基于GNS3的计算机网络仿真实验教学研究

游胜玉，　何璘琳，　赵美丽

(东华理工大学 软件学院，江西 南昌 330013)



基于GNS3的计算机网络仿真实验教学研究

游胜玉，何璘琳，赵美丽

(东华理工大学 软件学院，江西 南昌 330013)

摘要：计算机网络是一门实践性非常强的课程。由于实验实训环境有限，很多实验无法开展，仿真软件成为了教学的必要手段，可以降低实验成本，培养学生的创造能力。通过GNS3仿真软件搭建实验平台，以核心交换机实现热备份路由协议HSRP技术为实例介绍了仿真实验的过程。

关键词：计算机网络；GNS3；仿真实验教学

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：社会科学版，2015，34(1)：85-88.

You Sheng-yu, He Lin-Lin, Zhao mei-li.Simulation experimental teaching research of computer network based on GNS3[J].Journal of East China Institute of Technology(Social Science)，2015，34(1)：85-88.

计算机网络课程是计算机相关专业的一门核心课程，是一门理论性和实践性并重的课程[1]。随着计算机网络技术的不断发展，社会需求的日益增加，网络拓扑结构也在不断地复杂化，传统的实验教学环境已远远不能满足教学的要求。目前开设的计算机网络课程实验是以交换机和路由器设备为主的工程实验，这些实验主要是以设计型和验证型实验为主，在实验开展中需要一定数量的计算机、交换机和路由器、服务器等设备，这意味着需要投入高成本，且维护也较复杂。即使拥有这样的实验环境，但由于学生为初学者，如果在实验过程中硬件设备出现故障而导致实验失败，对于初学者来说，不知道问题出现在哪里，从而影响实验效果[2,3]，针对这些网络实验问题，引入GNS3仿真软件，通过仿真软件来搭建实验环境，可以降低投资成本，将理论与实践更好地结合起来，更好地培养学生综合实践能力。

1GNS3介绍

GNS3是一款优秀的具有图像化界面可以运行在多平台(包括Windows, Linux, MacOS等)的网络虚拟软件，可以通过它来完成CCNA、CCNP、CCIE等Cisco认证考试的相关实验模拟操纵。同时它也可以用于虚拟体验Cisco网际操作系统IOS或者是检验将要在真实的路由器上部署实施的相关配置。GNS3软件为设计和配置网络拓扑提供了平台和技术支持，包含了路由器、交换机、防火墙、主机等一系列的模块，根据自己的需求，运用不同的模块来搭建网络拓扑和环境，实现数据的抓包、路由的配置、安全防护等各种功能。

目前市面上出现很多的网络设备模拟软件，例如：Cisco Packet Tracer、 Boson NetSim、 DynamipsGUI、GNS3等等，在这些模拟软件中，Cisco Packet Tracer、 Boson NetSim是模拟设备的命令，它们是方便工程技术人员学习；DynamipsGUI、GNS3是在计算机中虚拟出网络设备并安装相应的操作系统，是真实模拟路由器的行为。在计算机网络实验教学中，为了让学生更好地把理论与实践结合起来，深刻理解和掌握理论知识，并能够把理论知识运用到实践中，需要采用更真实的模拟环境软件。又由于DynamipsGUI在编辑相应网络的拓扑结构后不易修改，因此在计算机网络实验教学中选用了GNS3仿真软件[4]。

2仿真实验

GNS3可以仿真各种不同类型的网络实验，如路由选择协议的配置，访问控制列表ACL配置、网络地址转换NAT功能配置、快速生成树协议的配置、虚拟局域网VLAN划分等等。下面以在核心交换机上实现热备份路由HSRP技术为例进行说明。

2.1　热备份路由协议HSRP介绍

HSRP的英文全称是Hot Standby Router Protocol，是思科推出的用于建立容错默认网关的专有冗余协议，它为ip网络提供容错和增强路由选择功能，增加网络的冗余，提高企业网络的整体稳定性[5]。实现热备份路由协议HSRP的条件是系统中有多台路由器，它们组成一个“热备份组”，这个组形成一个虚拟路由器。在任一时刻，一个组内只有一个路由器是活动的，并由它来转发数据包，如果活动路由器发生了故障，将选择一个备份路由器来替代活动路由器，但是在本网络内的主机看来，虚拟路由器没有改变。所以主机仍然保持连接，没有受到故障的影响，这样就较好地解决了路由器切换的问题。

为了减少网络的数据流量，在设置完活动路由器和备份路由器之后，只有活动路由器和备份路由器定时发送HSRP报文。如果活动路由器失效，备份路由器将接管成为活动路由器。如果备份路由器失效或者变成了活动路由器，将有另外的路由器被选为备份路由器。

在实际的一个特定的局域网中，可能有多个热备份组并存或重叠。每个热备份组模仿一个虚拟路由器工作，它包括一个Well-known-MAC地址和一个IP地址。该IP地址、组内路由器的接口IP地址和主机在同一个子网内的IP地址都不能一样。当在一个局域网上有多个热备份组同时存在时，把主机分布到不同的热备份组中，可以使路由器负载得到分担。

2.2　热备份路由协议HSRP 实验网络拓扑结构的设计

首选在GNS3的工作区域绘制网络拓扑结构图，绘制的网络实验拓扑结构如图1所示，在本拓扑结构图中选用了两台三层交换机，在这两台三层交换机之间采用热备份路由协议HSRP，来保证两台路由器中的任意一台down掉，或路由器的广域网口down，都会迅速切换到另外一台。根据设备选择原则，设备的选择够用即可，另外选择了9台24端口的二层交换机，并在核心交换机和二层交换机上划分了6个(vlan10、vlan11、vlan20、vlan21、vlan30、vlan31)虚拟局域网，其中vlan10、vlan11、vlan20和vlan21在Core SW1上的HSRP的优先级较高， vlan30和vlan31在Core SW2上的HSRP的优先级较高。

图1　HSRP实验拓扑结构图

2.3　HSRP的配置及应用

HSRP协议利用一个优先级方案来决定哪个配置了HSRP协议的路由器成为默认的主动路由器。如果一个路由器的优先级设置得比所有其他路由器的优先级高，则该路由器成为主动路由器。路由器的缺省优先级是100，所以如果只设置一个路由器的优先级高于100，则该路由器将成为主动路由器。在这实验网络拓扑结构上将核心交换机Core Sw1的vlan10、vlan11、vlan20、vlan21优先级设置为150，vlan30和vlan3保持默认优先级；核心交换机Core Sw2的vlan10、vlan11、vlan20、vlan21保持默认优先级，vlan30和vlan31优先级设置为150。通过在设置了HSRP协议的路由器之间广播HSRP优先级，HSRP协议选出当前的主动路由器。当在预先设定的一段时间内主动路由器不能发送hello消息时，优先级最高的备用路由器将变为主动路由器。路由器之间的包传输对网络上的所有主机来说都是透明的。因此，在vlan10、vlan11、vlan20、vlan21上交换机Core Sw1成为HSRP主路由，交换机Core Sw2成为HSRP备份路由；在vlan30和vlan31上交换机Core Sw2成为HSRP主路由，交换机Core Sw1成为HSRP备份路由。

第一，每一个教学点均安排一个蹲点领导具体分管该教学点的工作，教学点负责人直接对分管领导负责，分管领导对校长负责。

配置HSRP的成员，在核心交换机Core Sw1和Core Sw2上，优先级为150的配置命令是同理的，优先级100的配置命令同理的，因此核心交换机Core Sw1上的vlan10、vlan11、vlan20、vlan21和核心交换机Core Sw2上的vlan30、vlan31配置命令方式一样；核心交换机Core Sw1上的vlan30、vlan31和核心交换机Core Sw2上的vlan10、vlan11、vlan20、vlan21配置命令方式一样，下面列出部分vlan配置命令。

①核心交换机Core Sw1上vlan10配置命令：

Core Sw1 (config)#int vlan 10

Core Sw1 (config-if)#standby 10 ip 192.168.10.101

Core Sw1 (config-if)#standby 10 priority 150

Core Sw1 (config-if)#standby 10 preempt /*配置HSRP占先权,当组中有优先级更高或者原活跃路由器又恢复工作时可以抢回活跃路由器的角色。*/

Core Sw1(config-if)#standby 10 track Et0/0.1 100 /*配置端口跟踪,活跃路由器可以通过端口跟踪知道是否有童心故障，当某端口不能通信时自动将自己的优先级降低，保证备份路由器可以迅速转换成活动路由器角色承担发包责任。*/

②核心交换机Core Sw1上vlan30配置命令：

Core Sw1 (config)#int vlan 30

Core Sw1 (config-if)#standby 10 ip 192.168.30.101

Core Sw1 (config-if)#standby 10 preempt

2.4　实验结果验证

在两台三层核心交换机配置HSRP命令完成后，核心交换机Core SW1和Core SW2的输出如表1和表2所示：

表1　Core SW1上的HSRP状态表

表2　Core SW2上的HSRP状态表

通过实验可以得出，在此拓扑结构上配置热备份冗余协议HSRP具有以下特点：

(1)高度的可靠性，两台设备中的任意一台down掉，或路由器的广域网口down，都会迅速切换到另外一台。

(2)有效地实现了负载均衡，在核心交换机上划分出各自的vlan， vlan10~vlan21在Core SW1上的HSRP的优先级较高，vlan30~vlan31在Core SW2上的HSRP的优先级较高。充分利用了带宽资源，而且实现了负载均衡。

(3)充分利用了多以太口路由器在划分多业务网段上的功能，也只有多以太口路由器在HSRP应用中才能实现两个路由器间的负载分担，这是具有四个以太口路由器的极大的优点。

(4)不存在单点故障问题，增强骨干网的稳定性。

3结束语

在计算机网络的实验教学中利用GNS3进行仿真实验，既能降低网络设备的投资成本，又能提高学生的动手能力和创造能力，提高做实验的效率。学生可以利用GNS3仿真基础类实验、设计类实验，还可以开拓创新性实验，鼓励学生探索、创新和实践[6]，并且GNS3能够真实模拟路由器的行为，使得学生可以更好地把理论与实践结合起来，能够把实践知识应用到实际的环境中，为以后的工作打好基础。

[参考文献]

[1] 刘利强,陈凯文,周细义.计算机网络实验教学的改革与实践[J].实验技术与管理,2007(12):118-120.

[2] 薛琴.基于Packet Tracer的计算机网络仿真实验教学[J].实验室研究与技术,2010(29)：57-59.

[3] 彭秋发,李农勤,余燕.影响当前高校教学质量几个因素的再探讨[J].东华理工大学学报:社会科学版,2010(3):279-282.

[4] 顾春峰,李伟斌,兰秀凤.基于VMware、GNS3实现虚拟网络实验室[J].实验室研究与探索,2012,31(1):73-75.

[5] 奥登,盖译,梅塔. CCIE路由与交换认证考试指南(第二版)：英文版[M]. 北京:人民邮电出版社，2007:160-168.

[6] 曹俊武,何剑锋,何月顺，等.嵌入式系统平台下创新实验方案的探究与实践[J].东华理工大学学报:社会科学版,2013(1):81-83.

Simulation Experimental Teaching Research of Computer Network Based on GNS3

YOU Sheng-yu,HE Lin-lin,ZHAO Mei-li

(Collegeofsoftware,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang330013,China)

Abstract:Computer network is a course with very strong practicality. Because the experimental environment is limited, many experiments can not be carried out. Thus, simulation software become a necessary means of teaching. It can reduce the cost of experiments, and train the creative ability of students. The experiment platform is set up by using GNS3 simulation software, and the paper takes the core switches implement the hot backup routing protocol technology for example to introduce the process of simulation experiment.

Key Words:computer network; GNS3; simulation experiment teaching

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1674-3512(2015)01-0085-04

作者简介：游胜玉(1980—)，女，江西丰城人，讲师，硕士研究生，主要从事计算机网络教学与科研研究。

基金项目：江西省2013年教改课题(JXJG-13-6-13)资助。

收稿日期：2014-10-04