路由与交换实验课教学研究

曾尧

摘要：路由与交换课程有很强的理论性和实践性。居于真实设备成本高、设备维护困难和实验效果差等问题，引入GNS3仿真软件用于教学。本文以《路由与交换》课程中VRRP项目实例介绍GNS3仿真软件的使用过程及带来的各方面的影响。

关键词：GNS3；仿真软件；网络实验；路由与交换

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）09-0021-03

路由与交换课程是计算机网络核心课程，有很强的理论性和实践性。在开展路由器与交换机的配置、搭建中小型网络等实验时，要提高学生的操作能力，需借助相关的网络设备进行实验实训，这是高成本的投入，设备维护也不容易。即使拥有设备齐全的实验环境，对于初学者的学生来说，一旦命令错误或设备故障而导致实验失败，学生也找不到问题的所在，这些都大大地影响了实验效果。为解决路由与交换实验课存在的这些问题，我校计算机科组在教学中引入了GNS3仿真软件作为网络实验教学平台。实践证明，使用GNS3仿真软件不仅让实验实训效果大为改善，还在技能竞赛训练、专业师资培养等方面起到了积极的作用。

1 分析基于GNS3仿真软件开展路由与交换实验课教学的可行性

GNS3（全称Grapical Network Simulator）是一款基于Cisco设备下的网络实验仿真软件。界面图形化，操作简单。该软件可为思科认证考试如CCNA、CCNP、CCIE等提供模拟实验环境。下面结合学校的情况和学生的学习习惯，对此模式教学的优劣势进行分析。

1.1 优势：GNS3与其他仿真软件的比较

对比其他网络仿真软件发现，GNS3具有快速构建复杂网络、可以互通物理网络或虚拟机、方便分析网络协议数据等方面的优势，在计算机网络实验教学中能得到很好的推广。下面将Packet Trace软件与GNS3软件做比较，总结GNS3在网络设备模拟实验上的优势。

GNS3能支持更多的设备命令与参数。由于GNS3直接运行Cisco网络设备的IOS，相当于整体模拟了整个硬件设备的系统，跟真实设备的命令完全相同。而Packet Trace只支持部分简单的路由器和交换机命令，一些复杂的命令却不能使用，如VRRP、HSRP、ACL限制上网时间等实验，无法在Packet Trace上开展。

GNS3能与真实设备相连。安装有GNS3的计算机通过网卡接口能与真实网络中任何设备如路由器、交换器、计算机、虚拟机等相连使用，进行数据通信。Packet Trace所有设备与外界没有接口，处于一个封闭虚拟环境，无法与真实网络环境连接，这是Packet Trace很大的局限性。

GNS3支持多种网络设备。GNS3除了基本網络设备外，还提供PIX防火墙、ASA防火墙、IDS入侵检测系统、ATM和帧中继交换机，这些设备大部分职业学校网络实验室拥有量少，甚至没有，而GNS3能填补这一空白。如今，计算机网络专业都有网络安全技术课程，网络安全技术中防火墙技术、入侵检测技术、入侵防御技术、VPN技术等，通过GNS3都能够很好地仿真，实验效果和真实设备一样，为教师的实验演示和学生的实操创造了一个仿真平台。

GNS3便于网络数据包分析。通过GNS3的集成Wireshark软件，在GNS3构建的网络拓扑上可以捕获任意路径上的网络数据报文，学生分析数据包，达到理解网络协议的原理，也能锻炼学生故障排查的能力。

1.2 劣势：GNS3功能的不足

GNS3对物理计算机的要求较高。GNS3要在一台物理计算机里运行多个网络设备，加上Vmware再运行几个虚拟机系统，占用系统内存很大，整台电脑运行效率会大打折扣。实验发现，将Vmware虚拟机系统使用的windows xp或2003，内存设置为128M（有特殊需求除外），这样能最大限度减少内存使用。

GNS3所加载的IOS仅支持cisco设备，对于国产的H3C、锐捷和神码等厂商设备暂时还不支持，不过锐捷的大部分命令与cisco相似，可供学生参考学习。

上网行为管理器与真实设备存在一些差异。GNS3原来并没有使用现成的上网行为管理器，在教学时使用的上网行为管理器是小草软路由，该软件仅是试用版，工作能力和运行速度还有待改善。

GNS3暂时还不支持无线设备，如做无线网络实验，须将GNS3与真实设备相连，才能完成实验。

2 GNS3在路由与交换教学中的仿真实验

GNS3支持调用真实设备的IOS，仿真度高，能完成高级网络技术实验，如基于时间的访问控制列表、热备份路由器协议HSRP、虚拟路由冗余协议VRRP等。下面以我校计算机网络专业的《路由与交换》课程中VRRP实验项目为蓝本来说明GNS3虚拟实验室在路由与交换实验教学中的使用方法。

2.1 实验设备的准备

本实例将使用GNS3和Vmware虚拟机软件搭建网络环境，进行虚拟路由冗余协议VRRP实验。实验所需设备如表1所示：

2.2 拓扑结构

在这个实验配置了vrrp 1组和vrrp 2组。在vrrp 1组中，主虚拟路由器（Master）为R1，备用虚拟路由器（Backup）为R2；在vrrp 2组中，主虚拟路由器为R2，备用虚拟路由器为R1。在网络实验VRRP配置正确的时候，PC1和PC2通过R1访问过远端R3；PC3通过R2访问过远端R3。在GNS3图形界面中设置添加三个路由器R1、R2和R3，一台二层交换机，三台电脑，实验涉及设备的实际连线，如图1所示。

R1、R2和R3均采用Cisco7200系列路由器，使用动态路由实现全网通行。三台电脑对应三台运行Windows server2003的虚拟机，设置所有网卡的连接方式为host-only，在GNS的电脑结点以太网NIO属性中通过虚拟网卡与虚拟机绑定。

2.3 系统配置

2.4 实验结果验证

对R1和R2配置完后，我稍微解释下，例如：PC2的默认网关是10.0.0.253，则当其访问外网时，它选择的路由器是R1，因为VRRP 1组中Master是R1路由器，Backup是R2路由器；同理，PC3访问外网时，选择的是R2路由器，因为VRRP 2组中Master是R2路由器，Backup是R1路由器。可以使用show vrrp brief或show vrrp all命令来查询vrrp的配置信息。

3 创新网络实验课教学

3.1 学校层面的影响

3.1.1 解决资金不足、设备匮乏的问题

职业学校的网络实验室，交换机、路由器、防火墙和IPS/IDS等网络设备，还有其他实验硬件设备价格昂贵，且更新淘汰快，学校很难为学生提供全面系统的网络实验环境。GNS3是一款开源的网络虚拟软件，可以适用于多种操作系统，使用灵活、升级方便，电脑与软件的价格大大低于各种网络设备，通过更改软件设置或升级软件版本，就可以輕松更换或升级更新网络设备，能有效解决学校办学资金不足的问题。

3.1.2 便于计算机机房设备管理

如果建设传统的网络设备实验室，学校需要对原有的机房进行大改造。布线工程、工位分组、设备购置等一系列做下来，至少耗时一个学期，且建好后的网络设备实验室也不便于教师开展实验的演示和管理，课后还需定期对设备进行检修。引进仿真教学后，只要在现有的学校机房中，进行简单的软件安装，就可以构建GNS3仿真网络实验环境，并可以和其他课程共用机房，不仅节省了教学资源，还可以让学生体验与真实硬件平台相同的实验环境。

3.2 创新了教师的教学

教师不受设备和场地的限制，能在电脑前使用GNS3模拟器进行备课和专业学习，将更多的精力投入到教学方法的钻研中。同时GNS3模拟器也便于师资的培训，给一些网络知识相对薄弱的教师提供一个很好的学习平台，在一定程度上提高教师专业水平、解决师资不足的问题。

使用GNS3模拟器可以将技能竞赛的项目融入日常教学中，完成一些相对复杂网络环境的模拟，解决以往无法将技能竞赛的内容与课程相结合的问题，既帮助学生加强对实际工程案例的认识，也能提高教师的教研水平，真正做到以赛促教。

3.3 改进了学生的网络实验环境及效果

使用真实设备开展实验，就必须将学生分组。受设备数量限制，同组学生只能轮流实验，甚至部分学生实验，其他学生观看，若要深入理解网络的组建与运行状况是不可能的，这就导致教师上课任务繁重、学生学习效率低。而使用GNS3和Vmware搭建网络环境，仅需要一个普通的电脑机房即可开展，可以保证每个学生都能进行实验操作。同时能够将实验实训的数据保存，方便以后继续使用，达到预期教学效果。学生亲手配置网络，并分析网络的运行情况，从而对网络实验有一定的感性认识，有助于进一步地理解网络原理和概念，更好地应用计算机网络。采用这样的实验实训模式，学生不仅能像操作真实设备那样进行实验，而且还避免了以前设备损坏、网线接触不良等现象的出现。

3.4 促进了专业的发展

计算机网络专业的发展必须依靠不同的网络设备，通过GNS3模拟器与其他软件的结合，使网络技术综合性实验实训较易实现。这样的网络环境还可以应用到计算机网络的其他课程中，如《网络设备配置与管理》《计算机组网技术及工程》《中小型网络构建》等，使用GNS3模拟器将这些本来支离破碎的课程很好地贯穿起来，为后续开设更深入的课程创造条件，如《网络安全与防火墙技术》课程，GNS3本身已经提供好相关的设备供其实验使用。

这样，教师和学生的积极性得到调动，在日常课程教学、竞赛训练、教师专业水平和学生实际操作能力上都可以有很大的提升，培养出来的学生能满足社会发展的需求，计算机网络专业可以得到长足的发展。

4 结束语

在路由与交换实验教学中利用GNS3+Vmware环境进行仿真实验，网络搭建方法简单，成本低，效果和用真实的网络设备实验几乎没区别，为路由与交换实验教学提供了一个很好的网络实训平台，解决了网络实验室资源匮乏的状况，避免了计算机网络只是资金充裕学校能办的专业的囧状，利于实现教育均衡。学生利用GNS3+Vmware可以仿真基础类和设计类实验，还可以拓展创新类实验，鼓励学生大胆去探索、实践和创新，有效地提高学生的动手能力和创新能力，使学生可以将课堂获得的网络实践技能迅速地转到未来工作的真实网络设备中，为就业打下扎实的基础。

参考文献：

[1] 王飞.GNS3在高职计算机专业网络课程教学中的应用研究[J].计算机工程应用技术，2012（6）.

[2] 游胜玉，何璘琳，赵美丽.基于GNS3的计算机网络仿真实验教学研究[J].东华理工大学学报，2015，3（1）.

[3] 容振邦，高伟峰.GNS3虚拟实验室的计算机网络工程实验教学研究[J].实验室科学，2015，6（3）.

【通联编辑：张薇】