便攜網(wǎng)絡實驗環(huán)境的構(gòu)建與應用

隨飛揚，王杰鋒，馬維駿，楊 帆

(肇慶學院 計算機學院，廣東 肇慶 526061)

與其他專業(yè)的計算機實驗室相比，高校網(wǎng)絡工程專業(yè)的實踐教學環(huán)境在設備種類、設備數(shù)量、設備利用率、設備造價等方面有明顯的專業(yè)性，在實驗內(nèi)容和實驗基礎知識方面也有一定的特殊性［1］。首先，設備種類包含PC、交換、路由、防火墻等多種設備，學生獨立完成實驗時需要多臺PC及兩臺以上網(wǎng)絡設備互聯(lián)才能形成基本網(wǎng)絡。設備種類和設備數(shù)量多與設備造價高和設備利用率低的特點形成了實驗室建設中的主要矛盾，導致實驗教學環(huán)境在設備臺、套數(shù)方面無法滿足學生“同時、獨立”實驗的教學要求。其次，網(wǎng)絡工程專業(yè)的大多數(shù)實驗是前后相關的，具有實驗連續(xù)性;但傳統(tǒng)的“2課時”單元實驗模式無法為學生提供連續(xù)實驗的能力。第三，網(wǎng)絡工程實驗需要的基礎知識繁雜，涉及設備硬件、操作系統(tǒng)、協(xié)議、操作命令以及實驗網(wǎng)絡的相關配置信息等多方面內(nèi)容，因此每個實驗的實驗任務相對較重，需要更多的實驗準備或?qū)嶒灂r間;但固定的實驗場所和固定的實驗時間限制了學生行為，無法滿足學生“隨時隨地”進行實驗的要求。為此，一些學校也采用了虛擬網(wǎng)絡仿真實驗［2］方法，但因為缺乏對虛擬網(wǎng)絡可遷移性問題的研究，使得實驗只能在固定機器上完成，缺乏遷移和相互交流的能力。另外，教師的網(wǎng)絡教學采用“靜態(tài)圖片”解釋動態(tài)網(wǎng)絡運行，網(wǎng)絡實驗的測試僅限于網(wǎng)絡層的“PING”通，缺乏形象逼真的動態(tài)演示。

本文提出了一種基于網(wǎng)絡模擬器和虛擬機技術(shù)的可“攜帶”實驗網(wǎng)絡環(huán)境。通過有效集成，為師生建立可攜帶、可重載、可配置、可反復使用的網(wǎng)絡實驗環(huán)境;提供實驗網(wǎng)絡環(huán)境的遷移和攜帶能力，教師可以“攜帶”網(wǎng)絡到任何場所，為學生動態(tài)演示網(wǎng)絡原理和工作過程;學生可“攜帶”網(wǎng)絡在實驗室和宿舍等場所，隨時隨地獨立完成搭建網(wǎng)絡拓撲、配置網(wǎng)絡、測試網(wǎng)絡、分析結(jié)果等技能訓練。所搭建的虛擬網(wǎng)絡可以在不同的虛擬網(wǎng)絡環(huán)境下運行，不僅解決了實驗設備不足、實驗時間不連續(xù)的問題，提供隨時隨地反復實驗的能力，還為提高網(wǎng)絡工程專業(yè)相關課程的理論和實踐教學效果探索了一條新路。

1 便攜網(wǎng)絡實驗環(huán)境的技術(shù)內(nèi)容

便攜網(wǎng)絡實驗環(huán)境涉及網(wǎng)絡模擬器、虛擬機、虛擬網(wǎng)絡等三部分技術(shù)內(nèi)容，關鍵技術(shù)在于它們之間的集成關系、調(diào)用關系以及網(wǎng)絡連接關系。

1.1 網(wǎng)絡模擬器技術(shù)分析

網(wǎng)絡模擬器是通過軟件技術(shù)模擬特定網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)以及組網(wǎng)過程的一種專用軟件，常見的網(wǎng)絡模擬器軟件有Dynamips、Cisco packet tracer、Boson NetSim、GNS3等。其中，以 GNS3最為靈活［3］，具有以下顯著特點:

1)功能強大。GNS3集成了 Winpcap、Dynamips、VPCS、Qemu虛擬機、VirtualBOX虛擬機、Wireshark等軟件，不僅可通過加載Cisco IOS提供不同系列Cisco路由設備的模擬能力，還可通過集成Qemu虛擬技術(shù)和配置相應的OS鏡像，提供Qemu客戶機、PIX防火墻、ASA防火墻、Juniper路由器以及IDS和IPS內(nèi)核的虛擬仿真能力;加上其他輔助功能，使得GNS3可提供網(wǎng)絡拓撲圖設計、網(wǎng)絡運行、網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)包捕獲與分析等綜合實驗能力。

2)連接能力強。GNS3對于不同網(wǎng)絡設備可首先配置不同數(shù)量和種類的接口模塊，提供不同處理能力和組網(wǎng)能力，可連接VPCS虛擬機、Qemu虛擬機、VirtualBOX虛擬機、VMWare虛擬機以及運行GNS3的真實機器，進而提供虛擬網(wǎng)絡與真實網(wǎng)絡的連接能力。

3)運行環(huán)境可配置。GNS3的運行環(huán)境分為“General”“Dynamips”“Capture”“Qemu”和“Virtual-BOX”等五項，如表1所示。只要運行GNS3模擬器的真實PC環(huán)境配置了相同的目錄參數(shù)，所設計的GNS3虛擬網(wǎng)絡就可以在不同的真實機器上運行，也就是說，這些目錄參數(shù)的合理配置為GNS3虛擬網(wǎng)絡的遷移(復制、重載、編輯與運行)奠定了基礎。

1.2 虛擬機技術(shù)分析

虛擬機是利用軟件技術(shù)虛擬特定主機硬件的一種專用軟件。常見的虛擬機軟件有VPCS、Qemu Manager、Oracle VM VirtualBOX、Virtual PC、VM-ware Workstation等。從構(gòu)建便攜網(wǎng)絡環(huán)境的需要分析，Oracle VM VirtualBox具有與GNS3更好的集成性，可虛擬化基于x86架構(gòu)的PC硬件［4］，其管理器還向用戶提供了更為方便的“全局設定”和虛擬機安裝、配置、控制、遷移(導入/導出)等操作。其突出特點是小巧、簡便、易用，這些特點為虛擬機的遷移奠定了基礎。與VirtualBOX相比，VPCS則不是真正意義上的“虛擬機”，而只是一個通過UDP端口模擬網(wǎng)絡連接的能執(zhí)行多個命令的簡單命令行程序，其目的只是為了執(zhí)行主機在網(wǎng)絡層的連通性測試。其突出特點是虛擬機數(shù)量多(9臺)、體積小、免安裝、簡便易用。

表1 GNS3(0.8.3.1版)的運行環(huán)境主要參數(shù)表

1.3 虛擬網(wǎng)絡與虛擬機的可連接性分析

1.3.1 虛擬機的聯(lián)網(wǎng)方式

虛擬機均提供較為靈活的網(wǎng)絡連接能力，其中VPCS通過UDP端口實現(xiàn)與虛擬網(wǎng)絡的連接，而VirtualBOX虛擬機則有以下四種聯(lián)網(wǎng)方式:

1)NAT模式。最簡單的實現(xiàn)虛擬機聯(lián)網(wǎng)的方式，無需配置，默認選擇即可接入網(wǎng)絡，可提供瀏覽Web網(wǎng)頁、下載文件以及查閱電子郵件等功能。該模式需要在虛擬機上建立完整的TCP/IP協(xié)議棧，系統(tǒng)開銷較大，因此網(wǎng)絡訪問性能較差，外網(wǎng)不能訪問虛擬機。

2)Bridged Adapter(網(wǎng)橋)模式?？梢蕴摂M出一個獨立的網(wǎng)卡，有獨立的IP地址;虛擬機的網(wǎng)絡功能和一般主機一樣，可作為網(wǎng)絡服務器使用，能夠互相訪問，實現(xiàn)文件的傳遞和共享。當此模式啟用時，VirtualBox虛擬機與主機上安裝的網(wǎng)卡建立連接，繞過主機操作系統(tǒng)中的網(wǎng)絡協(xié)議棧，直接轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包。需要說明的是:Windows 7系統(tǒng)選擇網(wǎng)橋模式時，需要手動安裝VirtualBox的橋接服務驅(qū)動。

3)Internal(內(nèi)部網(wǎng)絡)模式。這是一種用軟件模擬的網(wǎng)絡，虛擬機之間可以相互聯(lián)網(wǎng)，但不能與外網(wǎng)或真實主機之間聯(lián)網(wǎng)，相當于虛擬機之間架設了一個獨立的局域網(wǎng)。這種方式比較適合于連接GNS3創(chuàng)建的模擬網(wǎng)絡。

4)Host－only Adapter(主機)模式。這種模式可用于創(chuàng)建一種能連接真實主機和一組虛擬機的網(wǎng)絡，無需使用真實主機上的物理網(wǎng)絡接口，而是通過在真實主機上建立虛擬網(wǎng)絡接口(如Loopback接口)的方法，在虛擬主機和真實主機之間提供網(wǎng)絡連接。

1.3.2 網(wǎng)絡模擬器GNS3的聯(lián)網(wǎng)方式

網(wǎng)絡模擬器GNS3本身集成VPCS、Qemu和VirtualBOX，可通過“NIO UDP”分配不同的UDP端口連接不同的VPCS虛擬機;對于Qemu虛擬機、VirtualBOX虛擬機和VMWare虛擬機，可根據(jù)各虛擬機網(wǎng)絡連接模式的不同，在GNS3中選擇“以太網(wǎng) NIO”“NIO UDP”“NIO TAP”“NIO Unix”“NIO VDE”和“NIO Null”等不同連接方式，實現(xiàn)與不同虛擬機或真實主機的網(wǎng)絡連接。

2 便攜網(wǎng)絡實驗環(huán)境的構(gòu)建

便攜網(wǎng)絡實驗環(huán)境由便攜網(wǎng)絡環(huán)境和便攜網(wǎng)絡兩部分組成，它建立在真實的宿主機上。便攜網(wǎng)絡環(huán)境由GNS3網(wǎng)絡模擬器、VirtualBOX虛擬機以及相應的映像文件組成，經(jīng)過有效集成和配置，使其具備攜帶和遷移能力，形成可攜帶的網(wǎng)絡運行環(huán)境;而便攜網(wǎng)絡則是在GNS3網(wǎng)絡模擬器控制下，使用者根據(jù)網(wǎng)絡設計需求，經(jīng)過連接、配置、運行測試等環(huán)節(jié)構(gòu)建的由虛擬設備、虛擬連接和虛擬配置組成的虛擬網(wǎng)絡。

2.1 構(gòu)建規(guī)范的虛擬網(wǎng)絡環(huán)境

1)安裝 GNS3及其組件。包括 WinPCAP 4.1.2、Wireshark 1.6.8、 Dynamips0.2.8 RC3 Community、Dynamips 0.2.8 RC4 Community、Qemu 0.11.0 Patched、Pemu、VPCS 0.4B2、GNS3、Translations語言翻譯等組件。

2)選擇虛擬設備的IOS。GNS3能夠模擬的所有網(wǎng)絡設備均需配置相應的IOS文件。由于一種設備的IOS文件版本較多，功能、性能、內(nèi)存開銷等有差異，因此需要進行大量的測試實驗工作，從中選擇運行穩(wěn)定、開銷小、功能強的IOS，避免學生各自隨意使用IOS導致的運行不穩(wěn)定或操作不相同等問題的出現(xiàn)。

3)配置GNS3運行參數(shù)。這是GNS3設計創(chuàng)建的虛擬網(wǎng)絡(.net項目文件)能否復制、遷移、編輯、運行的關鍵。由于GNS3允許對表1的參數(shù)進行靈活配置，這可能導致實驗室建立的GNS3運行環(huán)境以及學生各自配置的GNS3運行環(huán)境各不相同，使得.net項目文件中虛擬設備IOS以及其他文件的引用位置不同，無法實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡在不同實驗環(huán)境(學生宿舍與實驗室、學生之間等)之間的遷移、編輯和運行操作。因此，只有預先規(guī)定統(tǒng)一的安裝位置和配置參數(shù)，要求實驗室、學生、教師等都按照統(tǒng)一規(guī)定配置參數(shù)，才能創(chuàng)造虛擬網(wǎng)絡復制、遷移、編輯、運行的“便攜”條件。為減少操作工作量和人為失誤，專門開發(fā)了GNS3運行參數(shù)設置程序SET_GNS3_PAR，自動完成GNS3運行環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)一配置。

2.2 創(chuàng)建標準配置的虛擬機

虛擬機提供虛擬網(wǎng)絡連通性和網(wǎng)絡應用功能的測試能力，依據(jù)不同需求，可分別構(gòu)建簡單虛擬機、低配虛擬機和高配虛擬機三種類型。簡單虛擬機僅完成網(wǎng)絡連通性測試，工作于網(wǎng)絡層，一般由GNS3內(nèi)嵌的VPCS來充當。低配和高配虛擬機均需要通過VirtualBOX虛擬機管理器進行創(chuàng)建和配置，并在學生、教師以及實驗室的主機環(huán)境中統(tǒng)一安裝。

為便于實驗教學和虛擬網(wǎng)絡遷移，提供合適的虛擬機性能和統(tǒng)一規(guī)范的網(wǎng)絡連接能力，創(chuàng)建、配置虛擬機時，必須對相應參數(shù)進行規(guī)范，要求學生、教師、實驗室管理員根據(jù)自己的教學需要創(chuàng)建虛擬機，嚴格按照規(guī)定參數(shù)標志虛擬機并命名虛擬機文件;命名規(guī)則為“操作系統(tǒng)(+虛擬機功能標志+內(nèi)存容量 +硬盤容量)”，如“Winxp(PC192MB10G).ova”表示本虛擬機安裝了 Windows XP操作系統(tǒng)，在網(wǎng)絡中用作PC客戶機，分配了192 MB的內(nèi)存容量和10 GB的硬盤容量。這樣的命名便于師生在復制遷移虛擬機時不必運行虛擬機就可快速知道虛擬機的基本配置。虛擬機配置的標準化為“攜帶”和遷移虛擬網(wǎng)絡創(chuàng)造了條件。

2.3 虛擬網(wǎng)絡的搭建、測試和遷移

在GNS3虛擬網(wǎng)絡模擬器和虛擬機的支持下，可以搭建虛擬網(wǎng)絡。圖1是搭建的一個HSRP熱備份路由網(wǎng)絡，主體是由虛擬網(wǎng)絡設備(交換機、路由器)和虛擬網(wǎng)絡線路組成的虛擬網(wǎng)絡。為了實現(xiàn)對網(wǎng)絡連通性和網(wǎng)絡應用功能的測試，需要在網(wǎng)絡的邊緣連接不同的虛擬機。特別需要強調(diào)的是，用于連接虛擬機的邊緣子網(wǎng)應該設置(預留)固定的子網(wǎng)地址，分配(預留)固定的物理端口，這樣既容易記憶，又有利于虛擬機IP參數(shù)的標準化，提供虛擬機與虛擬網(wǎng)絡之間“即插即用”的能力，同時使虛擬網(wǎng)絡拓撲更加規(guī)范。

圖1 HSRP熱備份路由網(wǎng)絡

3 便攜網(wǎng)絡實驗環(huán)境的教學應用

以《計算機網(wǎng)絡工程》課程為例，在講解網(wǎng)絡設計相關內(nèi)容時，教師在課前搭建好合適的網(wǎng)絡拓撲，并進行相應的配置;攜帶“網(wǎng)絡”進課堂，需要時運行搭建好的網(wǎng)絡，動態(tài)演示網(wǎng)絡工作情況;同過改變拓撲或配置觀察網(wǎng)絡的運行變化。圖2是用VRRP協(xié)議設計熱備份路由的教學演示網(wǎng)絡，R1為主動路由器;R2則為被動路由器。當R2檢測不到R1的Hello數(shù)據(jù)包時，則認為R1故障;R2則變?yōu)橹鲃勇酚善?，繼續(xù)維持網(wǎng)絡連接的暢通。教學過程中，教師可在網(wǎng)絡運行的同時，認為斷開R1的連接或關閉R1的電源，造成R1鏈路的故障，向?qū)W生全程演示VRRP的工作過程。目前已經(jīng)構(gòu)建了十多個典型網(wǎng)絡，如表2所示，每個網(wǎng)絡由應用背景、主要知識點、網(wǎng)絡拓撲、設備配置命令、測試與演示說明、注意事項等內(nèi)容構(gòu)成，可直接用于課堂教學演示、實踐教學案例以及科研模擬等。

在實驗教學方面，學生可以“攜帶”已構(gòu)建的典型網(wǎng)絡在實驗室、學生宿舍、圖書館等場所，隨時獨立進行相關網(wǎng)絡實驗，并通過這些典型網(wǎng)絡的演示、對比、分析，快速理解和掌握相關技術(shù)，構(gòu)建新的逼真的網(wǎng)絡應用及測試環(huán)境。不僅可以測試網(wǎng)絡的連通性，還可以直接觀察網(wǎng)絡訪問效果(如WWW瀏覽、FTP下載等)和面向應用的網(wǎng)絡訪問控制效果(如ACL、防火墻、NAT、負載均衡等)，更能詳細掌控全網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)容。在實驗實訓教學的組織管理方面，打破傳統(tǒng)的“分組2學時”單元實驗模式，提供隨時隨地連續(xù)獨立實驗的能力。

表2 已構(gòu)建的典型網(wǎng)絡

圖2 熱備份路由的教學演示網(wǎng)絡

4 結(jié)束語

便攜網(wǎng)絡實驗環(huán)境為網(wǎng)絡工程專業(yè)的相關課程，如《計算機網(wǎng)絡》《網(wǎng)絡操作系統(tǒng)》《網(wǎng)絡協(xié)議分析》《計算機網(wǎng)絡工程》和《網(wǎng)絡攻防技術(shù)》等提供了一個可遷移的網(wǎng)絡實驗平臺，具備搭建網(wǎng)絡、配置網(wǎng)絡、測試網(wǎng)絡、捕獲數(shù)據(jù)包、協(xié)議分析等實驗功能。不僅解決了網(wǎng)絡實驗教學條件在時間和設備方面不能滿足學生需要的問題，還把實驗測試從網(wǎng)絡層的“Ping”通提升到了應用層的“形象展示”，同時，還提供了課堂動態(tài)演示網(wǎng)絡工作原理的能力。教學實踐證明，理論課堂的動態(tài)演示，增加了學生對網(wǎng)絡的感性認識，加深了對網(wǎng)絡原理內(nèi)容的理解，實踐課的獨立操作、逼真的結(jié)果展示和全程經(jīng)歷，使學生實踐訓練的成就感倍增，再次激發(fā)了學生的學習興趣和探索欲望，達到了訓練基本技能和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。

［1］蔡皖東，張勝兵.網(wǎng)絡工程實踐教學改革與實驗室建設［J］.實驗室研究與探索，2008，27(12):93－95.

［2］汪慶淼.GNS3在計算機網(wǎng)絡實驗教學中的應用［J］.高校實驗室工作研究，2012(2):65－70.

［3］GNS3 Introduction to GNS3［EB/OL］.［2012 －11 －20］.http://www.gns3.net/gns3-introduction/.

［4］the VirtualBox User Manual［EB/OL］.［2012 －12 －10］.https://www.virtualbox.org/manual/ch01.html.