單機環境下路由交換技術綜合實驗設計

李林林， 孫良旭， 吳建勝， 張玉軍

(遼寧科技大學 軟件學院， 遼寧 鞍山 114051)

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單機環境下路由交換技術綜合實驗設計

李林林， 孫良旭， 吳建勝， 張玉軍

(遼寧科技大學 軟件學院， 遼寧 鞍山 114051)

一般路由交換技術的實驗教學開展需要一定數量和不同類型的物理設備和聯網環境的支持，但是大多數情況下，講授者和學習者并沒有能力購置物理設備，難以搭建需要的聯網環境。利用思科Packet Tracer免費軟件和開源項目GNS3的開源軟件作為模擬器，在單機環境下實現以校園網為背景的路由交換技術綜合實驗解決方案，給出校園網網絡配置需求，提供網絡拓撲結構，從路由器、交換機、終端設備三個設備配置方面對比討論上述模擬器軟件的使用過程，為在單機環境下完成其他路由交換技術綜合實驗提供設計的思路和配置的參考。

路由; 交換; 綜合實驗; 模擬器; 單機

0 引 言

路由交換技術課程作為網絡工程專業一門理論和實驗要求都非常高的專業課，其理論主要涉及物理層、鏈路層、網絡層和應用層各層上的多種協議工作原理。其實驗主要使用路由器、交換機等網絡設備和PC、無線終端等終端設備。

傳統的教師的課堂教學和學生的實驗操作可以在單獨的網絡工程實驗室完成，實驗室室內安裝和部署一些路由器、交換機、終端設備和局域網連接鏈路，滿足單班授課和分組實驗的實驗室一般投入幾十萬甚至上百萬。

隨著網絡工程專業的快速發展，班級數量逐漸擴充到2班甚至3班，課程的學時并沒有很大變化，實驗設備的老化和維修造成設備可用數量的下降，以致傳統的理論教學和實驗操作無法在有限的學時內完成。隨著技術進步，課程的知識點一直在更新，一次投入購置的實驗室設備在功能和性能上不能完全滿足新知識點的需要，而設備的升級和替換又需要很大的二次設置多次投入。

在最新的文獻中，可以看到使用華為模擬器解決動態路由協議實驗[1]問題；使用Packet Tracer模擬器軟件解決路由器配置[2]、IPV6網絡路由實驗[3]和網絡案例實驗[4]問題；使用GNS3模擬器軟件解決網絡安全實踐教學[5]、數據通信實訓教學[6]、CCNA/CCNP教學[7]、OSPF虛擬網絡路由實驗[8]、PIX防火墻配置[9]、BGP虛擬網絡路由實驗[10]；虛擬網絡下網絡安全教學問題[11]、虛擬環境下組建網絡綜合實驗問題[12]、單機環境中網絡攻防實戰演練平臺問題[13]、利用開源工具改革計算機網絡應用課程教學模式問題[14]。使用Packet Trace模擬器軟件搭建小型企業網絡應用架構的仿真實驗[15]和計算機網絡仿真實驗教學[16]。

1 單機環境下模擬器軟件解決方案

面對目前課程存在的問題，必須尋找一種可行的解決方案，它既可以滿足學生數量增加對設備數量的要求，又可以滿足知識點更新對設備功能和性能的要求，同時又不會過度增加實驗室建設的成本投入，可以最大程度利用現有的實驗室軟硬件資源和網絡鏈路。

傳統教學和實驗的特點：

(1) 基于物理設備和物理鏈路。一般拓撲結構的搭建需要較多的不同類型的物理設備，設備連接和配置調試需要較長的時間和占用較大的空間，一旦需要調整，非常麻煩，靈活性較差。

(2) 方案調試需要物理網絡環境支持。拓撲和設備配置完成后，需要在物理網絡環境下進行調試，實驗室必須能夠提供不同類型的物理網絡，一旦網絡不支持或者故障將造成實驗無法完成，適應性較差。

(3) 設備的維護和更新成本太大。設備在日常使用中需要專人長期維護才能保證實驗順利進行對設備數量和質量的要求，造成持續的人力、物力和財力成本投入，加之少量的設備淘汰和更新又會造成巨大的成本投入，可行性較差。

(4) 無法完成工程實踐綜合案例。工程實踐綜合案例對設備的數量、功能和性能、網絡的布線和通信都有較高的要求，目前一般網絡工程實驗室難以提供上述硬件環境，無法達到學生進行工程實踐綜合訓練要求，工程實踐驅動的教改活動難以開展。

針對傳統教學和實驗的特點，解決方案的思路如下：

(1) 使用模擬器軟件代替物理設備和物理鏈路。模擬器軟件能夠提供多種類型的模擬設備，不受數量限制，拓撲設計和設備配置可以在軟件內通過可視化或者命令行方式完成，時間效率高，空間要求低，可隨時隨地隨需求進行調整，靈活性強。

(2) 使用模擬器軟件提供的虛擬網絡替代物理網絡。模擬器軟件自身提供網絡模擬功能，支持不同類型的物理網絡類型的不通層次協議之間的通信，由于是軟件模擬方式，出現故障的可能性幾乎為零，一般不會由于虛擬網絡問題造成實驗無法完成，適應性強。

(3) 單機模擬器軟件環境替代網絡物理設備環境。通過在單機上安裝模擬器軟件，就可以實現不同拓撲結構設備選型和連接，利用虛擬網絡支持虛擬設備之間的網絡通信，通過更新軟件來獲得新的設備和網絡，幾乎沒有設備的維護和更新成本投入，甚至很多模擬器軟件本身就是免費的。

(4) 單機模擬器軟件提供工程實踐綜合案例環境。由于單機模擬器軟件可以很容易地解決工程實踐綜合案例對設備和網絡的要求，所以可以實現模擬需求比較復雜、網絡規模較大的一般工程實踐項目。

2 校園網綜合實驗案例

為了能夠詳細說明單機環境下路由交換技術綜合實驗設計的解決方案，選取校園網工程實踐綜合案例進行說明。校園網拓撲圖如圖1所示。

校園網主要配置需求如下：

(1) 有1個主校區，1個分校區和1個生活區，分別通過幀中繼網絡進行接入。

(2) 幀中繼網絡實現主校區、分校區和集中宿舍區快速通信。

(3) 配置動態和靜態路由實現各個區域之間通信。

(4) 主校區內包括教學區、辦公區、信息中心和宿舍區1。

教學區定義為1個VLAN，通過高層交換機接入，主機地址靜態分配；

辦公區定義為1個VLAN，通過高層交換機接入，主機地址靜態分配，啟動粘性安全MAC地址，設置最大安全MAC地址數和超限處理規則；

宿舍區1定義為1個VLAN，通過高層交換機接入，主機地址靜態分配；

教學區、辦公區和獨立宿舍區通過高層交換機實現VLAN間通信；

信息中心定義為1個物理LAN，服務器地址靜態分配，對校內和校外提供WEB服務，只對校內提供FTP服務和DNS服務，接入互聯網進行NAT轉換。

圖1 校園網網絡拓撲圖

(5) 分校區包括教學區和獨立宿舍區。

教學區定義為1個VLAN，主機地址靜態分配；

獨立宿舍區定義為1個VLAN，主機地址動態分配；

教學區和獨立宿舍區通過單臂路由器實現VLAN間通信；

(6) 生活區包括多個宿舍區，每個宿舍區定義為1個VLAN，動態地址分配，通過VTP進行VLAN管理，通過STP進行VLAN負載分擔。

3 模擬器綜合實驗設計

3.1 模擬器軟件

目前主流的支持路由交換技術的模擬器軟件主要分為兩大類：命令行軟件模擬和物理硬件模擬。其中命令行軟件模擬方式的典型模擬器軟件為Boson公司開發的商業軟件、Cisco Network Simulation、Cisco公司開發的免費軟件Packet Tracer；物理硬件模擬方式的模擬器軟件為開源項目GNS3。考慮到軟件使用成本，綜合實驗的配置使用最新版本的Packet Tracer 6.1和GNS3 1.2。Packet Tracer 6.1提供了CCNA認證級別的路由器和交換機命令行配置、終端設備和幀中繼網絡圖形化配置支持。GNS3 1.2提供了CCNP認證級別的路由器命令行配置、添加交換模塊路由器模擬交換機命令行配置、路由器模擬幀中繼交換機命令行配置、支持連接物理終端設備和網絡。根據校園網綜合實驗配置需求，上述模擬器都可以比較完整地完成相關拓撲設計和設備配置，唯一的問題是Packet Tracer 6.1 不支持真正的幀中繼交換機命令行配置，而GNS3 1.2由于采用虛擬機的運行方式，隨著網絡拓撲結構的復雜程度增加，開啟越多的虛擬機，對實驗機器的性能有一定影響。

3.2 路由器配置方案

一般的路由器配置采用命令行方式根據功能需求進行，Packet Tracer和GNS3在配置上沒有區別。如果需要啟用RIP、OSPF和EIGRP動態路由協議高級配置的話，需要使用GNS3才可以配置。

3.3 交換機配置方案

Packet Tracer直接提供二層交換機設備，一般的交換機配置可以直接采用命令行方式根據功能需求進行。但是Packet Tracer并不直接提供幀中繼網絡中幀中繼交換機設備，而提供一個以圖形化配置的幀中繼云模擬幀中繼交換機設備，所以使用Packet Tracer配置幀中繼網絡只能通過圖形化配置，與真實的幀中繼交換機的命令行配置不同，只起到模擬功能的作用。

GNS3直接提供的二層交換機設備不具有配置功能，只能支持二層交換功能。同時GNS3也沒有直接提供可以命令行配置的二層交換機設備，但是可以通過在路由器上添加交換模塊，由路由器實現二層交換機功能，通過在路由器使用命令行方式配置實現配置二層交換機的效果，只是在配置命令上與真正的二層交換機配置略微有所差別。對于幀中繼交換機，在GNS3上可以在路由器上啟用幀中繼功能，用路由器實現幀中繼交換機功能，通過在路由器使用命令行方式配置實現配置幀中繼交換機的效果，在配置命令上與真正的幀中繼交換配置一樣。

3.4 終端設備配置方案

Packet Tracer直接提供客戶終端和服務終端等終端設備，通過圖形化方式可以完成終端的配置，例如IP參數和服務參數。

GNS3雖然直接提供終端設備，但是該終端設備實際是通過物理設備、物理網絡其他設備、虛擬機網絡虛擬機設備和GNS3提供的第三方組件VPCS實現的。其中VPCS功能非常有限，只能簡單作為客戶終端使用，進行簡單的IP參數配置和通訊測試，而其他方式與實際使用客戶終端和服務終端沒有任何差別，因為使用的就是實際的終端設備，這些方式需要通過圖形化配置方式實現與實際終端設備的連接。

4 結語

通過使用Packet Tracer和GNS模擬器按照校園網綜合實驗配置需求，完成拓撲設備連接設計、IP地址方案設計、路由器和交換機功能配置、客戶終端和服務終端參數和服務配置，在單機環境下實現了路由交換技術綜合實驗的解決方案。

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Integrity Lab Design for Routing & Switching Technology in Single Machine Environment

LILin-lin,SUNLiang-xu,WUJian-sheng,ZHANGYu-jun

(College of Software， University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)

The lab study for routing and switching technology generally needs the support from a certain number and different types of physical devices and networking environment, but in most cases, teachers and learners don't have the ability to buy the physical devices and to build networking environment. The paper uses Cisco Packet Tracer free software and open source project GNS3 open source software as simulator and implements to give the integrity lab solution for routing and switching technology on the background of campus network in single machine environment; it can provide the network configuration requirements of campus network and the network topology structure. The paper compares and discusses the use process of two kinds of simulator software from three aspects including routers, switches, terminal equipment, and provides the design thought and the configuration reference for other comprehensive lab about routing and switching technology in single machine environment.

routing; switching; integrity lab; simulator; single machine

2015-01-08

遼寧省教育廳教學研究項目(GM201410)； 遼寧省教育廳教學研究項目(2014)

李林林(1979-)，女，遼寧鞍山人，博士，講師，主要從事計算機軟件和網絡教學與研究。

Tel.:0412-5929815; E-mail:linlin20002_0@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2015)08-0115-04