基于GNS3的計算機網(wǎng)絡(luò)仿真實驗教學研究

游勝玉，　何璘琳，　趙美麗

(東華理工大學 軟件學院，江西 南昌 330013)

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基于GNS3的計算機網(wǎng)絡(luò)仿真實驗教學研究

游勝玉，何璘琳，趙美麗

(東華理工大學 軟件學院，江西 南昌 330013)

摘要：計算機網(wǎng)絡(luò)是一門實踐性非常強的課程。由于實驗實訓(xùn)環(huán)境有限，很多實驗無法開展，仿真軟件成為了教學的必要手段，可以降低實驗成本，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。通過GNS3仿真軟件搭建實驗平臺，以核心交換機實現(xiàn)熱備份路由協(xié)議HSRP技術(shù)為實例介紹了仿真實驗的過程。

關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)；GNS3；仿真實驗教學

游勝玉，何璘琳，趙美麗.基于GNS3的計算機網(wǎng)絡(luò)仿真實驗教學研究[J].東華理工大學學報：社會科學版，2015，34(1)：85-88.

You Sheng-yu, He Lin-Lin, Zhao mei-li.Simulation experimental teaching research of computer network based on GNS3[J].Journal of East China Institute of Technology(Social Science)，2015，34(1)：85-88.

計算機網(wǎng)絡(luò)課程是計算機相關(guān)專業(yè)的一門核心課程，是一門理論性和實踐性并重的課程[1]。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會需求的日益增加，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也在不斷地復(fù)雜化，傳統(tǒng)的實驗教學環(huán)境已遠遠不能滿足教學的要求。目前開設(shè)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗是以交換機和路由器設(shè)備為主的工程實驗，這些實驗主要是以設(shè)計型和驗證型實驗為主，在實驗開展中需要一定數(shù)量的計算機、交換機和路由器、服務(wù)器等設(shè)備，這意味著需要投入高成本，且維護也較復(fù)雜。即使擁有這樣的實驗環(huán)境，但由于學生為初學者，如果在實驗過程中硬件設(shè)備出現(xiàn)故障而導(dǎo)致實驗失敗，對于初學者來說，不知道問題出現(xiàn)在哪里，從而影響實驗效果[2,3]，針對這些網(wǎng)絡(luò)實驗問題，引入GNS3仿真軟件，通過仿真軟件來搭建實驗環(huán)境，可以降低投資成本，將理論與實踐更好地結(jié)合起來，更好地培養(yǎng)學生綜合實踐能力。

1GNS3介紹

GNS3是一款優(yōu)秀的具有圖像化界面可以運行在多平臺(包括Windows, Linux, MacOS等)的網(wǎng)絡(luò)虛擬軟件，可以通過它來完成CCNA、CCNP、CCIE等Cisco認證考試的相關(guān)實驗?zāi)M操縱。同時它也可以用于虛擬體驗Cisco網(wǎng)際操作系統(tǒng)IOS或者是檢驗將要在真實的路由器上部署實施的相關(guān)配置。GNS3軟件為設(shè)計和配置網(wǎng)絡(luò)拓撲提供了平臺和技術(shù)支持，包含了路由器、交換機、防火墻、主機等一系列的模塊，根據(jù)自己的需求，運用不同的模塊來搭建網(wǎng)絡(luò)拓撲和環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的抓包、路由的配置、安全防護等各種功能。

目前市面上出現(xiàn)很多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬軟件，例如：Cisco Packet Tracer、 Boson NetSim、 DynamipsGUI、GNS3等等，在這些模擬軟件中，Cisco Packet Tracer、 Boson NetSim是模擬設(shè)備的命令，它們是方便工程技術(shù)人員學習；DynamipsGUI、GNS3是在計算機中虛擬出網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并安裝相應(yīng)的操作系統(tǒng)，是真實模擬路由器的行為。在計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學中，為了讓學生更好地把理論與實踐結(jié)合起來，深刻理解和掌握理論知識，并能夠把理論知識運用到實踐中，需要采用更真實的模擬環(huán)境軟件。又由于DynamipsGUI在編輯相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)后不易修改，因此在計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學中選用了GNS3仿真軟件[4]。

2仿真實驗

GNS3可以仿真各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)實驗，如路由選擇協(xié)議的配置，訪問控制列表ACL配置、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT功能配置、快速生成樹協(xié)議的配置、虛擬局域網(wǎng)VLAN劃分等等。下面以在核心交換機上實現(xiàn)熱備份路由HSRP技術(shù)為例進行說明。

2.1　熱備份路由協(xié)議HSRP介紹

HSRP的英文全稱是Hot Standby Router Protocol，是思科推出的用于建立容錯默認網(wǎng)關(guān)的專有冗余協(xié)議，它為ip網(wǎng)絡(luò)提供容錯和增強路由選擇功能，增加網(wǎng)絡(luò)的冗余，提高企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性[5]。實現(xiàn)熱備份路由協(xié)議HSRP的條件是系統(tǒng)中有多臺路由器，它們組成一個“熱備份組”，這個組形成一個虛擬路由器。在任一時刻，一個組內(nèi)只有一個路由器是活動的，并由它來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，如果活動路由器發(fā)生了故障，將選擇一個備份路由器來替代活動路由器，但是在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機看來，虛擬路由器沒有改變。所以主機仍然保持連接，沒有受到故障的影響，這樣就較好地解決了路由器切換的問題。

為了減少網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，在設(shè)置完活動路由器和備份路由器之后，只有活動路由器和備份路由器定時發(fā)送HSRP報文。如果活動路由器失效，備份路由器將接管成為活動路由器。如果備份路由器失效或者變成了活動路由器，將有另外的路由器被選為備份路由器。

在實際的一個特定的局域網(wǎng)中，可能有多個熱備份組并存或重疊。每個熱備份組模仿一個虛擬路由器工作，它包括一個Well-known-MAC地址和一個IP地址。該IP地址、組內(nèi)路由器的接口IP地址和主機在同一個子網(wǎng)內(nèi)的IP地址都不能一樣。當在一個局域網(wǎng)上有多個熱備份組同時存在時，把主機分布到不同的熱備份組中，可以使路由器負載得到分擔。

2.2　熱備份路由協(xié)議HSRP 實驗網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計

首選在GNS3的工作區(qū)域繪制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，繪制的網(wǎng)絡(luò)實驗拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，在本拓撲結(jié)構(gòu)圖中選用了兩臺三層交換機，在這兩臺三層交換機之間采用熱備份路由協(xié)議HSRP，來保證兩臺路由器中的任意一臺down掉，或路由器的廣域網(wǎng)口down，都會迅速切換到另外一臺。根據(jù)設(shè)備選擇原則，設(shè)備的選擇夠用即可，另外選擇了9臺24端口的二層交換機，并在核心交換機和二層交換機上劃分了6個(vlan10、vlan11、vlan20、vlan21、vlan30、vlan31)虛擬局域網(wǎng)，其中vlan10、vlan11、vlan20和vlan21在Core SW1上的HSRP的優(yōu)先級較高， vlan30和vlan31在Core SW2上的HSRP的優(yōu)先級較高。

圖1　HSRP實驗拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.3　HSRP的配置及應(yīng)用

HSRP協(xié)議利用一個優(yōu)先級方案來決定哪個配置了HSRP協(xié)議的路由器成為默認的主動路由器。如果一個路由器的優(yōu)先級設(shè)置得比所有其他路由器的優(yōu)先級高，則該路由器成為主動路由器。路由器的缺省優(yōu)先級是100，所以如果只設(shè)置一個路由器的優(yōu)先級高于100，則該路由器將成為主動路由器。在這實驗網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)上將核心交換機Core Sw1的vlan10、vlan11、vlan20、vlan21優(yōu)先級設(shè)置為150，vlan30和vlan3保持默認優(yōu)先級；核心交換機Core Sw2的vlan10、vlan11、vlan20、vlan21保持默認優(yōu)先級，vlan30和vlan31優(yōu)先級設(shè)置為150。通過在設(shè)置了HSRP協(xié)議的路由器之間廣播HSRP優(yōu)先級，HSRP協(xié)議選出當前的主動路由器。當在預(yù)先設(shè)定的一段時間內(nèi)主動路由器不能發(fā)送hello消息時，優(yōu)先級最高的備用路由器將變?yōu)橹鲃勇酚善?。路由器之間的包傳輸對網(wǎng)絡(luò)上的所有主機來說都是透明的。因此，在vlan10、vlan11、vlan20、vlan21上交換機Core Sw1成為HSRP主路由，交換機Core Sw2成為HSRP備份路由；在vlan30和vlan31上交換機Core Sw2成為HSRP主路由，交換機Core Sw1成為HSRP備份路由。

第一，每一個教學點均安排一個蹲點領(lǐng)導(dǎo)具體分管該教學點的工作，教學點負責人直接對分管領(lǐng)導(dǎo)負責，分管領(lǐng)導(dǎo)對校長負責。

配置HSRP的成員，在核心交換機Core Sw1和Core Sw2上，優(yōu)先級為150的配置命令是同理的，優(yōu)先級100的配置命令同理的，因此核心交換機Core Sw1上的vlan10、vlan11、vlan20、vlan21和核心交換機Core Sw2上的vlan30、vlan31配置命令方式一樣；核心交換機Core Sw1上的vlan30、vlan31和核心交換機Core Sw2上的vlan10、vlan11、vlan20、vlan21配置命令方式一樣，下面列出部分vlan配置命令。

①核心交換機Core Sw1上vlan10配置命令：

Core Sw1 (config)#int vlan 10

Core Sw1 (config-if)#standby 10 ip 192.168.10.101

Core Sw1 (config-if)#standby 10 priority 150

Core Sw1 (config-if)#standby 10 preempt /*配置HSRP占先權(quán),當組中有優(yōu)先級更高或者原活躍路由器又恢復(fù)工作時可以搶回活躍路由器的角色。*/

Core Sw1(config-if)#standby 10 track Et0/0.1 100 /*配置端口跟蹤,活躍路由器可以通過端口跟蹤知道是否有童心故障，當某端口不能通信時自動將自己的優(yōu)先級降低，保證備份路由器可以迅速轉(zhuǎn)換成活動路由器角色承擔發(fā)包責任。*/

②核心交換機Core Sw1上vlan30配置命令：

Core Sw1 (config)#int vlan 30

Core Sw1 (config-if)#standby 10 ip 192.168.30.101

Core Sw1 (config-if)#standby 10 preempt

2.4　實驗結(jié)果驗證

在兩臺三層核心交換機配置HSRP命令完成后，核心交換機Core SW1和Core SW2的輸出如表1和表2所示：

表1　Core SW1上的HSRP狀態(tài)表

表2　Core SW2上的HSRP狀態(tài)表

通過實驗可以得出，在此拓撲結(jié)構(gòu)上配置熱備份冗余協(xié)議HSRP具有以下特點：

(1)高度的可靠性，兩臺設(shè)備中的任意一臺down掉，或路由器的廣域網(wǎng)口down，都會迅速切換到另外一臺。

(2)有效地實現(xiàn)了負載均衡，在核心交換機上劃分出各自的vlan， vlan10~vlan21在Core SW1上的HSRP的優(yōu)先級較高，vlan30~vlan31在Core SW2上的HSRP的優(yōu)先級較高。充分利用了帶寬資源，而且實現(xiàn)了負載均衡。

(3)充分利用了多以太口路由器在劃分多業(yè)務(wù)網(wǎng)段上的功能，也只有多以太口路由器在HSRP應(yīng)用中才能實現(xiàn)兩個路由器間的負載分擔，這是具有四個以太口路由器的極大的優(yōu)點。

(4)不存在單點故障問題，增強骨干網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3結(jié)束語

在計算機網(wǎng)絡(luò)的實驗教學中利用GNS3進行仿真實驗，既能降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投資成本，又能提高學生的動手能力和創(chuàng)造能力，提高做實驗的效率。學生可以利用GNS3仿真基礎(chǔ)類實驗、設(shè)計類實驗，還可以開拓創(chuàng)新性實驗，鼓勵學生探索、創(chuàng)新和實踐[6]，并且GNS3能夠真實模擬路由器的行為，使得學生可以更好地把理論與實踐結(jié)合起來，能夠把實踐知識應(yīng)用到實際的環(huán)境中，為以后的工作打好基礎(chǔ)。

[參考文獻]

[1] 劉利強,陳凱文,周細義.計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學的改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2007(12):118-120.

[2] 薛琴.基于Packet Tracer的計算機網(wǎng)絡(luò)仿真實驗教學[J].實驗室研究與技術(shù),2010(29)：57-59.

[3] 彭秋發(fā),李農(nóng)勤,余燕.影響當前高校教學質(zhì)量幾個因素的再探討[J].東華理工大學學報:社會科學版,2010(3):279-282.

[4] 顧春峰,李偉斌,蘭秀鳳.基于VMware、GNS3實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室[J].實驗室研究與探索,2012,31(1):73-75.

[5] 奧登,蓋譯,梅塔. CCIE路由與交換認證考試指南(第二版)：英文版[M]. 北京:人民郵電出版社，2007:160-168.

[6] 曹俊武,何劍鋒,何月順，等.嵌入式系統(tǒng)平臺下創(chuàng)新實驗方案的探究與實踐[J].東華理工大學學報:社會科學版,2013(1):81-83.

Simulation Experimental Teaching Research of Computer Network Based on GNS3

YOU Sheng-yu,HE Lin-lin,ZHAO Mei-li

(Collegeofsoftware,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang330013,China)

Abstract:Computer network is a course with very strong practicality. Because the experimental environment is limited, many experiments can not be carried out. Thus, simulation software become a necessary means of teaching. It can reduce the cost of experiments, and train the creative ability of students. The experiment platform is set up by using GNS3 simulation software, and the paper takes the core switches implement the hot backup routing protocol technology for example to introduce the process of simulation experiment.

Key Words:computer network; GNS3; simulation experiment teaching

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3512(2015)01-0085-04

作者簡介：游勝玉(1980—)，女，江西豐城人，講師，碩士研究生，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)教學與科研研究。

基金項目：江西省2013年教改課題(JXJG-13-6-13)資助。

收稿日期：2014-10-04