功能,路由器就能把內(nèi)部私有地址轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)地址,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部多臺計(jì)算機(jī)共用一個(gè)公網(wǎng)地址進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的服務(wù),并且將網(wǎng)絡(luò)分成內(nèi)部 (inside)和外部 (outside)兩部分。

    假設(shè)主機(jī)PC1有一個(gè)內(nèi)部地址172.16.1.1,當(dāng)它向外部Internet發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)包先到達(dá)NAT路由器,路由器會將頭部的源IP地址172.16.1.1替換成公網(wǎng)IP地址202.204.1.1,然后再將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。外部主機(jī)收到數(shù)據(jù)后,認(rèn)為發(fā)送端PC1的IP地址是202.204.1.1,PC1的實(shí)際地址172.16.1.1對外部來說是 “隱藏”的。

    外部主機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)給PC1時(shí),數(shù)據(jù)包的目的IP是202.204.1.1,路由器收到數(shù)據(jù)后,查看地址轉(zhuǎn)換表,再將202.204.1.1替換成主機(jī)A的私有地址172.16.1.1,PC1就能收到外部主機(jī)的數(shù)據(jù)了,NAT整個(gè)工作過程如圖1所示,它主要作用是對內(nèi)部地址進(jìn)行翻譯。

    圖1 NAT地址轉(zhuǎn)換原理

    1.2 NAT類型

    NAT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)分為靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換(static NAT)、動態(tài)地址轉(zhuǎn)換(dynamic NAT)和端口地址轉(zhuǎn)換(network address port translation,NAPT)3類。

    1)靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換:是指私網(wǎng)地址和公網(wǎng)地址一對一映射,匹配固定,通常內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)有服務(wù)器時(shí)使用,方便外部用戶訪問固定地址。

    2)動態(tài)地址轉(zhuǎn)換:是指私網(wǎng)地址轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)地址時(shí),IP地址隨機(jī)分配,不確定,是一種動態(tài)的映射關(guān)系。公網(wǎng)地址范圍一般定義成地址池,內(nèi)網(wǎng)主機(jī)訪問Internet時(shí),隨機(jī)被轉(zhuǎn)換成地址池中的一個(gè)地址。ISP提供的合法地址,一般比內(nèi)部計(jì)算機(jī)的數(shù)量少,可以采用動態(tài)地址轉(zhuǎn)換的方式,實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)服務(wù)。如果經(jīng)過一段時(shí)間,映射關(guān)系沒有被使用,NAT設(shè)備會自動刪除映射關(guān)系,將地址資源收回。

    3)端口地址轉(zhuǎn)換:使用端口映射的方式,將內(nèi)部多個(gè)地址映射到一個(gè)公網(wǎng)地址的不同端口上,也是一種多對一的映射關(guān)系,與動態(tài)地址轉(zhuǎn)換不同的是,內(nèi)部地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),NAT設(shè)備隨機(jī)指定TCP或UDP一個(gè)端口號。NAPT經(jīng)常與NAT動態(tài)地址轉(zhuǎn)換一起使用,實(shí)現(xiàn)大量內(nèi)部私有IP地址訪問公網(wǎng)Internet[7]。

    NAT地址轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)信息,有兩種方法可以查看。一是在路由器上使用命令show ip nat translations查看地址轉(zhuǎn)換表,路由器對每個(gè)NAT會話,用協(xié)議名稱、內(nèi)網(wǎng)地址與端口號、全局地址與端口號等字段進(jìn)行刻畫,可隨時(shí)查看地址轉(zhuǎn)換信息;二是在外部主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)包分析,如圖1所示,在外部主機(jī)PC2上安裝數(shù)據(jù)包分析軟件Wireshark,測試和 PC1的連通性,命令行下輸入 ping 202.204.1.1,分析抓取的ICMP數(shù)據(jù)包可以發(fā)現(xiàn),PC2發(fā)往PC1的數(shù)據(jù)包,源地址是PC2的IP地址,目的地址是202.204.1.1,PC1回復(fù)的數(shù)據(jù)包,目的地址是 PC2的 IP地址,源地址變成了172.16.1.1,從而可以知道202.204.1.1的主機(jī)內(nèi)網(wǎng)地址是172.16.1.1。

    2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

    某單位局域網(wǎng)使用172.16.0.0/16網(wǎng)段,大約300臺主機(jī),現(xiàn)通過路由器進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換,連接到Internet,單位向當(dāng)?shù)豂SP申請了20個(gè)公網(wǎng)地址200.1.1.100~200.1.1.120,要求實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)主機(jī)全部聯(lián)網(wǎng),并且能夠訪問外部服務(wù)器,同時(shí)保證內(nèi)網(wǎng)安全,外網(wǎng)不能訪問內(nèi)網(wǎng)主機(jī)。已知外網(wǎng)服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)為119.75.218.1,外部WEB服務(wù)器IP為119.75.218.10。

    實(shí)驗(yàn)開始之前,教師給出NAT原理,提出實(shí)際需求,要求學(xué)生根據(jù)實(shí)際需求,設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)地址,在仿真軟件上驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)。教師在實(shí)驗(yàn)過程中,首先,講授NAT配置命令及應(yīng)用方法;其次,檢查學(xué)生們的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,重點(diǎn)查看路由路徑的配置方法;最后,驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并給出參考配置方案。從實(shí)際到理論,從理論再到應(yīng)用,幫助學(xué)生深刻理解網(wǎng)絡(luò)理論知識,同時(shí)不斷提出問題,培養(yǎng)學(xué)生們分析問題和解決問題的能力。

    2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

    1)了解NAT的工作原理。

    2)了解靜態(tài)NAT與動態(tài)NAT的應(yīng)用特點(diǎn)。3)掌握動態(tài)NAT的配置方法。

    2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

    路由器(2臺),V.35線纜(1對),主機(jī)(3臺),服務(wù)器(1臺),直連線或交叉線(5條)。

    2.3 實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/h3>

    如圖2所示。

    圖2 NAT實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

    2.4 實(shí)驗(yàn)過程與參考配置

    2.4.1 設(shè)備選型

    按照拓?fù)鋱D,選擇路由器1841型號2臺,路由器默認(rèn)狀態(tài)沒有串口模塊,關(guān)閉路由器電源,為其添加串口通信模塊,路由器R1和R2串口模塊之間用V.35線纜連接;將內(nèi)網(wǎng)主機(jī)與二層交換機(jī)相連,交換機(jī)和路由器R1的以太口F0/0口相連;外網(wǎng)服務(wù)器連接路由器R2的以太口F0/0。

    2.4.2 配置網(wǎng)卡地址

    內(nèi)網(wǎng)主機(jī)PC1配置網(wǎng)卡地址為172.16.1.11/16,網(wǎng)關(guān)設(shè)為172.16.1.1;內(nèi)網(wǎng)主機(jī)PC2配置網(wǎng)卡地址為172.16.1.22/16,網(wǎng)關(guān)設(shè)為172.16.1.1;內(nèi)網(wǎng)主機(jī) PC3配置網(wǎng)卡地址為172.16.1.33/16,網(wǎng)關(guān)設(shè)為172.16.1.1,掩碼;外網(wǎng)服務(wù)器網(wǎng)卡地址設(shè)為119.75.218.10/8,網(wǎng)關(guān)設(shè)為119.75.218.1。

    2.4.3 路由器端口配置

    1)R1路由器的配置:

    R1(config)#interface FastEthernet0/0

    R1(config-if) #ip address 172.16.1.1 255.255.0.0

    R1(config-if) #no shutdown

    R1(config-if) #exit

    R1(config)#interface serial 0/0/0

    R1(config-if)#ip address 200.1.1.1 255.255.255.0

    R1(config-if) #clockrate 64000

    R1(config-if) #no shutdown

    R1(config-if) #exit

    2)R2路由器的配置:

    R2(config)#interface fastEthernet0/0

    R2(config-if) #ip address 119.75.218.1 255.0.0.0

    R2(config-if) #no shutdown

    R2(config-if) #exit

    R2(config)#interface serial 0/0/0

    R2(config-if)#ip address 200.1.1.2255.255.255.0

    R1(config-if) #clockrate 64000

    R2(config-if) #no shutdown

    R2(config-if) #end

    2.4.4 路由配置

    在R1上設(shè)置靜態(tài)路由:

    R1(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 200.1.1.2

    為了保證內(nèi)網(wǎng)的安全性,不允許外網(wǎng)主機(jī)或服務(wù)器訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),因此只在R1上設(shè)置靜態(tài)路由,R2上不設(shè)置路由,使得內(nèi)網(wǎng)發(fā)出的數(shù)據(jù)包能夠流出,外部數(shù)據(jù)包不能進(jìn)入。按照默認(rèn)路由的方法設(shè)置,是因?yàn)閮?nèi)部網(wǎng)絡(luò)只有路由器R2一個(gè)出口,內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)如果還想訪問其他網(wǎng)段的話,也要經(jīng)過R2,所以采用默認(rèn)路由的方式,具有通用性。

    R1上的靜態(tài)路由還可以這樣設(shè)置:

    實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測結(jié)果(圖3A)顯示,與親本U266細(xì)胞相比,耐藥U266/BTZ細(xì)胞中HSP27 mRNA的表達(dá)水平明顯升高(P<0.01)。蛋白質(zhì)印跡法檢測結(jié)果(圖3B)同樣顯示,與親本U266細(xì)胞相比,耐藥U266/BTZ細(xì)胞中HSP27蛋白的表達(dá)水平明顯增加(P<0.01)。這一結(jié)果表明,HSP27在耐藥骨髓瘤細(xì)胞株中轉(zhuǎn)錄和表達(dá)水平上調(diào),與MM患者的結(jié)果一致。

    R1(config)#ip route 119.0.0.0 255.0.0.0 200.1.1.2

    用這種方法設(shè)置路由的話,內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)只能訪問指定的網(wǎng)段119.0.0.0/8,不能訪問其他網(wǎng)段的主機(jī)。

    2.4.5 測試鏈路的連通性

    在內(nèi)部PC上,按照由近及遠(yuǎn)的原則分別ping以下地址:

    1)172.16.1.1

    2)200.1.1.1

    3)200.1.1.2

    5)119.75.218.10

    測試結(jié)果顯示 1)172.16.1.1和 2)200.1.1.1可以ping通,但是3)200.1.1.2,4)119.75.218.1和5)119.75.218.10都不能ping通,服務(wù)器的WEB網(wǎng)頁也不能打開。

    分析原因,內(nèi)網(wǎng)PC網(wǎng)關(guān)設(shè)置成172.16.1.1,發(fā)出的數(shù)據(jù)包能達(dá)到網(wǎng)關(guān),200.1.1.1又是R1上Serial0/0/0的直連地址,所以可以連通,但是從200.1.1.2開始,內(nèi)網(wǎng)主機(jī)的測試數(shù)據(jù)包都只能到達(dá)不能返回,因?yàn)镽2上只有直連網(wǎng)段,回復(fù)的數(shù)據(jù)包目的IP是172.16.0.0,不在R2的路由表上,所以只能丟棄,內(nèi)網(wǎng)PC對3)、4)和5)IP地址連通性測試的結(jié)果是請求超時(shí)。

    如果不考慮內(nèi)網(wǎng)的安全性,在R2上添加靜態(tài)路由:

    R2(config)#ip route 172.16.0.0

    255.255.0.0 200.1.1.1

    在內(nèi)部PC上,按照由近及遠(yuǎn)的原則進(jìn)行連通性測試,則可以發(fā)現(xiàn) 1)172.16.1.1、2)200.1.1.1、 3)200.1.1.2、 4)119.75.218.1 和5)119.75.218.10這5個(gè)地址都能連通。

    2.4.6 在路由器R1上配置NAT

    R1(config)#interface fastEthernet0/0

    R1(config-if)#ipnat inside !定義內(nèi)部接口

    R1(config-if) #exit

    R1(config)#interface serial 0/0/0

    R1(config-if)#ipnat outside !定義外部接口

    R1(config-if) #exit

    R1(config)#ipnat pool net20 200.1.1.100 200.1.1.120 netmask 255.255.255.0 !定義轉(zhuǎn)換的地址池范圍,并命名為net20

    R1(config)#access-list10 permit 172.16.0.0 0.0.255.255 !定義內(nèi)部地

    址網(wǎng)段,使用ACL10表示

    R1(config)#ipnat inside source list 10 pool net20!定義內(nèi)部源地址調(diào)用公網(wǎng)地址池

    2.4.7 設(shè)置WEB服務(wù)器頁面

    如圖3所示,雙擊服務(wù)器圖標(biāo),打開config選項(xiàng),開啟HTTP服務(wù),對靜態(tài)頁面進(jìn)行修改,設(shè)置歡迎詞 “Let's start from here!”;服務(wù)器靜態(tài)IP地址為 119.75.218.10,掩碼為 255.0.0.0,網(wǎng)關(guān)為119.75.218.1。

    圖3 WEB服務(wù)器頁面設(shè)置

    2.4.8 通過內(nèi)部主機(jī)訪問外部服務(wù)器

    雙擊PC圖標(biāo),選擇Desktop選項(xiàng),選擇Web Browser,如圖4所示,打開瀏覽器,在地址欄輸入服務(wù)器的IP地址,http://119.75.218.10,進(jìn)行訪問。

    服務(wù)器上的默認(rèn)文檔,在瀏覽器的解析下顯示如圖5所示。

    圖4 PC可選擇桌面

    圖5 WEB服務(wù)器主頁

    2.5 查看結(jié)果

    在地址轉(zhuǎn)換的路由器上使用show ip nat translations命令查看NAT的轉(zhuǎn)換表。

    R1#show ip nat translations

    結(jié)果如圖6所示,內(nèi)部地址172.16.1.11被轉(zhuǎn)換成了全局地址200.1.1.100,內(nèi)部地址172.16.1.22被轉(zhuǎn)換成了全局地址200.1.1.101,內(nèi)部地址172.16.1.33被轉(zhuǎn)換成了全局地址200.1.1.102,端口號保持不變,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部私有地址與全局IP地址之間的轉(zhuǎn)換。

    圖6 NAT地址轉(zhuǎn)換結(jié)果

    3 結(jié)束語

    網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、組網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理等多門課程的教學(xué)內(nèi)容,也是非常實(shí)用的一個(gè)知識點(diǎn),采用仿真軟件實(shí)現(xiàn)非常方便,連通測試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以從多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然這個(gè)實(shí)驗(yàn)也可以在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上實(shí)現(xiàn),在外網(wǎng)主機(jī)安裝協(xié)議分析軟件的話,能夠直觀地看到數(shù)據(jù)包中的IP地址,發(fā)現(xiàn)NAT前后IP地址的變化,數(shù)據(jù)包IP地址的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。使用Packet Tracer仿真軟件查看,會有不真實(shí)的感覺,這是仿真軟件相對于真實(shí)設(shè)備的不足。仿真軟件也具有真實(shí)設(shè)備不具備的優(yōu)勢,一是使用方便,不受實(shí)驗(yàn)條件的限制,也不會造成設(shè)備的損害;二是仿真軟件設(shè)備的操作系統(tǒng)與真實(shí)設(shè)備相同,任何不確定的方案都可以先在仿真軟件上進(jìn)行測試和驗(yàn)證,便于學(xué)生自主練習(xí),激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,提高動手能力。所以針對不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,可以選擇不同的實(shí)現(xiàn)方式。

    仿真軟件在專業(yè)課程學(xué)習(xí)表現(xiàn)出的優(yōu)越性日益顯著,在應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決工程問題方面所起的作用不可忽視,為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力,提高分析問題和解決問題的能力,在熟練掌握真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)上,有必要采用仿真軟件開展設(shè)計(jì)性。

    [1]劉金明,劉桂陽,于成江.基于Packet Tracer的NAT實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2014,12(1):39-42.

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