基于Packet Tracer的RIP路由實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)研究

趙婧如

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安 710121)

0 引言

路由信息協(xié)議RIP是內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP中簡(jiǎn)單的、最先得到廣泛使用的協(xié)議[1]。與其他路由協(xié)議(如OSPF、EIGRP、BGP等)相比,RIP簡(jiǎn)單易配,并以跳數(shù)(Hop Count)作為衡量路由優(yōu)劣的指標(biāo)[2],易于初學(xué)者理解,因此,在各大高校的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中,RIP通常作為路由協(xié)議知識(shí)單元的入門(mén)協(xié)議。通過(guò)學(xué)習(xí)RIP,學(xué)生可以理解路由協(xié)議的基本工作原理和設(shè)計(jì)目標(biāo),掌握如何評(píng)估路由路徑、更新路由信息、處理網(wǎng)絡(luò)連接變化等知識(shí)點(diǎn)。在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下,路由協(xié)議實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著學(xué)生路由分析與設(shè)計(jì)能力目標(biāo)的達(dá)成效果。良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)不僅能幫助學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力,而且能引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中不斷深入實(shí)驗(yàn)背后的機(jī)理,真正內(nèi)化工程知識(shí),為以后解決較為復(fù)雜的實(shí)際工程問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)RIP實(shí)驗(yàn)方案存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)RIP實(shí)驗(yàn)以理解動(dòng)態(tài)路由選擇的概念,掌握RIP路由基本配置為教學(xué)目標(biāo),因此大多數(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程中RIP實(shí)驗(yàn)基本止步于協(xié)議配置與連通性驗(yàn)證,比如使用2臺(tái)路由器連接3個(gè)網(wǎng)絡(luò),首先在路由器上啟用RIP協(xié)議,然后完成3個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性測(cè)試,最后以此驗(yàn)證RIP配置的有效性。通常,學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)步驟順利完成實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)基于RIP的全網(wǎng)連通效果,但是由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺少協(xié)議工作過(guò)程的分析引導(dǎo),屏蔽了RIP路由更新細(xì)節(jié),導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)停留在配置驗(yàn)證層面,無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)識(shí)別RIP 2個(gè)版本在路由更新中的差異,無(wú)法發(fā)現(xiàn)和分析RIP協(xié)議中的路由匯總帶來(lái)的實(shí)際問(wèn)題。綜上,傳統(tǒng)RIP實(shí)驗(yàn)方案限制了學(xué)生對(duì)路由原理的深入程度,不利于學(xué)生繼續(xù)探究協(xié)議深層原理和解決網(wǎng)絡(luò)部署中的實(shí)際問(wèn)題。

2 RIP實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)優(yōu)化

從知識(shí)、能力、目標(biāo)3個(gè)方面優(yōu)化RIP實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

(1)知識(shí)目標(biāo):理解距離矢量路由選擇算法;理解RIP協(xié)議路徑發(fā)現(xiàn)和推導(dǎo)路由的過(guò)程;認(rèn)識(shí)RIPv1和RIPv2路由更新的主要區(qū)別。

(2)能力目標(biāo):熟練應(yīng)用RIP配置及調(diào)試技能,能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求獨(dú)立完成RIP配置;能夠正確分析RIPv1和RIPv2路由更新過(guò)程;能夠準(zhǔn)確解讀RIP路由表項(xiàng);有能力通過(guò)觀察和分析網(wǎng)絡(luò)行為,發(fā)現(xiàn)并解決與RIP協(xié)議相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。

(3)素質(zhì)目標(biāo):培養(yǎng)在實(shí)踐中探索真知的科學(xué)精神,提升自主探究和解決問(wèn)題的能力。

3 RIP實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)擴(kuò)大了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)拓?fù)湟?guī)模和設(shè)備配置,相應(yīng)地也增加了實(shí)驗(yàn)步驟以及可能遇到的問(wèn)題,使得實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度有所提升,但拓?fù)湓O(shè)計(jì)為“量身定制”,能夠恰當(dāng)?shù)卣故綬IP重難點(diǎn)問(wèn)題的同時(shí)不會(huì)引入無(wú)關(guān)干擾因素,讓初學(xué)者能夠更好地專(zhuān)注于實(shí)驗(yàn)主線。基于改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)拓?fù)?學(xué)生能夠觀察到RIP自動(dòng)路由匯總帶來(lái)的問(wèn)題,RIP常規(guī)配置結(jié)束后,學(xué)生不會(huì)“順利”得到全網(wǎng)互通的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,卻觀察到“時(shí)斷時(shí)通”的意外結(jié)果,而實(shí)驗(yàn)中間的這些“插曲”正是學(xué)生深入實(shí)驗(yàn)機(jī)理的良機(jī),改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)會(huì)逐步引學(xué)生“入局”,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)RIPv1的問(wèn)題,思考問(wèn)題產(chǎn)生的原因,在尋求解決方案的過(guò)程不斷深入RIP協(xié)議工作過(guò)程,深刻認(rèn)識(shí)RIPv1的局限性以及RIPv2的優(yōu)勢(shì)所在。

改進(jìn)方案通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的逐層剖析使得原理知識(shí)不再抽象,理論與實(shí)踐緊密結(jié)合,學(xué)生以“眼見(jiàn)為實(shí)”的方式逐個(gè)驗(yàn)證理論知識(shí)點(diǎn),對(duì)學(xué)生深刻理解相關(guān)原理大有裨益。學(xué)生不需要通過(guò)刻意的理論記憶來(lái)掌握知識(shí)原理,而是以“實(shí)踐親證”的方式通過(guò)不斷探究實(shí)驗(yàn)和解決問(wèn)題來(lái)逐漸內(nèi)化所學(xué)。

3.1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)湓O(shè)計(jì)改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)基于Packet Tracer軟件搭建實(shí)驗(yàn)拓?fù)洵h(huán)境,利用3臺(tái)路由器互聯(lián)Net1—Net5 5個(gè)用戶網(wǎng)絡(luò),路由器之間采用串行連接,搭建如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?全網(wǎng)部署了可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼(Variable Length Subnet Mask,VLSM)。

圖1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析改進(jìn)

3.2.1 RIPv1協(xié)議配置

在3臺(tái)路由器上分別啟用RIPv1,使用network命令指定與當(dāng)前路由器直連的網(wǎng)絡(luò)(以路由器R1的配置為例,直連網(wǎng)絡(luò)是172.16.0.0、172.18.1.0、172.18.2.0),并使用passive-interface命令禁止從連接用戶網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)接口發(fā)送路由更新(以路由器R1的配置為例,禁更接口為f0/0和f0/1)。

3.2.2 RIPv1路由分析

分別在3臺(tái)路由器上查看路由表,如圖2所示,由左至右分別為R1、R2、R3的路由表。讓學(xué)生觀察并記錄路由表目前存在的相關(guān)問(wèn)題:第一,R2的路由表中存在2條到達(dá)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)172.18.0.0/16的路由,但這2條路由的下一跳不同,分別是10.0.0.5或10.0.0.10;第二,路由器R1和R3的路由表中均未出現(xiàn)匯總路由172.18.0.0/16;第三,路由器R1和R3中沒(méi)有關(guān)于目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)192.168.0.0/16的路由項(xiàng)。這3個(gè)問(wèn)題是深入理解RIP協(xié)議的3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,接下來(lái),探析這3個(gè)問(wèn)題的過(guò)程正是幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)自動(dòng)匯總引發(fā)問(wèn)題和RIPv1局限性的過(guò)程。

圖2 配置RIPv1后3臺(tái)路由器路由表

為了引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題原因,實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在3臺(tái)路由器上通過(guò)“debug ip rip”命令查看和分析路由器送出和收到的路由更新信息,如圖3所示為關(guān)鍵路由更新信息節(jié)選。

圖3 RIPv2調(diào)試信息

第一個(gè)問(wèn)題是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)問(wèn)題,如圖3所示,由于R1通過(guò)其接口s0/0向外發(fā)送更新時(shí),RIPv1已經(jīng)自動(dòng)將172.18.1.0/24和172.18.2.0/24 2個(gè)子網(wǎng)路由匯總為一個(gè)主類(lèi)路由172.18.0.0。同樣,由于R3通過(guò)其接口s0/0向外發(fā)送更新時(shí),也自動(dòng)將172.18.3.0/24和172.18.4.0/24 2個(gè)子網(wǎng)路由匯總為一個(gè)主類(lèi)路由172.18.0.0,因此R1和R3創(chuàng)建的更新均為“network 172.18.0.0 metric 1”,即R1和R3都發(fā)布了目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)為172.18.0.0的路由,鄰居路由器R2上便收到了2條到達(dá)網(wǎng)絡(luò)172.18.0.0的路由更新,因此R2的路由表中相應(yīng)出現(xiàn)了2條目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)為172.18.0.0的“R”路由項(xiàng)(即RIP路由項(xiàng)),R2將這2條路由(Metic均為120/1)作為到達(dá)同一目的網(wǎng)絡(luò)的等價(jià)路由[3],即R2認(rèn)為通過(guò)下一跳10.0.0.5或10.0.0.10到達(dá)172.18.0.0/16是等價(jià)的。

第二個(gè)問(wèn)題與第一個(gè)問(wèn)題緊密關(guān)聯(lián),R2從R1和R3學(xué)習(xí)到了2條等價(jià)172.18.0.0路由,但是R2在路由更新中并沒(méi)有向R1和R3“返還”這條路由。借此問(wèn)題,學(xué)生將對(duì)理論課程中講解的水平分割原理有比較直觀且深刻的認(rèn)識(shí)。

針對(duì)第三個(gè)問(wèn)題,學(xué)生需要利用之前學(xué)習(xí)的CIDR編址知識(shí),分析得出Net3的網(wǎng)絡(luò)地址192.168.0.0/16是一個(gè)無(wú)類(lèi)地址,然后結(jié)合理論課程中對(duì)RIP版本區(qū)別的介紹(RIPv1是有類(lèi)路由選擇協(xié)議,而RIPv2是無(wú)類(lèi)路由選擇協(xié)議),自行剖析出問(wèn)題的原因:目前路由器使用RIPv1是無(wú)法識(shí)別192.168.0.0/16無(wú)類(lèi)地址的,因此R2發(fā)送更新時(shí)并沒(méi)有將網(wǎng)絡(luò)192.168.0.0通告出去。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)RIPv1和RIPv2路由更新區(qū)別的認(rèn)知,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在第三個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)上,插入2個(gè)引導(dǎo)性思考問(wèn)題:圖3所示的路由更新中為何沒(méi)有提供網(wǎng)絡(luò)掩碼信息;RIPv1采用何種方式發(fā)送路由更新。學(xué)生將結(jié)合理論課堂所學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察,以“眼見(jiàn)為實(shí)”的方式直接得到2個(gè)結(jié)論:第一,由于RIPv1是有類(lèi)路由選擇協(xié)議,所以這些更新中沒(méi)有隨網(wǎng)絡(luò)地址提供網(wǎng)絡(luò)掩碼信息,即RIPv1在路由更新過(guò)程中不攜帶子網(wǎng)信息;第二,圖3調(diào)試信息顯示“sending v1 update to 255.255.255.255……”說(shuō)明RIPv1是采用廣播方式發(fā)送路由更新的。

3.2.3 第一次設(shè)備連通性測(cè)試

學(xué)生在R2上分別ping主機(jī)PC1、PC2、PC4、PC5,會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果均為間斷性連通,連通成功率(Success rate)為40%或60%。接下來(lái)讓學(xué)生思考造成該測(cè)試結(jié)果的原因,讓學(xué)生深入理解通過(guò)等價(jià)路由實(shí)現(xiàn)路由負(fù)載分擔(dān),通往這個(gè)目的地的流量會(huì)被平均分配在2條路由上,負(fù)載分擔(dān)的方式:第1個(gè)分組走第一條路由,第2個(gè)分組走第二條,依次類(lèi)推。以Ping主機(jī)PC1為例,路由器默認(rèn)發(fā)出5個(gè)ping請(qǐng)求的情況下,部分請(qǐng)求被轉(zhuǎn)發(fā)至R1方向,部分請(qǐng)求被轉(zhuǎn)發(fā)至R2方向,因此測(cè)試結(jié)果顯示“Success rate is 60 percent (3/5)”或者“Success rate is 60 percent (2/5)”。通常學(xué)生為了解決這個(gè)間斷性連通問(wèn)題,會(huì)提出關(guān)閉RIP路由自動(dòng)匯總功能的解決方案,這時(shí)就讓學(xué)生通過(guò)實(shí)操嘗試來(lái)驗(yàn)證是否可行。由此環(huán)節(jié)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到RIPv1的局限性之一:無(wú)法關(guān)閉路由自動(dòng)匯總功能,學(xué)生由此也能“預(yù)感”到RIPv2應(yīng)該在這方面有所改進(jìn)。這種方法比教師直接講授局限性效果更好。

連通性測(cè)試應(yīng)該考慮全面,不僅要對(duì)主機(jī)通信進(jìn)行測(cè)試,還要針對(duì)前面發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)測(cè)試,以便與后繼測(cè)試形成對(duì)比。由于R1和R3的路由表中沒(méi)有關(guān)于192.168.0.0/16的路由,因此,現(xiàn)在R1和R3無(wú)法ping通192.168.0.1(R2的接口f0/0)和192.168.0.2(PC3)。

3.2.4 啟用RIPv2并禁止自動(dòng)匯總

針對(duì)前面實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的RIPv1的多個(gè)問(wèn)題,學(xué)生嘗試配置RIPv2協(xié)議來(lái)再次觀察和分析問(wèn)題的解決情況。在3臺(tái)路由器上啟用RIPv2并使用“no auto-summary”命令關(guān)閉自動(dòng)匯總。

3.2.5 RIPv2路由分析

查看3臺(tái)路由器的路由表,如圖4所示為收斂狀態(tài)時(shí)的路由表?？梢钥吹絉1和R3都已獲得關(guān)于192.168.0.0/16的路由,說(shuō)明RIPv2是無(wú)類(lèi)路由選擇協(xié)議,能夠識(shí)別無(wú)類(lèi)網(wǎng)絡(luò)地址。

圖4 配置RIPv2后3臺(tái)路由器路由

學(xué)生在3臺(tái)路由器上通過(guò)“debug ip rip”命令查看路由器送出和收到的更新(如圖5所示為部分路由更新信息節(jié)選),并可以和之前的RIPv1調(diào)試信息進(jìn)行對(duì)比分析,記錄重要變化:第一,更新中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址都攜帶了網(wǎng)絡(luò)掩碼信息,證明RIPv2是無(wú)類(lèi)路由選擇協(xié)議;第二,調(diào)試信息顯示“sending v2 update to 224.0.0.9……”,224.0.0.9為組播地址,說(shuō)明RIPv2是采用組播方式發(fā)送路由更新的。

圖5 RIPv2調(diào)試信息

學(xué)生觀察R1的“build update entries”部分,可以得知R1在通過(guò)其接口s0/0向外發(fā)送更新時(shí),不再自動(dòng)將172.18.1.0和172.18.2.0 2條路由匯總為一條路由172.18.0.0。觀察R3與R1的路由表,情況相同。這說(shuō)明雖然RIPv1和RIPv2都默認(rèn)激活路由匯總功能,但是RIPv2可以通過(guò)命令關(guān)閉該功能。

R2的路由表顯示路由器R2上收到了4條明確路由:172.18.1.0/24、172.18.2.0/24、172.18.3.0/24、172.18.4.0/24,而非2條到達(dá)網(wǎng)絡(luò)172.18.0.0的等價(jià)路由,表明路由的自動(dòng)匯總已被禁止。而且R2發(fā)送的v2更新(sending v2 update)中包含了192.168.0.0/16這條路由,說(shuō)明RIPv2支持VLSM和CIDR。

3.2.6 第二次設(shè)備連通性測(cè)試

在R2上ping主機(jī)PC1、PC2、PC4、PC5,連通成功率全部為100%。由于R1和R3的路由表中有了關(guān)于192.168.0.0/16的路由,因此,現(xiàn)在R1和R3 已經(jīng)可以ping通192.168.0.1(即R2的接口f0/0)和192.168.0.2(即PC3),PC之間也可以相互通信,即全網(wǎng)連通。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)RIP實(shí)驗(yàn)方案可以讓學(xué)生掌握RIP基本配置方法并進(jìn)行簡(jiǎn)單的連通性測(cè)試,但無(wú)法引領(lǐng)學(xué)生深入思考,進(jìn)一步分析RIP路由更新過(guò)程、路由匯總問(wèn)題、版本區(qū)別等。本文從實(shí)驗(yàn)拓?fù)洹?shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等方面對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)驗(yàn)邏輯主線清晰,由RIPv1的配置與調(diào)試,引出中間問(wèn)題,然后逐步引導(dǎo)學(xué)生思考和解決問(wèn)題,通過(guò)RIPv2的配置與調(diào)試,分析路由更新過(guò)程的變化以及路由更新對(duì)路由表的影響,不斷深化學(xué)生對(duì)RIP協(xié)議工作原理的理解。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方案已在多個(gè)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中得到推廣和應(yīng)用,實(shí)踐證明改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案使學(xué)生有機(jī)會(huì)在實(shí)驗(yàn)中觀察和分析理論課堂中講到的重難點(diǎn)問(wèn)題,不僅激發(fā)了學(xué)生深入實(shí)驗(yàn)機(jī)理的興趣,而且提高了學(xué)生主動(dòng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探討的積極性。學(xué)生不再是“簡(jiǎn)單實(shí)操,直取結(jié)果”,而是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的“局”中通過(guò)主動(dòng)思考,逐漸完善認(rèn)知,不斷提升分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。