基于網(wǎng)絡(luò)模擬器的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與應(yīng)用

童孟軍，徐博文，袁子鈺

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，臨安311300；2.杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，杭州310018；3.浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨安311300）

0 引言

本次研究的目的是為教學(xué)提供可參考材料的，所以將結(jié)合盡可能多的學(xué)習(xí)軟件，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的涵蓋量。希望通過(guò)本次設(shè)計(jì)掌握相關(guān)模擬器的使用，并能通過(guò)該路由模擬器完成基本的或者更加復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的配置，可以掌握路由、交換、安全等知識(shí)，提高自己的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。

本次應(yīng)用使用的核心軟件為GNS3，簡(jiǎn)單的說(shuō)它是Dynamips的前端開(kāi)發(fā)工具。該軟件在此基礎(chǔ)上還整合了Winpcap、Wireshark、Pemu（防火墻模擬器）等軟件于一身，這樣一來(lái)使我們?cè)谔岣呗酚?、交換、安全等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的同時(shí)，還能通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中抓包的分析等功能，提高對(duì)多種協(xié)議和多種通信原理的深層理解[2]。

1 基于GNS3模擬器實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 需求收集

本次設(shè)計(jì)最主要的目的是服務(wù)于高校相關(guān)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)，滿足學(xué)生在沒(méi)有硬件設(shè)備的情況下也能方便地自學(xué)路由配置知識(shí)的愿望。本著“服務(wù)于什么就應(yīng)走到他們中去的原則”，在開(kāi)始這次實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)前，首先需要收集和整理相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的重要知識(shí)點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案總體設(shè)計(jì)思路

本次設(shè)計(jì)是希望借助路由器模擬器GNS3豐富網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)，提高網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的效率。通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)軟件的使用方法，設(shè)計(jì)出若干個(gè)路由交換等方面的實(shí)驗(yàn)案例，包括其詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)方法，讓學(xué)生能夠通過(guò)模擬器對(duì)路由器的配置更加熟練，同時(shí)也在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)Wireshark、GNS3、SecureCRT等網(wǎng)絡(luò)涉及的常用軟件更加了解，增強(qiáng)故障排錯(cuò)的能力[3]。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟件環(huán)境

本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所有軟件都在Windows7操作系統(tǒng)下搭建。

設(shè)計(jì)中使用的軟件工具主要有：GNS3軟件；VPCS（Virtual PCSimulator）軟件（PC的模擬器，占用內(nèi)存資源?。籗ecureCRT終端軟件；Wireshark抓包軟件、VM?ware、Pemu等[4]。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要涵蓋了三方面內(nèi)容：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)協(xié)議實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、路由協(xié)議實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及交換協(xié)議實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

正如人們所了解的一樣，良好扎實(shí)的基礎(chǔ)是一切事物發(fā)展的保障，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的配置是每個(gè)初學(xué)者必須扎實(shí)掌握?；谶@個(gè)原則，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)始的第一項(xiàng)就是若干個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。

本次基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要要完成以下實(shí)驗(yàn)：

●涉及ping命令及ACL的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

●基礎(chǔ)幀中繼實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

●DHCP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（2）路由方面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

GNS3所基于的Dynamips本質(zhì)上是一個(gè)路由器硬件環(huán)境模擬器，它能夠模擬出真實(shí)的路由器環(huán)境，基于其強(qiáng)大的路由功能，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)把主體放在了路由知識(shí)上，此次實(shí)驗(yàn)方案中涵蓋了路由協(xié)議方面多數(shù)的知識(shí)點(diǎn)，完成的實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)：

●RIPv1和RIPv2間的路由選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

●RIP非連續(xù)子網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

●從RIP到EIGRP的過(guò)渡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

●EIGRP非等效負(fù)載均衡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

●幀中繼網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)到多點(diǎn)OSPF實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

●路由重分布實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 GNS3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體實(shí)驗(yàn)案例

這次研究的重點(diǎn)成果之一是設(shè)計(jì)完成一系列能供計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的實(shí)驗(yàn)案例，本次課題總共完成了十余個(gè)實(shí)驗(yàn)，涵蓋了網(wǎng)絡(luò)方面重要的兩大知識(shí)點(diǎn)：路由和交換，在這個(gè)前提下為了讓學(xué)生能夠更加容易的學(xué)習(xí)這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，還添加了幾個(gè)基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)供初學(xué)者的入門學(xué)習(xí)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)的親手操作希望學(xué)生能夠扎實(shí)掌握這兩部分的重要知識(shí)點(diǎn)以及一些常見(jiàn)配置的案例。以下是各個(gè)部分中典型的實(shí)驗(yàn)案例說(shuō)明。

2.1 涉及ping命令及ACL的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景：

通過(guò)之前網(wǎng)絡(luò)工程與設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)，我們應(yīng)該已經(jīng)能了解到訪問(wèn)控制列表在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程課程學(xué)習(xí)的重要性，再加上ping命令是一個(gè)在測(cè)試實(shí)驗(yàn)配置結(jié)果時(shí)常用的命令，所以本次設(shè)計(jì)的理念就將這兩者結(jié)合起來(lái)，幫助學(xué)生扎實(shí)掌握基礎(chǔ)知識(shí)，為今后的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)拓?fù)洌?/p>

通過(guò)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需涵蓋的知識(shí)點(diǎn)歸納，設(shè)計(jì)出了如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 ACL實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程：

本次實(shí)驗(yàn)我們通過(guò)兩種方式模擬PC，一種是使用PC模擬器VPCS軟件；另一種是使用路由器關(guān)閉路由選擇（no ip routing）功能模擬，基本的配置只需在上面配置IP地址和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)就可以了，這種方便快捷簡(jiǎn)便，方便實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于三個(gè)路由器R1、R2和R3，首先完成簡(jiǎn)單的IP配置如圖1中所示，接著在三個(gè)路由器用RIP路由協(xié)議。接著用ping命令測(cè)試路由器之間的連通性[4]。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)ACL的設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)為阻止192.168.1.0/24網(wǎng)段在R2上的通訊，配置如下：

R2（config）#access-list 1 deny 192.168.1.0 0.0.0.255

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需達(dá)到的效果：

希望通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)學(xué)生能夠了解標(biāo)準(zhǔn)的ACL和擴(kuò)展的ACL之間原理和配置的差異性，學(xué)會(huì)擴(kuò)展ping命令的使用。

實(shí)驗(yàn)主要涉及協(xié)議：

Internet控制報(bào)文協(xié)議ICMP，ICMP是在RFC 792中定義的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族之一。通常用于返回的錯(cuò)誤信息或是分析路由[5]。ICMP錯(cuò)誤消息總是包括了源數(shù)據(jù)并返回給發(fā)送者。每個(gè)ICMP消息都是直接封裝在一個(gè)IP數(shù)據(jù)包中的，因此，和UDP一樣，ICMP是不可靠的。

2.2 RIP路由協(xié)議相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景：

通過(guò)路由協(xié)議的學(xué)習(xí)，我們都能清楚的知道RIP協(xié)議是有類路由協(xié)議中一個(gè)十分重要的協(xié)議，為了加強(qiáng)對(duì)該協(xié)議的學(xué)習(xí)，本次設(shè)計(jì)中考慮到了RIP協(xié)議一些重要的特性，如版本一不支持不連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)；版本二默認(rèn)時(shí)不接受版本一的更新信息等。根據(jù)這些特性，本次設(shè)計(jì)的理念是想辦法解決這些問(wèn)題，以使這些功能能夠?qū)崿F(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)拓?fù)洌?/p>

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需解決的問(wèn)題，我們應(yīng)用到兩個(gè)拓?fù)鋱D，如下圖2和圖3所示，分別對(duì)應(yīng)的是非連續(xù)子網(wǎng)解決方案和RIPv1與RIPv2之間路由選擇的解決方案。

圖2 RIP非連續(xù)子網(wǎng)拓?fù)鋱D

圖3 RIPv1與RIPv2拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程：

●非連續(xù)子網(wǎng)實(shí)驗(yàn)解決方案

①配置路由器IP、RIP協(xié)議。

本次實(shí)驗(yàn)啟用的是版本一的RIP協(xié)議，為了解決的是版本一中不支持不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。路由器IP配置如拓?fù)鋱D2中所示。

②路由器間連通性測(cè)試。

通過(guò)各路由器間使用ping命令測(cè)試會(huì)發(fā)現(xiàn)R2到達(dá)10.33.0.0網(wǎng)絡(luò)和到10.33.32.0網(wǎng)絡(luò)總有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能到達(dá)，這就是不連續(xù)子網(wǎng)導(dǎo)致的。

③輔助地址的配置

為了解決不連續(xù)子網(wǎng)問(wèn)題，我們就需要聯(lián)系之前學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)，通過(guò)輔助地址的配置，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)互通。

④測(cè)試結(jié)果

輔助地址配置完成后再次通過(guò)調(diào)試命令查看正確與否。

●RIPv1和RIPv2之間路由選擇實(shí)驗(yàn)方案：

在開(kāi)始一個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們需要考慮的是這個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際生活中的可利用性，所以本次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)出了這樣一個(gè)和現(xiàn)實(shí)較符合的場(chǎng)景：為了讓總公司路由器能夠收到子公司路由器上路由更新信息，我們需要解決：讓RIPv2能夠接受版本一的路由更新。于是有了這次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)：

①首先在所有路由器上開(kāi)啟RIPv1的協(xié)議，我們運(yùn)用R2模擬總公司的路由，R1模擬子公司的路由。

②現(xiàn)在公司規(guī)模擴(kuò)大，R2和R3上開(kāi)啟了RIP版本二的協(xié)議。

③為了讓R1上版本一的路由信息能夠很好地被R2和R3學(xué)習(xí)，我們需要在R2上啟用接受版本一的更新，相關(guān)的命令為：

R1（config）#int s1/0

R1（config-if）#ip rip receiveversion 1

最后進(jìn)行一些測(cè)試工作驗(yàn)證配置的正確性。

實(shí)驗(yàn)需達(dá)到的效果：

希望通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的全過(guò)程讓學(xué)生更加熟悉RIPv1和RIPv2的差異性和統(tǒng)一性，在今后路由協(xié)議的運(yùn)用中做到游刃有余。

實(shí)驗(yàn)主要涉及協(xié)議：

路由信息協(xié)議RIP，路由信息協(xié)議（英語(yǔ)：Routing Information Protocol，縮寫：RIP）是一種使用最廣泛的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）。（IGP）是在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上使用的路由協(xié)議（在少數(shù)情形下,也可以用于連接到因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)），它可以通過(guò)不斷的交換信息讓路由器動(dòng)態(tài)的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接的變化，這些信息包括每個(gè)路由器可以到達(dá)哪些網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)有多遠(yuǎn)等。RIP屬于網(wǎng)絡(luò)層。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納及問(wèn)題分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納

本次研究主要涉及3個(gè)包涵計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各方面技術(shù)的大實(shí)驗(yàn)，若將這3個(gè)大實(shí)驗(yàn)拆分，又可分為十余個(gè)比較有代表性的在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)案例。

由于GNS3自帶有拓?fù)涞谋４婧屯負(fù)渲兴杏布O(shè)備相應(yīng)配置的導(dǎo)入導(dǎo)出功能，也使得對(duì)于各實(shí)驗(yàn)成果的檢驗(yàn)和復(fù)習(xí)變得非常方便。在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有的實(shí)驗(yàn)拓?fù)湟约八婕霸O(shè)備的配置全部有所存留，方便日后應(yīng)用。其中GNS3對(duì)于實(shí)驗(yàn)拓?fù)涞谋４娣绞綖?net文件，而所有設(shè)備配置信息導(dǎo)出后的文件后綴名均為.cfg（config）。

3.2 實(shí)驗(yàn)中所遇問(wèn)題分析

正如在3.1節(jié)中所描述的那樣，整個(gè)設(shè)計(jì)中所遇到的技術(shù)問(wèn)題都不是非常復(fù)雜，所以在解決技術(shù)方面問(wèn)題所消耗的時(shí)間較少，大部分的時(shí)間都花在了考慮如何綜合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和如何充分展現(xiàn)GNS3對(duì)于模擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)所具備的優(yōu)勢(shì)上。

本次設(shè)計(jì)中主要做的就是展現(xiàn)GNS3相對(duì)于其他網(wǎng)絡(luò)模擬器的優(yōu)勢(shì)方面，從而為將GNS3應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)做適當(dāng)?shù)匿亯|。

本次設(shè)計(jì)比較遺憾的地方就是沒(méi)有能將GNS3的抓包功能更形象具體的展現(xiàn)，由于配套的WireShark抓包工具所能在教學(xué)方面做到的貢獻(xiàn)實(shí)在有限，而一時(shí)又想不到什么其他的方法來(lái)體現(xiàn)所有鏈路上所傳數(shù)據(jù)包的細(xì)節(jié)，所以沒(méi)能將試驗(yàn)中更加底層的技術(shù)展現(xiàn)出來(lái)，這方面只能通過(guò)其他的途徑來(lái)加以彌補(bǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究設(shè)計(jì)出了一系列適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)且能充分展現(xiàn)GNS3網(wǎng)絡(luò)模擬器強(qiáng)大功能的實(shí)驗(yàn)案例，并具體講解了GNS3在日常模擬應(yīng)用中的很多細(xì)節(jié)操作，可以說(shuō)是對(duì)GNS3做了一個(gè)較為完整的概括分析和應(yīng)用指南。

本次設(shè)計(jì)突出了GNS3的優(yōu)勢(shì)，即能夠真實(shí)的模擬路由器IOS。該模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎所有真實(shí)路由器的功能。在本次設(shè)計(jì)的路由部分涵蓋了RIP、OSPF、EIGRP、路由重分發(fā)等相關(guān)重要路由協(xié)議的知識(shí)點(diǎn)以及它們之間相互滲透的配置。同時(shí)在各個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行的過(guò)程中充分的應(yīng)用了GNS3的豐富拓展功能，如VPCS和路由器對(duì)于PC的模擬、VMware虛擬機(jī)和真機(jī)物理網(wǎng)卡與虛擬拓?fù)涞倪B接、WireShark抓包工具以及實(shí)驗(yàn)涉及協(xié)議的簡(jiǎn)析。對(duì)教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率上有很大的提升。