路由與交換實驗課教學(xué)研究

曾堯

摘要：路由與交換課程有很強(qiáng)的理論性和實踐性。居于真實設(shè)備成本高、設(shè)備維護(hù)困難和實驗效果差等問題，引入GNS3仿真軟件用于教學(xué)。本文以《路由與交換》課程中VRRP項目實例介紹GNS3仿真軟件的使用過程及帶來的各方面的影響。

關(guān)鍵詞：GNS3；仿真軟件；網(wǎng)絡(luò)實驗；路由與交換

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0021-03

路由與交換課程是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)核心課程，有很強(qiáng)的理論性和實踐性。在開展路由器與交換機(jī)的配置、搭建中小型網(wǎng)絡(luò)等實驗時，要提高學(xué)生的操作能力，需借助相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行實驗實訓(xùn)，這是高成本的投入，設(shè)備維護(hù)也不容易。即使擁有設(shè)備齊全的實驗環(huán)境，對于初學(xué)者的學(xué)生來說，一旦命令錯誤或設(shè)備故障而導(dǎo)致實驗失敗，學(xué)生也找不到問題的所在，這些都大大地影響了實驗效果。為解決路由與交換實驗課存在的這些問題，我校計算機(jī)科組在教學(xué)中引入了GNS3仿真軟件作為網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺。實踐證明，使用GNS3仿真軟件不僅讓實驗實訓(xùn)效果大為改善，還在技能競賽訓(xùn)練、專業(yè)師資培養(yǎng)等方面起到了積極的作用。

1 分析基于GNS3仿真軟件開展路由與交換實驗課教學(xué)的可行性

GNS3（全稱Grapical Network Simulator）是一款基于Cisco設(shè)備下的網(wǎng)絡(luò)實驗仿真軟件。界面圖形化，操作簡單。該軟件可為思科認(rèn)證考試如CCNA、CCNP、CCIE等提供模擬實驗環(huán)境。下面結(jié)合學(xué)校的情況和學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，對此模式教學(xué)的優(yōu)劣勢進(jìn)行分析。

1.1 優(yōu)勢：GNS3與其他仿真軟件的比較

對比其他網(wǎng)絡(luò)仿真軟件發(fā)現(xiàn)，GNS3具有快速構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、可以互通物理網(wǎng)絡(luò)或虛擬機(jī)、方便分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)等方面的優(yōu)勢，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中能得到很好的推廣。下面將Packet Trace軟件與GNS3軟件做比較，總結(jié)GNS3在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬實驗上的優(yōu)勢。

GNS3能支持更多的設(shè)備命令與參數(shù)。由于GNS3直接運(yùn)行Cisco網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IOS，相當(dāng)于整體模擬了整個硬件設(shè)備的系統(tǒng)，跟真實設(shè)備的命令完全相同。而Packet Trace只支持部分簡單的路由器和交換機(jī)命令，一些復(fù)雜的命令卻不能使用，如VRRP、HSRP、ACL限制上網(wǎng)時間等實驗，無法在Packet Trace上開展。

GNS3能與真實設(shè)備相連。安裝有GNS3的計算機(jī)通過網(wǎng)卡接口能與真實網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備如路由器、交換器、計算機(jī)、虛擬機(jī)等相連使用，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。Packet Trace所有設(shè)備與外界沒有接口，處于一個封閉虛擬環(huán)境，無法與真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境連接，這是Packet Trace很大的局限性。

GNS3支持多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。GNS3除了基本網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，還提供PIX防火墻、ASA防火墻、IDS入侵檢測系統(tǒng)、ATM和幀中繼交換機(jī)，這些設(shè)備大部分職業(yè)學(xué)校網(wǎng)絡(luò)實驗室擁有量少，甚至沒有，而GNS3能填補(bǔ)這一空白。如今，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)都有網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)課程，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)中防火墻技術(shù)、入侵檢測技術(shù)、入侵防御技術(shù)、VPN技術(shù)等，通過GNS3都能夠很好地仿真，實驗效果和真實設(shè)備一樣，為教師的實驗演示和學(xué)生的實操創(chuàng)造了一個仿真平臺。

GNS3便于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分析。通過GNS3的集成Wireshark軟件，在GNS3構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖峡梢圆东@任意路徑上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文，學(xué)生分析數(shù)據(jù)包，達(dá)到理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原理，也能鍛煉學(xué)生故障排查的能力。

1.2 劣勢：GNS3功能的不足

GNS3對物理計算機(jī)的要求較高。GNS3要在一臺物理計算機(jī)里運(yùn)行多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，加上Vmware再運(yùn)行幾個虛擬機(jī)系統(tǒng)，占用系統(tǒng)內(nèi)存很大，整臺電腦運(yùn)行效率會大打折扣。實驗發(fā)現(xiàn)，將Vmware虛擬機(jī)系統(tǒng)使用的windows xp或2003，內(nèi)存設(shè)置為128M（有特殊需求除外），這樣能最大限度減少內(nèi)存使用。

GNS3所加載的IOS僅支持cisco設(shè)備，對于國產(chǎn)的H3C、銳捷和神碼等廠商設(shè)備暫時還不支持，不過銳捷的大部分命令與cisco相似，可供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。

上網(wǎng)行為管理器與真實設(shè)備存在一些差異。GNS3原來并沒有使用現(xiàn)成的上網(wǎng)行為管理器，在教學(xué)時使用的上網(wǎng)行為管理器是小草軟路由，該軟件僅是試用版，工作能力和運(yùn)行速度還有待改善。

GNS3暫時還不支持無線設(shè)備，如做無線網(wǎng)絡(luò)實驗，須將GNS3與真實設(shè)備相連，才能完成實驗。

2 GNS3在路由與交換教學(xué)中的仿真實驗

GNS3支持調(diào)用真實設(shè)備的IOS，仿真度高，能完成高級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗，如基于時間的訪問控制列表、熱備份路由器協(xié)議HSRP、虛擬路由冗余協(xié)議VRRP等。下面以我校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的《路由與交換》課程中VRRP實驗項目為藍(lán)本來說明GNS3虛擬實驗室在路由與交換實驗教學(xué)中的使用方法。

2.1 實驗設(shè)備的準(zhǔn)備

本實例將使用GNS3和Vmware虛擬機(jī)軟件搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進(jìn)行虛擬路由冗余協(xié)議VRRP實驗。實驗所需設(shè)備如表1所示：

2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在這個實驗配置了vrrp 1組和vrrp 2組。在vrrp 1組中，主虛擬路由器（Master）為R1，備用虛擬路由器（Backup）為R2；在vrrp 2組中，主虛擬路由器為R2，備用虛擬路由器為R1。在網(wǎng)絡(luò)實驗VRRP配置正確的時候，PC1和PC2通過R1訪問過遠(yuǎn)端R3；PC3通過R2訪問過遠(yuǎn)端R3。在GNS3圖形界面中設(shè)置添加三個路由器R1、R2和R3，一臺二層交換機(jī)，三臺電腦，實驗涉及設(shè)備的實際連線，如圖1所示。

R1、R2和R3均采用Cisco7200系列路由器，使用動態(tài)路由實現(xiàn)全網(wǎng)通行。三臺電腦對應(yīng)三臺運(yùn)行Windows server2003的虛擬機(jī)，設(shè)置所有網(wǎng)卡的連接方式為host-only，在GNS的電腦結(jié)點(diǎn)以太網(wǎng)NIO屬性中通過虛擬網(wǎng)卡與虛擬機(jī)綁定。

2.3 系統(tǒng)配置

2.4 實驗結(jié)果驗證

對R1和R2配置完后，我稍微解釋下，例如：PC2的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)是10.0.0.253，則當(dāng)其訪問外網(wǎng)時，它選擇的路由器是R1，因為VRRP 1組中Master是R1路由器，Backup是R2路由器；同理，PC3訪問外網(wǎng)時，選擇的是R2路由器，因為VRRP 2組中Master是R2路由器，Backup是R1路由器。可以使用show vrrp brief或show vrrp all命令來查詢vrrp的配置信息。

3 創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)實驗課教學(xué)

3.1 學(xué)校層面的影響

3.1.1 解決資金不足、設(shè)備匱乏的問題

職業(yè)學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)實驗室，交換機(jī)、路由器、防火墻和IPS/IDS等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還有其他實驗硬件設(shè)備價格昂貴，且更新淘汰快，學(xué)校很難為學(xué)生提供全面系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境。GNS3是一款開源的網(wǎng)絡(luò)虛擬軟件，可以適用于多種操作系統(tǒng)，使用靈活、升級方便，電腦與軟件的價格大大低于各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過更改軟件設(shè)置或升級軟件版本，就可以輕松更換或升級更新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能有效解決學(xué)校辦學(xué)資金不足的問題。

3.1.2 便于計算機(jī)機(jī)房設(shè)備管理

如果建設(shè)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室，學(xué)校需要對原有的機(jī)房進(jìn)行大改造。布線工程、工位分組、設(shè)備購置等一系列做下來，至少耗時一個學(xué)期，且建好后的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室也不便于教師開展實驗的演示和管理，課后還需定期對設(shè)備進(jìn)行檢修。引進(jìn)仿真教學(xué)后，只要在現(xiàn)有的學(xué)校機(jī)房中，進(jìn)行簡單的軟件安裝，就可以構(gòu)建GNS3仿真網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，并可以和其他課程共用機(jī)房，不僅節(jié)省了教學(xué)資源，還可以讓學(xué)生體驗與真實硬件平臺相同的實驗環(huán)境。

3.2 創(chuàng)新了教師的教學(xué)

教師不受設(shè)備和場地的限制，能在電腦前使用GNS3模擬器進(jìn)行備課和專業(yè)學(xué)習(xí)，將更多的精力投入到教學(xué)方法的鉆研中。同時GNS3模擬器也便于師資的培訓(xùn)，給一些網(wǎng)絡(luò)知識相對薄弱的教師提供一個很好的學(xué)習(xí)平臺，在一定程度上提高教師專業(yè)水平、解決師資不足的問題。

使用GNS3模擬器可以將技能競賽的項目融入日常教學(xué)中，完成一些相對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬，解決以往無法將技能競賽的內(nèi)容與課程相結(jié)合的問題，既幫助學(xué)生加強(qiáng)對實際工程案例的認(rèn)識，也能提高教師的教研水平，真正做到以賽促教。

3.3 改進(jìn)了學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境及效果

使用真實設(shè)備開展實驗，就必須將學(xué)生分組。受設(shè)備數(shù)量限制，同組學(xué)生只能輪流實驗，甚至部分學(xué)生實驗，其他學(xué)生觀看，若要深入理解網(wǎng)絡(luò)的組建與運(yùn)行狀況是不可能的，這就導(dǎo)致教師上課任務(wù)繁重、學(xué)生學(xué)習(xí)效率低。而使用GNS3和Vmware搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，僅需要一個普通的電腦機(jī)房即可開展，可以保證每個學(xué)生都能進(jìn)行實驗操作。同時能夠?qū)嶒瀸嵱?xùn)的數(shù)據(jù)保存，方便以后繼續(xù)使用，達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。學(xué)生親手配置網(wǎng)絡(luò)，并分析網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，從而對網(wǎng)絡(luò)實驗有一定的感性認(rèn)識，有助于進(jìn)一步地理解網(wǎng)絡(luò)原理和概念，更好地應(yīng)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。采用這樣的實驗實訓(xùn)模式，學(xué)生不僅能像操作真實設(shè)備那樣進(jìn)行實驗，而且還避免了以前設(shè)備損壞、網(wǎng)線接觸不良等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.4 促進(jìn)了專業(yè)的發(fā)展

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的發(fā)展必須依靠不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過GNS3模擬器與其他軟件的結(jié)合，使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合性實驗實訓(xùn)較易實現(xiàn)。這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境還可以應(yīng)用到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的其他課程中，如《網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置與管理》《計算機(jī)組網(wǎng)技術(shù)及工程》《中小型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建》等，使用GNS3模擬器將這些本來支離破碎的課程很好地貫穿起來，為后續(xù)開設(shè)更深入的課程創(chuàng)造條件，如《網(wǎng)絡(luò)安全與防火墻技術(shù)》課程，GNS3本身已經(jīng)提供好相關(guān)的設(shè)備供其實驗使用。

這樣，教師和學(xué)生的積極性得到調(diào)動，在日常課程教學(xué)、競賽訓(xùn)練、教師專業(yè)水平和學(xué)生實際操作能力上都可以有很大的提升，培養(yǎng)出來的學(xué)生能滿足社會發(fā)展的需求，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)可以得到長足的發(fā)展。

4 結(jié)束語

在路由與交換實驗教學(xué)中利用GNS3+Vmware環(huán)境進(jìn)行仿真實驗，網(wǎng)絡(luò)搭建方法簡單，成本低，效果和用真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗幾乎沒區(qū)別，為路由與交換實驗教學(xué)提供了一個很好的網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)平臺，解決了網(wǎng)絡(luò)實驗室資源匱乏的狀況，避免了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)只是資金充裕學(xué)校能辦的專業(yè)的囧狀，利于實現(xiàn)教育均衡。學(xué)生利用GNS3+Vmware可以仿真基礎(chǔ)類和設(shè)計類實驗，還可以拓展創(chuàng)新類實驗，鼓勵學(xué)生大膽去探索、實踐和創(chuàng)新，有效地提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生可以將課堂獲得的網(wǎng)絡(luò)實踐技能迅速地轉(zhuǎn)到未來工作的真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，為就業(yè)打下扎實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王飛.GNS3在高職計算機(jī)專業(yè)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù)，2012（6）.

[2] 游勝玉，何璘琳，趙美麗.基于GNS3的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真實驗教學(xué)研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報，2015，3（1）.

[3] 容振邦，高偉峰.GNS3虛擬實驗室的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程實驗教學(xué)研究[J].實驗室科學(xué)，2015，6（3）.

【通聯(lián)編輯：張薇】