靜態(tài)路由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

李冬霞

(中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300300)

0 引言

路由器是重要的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，它通過(guò)搜索存儲(chǔ)在路由表中的路由信息將數(shù)據(jù)從源端轉(zhuǎn)發(fā)到目的端，故路由表是路由器工作的核心。路由表的產(chǎn)生主要有靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由兩種方式［1］。因此，靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由配置實(shí)驗(yàn)成為我?！皵?shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)”課程必修的實(shí)踐項(xiàng)目。由于條件限制，難以配置足夠的實(shí)際路由設(shè)備以滿足學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練需要，而借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)仿真軟件完成實(shí)驗(yàn)成為較理想的選擇。

據(jù)筆者調(diào)查，現(xiàn)有大部分靜態(tài)路由仿真實(shí)驗(yàn)要求按照流程完成配置，學(xué)生能力培養(yǎng)僅僅限于會(huì)配置操作，對(duì)路由原理并不能深入了解，更不能從網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系的角度透徹地理解路由器功能。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文精心設(shè)計(jì)了靜態(tài)路由配置仿真實(shí)驗(yàn)，不僅關(guān)注路由器配置技能的充分訓(xùn)練，更希望學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)靜態(tài)路由相關(guān)概念、原理有深入的理解，從整體上把握路由器作為網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備的本質(zhì)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真平臺(tái)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

路由器使用路由表保存與傳輸路徑相關(guān)的各種信息，供路由選擇時(shí)使用。靜態(tài)路由表由管理員在系統(tǒng)安裝時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的配置情況預(yù)先設(shè)定，不會(huì)隨網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變而改變。靜態(tài)路由具有較高的路由優(yōu)先級(jí)和較低的路由成本。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解靜態(tài)路由工作原理，熟悉路由器的基本配置模式、命令與配置流程，特別是通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)抽象的概念有直觀理解，比如:路由表、管理距離(AD)和度量值(Metric)等概念，這樣才能做到理論與實(shí)踐的有效統(tǒng)一。

(2)盡管路由器屬于網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，但是在實(shí)驗(yàn)中要強(qiáng)調(diào)協(xié)議層次與體系的理念，體現(xiàn)出物理層與鏈路層的配置與操作，并盡可能多地覆蓋相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生充分理解低層核心功能以及典型的協(xié)議原理，這樣才可以更全面地認(rèn)識(shí)路由器。

(3)在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)不同場(chǎng)景，引發(fā)學(xué)生對(duì)可能結(jié)果的判斷與思考;特別是針對(duì)容易出錯(cuò)的概念，要求學(xué)生通過(guò)配置、檢測(cè)與分析，驗(yàn)證這些理論。這樣才能真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.2 仿真平臺(tái)

目前網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的仿真平臺(tái)有BosonNetsim、Dynamips、Packet Tracer 等［2，3］?？紤]到思科公司的Packet Tracer平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)包的變化狀況可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在實(shí)驗(yàn)配置和數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方面更為完整，最貼近路由配置的教學(xué)目標(biāo)與實(shí)驗(yàn)需求［4］。故本文選擇在Packet Tracer平臺(tái)下進(jìn)行靜態(tài)路由仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2 拓?fù)湓O(shè)計(jì)及設(shè)備接口分配

基于以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，筆者設(shè)計(jì)出靜態(tài)路由模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)模擬四組學(xué)生用戶，第一、二組學(xué)生用戶與交換機(jī)Switch0相連，第三組與交換機(jī)Switch2相連，第四組與交換機(jī)Switch1相連。所有學(xué)生用戶通過(guò)相應(yīng)的交換機(jī)與路由器Router0、Router1和Router2相連。教師機(jī)(PC0)模擬管理者角色，直接與路由器Router0相連。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下因素。

2.1 物理層相關(guān)知識(shí)的滲透

為了使學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信物理層功能有更全面認(rèn)識(shí)，按照地址規(guī)劃將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體劃分為六個(gè)網(wǎng)段，專門設(shè)計(jì)使用了串行線、直連線和交叉線等，以便學(xué)生區(qū)分不同網(wǎng)絡(luò)連接線的使用場(chǎng)合。第一、二組學(xué)生用戶同時(shí)與交換機(jī)Switch0相連，便于學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證“交換機(jī)能否實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)互連”的理論。

路由器Router0和Router2之間專門設(shè)計(jì)為串口(Seria)相連，而路由器Cisco2811沒(méi)有串口，需手動(dòng)添加。在仿真平臺(tái)路由器配置窗口的Physical區(qū)選擇NM-4A/S模塊，將其拖放到路由器的空模塊槽中完成添加［5］。該過(guò)程幫助學(xué)生理解路由器物理接口板卡概念。

2.2 鏈路層相關(guān)知識(shí)的滲透

路由器串口的配置不同于Ethernet口，需要配置串口數(shù)據(jù)速率。實(shí)驗(yàn)中選擇在DCE側(cè)用“clock rate”命令配置串口數(shù)據(jù)速率［6］。配置時(shí)分別選擇HDLC協(xié)議和PPP協(xié)議封裝，通過(guò)對(duì)比，使學(xué)生加深對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)連接鏈路層協(xié)議以及路由器協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的理解。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中交換機(jī)端口分配如表1所示，路由器接口配置如表2所示。

表1 交換機(jī)端口分配

表2 路由器接口配置信息

3 靜態(tài)路由配置實(shí)踐

為了更好地理解靜態(tài)路由的原理和特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)故意留下漏洞，通過(guò)兩種場(chǎng)景、分2個(gè)階段實(shí)施靜態(tài)路由配置實(shí)驗(yàn)。

3.1 第一階段配置

按照表3所示關(guān)系配置用戶組一與用戶組三、用戶組四之間的靜態(tài)路由，用戶組二與用戶組三、用戶組四之間的靜態(tài)路由，用戶組三與用戶組四之間的靜態(tài)路由，基本步驟如下。

表3 靜態(tài)路由配置要求(第一階段)

1)靜態(tài)路由配置

在路由器全局配置模式下，使用命令“ip route”進(jìn)行靜態(tài)路由配置，以路由器Router0為例，配置用戶組一到用戶組三和用戶組四之間的靜態(tài)路由如圖2所示:

圖2 靜態(tài)路由配置命令(Router0)

2)路由表檢測(cè)

用命令“show ip route”查看路由表。以Router0為例，其詳細(xì)信息如圖3所示。路由表中首列的“C”代表直連路由，“S”代表靜態(tài)路由，第2列為目的網(wǎng)絡(luò)地址信息，其后的“［1/0］”符號(hào)中“1”代表默認(rèn)靜態(tài)路由AD值，“0”代表度量值，最后的“192.168.50.2”表示下一跳經(jīng)過(guò) Router0的串口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)，圖2中靜態(tài)路由配置命令有效。

圖3 路由表信息(Router0第一階段)

3)連通性測(cè)試

通過(guò)PacketTracer的“Realtime”模式和“Simulation”兩種方式，用戶組之間互相發(fā)送數(shù)據(jù)包(“ping”數(shù)據(jù)包)，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)連通狀況，進(jìn)一步證明靜態(tài)路由是否配置成功［7］。

測(cè)試表明，第一組用戶與第二組用戶無(wú)法連通，教師機(jī)與第一組互通，但是與第二組、第三組和第四組均無(wú)法連通。針對(duì)以上兩種現(xiàn)象要求學(xué)生通過(guò)“realtime”模式，查看數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，自己分析原因并提出解決措施。

3.2 第二階段配置

針對(duì)第一階段的問(wèn)題，在路由器上添加新的靜態(tài)路由以實(shí)現(xiàn)所有用戶連通。通過(guò)分析可知，第一、二組用戶處于同一個(gè)廣播域，由于屬于不同網(wǎng)段，且沒(méi)有有效的靜態(tài)路由，故盡管連接在同一個(gè)交換機(jī)上卻無(wú)法正常通信，需要在路由器Router0和 Router1上添加到達(dá)第二組用戶的靜態(tài)路由才能正常通信。路由器Router0的新路由表如圖4所示，增加了到192.168.20.0/24 的靜態(tài)路由信息。

圖4 路由表信息(Router0第二階段)

教師機(jī)PC0與Router0直連，所以與第一組互通;但是由于路由信息必須雙向可達(dá)才能確保網(wǎng)絡(luò)雙向通信，所以靜態(tài)路由需要雙向配置。在“Realtime”模式下觀察“Ping”數(shù)據(jù)包在PC機(jī)、交換機(jī)、路由器之間逐跳轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程可以看到，從教師機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包可以到達(dá)路由器Router0和Router2，但由于在Router2上沒(méi)有建立到達(dá)教師機(jī)的靜態(tài)路由，數(shù)據(jù)包無(wú)法返回，導(dǎo)致教師機(jī)與第三組和第四組均不能通信。要實(shí)現(xiàn)教師機(jī)與所有學(xué)生用戶的互通，必須在路由器Router1和 Router2上增加到達(dá)教師機(jī)的靜態(tài)路由。增加表4所示第二階段靜態(tài)路由配置要求，可以驗(yàn)證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全連通。以上分析要求學(xué)生自己完成，是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。

表4 靜態(tài)路由配置要求(第二階段)

本實(shí)驗(yàn)要求在“Realtime”模式下查看路由器的協(xié)議數(shù)據(jù)單元信息，比較路由器輸入與輸出數(shù)據(jù)包的異同。以PC1向PC8發(fā)送“Ping”數(shù)據(jù)包為例，當(dāng)其經(jīng)過(guò)路由器Router0時(shí)，第二層由Ethernet幀轉(zhuǎn)換為HDLC幀。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)包的具體封裝格式，可以詳細(xì)看到IP報(bào)文、ICMP報(bào)文、HDLC幀和Ethernet幀結(jié)構(gòu)。每層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中所有字段的內(nèi)容一目了然，如發(fā)送端與目的端的IP地址、MAC地址和數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)路由器后TTL值變化(減小1)情況等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，筆者還讓學(xué)生將HDLC協(xié)議與PPP協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，分析協(xié)議數(shù)據(jù)單元地址和配置步驟的不同，有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的理解。只有分析了經(jīng)過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)的各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)，學(xué)生對(duì)抽象的協(xié)議體系概念才有更直觀的認(rèn)識(shí)，才能將整個(gè)路由器工作原理理解透徹。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于Packet Tracer仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)靜態(tài)路由仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除了強(qiáng)調(diào)路由器配置模式與配置命令的訓(xùn)練外，還滲透了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)知識(shí)，使學(xué)生從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系角度理解路由器靜態(tài)路由工作原理;文中通過(guò)設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)步驟，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，受到普遍歡迎。該方法可以進(jìn)一步擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)路由實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中。

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