童孟军，徐博文，袁子钰

（1.浙江农林大学信息工程学院，临安311300；2.杭州电子科技大学计算机学院，杭州310018；3.浙江农林大学浙江省林业智能监测与信息技术研究重点实验室，临安311300）

0 引言

本次研究的目的是为教学提供可参考材料的，所以将结合尽可能多的学习软件，扩展实验知识点的涵盖量。希望通过本次设计掌握相关模拟器的使用，并能通过该路由模拟器完成基本的或者更加复杂的综合实验。学生通过对这些网络实验的配置，可以掌握路由、交换、安全等知识，提高自己的网络实验动手能力。

本次应用使用的核心软件为GNS3，简单的说它是Dynamips的前端开发工具。该软件在此基础上还整合了Winpcap、Wireshark、Pemu（防火墙模拟器）等软件于一身，这样一来使我们在提高路由、交换、安全等网络技术的同时，还能通过对实验过程中抓包的分析等功能，提高对多种协议和多种通信原理的深层理解[2]。

1 基于GNS3模拟器实验方案设计

1.1 需求收集

本次设计最主要的目的是服务于高校相关网络课程的教学，满足学生在没有硬件设备的情况下也能方便地自学路由配置知识的愿望。本着“服务于什么就应走到他们中去的原则”，在开始这次实验方案设计前，首先需要收集和整理相关网络技术方面的重要知识点。

1.2 实验方案总体设计思路

本次设计是希望借助路由器模拟器GNS3丰富网络课程教学，提高网络课程教学的效率。通过学习相关软件的使用方法，设计出若干个路由交换等方面的实验案例，包括其详细的实验步骤及实验方法，让学生能够通过模拟器对路由器的配置更加熟练，同时也在实验设计过程中对Wireshark、GNS3、SecureCRT等网络涉及的常用软件更加了解，增强故障排错的能力[3]。

1.3 实验设计的软件环境

本次毕业设计所有软件都在Windows7操作系统下搭建。

设计中使用的软件工具主要有：GNS3软件；VPCS（Virtual PCSimulator）软件（PC的模拟器，占用内存资源小）；SecureCRT终端软件；Wireshark抓包软件、VM⁃ware、Pemu等[4]。

1.4 实验设计内容

本次实验设计主要涵盖了三方面内容：计算机网络基础协议实验设计、路由协议实验设计及交换协议实验设计。

（1）基础性实验设计及开发

正如人们所了解的一样，良好扎实的基础是一切事物发展的保障，基础性实验的配置是每个初学者必须扎实掌握。基于这个原则，实验设计开始的第一项就是若干个基础性实验的设计及扩展开发。

本次基础性实验主要要完成以下实验：

●涉及ping命令及ACL的基础实验设计

●基础帧中继实验设计

●DHCP实验设计

（2）路由方面实验设计及开发

GNS3所基于的Dynamips本质上是一个路由器硬件环境模拟器，它能够模拟出真实的路由器环境，基于其强大的路由功能，本次实验设计把主体放在了路由知识上，此次实验方案中涵盖了路由协议方面多数的知识点，完成的实验主要有以下几个：

●RIPv1和RIPv2间的路由选择实验设计

●RIP非连续子网实验设计

●从RIP到EIGRP的过渡实验设计

●EIGRP非等效负载均衡实验设计

●帧中继网络点到多点OSPF实验设计

●路由重分布实验设计

2 GNS3计算机网络实验教学具体实验案例

这次研究的重点成果之一是设计完成一系列能供计算机网络实验教学使用的实验案例，本次课题总共完成了十余个实验，涵盖了网络方面重要的两大知识点：路由和交换，在这个前提下为了让学生能够更加容易的学习这两个知识点，还添加了几个基础性的实验设计供初学者的入门学习。通过这些实验的亲手操作希望学生能够扎实掌握这两部分的重要知识点以及一些常见配置的案例。以下是各个部分中典型的实验案例说明。

2.1 涉及ping命令及ACL的基础实验设计

实验设计背景：

通过之前网络工程与设计课程的学习，我们应该已经能了解到访问控制列表在整个网络工程课程学习的重要性，再加上ping命令是一个在测试实验配置结果时常用的命令，所以本次设计的理念就将这两者结合起来，帮助学生扎实掌握基础知识，为今后的学习奠定良好的基础。

实验设计拓扑：

通过对本次实验设计所需涵盖的知识点归纳，设计出了如图1所示的网络拓扑图。

图1 ACL实验拓扑图

实验设计过程：

本次实验我们通过两种方式模拟PC，一种是使用PC模拟器VPCS软件；另一种是使用路由器关闭路由选择（no ip routing）功能模拟，基本的配置只需在上面配置IP地址和默认网关就可以了，这种方便快捷简便，方便实验。

对于三个路由器R1、R2和R3，首先完成简单的IP配置如图1中所示，接着在三个路由器用RIP路由协议。接着用ping命令测试路由器之间的连通性[4]。

对于标准ACL的设计，我们设计为阻止192.168.1.0/24网段在R2上的通讯，配置如下：

R2（config）#access-list 1 deny 192.168.1.0 0.0.0.255

实验设计需达到的效果：

希望通过本次实验学生能够了解标准的ACL和扩展的ACL之间原理和配置的差异性，学会扩展ping命令的使用。

实验主要涉及协议：

Internet控制报文协议ICMP，ICMP是在RFC 792中定义的互联网协议族之一。通常用于返回的错误信息或是分析路由[5]。ICMP错误消息总是包括了源数据并返回给发送者。每个ICMP消息都是直接封装在一个IP数据包中的，因此，和UDP一样，ICMP是不可靠的。

2.2 RIP路由协议相关实验设计

实验设计背景：

通过路由协议的学习，我们都能清楚的知道RIP协议是有类路由协议中一个十分重要的协议，为了加强对该协议的学习，本次设计中考虑到了RIP协议一些重要的特性，如版本一不支持不连续的网络；版本二默认时不接受版本一的更新信息等。根据这些特性，本次设计的理念是想办法解决这些问题，以使这些功能能够实现。

实验设计拓扑：

根据实验需解决的问题，我们应用到两个拓扑图，如下图2和图3所示，分别对应的是非连续子网解决方案和RIPv1与RIPv2之间路由选择的解决方案。

图2 RIP非连续子网拓扑图

图3 RIPv1与RIPv2拓扑图

实验设计过程：

●非连续子网实验解决方案

①配置路由器IP、RIP协议。

本次实验启用的是版本一的RIP协议，为了解决的是版本一中不支持不连续网络的问题。路由器IP配置如拓扑图2中所示。

②路由器间连通性测试。

通过各路由器间使用ping命令测试会发现R2到达10.33.0.0网络和到10.33.32.0网络总有一个网络不能到达，这就是不连续子网导致的。

③辅助地址的配置

为了解决不连续子网问题，我们就需要联系之前学习过的知识，通过辅助地址的配置，使整个网络互通。

④测试结果

辅助地址配置完成后再次通过调试命令查看正确与否。

●RIPv1和RIPv2之间路由选择实验方案：

在开始一个实验的时候，我们需要考虑的是这个实验在实际生活中的可利用性，所以本次设计设计出了这样一个和现实较符合的场景：为了让总公司路由器能够收到子公司路由器上路由更新信息，我们需要解决：让RIPv2能够接受版本一的路由更新。于是有了这次实验的设计：

①首先在所有路由器上开启RIPv1的协议，我们运用R2模拟总公司的路由，R1模拟子公司的路由。

②现在公司规模扩大，R2和R3上开启了RIP版本二的协议。

③为了让R1上版本一的路由信息能够很好地被R2和R3学习，我们需要在R2上启用接受版本一的更新，相关的命令为：

R1（config）#int s1/0

R1（config-if）#ip rip receiveversion 1

最后进行一些测试工作验证配置的正确性。

实验需达到的效果：

希望通过两个实验设计的全过程让学生更加熟悉RIPv1和RIPv2的差异性和统一性，在今后路由协议的运用中做到游刃有余。

实验主要涉及协议：

路由信息协议RIP，路由信息协议（英语：Routing Information Protocol，缩写：RIP）是一种使用最广泛的内部网关协议（IGP）。（IGP）是在内部网络上使用的路由协议（在少数情形下,也可以用于连接到因特网的网络），它可以通过不断的交换信息让路由器动态的适应网络连接的变化，这些信息包括每个路由器可以到达哪些网络，这些网络有多远等。RIP属于网络层。

3 实验结果归纳及问题分析

3.1 实验结果归纳

本次研究主要涉及3个包涵计算机网络各方面技术的大实验，若将这3个大实验拆分，又可分为十余个比较有代表性的在计算机网络教学中经常出现的实验案例。

由于GNS3自带有拓扑的保存和拓扑中所有硬件设备相应配置的导入导出功能，也使得对于各实验成果的检验和复习变得非常方便。在此次设计过程中，所有的实验拓扑以及所涉及设备的配置全部有所存留，方便日后应用。其中GNS3对于实验拓扑的保存方式为.net文件，而所有设备配置信息导出后的文件后缀名均为.cfg（config）。

3.2 实验中所遇问题分析

正如在3.1节中所描述的那样，整个设计中所遇到的技术问题都不是非常复杂，所以在解决技术方面问题所消耗的时间较少，大部分的时间都花在了考虑如何综合计算机网络实验内容和如何充分展现GNS3对于模拟网络实验所具备的优势上。

本次设计中主要做的就是展现GNS3相对于其他网络模拟器的优势方面，从而为将GNS3应用于计算机网络实验课程的教学做适当的铺垫。

本次设计比较遗憾的地方就是没有能将GNS3的抓包功能更形象具体的展现，由于配套的WireShark抓包工具所能在教学方面做到的贡献实在有限，而一时又想不到什么其他的方法来体现所有链路上所传数据包的细节，所以没能将试验中更加底层的技术展现出来，这方面只能通过其他的途径来加以弥补。

4 结语

本次研究设计出了一系列适用于计算机网络实验课程教学且能充分展现GNS3网络模拟器强大功能的实验案例，并具体讲解了GNS3在日常模拟应用中的很多细节操作，可以说是对GNS3做了一个较为完整的概括分析和应用指南。

本次设计突出了GNS3的优势，即能够真实的模拟路由器IOS。该模拟器能够实现几乎所有真实路由器的功能。在本次设计的路由部分涵盖了RIP、OSPF、EIGRP、路由重分发等相关重要路由协议的知识点以及它们之间相互渗透的配置。同时在各个实验的进行的过程中充分的应用了GNS3的丰富拓展功能，如VPCS和路由器对于PC的模拟、VMware虚拟机和真机物理网卡与虚拟拓扑的连接、WireShark抓包工具以及实验涉及协议的简析。对教师的教学质量和学生的学习效率上有很大的提升。