基于GNS3與VPCS的幀中繼網絡實驗的設計

楊 禮(喀什大學 計算機科學與技術學院，新疆 喀什 844008)

0 引 言

廣域網[1]是計算機網絡課程中的必學內容之一，幀中繼技術解決了不同區域間、跨地理區域的局域網的互聯以及廣域網的連接[2]。在實驗室條件有限的情況下，借助仿真平臺開展計算機網絡實驗教學可以降低實驗的投入成本，利用仿真軟件進行實驗教學成為一種趨勢[3-4]。Packet Tracer軟件提供了廣域網模擬云設備，在此基礎上,文獻[5-6]中給出了一種基于Packet Tracer的幀中繼仿真實驗。本文以GNS3作為網絡虛擬實驗平臺[7]，設計了使用兩種不同方法實現幀中繼網絡互連的實驗，滿足計算機專業實驗教學的需求。

1 幀中繼基本概念

幀中繼(Frame Relay)是一種高性能的廣域網協議，運行在OSI參考模型的物理層(Physical Layer)和數據鏈路層(Data Link Layer)[6]。幀中繼技術實現多區域局域網以及廣域網的互聯，利用幀中繼實現互聯的工作過程簡單描述如下：首先建立數據終端設備[8](DataTerminalEquipment，DTE)之間的虛電路，然后經由中間的數據通信設備[8](DataCommunication Equipment，DCE)實現不同區域網絡的互聯。以下是幀中繼網絡中常用的基本概念。

(1) 虛電路。根據建立方式，虛電路分為永久虛電路(Permanent Virtual Circuit，PVC)和交換虛電路(Switched Virtual Circuit，SVC)[8]。虛電路是一種端到端的邏輯鏈路，PVC由手動設置產生，SVC經過協議協商產生，幀中繼接口一般使用PVC方式。虛電路有active、inactive、delete3種基本狀態。

(2) 數據鏈路連接標識符(Data Link Connection Identifier，DLCI)[2]。DLCI用于標識不同的邏輯鏈路，每一段邏輯鏈路對應一個不同的DLCI值。一臺DTE設備通過建立IP地址與DLCI的映射關系實現幀的封裝。

(3) 本地管理接口(Local Management Interface，LMI)[2]。LMI提供了DCE與DTE之間的信令標準，負責設備之間的連接管理和狀態維護。LMI分為3種類型[8]：ANSI、Cisco和Q933a，默認為Cisco格式。

2 GNS3仿真軟件

目前在實驗教學中常用的網絡模擬軟件有Cisco的Packet Tracer、GNS3等虛擬實驗平臺[9]。Packet Tracer是一款純模擬軟件，操作簡單，功能有限，而GNS3對幀中繼實驗表現出更好的適用性[10]。GNS3不僅完全支持Cisco設備，還支持Juniper等廠商的部分設備，可以直接運行IOS文件，提供了仿真度較高的路由器和幀中繼交換機等設備，實驗效果更佳。GNS3模擬器提供了多種登錄和配置路由器的方法，可以通過VMware[11-12]、VirtualBox[13]、VPCS等虛擬機軟件實現虛擬PC機之間通信。VPCS是GNS3自帶的一款小型軟件，用于模擬PC機，可以執行ping命令測試網絡的連通性[14]。GNS3中PC機的本地端口號和遠程端口分別對應VPCS軟件中虛擬PC機的遠程端口和本地端口。

3 實驗設計與實現

3.1 實驗目標

理解幀中繼技術的基本概念和原理，掌握利用GNS3模擬軟件進行幀中繼網絡設備的配置方法和過程。

3.2 實驗項目規劃

結合計算機專業教研、教改的要求，在設計實驗時，綜合考慮了實驗室硬件環境和教學目標，調整了實驗規模，充分展示了幀中繼技術在廣域網部署中的應用。實驗項目以模擬某個高校的3個校區為例，實現校區的互連。實驗項目具體的規劃如下：

(1) 3臺Routerc2961(R1、R2、R3)和3臺Host虛擬PC機(PC1、PC2、PC3)構成3個不同的校區網絡。以R1作為中心路由器，創建子接口并封裝幀中繼point-to-point子接口；以R2、R3作為分支路由器，在物理接口封裝幀中繼，3臺路由器均以DTE方式工作。

(2) 使用1臺Frame Relay Switch(FR1)或一臺c2961 Router(R4)作為幀中繼設備，以DCE方式工作。

(3) 實驗中的網絡設備的IP地址的規劃如表1所示。

表1 設備端口的IP地址表

3.3 實驗環境配置與幀中繼地址映射

(1) 為路由器添加模塊。實驗中選取的路由器為Router c2961，該路由器的slot 0提供的默認接口為GT96100-FE接口，需要在slot 1中添加NM-4T接口。

(2) 設備端口的DLCI參數的設置。實驗中需要建立IP地址與DLCI值之間的映射關系，具體設置參數如表2所示。

表2 幀中繼地址映射表

3.4 實驗設計

3.4.1基于幀中繼交換機的實驗

在GNS3模擬器中通過拖動所需設備以及連線，搭建如圖1所示的網絡結構圖。

實驗配置步驟如下：

(1) 路由器的配置。在路由器R1的serial1/0端口上定義幀中繼的封裝格式并啟動端口，然后創建子接口并以point-to-point方式連接，配置如表2所示的IP地址與DLCI的靜態映射；在f0/0端口配置IP地址，配置RIP路由[15]實現3個不同網段的連通。

R1的配置文檔如下：

R1#show running-config

interface FastEthernet0/0

ip address 192.168.1.1 255.255.255.0

R1(config-if)#

圖1 基于幀中繼交換機的實驗網絡結構

interface Serial1/0

noip address

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

interface Serial1/0.101 point-to-point

ip address 200.0.0.1 255.255.255.0

frame-relay interface-dlci 101

interface Serial1/0.102 point-to-point

ip address 201.0.0.1 255.255.255.0

frame-relay interface-dlci102

router rip

version 2

network 192.168.1.0

network 200.0.0.0

network 201.0.0.0

no auto-summary

在路由器R2的Serial1/0端口封裝幀中繼協議并開啟端口，配置IP地址，指定幀中繼封裝的LMI類型，默認為Cisco類型。手動指定IP地址與DLCI的映射關系，最后配置RIP路由實現網絡連通。R3與R2的配置方法相同。

R2的配置文檔如下：

R2#show running-config

interface FastEthernet0/0

ip address 192.168.2.1 255.255.255.0

interface Serial1/0

ip address 200.0.0.2 255.255.255.0

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

frame-relay map ip 200.0.0.1 202 broadcast

router rip

version 2

network 192.168.2.0

network 200.0.0.0

no auto-summary

R3的配置文檔如下：

R3#show running-config

interface FastEthernet0/0

ip address 192.168.3.1 255.255.255.0

interface Serial1/0

ip address 201.0.0.2 255.255.255.0

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

frame-relay map ip 201.0.0.1 203 broadcast

router rip

version 2

network 192.168.3.0

network 201.0.0.0

no auto-summary

路由器配置完畢，查看路由器上的靜態映射關系和路由器的幀中繼接口的狀態[16]。

R1#show frame-relay map

Serial1/0.101 (up): point-to-point dlci, dlci 101(0x67,0x1870), broadcast,status defined, active

Serial1/0.102 (up): point-to-point dlci, dlci 102(0x66,0x1860), broadcast,status defined, active

R2#show frame-relay map

Serial1/0 (up): ip 200.0.0.1 dlci 202(0xC9,0x3090), static,broadcast,CISCO, status defined, active

R3#show frame-relay map

Serial1/0 (up): ip 201.0.0.1 dlci203(0x12D,0x48D0), static,broadcast,CISCO, status defined, active

(2) 幀中繼交換機的配置。在幀中繼交換機上通過右鍵單擊“configure”，完成端口的DLCI對應關系的設置如圖2所示。

圖2 FR1的DLCI設置

3.4.2基于路由器的幀中繼實驗

在上述實驗網絡結構的基礎上，以路由器取代幀中繼交換機，其它設備不變，網絡結構如圖3所示。

實驗設備配置步驟如下：

(1) 路由器R1、R2、R3的配置與3.4.1節中實驗相同。

(2) 路由器R4作為幀中繼設備的配置。

首先需要開啟路由器R4的幀中繼交換功能，然后把R4的3個串口均設置為DCE類型并配置時鐘頻率，最后建立幀中繼內部的DLCI交換關系表。

R4的配置文檔如下：

圖3 基于路由器的幀中繼實驗網絡結構

R4#show running-config

frame-relay switching

interface Serial1/1

noip address

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

clock rate 64000

frame-relayintf-type dce

frame-relay route 101 interface Serial1/2 202

frame-relay route 102 interface Serial1/3203

interface Serial1/2

noip address

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

clock rate 64000

frame-relayintf-type dce

frame-relay route 202 interface Serial1/1 101

interface Serial1/3

noip address

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

clock rate 64000

frame-relayintf-type dce

frame-relay route 203 interface Serial1/1 102

3.5 實驗結果驗證

通過在VPCS窗口中配置Host虛擬PC機的IP地址，然后運行ping命令測試主機的連通性，虛擬PC機的IP地址配置結果如圖4所示，兩個實驗的測試結果相同，如圖5所示。

圖4 虛擬PC機的IP地址信息

圖5 網絡連通性測試結果驗證

4 結 語

根據計算機網絡中的教學內容，本文選擇幀中繼實驗作為出發點，通過GNS3與VPCS結合的方式構建虛擬實驗環境，設計了兩種不同的實現幀中繼網絡的實驗方法。通過兩種不同方法，讓學生更加深入地理解了幀中繼技術的原理。對于實驗室條件不足的情況下，利用虛擬軟件進行仿真實驗為高校師生提供了廣闊的學習和交流的平臺。

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