基于Dynamips的思科虚拟实验平台的构建与应用

黄小波

(广东工业大学 自动化学院，广州 510090)

思科公司是互联网解决方案的提供者，其设备和软件产品主要用于连接计算机网络系统。与其设备相关的组网原理、配置技术以及相关软件的使用也成为当前网络技术的主流［1－2］。针对这一现状，本系所开设的网络工程综合实验和计算机网络组网实验中也增加了与思科设备和网络软件相关的实验内容。学生在实验中通过操作思科网络设备和配置软件完成各种组网任务，学习路由器和交换机上的命令及组网原理。这有利于学生对交换机及路由器相关知识的理解，提高对交换机及路由器配置方法及命令的运用，对提高学生的网络技术水平和竞争力有积极作用。

1 实验室的现状分析

1.1 实验室设备配置低下

计算机网络高速发展，要取得好的实验效果，就需要为学生提供充分的网络配置优化和故障分析的实验机会。当前网络实验室普遍是利用路由器、交换机、PC机组成实际的网络拓扑。由于思科的网络设备比较昂贵，在一般的实验室条件下难以配备完整的产品系列，通常情况是配置一些入门级的路由器和交换机。这些设备可以完成部分的网络实验，但有些网络实验需要比较高的型号设备才能够完成。例如在多协议标签交换(MPLS)需要6500型号的交换机或者是7000型号的路由器，第三层交换也需要至少4000型号以上的交换机才可以支持。而这些高端的设备一般都价格昂贵，且难以在实验室环境下维护。此外，网络设备的接口数目有限，难以支持比较大的拓扑结构上的网络实验［3－5］。

1.2 实验室设备数目有限

实验室里进行实验一般都是以教学班的形式进行，分为34人一组，各组分别完成同一个实验。以一个班50人计算，大约要分为13组。在完成BGP、OSPF这些实验时，至少需要4台路由器和1台交换机，而实验室里不可能同时提供这么多的路由器和交换机。如果共用设备，则会大大增加实验设计的难度，并且也会使很多同学没有机会亲手去配置设备。学生实验机会少，很难掌握最新技术。

1.3 频繁使用导致实验设备损耗大

由于每次实验的拓扑结构都会变化，因此每次实验都需要重新接线和移动设备的位置，导致设备和连接线的损耗非常大，特别是连接线，如路由器串行口之间的V.35连接线在多次插拔后非常容易损坏。基于以上原因，在实验室里进行面向一般教学班的思科网络组网实验很难在真实的设备上进行。因此虚拟设备成为一个可能的选择。

2 基于Dynamips的思科虚拟实验平台

Dynamips是一款优秀的Cisco路由交换模拟仿真平台，可以运行在微软(XP/2000/2003)或者Linux操作系统上。该平台实际上是一种虚拟机技术，与VMWARE虚拟机平台相似，即在物理计算机上虚拟出独立的逻辑计算机，装载并且运行软件，使得利用有限的实验设备开展以前无法开展的实验成为可能［6］。Dynamips模拟技术可以方便地在一个或多个物理计算机上建立多个虚拟路由器，并且这些路由器可以同时运行并且互联成网络。该平台模拟的Cisco网络设备型号众多。它通过直接加载思科的路由器操作系统IOS来实现把PC机模拟成路由器的功能，并且它支持模拟设备之间的真实互联，使得虚拟设备之间的任意组网成为可能。

在实验室环境中，PC机是数量最多的资源，在PC机上使用Dynamips构建虚拟实验平台是最理想的方案。Dynamips通过直接加载思科的IOS操作系统镜像来进行思科路由器的模拟。它支持在一台PC机上同时模拟出多个思科的路由器设备，但需要消耗较多的内存［7］。考虑到实验室中的PC机配置，每台PC机模拟3台路由器比较合适。由于Dynamips所模拟出来的设备之间可以通过局域网互联，因此这样的设置形成了一种弹性架构，图1展示了模拟设备与PC机的互联关系。

图1 Dynamips模拟设备与PC的互联

虚拟实验平台在每台PC机上模拟出3台路由器，而通过每台PC机上思科IOS镜像文件的加载的不同可以实现不同设备的模拟。图2展示了虚拟实验平台的平台结构。

平台上预置了Dynamips所支持的所有设备的IOS镜像，学生在使用平台进行实验时可以根据需要选择不同的IOS镜像加载，以模拟出不同的设备。表1列出了平台支持的IOS镜像。由于同一种型号的设备有细分型号，同一种设备有不同版本的镜像可供选择，这里只列出了部分支持的设备和IOS镜像。

图2 虚拟实验平台的平台结构

表1 虚拟实验平台支持的IOS镜像(部分)

虚拟实验平台支持分布在不同的PC机上的虚拟设备间的互联，使得进行复杂拓扑的网络实验成为可能。由于虚拟一台路由器需要消耗一定的内存，在同一台PC机上能够虚拟出的路由器数目是有限的，不同PC机上的虚拟设备互联是组网实验能够顺利进行的重要保证。

在每台PC机上安装dynagen作为虚拟平台的前端，通过dynagen的配置可以实现不同PC机上虚拟设备之间的互联。工作原理是指定一个PC机作为服务器，上面运行dynagen，其他PC机需要运行Dynamips的虚拟服务。通过dynagen的.net文件配置可以实现在服务器上控制其他的虚拟路由器，并且IOS镜像只需要在服务器上放置。因此在本虚拟平台中，任何一台PC机都可以作为Dynamips服务器运行互联服务。图3展示了分布式互联的一个例子。

图3 使用Dynamips的分布式互连

图3 中PC1、PC2和PC3是局域网中的三台计算机，PC1是虚拟了R1和R2，PC2和PC3上分别虚拟出R3和R4。使用dynagen作为前端，PC1设置为服务器，IOS镜像放在PC1上，其他机器运行Dynamips的虚拟服务，可以实现上述互联。拓扑只需要在PC1的dynagen的.net文件中配置即可。

图4 BGP实验拓扑

3 虚拟实验平台的教学应用

在本系的网络工程综合实验中测试虚拟实验平台的应用。每次实验学生人数为一个教学班，平均50人。整个实验教学过程进行五次实验，分别是RIPv2的CIDR实验、OSPF实验、VLAN和VLAN间路由实验、BGP实验和网络工程综合实验。实验以3名学生为一组，在一个有40台PC机的实验室中进行。预先在每一台PC机上配置好Dynamips和dynagen，并把各种实验中用到的设备的IOS镜像放在每一台PC机的硬盘目录中。

我们以BGP为例，阐述在虚拟实验平台上进行BGP实验的过程。实验网络拓扑图如图4所示。

实验中3名学生为一组，共用两台PC机，每台PC机模拟了3个路由器。在该实验中我们采用的是1台7200型号和2台3640型号，拓扑上的PC机用lookback端口来代替，虚拟设备之间的连线由学生实验时通过编写.net文件来完成。该实验AS之间运行BGP，AS内的路由协议使用OSPF。由于端口众多，且BGP的配置量比较大，比较适合由3名学生共同完成。

由于每一组的学生有2台PC机可以使用，这两台PC机可以作为终端设备进行路由器的配置，Dynamips可以设置路由器的登录方式为从Console口或是Ethernet口登录。实验中出现的问题是实验室中的机器都是连接在同一个局域网中的，所以在启动Dynamips时可能导致虚拟服务器会寻找到网络上所有的Dynamips服务器;可以通过实验室的交换机跳线把各组的PC机与其他的PC机隔开，则各组之间的虚拟服务器不会相互影响。使用虚拟平台进行的实验比使用真实硬件更有条理，且实际的运行效果与真实设备一样，能有效解决真实实验资源不足的问题，缓解财政压力给实验实训教学环节带来的不利影响，有利于学生实践操作能力的培养［8－9］，因此有较大的优越性。

4 结束语

通过对网络工程综合实验进行虚拟平台的应用试验，在一个以PC机为主的实验室中安装配置了Dynamips，并以分组的形式进行该实验课程中的5个实验，均取得了良好的效果。在虚拟实验平台上能够做出和真实设备同样的效果，且实验过程更为有条理;学生对实验过程出现的各种现象的记录和分析也更为清晰，可以减少学生在物理线路检查上所花费的精力，提高了实验的效率，深受学生们的欢迎。

［1］王涛.用NetSim组建虚拟网络实验室［J］.长沙通信职业技术学院学报，2005，4(3):46－48.

［2］汤新鸿.虚拟环境下网络配置实验的设计［J］.科学信息报，2008(2):41－50.

［3］郑文光.Dynamips在计算机网络技术教学中的应用［J］.商丘职业技术学院学报，2010，5(9):32－34.

［4］乐祖晖，赵有健，吴建平.利用直连网络实现可扩展路由器［J］.软件文摘，2007，18(10):2538－2550.

［5］袁展.基于Boson NetSim的小型网络虚拟实现［J］.现代电子技术，2007，30(7):87－92.

［6］唐俊勇，喻钧.基于DYNAMIPS的网络虚拟实验室构建［J］.价值工程，2011(4):179－180.

［7］陈慧宁，赵克宝，周学辉.Dynamips模拟器在高职高专院校的应用［J］.科技信息，2011(17):112－113.

［8］李凌云，王佳，王海军.我国虚拟实验研究现状的实证分析［J］.现代教育技术，2009，19(12):111－114.

［9］宋正国，刁秀丽.虚拟实验教学环境研究现状及趋势探悉［J］.现代教育技术，2009，19(12):115－118.