单机环境下路由交换技术综合实验设计

李林林， 孙良旭， 吴建胜， 张玉军

(辽宁科技大学 软件学院， 辽宁 鞍山 114051)



单机环境下路由交换技术综合实验设计

李林林， 孙良旭， 吴建胜， 张玉军

(辽宁科技大学 软件学院， 辽宁 鞍山 114051)

一般路由交换技术的实验教学开展需要一定数量和不同类型的物理设备和联网环境的支持，但是大多数情况下，讲授者和学习者并没有能力购置物理设备，难以搭建需要的联网环境。利用思科Packet Tracer免费软件和开源项目GNS3的开源软件作为模拟器，在单机环境下实现以校园网为背景的路由交换技术综合实验解决方案，给出校园网网络配置需求，提供网络拓扑结构，从路由器、交换机、终端设备三个设备配置方面对比讨论上述模拟器软件的使用过程，为在单机环境下完成其他路由交换技术综合实验提供设计的思路和配置的参考。

路由; 交换; 综合实验; 模拟器; 单机

0 引 言

路由交换技术课程作为网络工程专业一门理论和实验要求都非常高的专业课，其理论主要涉及物理层、链路层、网络层和应用层各层上的多种协议工作原理。其实验主要使用路由器、交换机等网络设备和PC、无线终端等终端设备。

传统的教师的课堂教学和学生的实验操作可以在单独的网络工程实验室完成，实验室室内安装和部署一些路由器、交换机、终端设备和局域网连接链路，满足单班授课和分组实验的实验室一般投入几十万甚至上百万。

随着网络工程专业的快速发展，班级数量逐渐扩充到2班甚至3班，课程的学时并没有很大变化，实验设备的老化和维修造成设备可用数量的下降，以致传统的理论教学和实验操作无法在有限的学时内完成。随着技术进步，课程的知识点一直在更新，一次投入购置的实验室设备在功能和性能上不能完全满足新知识点的需要，而设备的升级和替换又需要很大的二次设置多次投入。

在最新的文献中，可以看到使用华为模拟器解决动态路由协议实验[1]问题；使用Packet Tracer模拟器软件解决路由器配置[2]、IPV6网络路由实验[3]和网络案例实验[4]问题；使用GNS3模拟器软件解决网络安全实践教学[5]、数据通信实训教学[6]、CCNA/CCNP教学[7]、OSPF虚拟网络路由实验[8]、PIX防火墙配置[9]、BGP虚拟网络路由实验[10]；虚拟网络下网络安全教学问题[11]、虚拟环境下组建网络综合实验问题[12]、单机环境中网络攻防实战演练平台问题[13]、利用开源工具改革计算机网络应用课程教学模式问题[14]。使用Packet Trace模拟器软件搭建小型企业网络应用架构的仿真实验[15]和计算机网络仿真实验教学[16]。

1 单机环境下模拟器软件解决方案

面对目前课程存在的问题，必须寻找一种可行的解决方案，它既可以满足学生数量增加对设备数量的要求，又可以满足知识点更新对设备功能和性能的要求，同时又不会过度增加实验室建设的成本投入，可以最大程度利用现有的实验室软硬件资源和网络链路。

传统教学和实验的特点：

(1) 基于物理设备和物理链路。一般拓扑结构的搭建需要较多的不同类型的物理设备，设备连接和配置调试需要较长的时间和占用较大的空间，一旦需要调整，非常麻烦，灵活性较差。

(2) 方案调试需要物理网络环境支持。拓扑和设备配置完成后，需要在物理网络环境下进行调试，实验室必须能够提供不同类型的物理网络，一旦网络不支持或者故障将造成实验无法完成，适应性较差。

(3) 设备的维护和更新成本太大。设备在日常使用中需要专人长期维护才能保证实验顺利进行对设备数量和质量的要求，造成持续的人力、物力和财力成本投入，加之少量的设备淘汰和更新又会造成巨大的成本投入，可行性较差。

(4) 无法完成工程实践综合案例。工程实践综合案例对设备的数量、功能和性能、网络的布线和通信都有较高的要求，目前一般网络工程实验室难以提供上述硬件环境，无法达到学生进行工程实践综合训练要求，工程实践驱动的教改活动难以开展。

针对传统教学和实验的特点，解决方案的思路如下：

(1) 使用模拟器软件代替物理设备和物理链路。模拟器软件能够提供多种类型的模拟设备，不受数量限制，拓扑设计和设备配置可以在软件内通过可视化或者命令行方式完成，时间效率高，空间要求低，可随时随地随需求进行调整，灵活性强。

(2) 使用模拟器软件提供的虚拟网络替代物理网络。模拟器软件自身提供网络模拟功能，支持不同类型的物理网络类型的不通层次协议之间的通信，由于是软件模拟方式，出现故障的可能性几乎为零，一般不会由于虚拟网络问题造成实验无法完成，适应性强。

(3) 单机模拟器软件环境替代网络物理设备环境。通过在单机上安装模拟器软件，就可以实现不同拓扑结构设备选型和连接，利用虚拟网络支持虚拟设备之间的网络通信，通过更新软件来获得新的设备和网络，几乎没有设备的维护和更新成本投入，甚至很多模拟器软件本身就是免费的。

(4) 单机模拟器软件提供工程实践综合案例环境。由于单机模拟器软件可以很容易地解决工程实践综合案例对设备和网络的要求，所以可以实现模拟需求比较复杂、网络规模较大的一般工程实践项目。

2 校园网综合实验案例

为了能够详细说明单机环境下路由交换技术综合实验设计的解决方案，选取校园网工程实践综合案例进行说明。校园网拓扑图如图1所示。

校园网主要配置需求如下：

(1) 有1个主校区，1个分校区和1个生活区，分别通过帧中继网络进行接入。

(2) 帧中继网络实现主校区、分校区和集中宿舍区快速通信。

(3) 配置动态和静态路由实现各个区域之间通信。

(4) 主校区内包括教学区、办公区、信息中心和宿舍区1。

教学区定义为1个VLAN，通过高层交换机接入，主机地址静态分配；

办公区定义为1个VLAN，通过高层交换机接入，主机地址静态分配，启动粘性安全MAC地址，设置最大安全MAC地址数和超限处理规则；

宿舍区1定义为1个VLAN，通过高层交换机接入，主机地址静态分配；

教学区、办公区和独立宿舍区通过高层交换机实现VLAN间通信；

信息中心定义为1个物理LAN，服务器地址静态分配，对校内和校外提供WEB服务，只对校内提供FTP服务和DNS服务，接入互联网进行NAT转换。

图1 校园网网络拓扑图

(5) 分校区包括教学区和独立宿舍区。

教学区定义为1个VLAN，主机地址静态分配；

独立宿舍区定义为1个VLAN，主机地址动态分配；

教学区和独立宿舍区通过单臂路由器实现VLAN间通信；

(6) 生活区包括多个宿舍区，每个宿舍区定义为1个VLAN，动态地址分配，通过VTP进行VLAN管理，通过STP进行VLAN负载分担。

3 模拟器综合实验设计

3.1 模拟器软件

目前主流的支持路由交换技术的模拟器软件主要分为两大类：命令行软件模拟和物理硬件模拟。其中命令行软件模拟方式的典型模拟器软件为Boson公司开发的商业软件、Cisco Network Simulation、Cisco公司开发的免费软件Packet Tracer；物理硬件模拟方式的模拟器软件为开源项目GNS3。考虑到软件使用成本，综合实验的配置使用最新版本的Packet Tracer 6.1和GNS3 1.2。Packet Tracer 6.1提供了CCNA认证级别的路由器和交换机命令行配置、终端设备和帧中继网络图形化配置支持。GNS3 1.2提供了CCNP认证级别的路由器命令行配置、添加交换模块路由器模拟交换机命令行配置、路由器模拟帧中继交换机命令行配置、支持连接物理终端设备和网络。根据校园网综合实验配置需求，上述模拟器都可以比较完整地完成相关拓扑设计和设备配置，唯一的问题是Packet Tracer 6.1 不支持真正的帧中继交换机命令行配置，而GNS3 1.2由于采用虚拟机的运行方式，随着网络拓扑结构的复杂程度增加，开启越多的虚拟机，对实验机器的性能有一定影响。

3.2 路由器配置方案

一般的路由器配置采用命令行方式根据功能需求进行，Packet Tracer和GNS3在配置上没有区别。如果需要启用RIP、OSPF和EIGRP动态路由协议高级配置的话，需要使用GNS3才可以配置。

3.3 交换机配置方案

Packet Tracer直接提供二层交换机设备，一般的交换机配置可以直接采用命令行方式根据功能需求进行。但是Packet Tracer并不直接提供帧中继网络中帧中继交换机设备，而提供一个以图形化配置的帧中继云模拟帧中继交换机设备，所以使用Packet Tracer配置帧中继网络只能通过图形化配置，与真实的帧中继交换机的命令行配置不同，只起到模拟功能的作用。

GNS3直接提供的二层交换机设备不具有配置功能，只能支持二层交换功能。同时GNS3也没有直接提供可以命令行配置的二层交换机设备，但是可以通过在路由器上添加交换模块，由路由器实现二层交换机功能，通过在路由器使用命令行方式配置实现配置二层交换机的效果，只是在配置命令上与真正的二层交换机配置略微有所差别。对于帧中继交换机，在GNS3上可以在路由器上启用帧中继功能，用路由器实现帧中继交换机功能，通过在路由器使用命令行方式配置实现配置帧中继交换机的效果，在配置命令上与真正的帧中继交换配置一样。

3.4 终端设备配置方案

Packet Tracer直接提供客户终端和服务终端等终端设备，通过图形化方式可以完成终端的配置，例如IP参数和服务参数。

GNS3虽然直接提供终端设备，但是该终端设备实际是通过物理设备、物理网络其他设备、虚拟机网络虚拟机设备和GNS3提供的第三方组件VPCS实现的。其中VPCS功能非常有限，只能简单作为客户终端使用，进行简单的IP参数配置和通讯测试，而其他方式与实际使用客户终端和服务终端没有任何差别，因为使用的就是实际的终端设备，这些方式需要通过图形化配置方式实现与实际终端设备的连接。

4 结语

通过使用Packet Tracer和GNS模拟器按照校园网综合实验配置需求，完成拓扑设备连接设计、IP地址方案设计、路由器和交换机功能配置、客户终端和服务终端参数和服务配置，在单机环境下实现了路由交换技术综合实验的解决方案。

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[2] 董 研. Packet Tracer模拟器在《路由器配置》课程中的应用[J]. 电子测试,2014(8):47-48，7.

[3] 张学义,郑添健,李 琪. 基于cisco packet tracer模拟器的IPv6网络RIPng路由实验设计及实现[J]. 黔南民族师范学院学报,2014(2):105-107.

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[7] 陈仲浩,何晓东. 论利用GNS3软件辅助CCNA/CCNP教学[J]. 电子制作,2014(9):98-99.

[8] 姜 磊. 基于GNS3与SecureCRT的OSPF虚拟网络实验平台的设计与实现[J]. 教育教学论坛,2014(42):273-275.

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[10] 顾金花. 基于GNS3的BGP虚拟网络实验平台的网络实验[J]. 电脑知识与技术,2014(29):6818-6819.

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Integrity Lab Design for Routing & Switching Technology in Single Machine Environment

LILin-lin,SUNLiang-xu,WUJian-sheng,ZHANGYu-jun

(College of Software， University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)

The lab study for routing and switching technology generally needs the support from a certain number and different types of physical devices and networking environment, but in most cases, teachers and learners don't have the ability to buy the physical devices and to build networking environment. The paper uses Cisco Packet Tracer free software and open source project GNS3 open source software as simulator and implements to give the integrity lab solution for routing and switching technology on the background of campus network in single machine environment; it can provide the network configuration requirements of campus network and the network topology structure. The paper compares and discusses the use process of two kinds of simulator software from three aspects including routers, switches, terminal equipment, and provides the design thought and the configuration reference for other comprehensive lab about routing and switching technology in single machine environment.

routing; switching; integrity lab; simulator; single machine

2015-01-08

辽宁省教育厅教学研究项目(GM201410)； 辽宁省教育厅教学研究项目(2014)

李林林(1979-)，女，辽宁鞍山人，博士，讲师，主要从事计算机软件和网络教学与研究。

Tel.:0412-5929815; E-mail:linlin20002_0@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2015)08-0115-04