基于Packet Tracer的校園網設計與仿真

張鶴飛，云紅艷，張德祥，井文英，錢成功

(青島大學 a.計算機科學技術學院； b.智慧校園與信息化建設中心，山東 青島，266071)

基于PacketTracer的校園網設計與仿真

張鶴飛a，云紅艷a，張德祥b，井文英b，錢成功a

(青島大學 a.計算機科學技術學院； b.智慧校園與信息化建設中心，山東 青島，266071)

小型園區網設計規劃是計算機網絡綜合技能訓練的重要實驗內容，分析校園網構建的關鍵技術，采用Cisco Packet Tracer軟件設計仿真校園網絡拓撲規劃、網絡設備選型、網絡設備互聯配置命令，實現校園網的基本功能。教學實踐表明，采用Packet Tracer仿真軟件提高了學生網絡實驗設計的興趣，綜合設計案例教學增強了學生分析解決問題的能力，培養了學生的創新思維，在實踐教學中取得了較好的教學效果。

校園網； Cisco Packet Tracer； 配置； 仿真

0 引 言

“計算機網絡原理”是一門理論性與實踐性并重的課程，在教學中既要注重網絡原理、體系結構、協議的分析，又要培養學生運用網絡知識進行網絡規劃設計與實踐應用的綜合能力[1]，因此實驗教學是整個教學過程中非常重要的環節[2]。學生能夠按照一定的要求設計和實現網絡的構建，是培養網絡綜合技能的基本要求和教學的重點環節。通過設計園區網案例，研究設計題目、網絡規劃和具體實現過程，以案例教學培養學生的實踐能力和創新能力非常必要[3]。

Cisco Packet Tracer是Cisco(思科)公司開發的網絡仿真輔助軟件，為網絡課程的學習者設計、配置、排除網絡故障提供了網絡模擬環境[4]。Packet Tracer當前的最高版本是7.0，用戶可以在該軟件的界面上直接使用拖拽控件建立網絡拓撲，學習IOS的配置、訓練故障排查[5]，加深對網絡抽象復雜原理的理解。計算機網絡教學中通過采用Packet Tracer仿真軟件，建立一個虛擬仿真實驗教學平臺來完成典型網絡實驗，可以克服實驗室網絡設備數量和種類受限的問題，提高學生完成實驗的效率，對于培養學生操作實踐能力和創新能力具有重要意義[6]。

本文以我校中心校區校園網絡構建為例，使用Packet Tracer仿真模擬校園網的設計規劃、網絡拓撲構建、網絡設備選型和網絡設備互聯的具體配置。

1 校園網規劃與設計

校園網設計應該滿足安全性、可擴展性、靈活性、高可用性、模塊化和快速恢復等特性。典型校園網的拓撲架構可以分為3層：接入層(Access Layer)、分布層(Distribution Layer)、核心層(Core Layer)[7]，校園網拓撲特點如圖1所示。

核心設備是帶路由功能的3層交換機，與核心設備連接的是路由器和匯聚交換機，匯聚交換機下面是接入層交換機[8]。接入層匯集了各種終端用戶，并且為用戶提供了上行鏈路用于與分布層相連接，對接入層交換機配置可以實現局域網安全隔離[9]。分布層的主要工作是執行路由的選擇以及數據包的處理，它可以用來作為核心層和接入層之間的路由邊緣。核心層是校園網的骨干區域，也是另外幾層的匯聚區域[10]，其主要目的是通過高速轉發通信，提供優化、可靠的骨干傳輸結構。

圖1 典型校園網3層模型

學校包含中心校區和分校區，使用校園網將學校不同部門、院系和校區連接起來，形成校園內部網，并通過出口路由器接入Internet，提供互聯網訪問服務；校園網提供Web發布、郵件、DHCP等服務以滿足學校教學、辦公和科研需要；校園網內實驗室主機配置的私有地址通過安裝NAT的路由器轉化為公有地址訪問互聯網[11]；互聯網上的用戶可以訪問校園中的Web服務。基于校園網接入層、分布層、核心層3層模型的設計，校園網規劃的拓撲結構如圖2所示。校園網劃分為：網絡中心、中心校區、分校區和互聯網區四個分區。其中網絡中心是管理維護校園網絡的核心服務區；互聯網區模擬校園網外部互聯網區域[12]。

圖2 校園網絡拓撲結構圖

Packet Tracer模擬軟件提供多種型號的網絡設備，該校園網拓撲圖的接入層交換機采用Cisco的2960交換機，分布層采用Cisco的3560交換機，核心層交換機采用Cisco的3560交換機，路由器采用Cisco的2911路由器。校園網拓撲構建的設備有Cisco 2911路由器3臺，Cisco 3560交換機9臺，Cisco 2960交換機9臺，Cisco無線路由器1臺，服務器(Web Server, DHCP Server、Email Server)3臺，PC 13臺，手機1臺。

2 基于Packet Tracer仿真校園網構建實現

以中心校區為例，校園網絡的構建主要包括中心校區校園網拓撲結構的設計、網絡設備選型、級網絡設備互聯配置等[13]。

2.1中心校區規劃設計及關鍵技術

校園網中心校區包含4臺Cisco 3560交換機(2臺核心層交換機Core-1和Core-2，2臺分布層交換機DSW-1、DSW-2)、4臺Cisco 2960交換機(4臺接入層交換機AW-1、Aw-2、Aw-3、Aw-4)、8臺PC。校園網中心校區拓撲結構如圖3所示。

圖3 中心校區拓撲結構

校園網的應用功能設計依賴于TCP/IP協議棧的分層模型，校園網典型應用協議為：應用層—Telnet，DNS，DHCP；傳輸層—TCP，UDP；網際層—OSPF；網絡接入層—VLAN，TRUNK，STP，VTP，LACP，HSRP。

交換機組成的網絡中所有的主機都在同一廣播域，而通過VLAN技術可以起到廣播域的作用。開啟3層交換SVI虛接口，配置各VLAN的虛擬接口 (網關地址)，可以實現不同VLAN間的相互通信功能。

匯聚鏈接(trunk link)是指能夠轉發多個不同VLAN通信的端口，匯聚鏈路上流通的數據幀都被附加用于識別分屬哪個VLAN的特殊信息[14]。在交換機的匯聚鏈接上，可以通過對數據幀的附加VLAN信息，構建跨越多臺交換機的VLAN。

VTP(VLAN Trunking Protocol)是VLAN中繼協議，也被稱為虛擬局域網干道協議。使用VTP協議，把一臺交換機配置成VTP Server, 網絡中其余交換機配置成VTP Client，這樣可以自動學習到server 上的VLAN 信息，節省了配置VLAN的工作量。

2.2核心層交換機設計配置

中心校區校園網的核心層交換機有2臺(Core-1、Core-2)，根據校園網中心校區的規劃設計要求，核心層實現的主要功能及協議[15]為：① 3層交換機的路由功能。兩臺核心交換機起路由功能，并把FastEthernet0/1接口的交換功能關閉，為其配置IP地址。② Ether Channel和LACP。兩臺核心交換機的FastEthernet0/2-FastEthernet0/5配置trunk模式，指定channel-group模式為active，并把Port-channel 1配置為trunk模式。③ VLAN中繼協議VTP。設置VTP domain為QDDX-EDU，設置VTP password為QDDX；指定兩臺核心交換機為VTP server。④ 生成樹協議STP(Spanning Tree Protocol)。Core-1為奇數VLAN的主根、偶數VLAN的備根；Core-2為偶數VLAN的主根、奇數VLAN的備根。⑤ 熱備份路由器協議HSRP。分別在兩臺核心交換上指定不同VLAN的SVI和IP；并指定Core-1為奇數VLAN active(通過修改優先級)，Core-2為偶數VLAN active。⑥ OSPF (Open Shortest Path First開放式最短路徑優先)。在兩臺核心交換機上配置動態路由協議OSPF，宣告直連網段在area0中。

Cisco 3560 的Core-1和Core-2接口、地址劃分及3層交換機VLAN地址配置如表1所示。

表1 3560交換機(Core-1)和(Core-2)接口劃分

核心層交換機Core-1的路由功能、SVI方式及匯聚鏈的主要配置命令如下：

Core-1(config)#ip routing //將交換機轉到三層工作模式

Core-1(config)#interface FastEthernet0/1

Core-1(config-if)# no switchport

Core-1(config-if)# ip address 172.16.21.2 255.255.255.252

Core-1(config)#interface FastEthernet0/2

Core-1(config-if)# channel-group 1 mode active

Core-1(config-if)# switchport trunk encapsulation dot1q //在與二層交換機相連時封裝協議

Core-1(config)#interface Port-channel 1

Core-1(config-if)# switchport trunk encapsulation dot1q

Core-1(config-if)# switchport mode trunk

Core-1(config)#vlan 2 //創建VLAN2

Core-1(config)#vtp domain QDDX-EDU

Core-1(config)#vtp password QDDX

Core-1(config)#vtp mode server Core-1(config)#spanning-tree vlan 1,3,5,7,9 priority 24576

Core-1(config)#spanning-tree vlan 2,4,6,8 priority 28672

Core-1(config)#interface Vlan2

Core-1(config-if)# ip address 10.21.2.252 255.255.255.0

Core-1(config-if)# standby 2 ip 10.21.2.254

Core-1(config-if)# standby 2 preempt

Core-1(config)#ip dhcp pool vlan3

Core-1(dhcp-config)# network 10.21.3.0 255.255.255.0

Core-1(dhcp-config)# default-router 10.21.3.254

Core-1(dhcp-config)# dns-server 219.146.1.66

Core-1(config)#ip dhcp excluded-address 10.21.3.252 10.21.3.254

Core-1(config)#router ospf 1 //配置動態路由協議

Core-1(config-router)# network 172.16.21.0 0.0.0.3 area 0

Core-1(config-router)# network 10.21.0.0 0.0.255.255 area 0

2.3分布層交換機配置

中心校區校園網分布層交換機有兩臺：DSW-1、DSW-2。指定兩臺DSW交換機接口FastEthernet0/1-FastEthernet0/4為trunk 模式；指定兩臺DSW交換機為VTP server。

Cisco 3560交換機(DSW-1)和(DSW-2)接口劃分如表2所示。

表2 3560交換機(DSW-1)和(DSW-2)接口劃分

分布層交換機DSW-1主要配置命令如下：

DSW-1(config)#interface FastEthernet0/1

DSW-1(config-if)# switchport trunk encapsulation dot1q

DSW-1(config-if)# switchport mode trunk

DSW-1(config)#vtp domain QDDX-EDU

DSW-1(config)#vtp password QDDX

DSW-1(config)#vtp mode server

2.4接入層交換機配置

中心校區校園網接入層交換機有4臺：ASW-1、ASW-2、ASW-3、ASW-4。指定4臺ASW接入層接口FastEthernet0/2和FastEthernet0/3為access 模式；指定4臺ASW為VTP client。8臺PC地址指定為DHCP 動態獲得。

Cisco 2960交換機(ASW-1)(ASW-2)(ASW-3)(ASW-4)接口劃分如表3所示。

表3 Cisco 2960交換機接口劃分

交換機ASW-1主要配置命令如下：

ASW-1(config)#interface FastEthernet0/1

ASW-1(config-if)# switchport mode trunk

ASW-1(config-if)#interface FastEthernet0/2

ASW-1(config-if)# switchport mode access

ASW-1(config-if)# switchport access vlan 2

ASW-1(config-if)#interface FastEthernet0/3

ASW-1(config-if)# switchport mode access

ASW-1(config-if)# switchport access vlan 3

ASW-1(config)#vtp domain QDDX-EDU

ASW-1(config)#vtp password QDDX

ASW-1(config)#vtp mode client

3 結 語

用Packet Tracer模擬實現網絡虛擬實驗教學平臺，可以仿真模擬各種網絡實驗環境，克服網絡硬件條件制約的問題，并減少購置硬件設備的開銷。采用網絡模擬軟件，學生的實驗過程可以不受硬件設備和實驗場地的制約，激發學生參與網絡實驗的興趣；通過設計校園網仿真綜合實踐案例教學，培養學生網絡實施規劃的能力，提高學生的創新實踐能力和獨立解決問題的能力。實踐證明這種方法在網絡實驗課程教學中取得了良好的效果。

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DesignandSimulationofCampusNetworkBasedonPacketTracer

ZHANGHefeia，YUNHongyana，ZHANGDexiangb，JINGWenyingb，QIANChenggonga

(a.College of Computer Science amp; Technology; b.Intelligent Campus and Information Center, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong, China)

The design and planning of small-scale campus network is an important experimental content of comprehensive skills training.This paper analyzes key technologies of campus network construction, and uses Cisco Packet Tracer software to simulate the campus network topology planning, network equipment selection, network equipment interconnection configuration command, and finally achieves the basic functions of campus network.The teaching practice proves that using Cisco Packet Tracer can improve students’ interest in network experimental design.Comprehensive design case teaching enhances students’ ability to analyze and solve problems, cultivates students’ innovative thinking, and achieves good teaching effect in practice teaching.

campus network; Cisco Packet Tracer; configure; simulation

TP 393; G 434

A

1006-7167(2017)10-0127-04

2017-01-09

山東省本科精品課程建設(魯教高字[2014]10號文)；青島大學校級精品課程建設項目(青大教字[2012]15號文) ；青島大學2016年大學生創新創業訓練計劃項目(青大教字[2016]24號文)；2016年教育部-思科產學合作綜合改革專業課程建設項目(教高司函[2016]53號文，項目編號：201601013009)。

張鶴飛(1995-)，男，山東青島人，本科生，主要研究方向：計算機網絡、網絡工程。

云紅艷(1971-)，女，甘肅玉門人，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向：計算機網絡，語義Web與本體工程，大數據集成應用。Tel.：13589374360；E-mail：yunhy2001@163.com。