基于GNS3的IPv4与IPv6互通实验教学设计

周国军 刘爱民

1 玉林师范学院数学与信息科学学院 广西玉林 5370002 玉林师范学院教育技术中心 广西玉林 537000

1 引言

随着互联网技术的发展和互联网规模的不断扩大，IPv4已经面临地址空间不足、网络安全性不高、QoS无法保证等问题。为了从根本上解决这些问题，IETF提出了IPv6，经过十几年的研究和实验，目前IPv6已经进入商用部署阶段[1]。由于Internet上的大量设备使用IPv4，IPv6不可能在短时期内取代IPv4，为了实现IPv4向IPv6平稳过渡，保证IPv4和IPv6网络之间的互相通信是必须解决的问题[2]。目前解决IPv4向IPv6过渡问题的基本技术有双协议栈技术、隧道技术和协议翻译技术[3]。NAT-PT（Network Address Translation-Protocol Translation）是一种典型的协议翻译技术，NAT-PT设备完成IPv4/IPv6地址的转换，并对协议进行翻译，从而实现IPv4网络与IPv6网络的互相通信。

计算机网络是一门实践性很强的课程，结合理论教学开展实验是该课程教学中不可缺少的环节。由于网络设备价格昂贵，很多高校没有足够的硬件设备用于网络实验教学。在硬件设备缺乏的情况下，采用网络模拟软件搭建网络实验平台，不但可以解决实验室设备投入和需求之间矛盾，而且能提高实验教学的效率和质量[4]。GNS3是一款常见的图形化网络模拟软件，可以在Windows、Linux等系统下运行，能够模拟路由器、防火墙、交换机等网络设备。由于GNS3使用真实的Cisco IOS操作系统，使用该软件可以模拟复杂的网络环境，让学生体验与真实硬件平台相同的学习环境[5]。本文以NAT-PT技术为例，介绍如何在Windows系统下基于GNS3搭建实验环境，通过实验模拟IPv4与IPv6网络互相通信。

2 NAT-PT技术简介

NAT-PT是一种IPv4网络和IPv6网络之间直接通信的过渡方式[6]，IPv4/IPv6地址转换和协议翻译由NAT-PT设备完成。其技术要点包括两个方面：一方面是NAT-PT设备向IPv6网络发布一个长度为96比特的IPv6前缀，该前缀与IPv4地址相拼接就是IPv4地址转换后的IPv6地址，IPv6主机使用转换后的IPv6地址访问IPv4网络；另一方面，NATPT设备为IPv6网络分配IPv4地址池，并维护IPv4和IPv6地址的映射关系，IPv4主机使用IPv4地址池中的地址访问IPv6网络，从而实现IPv4节点和IPv6节点之间的透明通信。

3 实验环境搭建

本文的实验在Windows系统下进行，下面介绍搭建实验环境的基本步骤。

1）下载、安装GNS3。在GNS3的官方网站（http://www.gns3.net）下载最新版本的安装程序，采用默认的安装方式，把 WinPcap、Wireshark、Dynamips、Pemu、VPCS、GNS3 等组件安装到计算机中。

2）配置IOS。GNS3没有提供Cisco IOS映像文件，需要从其他途径获取。启动GNS3后，选择“Edit”菜单下的“IOS images and hypervisors”，在打开的对话框中单击“Image files”右边的按钮，选择已准备好的IOS映像文件，单击“打开”按钮返回对话框，再单击“save”按钮保存配置。本文的实验使用的IOS映像文件为c3745-advipservicesk9-mz.124-3c.bin。

3）为路由器选择一个合适的IDLE PC值。一个合适的IDLE PC值可以有效地降低IOS消耗的CPU资源。以路由器R1为例，操作过程：从GNS3图形窗口的Node Types区拖动1台Router c3700（命名为R1）到工作区，单击工具栏上的“Start/Resume”按钮启动路由器；右键单击R1图标，选择“Idle PC”菜单项，GNS3将自动计算IDLE PC值并列出多个选项，选择带“*”标注的选项，单击“OK”按钮保存IDLE PC值。

4）为主机配置NIO_udp接口。本文的实验采用VPCS软件模拟主机，VPCS软件中的虚拟PC机使用UDP端口号与GNS3的主机进行通信。其中，第1台虚拟PC机（VPCS[1]）默认的UDP本地端口号、远程端口号分别为20000、30000，第2台虚拟PC机（VPCS[2]）默认的UDP本地端口号、远程端口号分别为20001、30001，依此类推。以PC1为例，为PC1配置NIO_udp接口的过程：拖动1台Host（命名为PC1）到工作区，右键单击PC1图标，选择“Configure”菜单项，在打开的对话框中单击“PC1”结点，再单击“NIO UDP”选项卡，在Local port栏输入30000，在Remote port栏输入20000，分别单击“Add”“OK”按钮为PC1上添加一个NIO_udp接口。

4 实验拓扑结构及IP地址规划

根据NAT-PT技术的基本要点设计实验拓扑结构。使用的设备包括：1台型号为c3700的路由器（命名为R1）用于模拟NAT-PT设备，2台以太网交换机（命名为S1、S2）用于模拟IPv4、IPv6网络，2台主机（命名为PC1、PC2）用于模拟IPv4、IPv6主机。其中，R1的f0/0接口与S1相连，R1的f0/1接口与S2相连。2台主机使用NIO_udp接口分别与S1、S2相连。实验拓扑图如图1所示。给路由器和主机分配的IP地址如表1所示。

表1 路由器接口与主机IP地址分配表

5 实验步骤及测试

5.1 实验操作步骤

1）按照图1在GNS3图形窗口中建立实验拓扑图。

2）对路由器R1进行配置，包括三个方面的配置内容：

①给接口f0/0、f0/1分配IP地址，并启用接口的NATPT功能：

5.2 实验测试与分析

1）执行命令R1# show ipv6 nat translation，结果表明路由器R1的NAT-PT表中还没有IPv4与IPv6的转换条目。因此，此时IPv4主机无法访问IPv6主机，但是IPv6主机可以访问IPv4主机，把IPv4主机的32位IPv4地址与96位IPv6前缀相拼接，就得到了转换后的IPv6地址。例如，PC1的地址为192.168.11.2，IPv6前缀为2013:1111::/96，则转换后的IPv6地址为2013:1111::c0a8:b02。可见，采用动态NAT-PT，通信只能由IPv6主机发起。

2）PC2 上 ping PC1，即：VPCS[2]＞ping 2013:1111::c0a8:b02。然后执行命令R1# show ipv6 nat translation，结果如图2所示。结果表明，ping命令创建了一条转换条目，该条目列出了PC2的IPv6地址转换后的IPv4地址（即为192.168.12.1），该地址是路由器R1按照IPv4地址池的地址范围给PC2动态分配的。

3）PC1使用PC2转换后的IPv4地址去访问PC2，在PC1上ping PC2，即：VPCS[1]＞ ping 192.168.12.1。结果如图3所示，表明PC1与PC2能够互相通信。

4）执行命令R1# show ipv6 nat translation，查看R1的NAT-PT表，结果如图4所示。结果表明，路由器R1已经为PC1、PC2建立IPv4/IPv6的映射关系。路由器按照NATPT表转发IP分组，从而实现IPv4与IPv6网络的互相通信。

6 结语

随着IPv6网络的逐步部署，掌握IPv4向IPv6过渡技术是很重要的。本文使用GNS3模拟软件搭建网络实验环境，解决了因缺乏网络设备而无法开展IPv6实验教学的问题。设计一个IPv4与IPv6网络互相通信的实验教学案例，通过对NAT-PT设备（路由器）进行配置和对实验进行测试，使学生理解NAT-PT技术的基本要点和IPv4/IPv6互相通信的基本原理。在玉林师范学院信计、信管专业的计算机网络实验教学中，大多数学生能够在2课时内完成该实验，取得很好的实验教学效果。

[1]仝亚鹏,李振强,魏冰.IPv6过渡技术分析[J].电信科学,2011(1):52-59.

[2]王晓峰,吴建平,崔勇.互联网IPv6过渡技术综述[J].小型微型计算机系统,2006,27(3):385-394.

[3]毕军,王优,冷晓翔.IPv6过渡研究综述[J].电信科学,2008(10):12-21.

[4]续志学.关于高等院校建立虚拟教学实验室网络平台的探讨[J].中国教育技术装备,2011(18):124-126.

[5]彭春燕,刘兵.GNS3在计算机网络课程教学中的应用[J].学理论,2010(20):292-293.

[6]梁广民,王隆杰.思科网络实验室CCNP（路由技术）实验指南[M].北京:电子工业出版社,2012:324-325.