静态路由实验系统设计与分析

李冬霞

(中国民航大学电子信息工程学院，天津 300300)

0 引言

路由器是重要的网络互连设备，它通过搜索存储在路由表中的路由信息将数据从源端转发到目的端，故路由表是路由器工作的核心。路由表的产生主要有静态路由和动态路由两种方式［1］。因此，静态路由和动态路由配置实验成为我校“数据通信与计算机通信网”课程必修的实践项目。由于条件限制，难以配置足够的实际路由设备以满足学生实践训练需要，而借助网络实验仿真软件完成实验成为较理想的选择。

据笔者调查，现有大部分静态路由仿真实验要求按照流程完成配置，学生能力培养仅仅限于会配置操作，对路由原理并不能深入了解，更不能从网络通信协议体系的角度透彻地理解路由器功能。针对这一现状，本文精心设计了静态路由配置仿真实验，不仅关注路由器配置技能的充分训练，更希望学生通过实验对静态路由相关概念、原理有深入的理解，从整体上把握路由器作为网络互连设备的本质。

1 设计目标与仿真平台

1.1 设计目标

路由器使用路由表保存与传输路径相关的各种信息，供路由选择时使用。静态路由表由管理员在系统安装时根据网络的配置情况预先设定，不会随网络状态的改变而改变。静态路由具有较高的路由优先级和较低的路由成本。本实验设计目标如下。

(1)通过实验理解静态路由工作原理，熟悉路由器的基本配置模式、命令与配置流程，特别是通过实验使学生对抽象的概念有直观理解，比如:路由表、管理距离(AD)和度量值(Metric)等概念，这样才能做到理论与实践的有效统一。

(2)尽管路由器属于网络层设备，但是在实验中要强调协议层次与体系的理念，体现出物理层与链路层的配置与操作，并尽可能多地覆盖相关知识点，使学生充分理解低层核心功能以及典型的协议原理，这样才可以更全面地认识路由器。

(3)在实验中设计不同场景，引发学生对可能结果的判断与思考;特别是针对容易出错的概念，要求学生通过配置、检测与分析，验证这些理论。这样才能真正达到实验目的。

1.2 仿真平台

目前网络实验的仿真平台有BosonNetsim、Dynamips、Packet Tracer 等［2，3］。考虑到思科公司的Packet Tracer平台在实验过程中数据包的变化状况可以实时监测，在实验配置和数据的检验方面更为完整，最贴近路由配置的教学目标与实验需求［4］。故本文选择在Packet Tracer平台下进行静态路由仿真实验设计。

2 拓扑设计及设备接口分配

基于以上设计目标，笔者设计出静态路由模拟实验系统，其拓扑结构如图1所示。该系统模拟四组学生用户，第一、二组学生用户与交换机Switch0相连，第三组与交换机Switch2相连，第四组与交换机Switch1相连。所有学生用户通过相应的交换机与路由器Router0、Router1和Router2相连。教师机(PC0)模拟管理者角色，直接与路由器Router0相连。在该拓扑结构设计时考虑以下因素。

2.1 物理层相关知识的渗透

为了使学生对网络通信物理层功能有更全面认识，按照地址规划将实验系统整体划分为六个网段，专门设计使用了串行线、直连线和交叉线等，以便学生区分不同网络连接线的使用场合。第一、二组学生用户同时与交换机Switch0相连，便于学生通过实验去验证“交换机能否实现不同网段网络互连”的理论。

路由器Router0和Router2之间专门设计为串口(Seria)相连，而路由器Cisco2811没有串口，需手动添加。在仿真平台路由器配置窗口的Physical区选择NM-4A/S模块，将其拖放到路由器的空模块槽中完成添加［5］。该过程帮助学生理解路由器物理接口板卡概念。

2.2 链路层相关知识的渗透

路由器串口的配置不同于Ethernet口，需要配置串口数据速率。实验中选择在DCE侧用“clock rate”命令配置串口数据速率［6］。配置时分别选择HDLC协议和PPP协议封装，通过对比，使学生加深对点到点连接链路层协议以及路由器协议转换功能的理解。

图1 仿真实验拓扑

所设计的实验系统中交换机端口分配如表1所示，路由器接口配置如表2所示。

表1 交换机端口分配

表2 路由器接口配置信息

3 静态路由配置实践

为了更好地理解静态路由的原理和特点，本实验设计时故意留下漏洞，通过两种场景、分2个阶段实施静态路由配置实验。

3.1 第一阶段配置

按照表3所示关系配置用户组一与用户组三、用户组四之间的静态路由，用户组二与用户组三、用户组四之间的静态路由，用户组三与用户组四之间的静态路由，基本步骤如下。

表3 静态路由配置要求(第一阶段)

1)静态路由配置

在路由器全局配置模式下，使用命令“ip route”进行静态路由配置，以路由器Router0为例，配置用户组一到用户组三和用户组四之间的静态路由如图2所示:

图2 静态路由配置命令(Router0)

2)路由表检测

用命令“show ip route”查看路由表。以Router0为例，其详细信息如图3所示。路由表中首列的“C”代表直连路由，“S”代表静态路由，第2列为目的网络地址信息，其后的“［1/0］”符号中“1”代表默认静态路由AD值，“0”代表度量值，最后的“192.168.50.2”表示下一跳经过 Router0的串口转发数据。可见，图2中静态路由配置命令有效。

图3 路由表信息(Router0第一阶段)

3)连通性测试

通过PacketTracer的“Realtime”模式和“Simulation”两种方式，用户组之间互相发送数据包(“ping”数据包)，验证网络连通状况，进一步证明静态路由是否配置成功［7］。

测试表明，第一组用户与第二组用户无法连通，教师机与第一组互通，但是与第二组、第三组和第四组均无法连通。针对以上两种现象要求学生通过“realtime”模式，查看数据包转发过程，自己分析原因并提出解决措施。

3.2 第二阶段配置

针对第一阶段的问题，在路由器上添加新的静态路由以实现所有用户连通。通过分析可知，第一、二组用户处于同一个广播域，由于属于不同网段，且没有有效的静态路由，故尽管连接在同一个交换机上却无法正常通信，需要在路由器Router0和 Router1上添加到达第二组用户的静态路由才能正常通信。路由器Router0的新路由表如图4所示，增加了到192.168.20.0/24 的静态路由信息。

图4 路由表信息(Router0第二阶段)

教师机PC0与Router0直连，所以与第一组互通;但是由于路由信息必须双向可达才能确保网络双向通信，所以静态路由需要双向配置。在“Realtime”模式下观察“Ping”数据包在PC机、交换机、路由器之间逐跳转发过程可以看到，从教师机发出的数据包可以到达路由器Router0和Router2，但由于在Router2上没有建立到达教师机的静态路由，数据包无法返回，导致教师机与第三组和第四组均不能通信。要实现教师机与所有学生用户的互通，必须在路由器Router1和 Router2上增加到达教师机的静态路由。增加表4所示第二阶段静态路由配置要求，可以验证整个网络实现全连通。以上分析要求学生自己完成，是整个实验的重要组成部分。

表4 静态路由配置要求(第二阶段)

本实验要求在“Realtime”模式下查看路由器的协议数据单元信息，比较路由器输入与输出数据包的异同。以PC1向PC8发送“Ping”数据包为例，当其经过路由器Router0时，第二层由Ethernet帧转换为HDLC帧。进一步分析数据包的具体封装格式，可以详细看到IP报文、ICMP报文、HDLC帧和Ethernet帧结构。每层协议数据单元中所有字段的内容一目了然，如发送端与目的端的IP地址、MAC地址和数据包经过路由器后TTL值变化(减小1)情况等。在实验过程中，笔者还让学生将HDLC协议与PPP协议进行对比，分析协议数据单元地址和配置步骤的不同，有效促进学生对数据链路层协议的理解。只有分析了经过路由器转发的各层协议数据单元结构，学生对抽象的协议体系概念才有更直观的认识，才能将整个路由器工作原理理解透彻。

3 结语

本文基于Packet Tracer仿真平台，设计静态路由仿真实验系统。在实验过程中除了强调路由器配置模式与配置命令的训练外，还渗透了物理层和数据链路层的相关知识，使学生从网络协议体系角度理解路由器静态路由工作原理;文中通过设计合理的实验步骤，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，增强学生的实验兴趣，受到普遍欢迎。该方法可以进一步扩展到动态路由实验的设计中。

［1］ William Stallings.Data and Computer Communications.8th Edition(影印版)［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［2］ 戈军.基于Boson NetSim的网络仿真在计算机实验教学中的应用［J］.南通:南通职业大学学报，2012，26(2):95-99.

［3］ 李艳玲.基于dynamips模拟器的帧中继网络仿真研究［J］.济南:信息技术与信息化，2009(5):15-21.

［4］ 崔北亮.CCNA认证指南［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［5］ 范君，高成强.基于Packet Tracer的帧中继实验设计与分析［J］.上海:实验室研究与探索。2012，31(4):207-212.

［6］ 桑世庆，卢晓慧.交换机/路由器配置与管理［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

［7］ 谢慧，聂峰.基于Packet Tracer的计算机网络仿真实验教学研究［J］.北京:实验技术与管理，2007，24(5):89-91.