基于GNS3與VirtualBox構建虛擬網絡工程實驗室研究

李林林， 孫良旭， 吳建勝， 張玉軍

(遼寧科技大學 軟件學院， 遼寧 鞍山 114051)

基于GNS3與VirtualBox構建虛擬網絡工程實驗室研究

李林林， 孫良旭， 吳建勝， 張玉軍

(遼寧科技大學 軟件學院， 遼寧 鞍山 114051)

提出使用開源模擬器GNS3和虛擬機軟件VirtualBox，在單機環境下構建虛擬網絡工程實驗室需要的網絡和設備環境，利用虛擬網絡技術可以實現與物理網絡的互通互聯，使網絡實驗教學不受空間和時間限制，沒有人員和設備成本。該軟件可提供多種類型的聯網環境，通過軟件更新可支持新技術的學習。

網絡工程實驗室; 開源軟件； GNS3； VirtualBox； 模擬器； 虛擬機

網絡工程專業的課程內容主要包括網絡協議、路由交換技術、服務器配置、組網技術、網絡安全技術等，這些內容的學習必須通過大量的實踐練習，而實踐練習都需要網絡工程實驗室才可以進行，否則實踐過程難以展開。然而，許多高校的網絡工程實驗室在設備和網絡上難以滿足教學要求，維護和更新設備都會造成持續的人員和設備成本的大量投入。目前出現了多種網絡模擬器軟件和虛擬機軟件，一些研究人員提出使用這些軟件解決網絡工程專業實踐教學的方案[1-14]。筆者選擇開源模擬器軟件GNS3和虛擬機軟件VirtualBox，在單機環境下構建自己虛擬的網絡工程實驗室，模擬路由器、交換機和終端設備，設計不同類型的網絡拓撲，支持設備配置實現網絡需求。此外，利用GNS3軟件提供的插件集成功能，實現高級防火墻和協議分析功能，利用VirtualBox軟件提供的虛擬網絡功能實現與物理網絡聯網通信，實現虛擬網絡和物理網絡互聯互通。

1 模擬器和虛擬機

網絡技術和操作系統技術的學習需要大量物理設備的支持，尤其是網絡技術的學習，還需要物理網絡的支持。對于高校網絡工程實驗室，購置物理設備和網絡的費用巨大，但設備和網絡的更新換代的周期比較短，需要持續的成本投入，這往往是高校難以承受的。為了解決上述問題，一般采用模擬器軟件來模擬物理設備和網絡，采用虛擬機軟件來模擬運行操作系統的終端，通過軟件模擬的方式來解決某一個網絡工程專業實驗涉及到的物理硬件和網絡問題。

目前主流的模擬器軟件主要分為商業軟件、免費軟件和開源軟件。商業軟件典型代表為Boson公司開發的Network Simulator;免費軟件典型代表為Cisco公司開發的Packet Tracer；開源軟件典型代表為開源項目GNS3。

Network Simulator和Packet Tracer模擬器軟件提供命令行級別的軟模擬，它們只支持常規功能配置的模擬，不能支持所模擬物理設備的全部命令，在功能配置上與物理設備有一定差距。

GNS3模擬器軟件提供操作系統級別的硬模擬。由于直接使用物理設備的操作系統，它支持所模擬物理設備的全部命令，在功能配置上與物理設備完全一致，支持全部功能配置的模擬。但是GNS3相對Network Simulator和Packet Tracer，對運行軟件的主機硬件配置要求要高一些，且所模擬的網絡規模增加，硬件配置要求也更高，對主機內存性能影響更大。在教學實踐中，常規的網絡工程專業實驗在現有主流配置的主機上，都可以順暢運行，部分特殊的綜合性實驗和課程設計，可以通過補充物理內存來保證順暢運行。

與模擬器軟件類似，目前主流的虛擬機軟件主要分為商業軟件、免費軟件和開源軟件。商業軟件典型代表為VMware公司開發的VMware Workstation；免費軟件和開源軟件的典型代表為Oracle公司開發的VirtualBox。VMware Workstation和VirtualBox都支持不同類型的操作系統模擬，例如Windows系列、不同發行版本的Linux和Unix等，也都支持不同模式的虛擬網絡連接，例如Bridge模式、Host-Only模式和NAT模式，實現虛擬機之間、虛擬機與宿主機之間、虛擬機與其他聯網的物理機之間的通信。

筆者充分考慮網絡工程專業主干課程的實驗需求和軟件成本，選擇GNS3模擬器軟件和VirtualBox虛擬機軟件在單機環境下搭建虛擬網絡工程專業實驗室，既可以滿足網絡工程專業相關主干課程實驗對網絡環境、網絡設備、終端設備和功能配置的要求，又不會增加網絡工程實驗室的投入成本，突破傳統物理網絡工程實驗室的時間和空間上的限制，通過方便的軟件重新安裝和更新升級等方式，解決設備和網絡模擬問題和技術更新問題。

2 GNS3虛擬網絡搭建和配置

在進行虛擬網絡搭建之前，需要在GNS3中完成虛擬設備的配置，為虛擬設備指定操作系統映像、設備平臺型號、內存、網絡適配器和Idle-PC性能參數，用該虛擬設備模擬對應的物理設備。

2.1 虛擬路由器配置

使用最新1.2.3版的GNS3，以配置虛擬3640系列路由器為例，配置過程如下：

(1) 啟動GNS3→Edit→Preferences→Dynamips→IOS routers→new;

(2) 按照配置向導依次設置IOS image→Name and platform→Memory→Network adapters→Idle-PC。

全部配置參數如圖1所示。通過配置不同的操作系統映像，可以虛擬不同型號的路由器，在虛擬設備的槽口上選擇不同的網絡適配器模塊；可以虛擬帶有不同類型和數量網絡接口的模塊化路由器，通過命令行接口在指定接口的接口模式下輸入encapsulation命令，啟用不同的封裝協議，實現不同類型的網絡通信。

圖1 3640系列路由器配置參數

如果進行以太網通信，只需要選擇帶有字母E、FE、GE的不同速率的以太網接口模塊即可。

如果進行串口通信，須選擇NM-4T串行接口模塊，并根據串口通信的封裝協議，在指定串口接口模式下輸入encapsulation命令啟用封裝協議(見圖2)。

圖2 接口封裝協議配置命令

如果進行ATM通信，首先需要選擇7200系列路由器的操作系統映像虛擬路由器，然后為虛擬路由器添加PA-A1 ATM模塊，添加1個ATM接口。

2.2 虛擬交換機配置

在GNS3中雖然直接提供ATM交換機、以太網交換機和幀中繼交換機虛擬交換機設備，并支持圖形化完成常規基礎配置，但是不支持物理設備的命令行配置。

為了模擬物理交換機的命令行配置，對于以太網交換機，可以為虛擬路由器添加NM-16ESW以太網交換模塊，添加16個以太網交換接口，這樣就可以在命令行接口輸入以太網交換機配置命令，實現模擬以太網交換機的目的。

對于幀中繼交換機，可以用虛擬路由器添加NM-4T串行模塊，添加4個串行接口，然后在命令行接口全局模式輸入frame-Relay switching命令，啟用幀中繼功能，這樣就可以在命令行接口輸入其他幀中繼配置命令，實現模擬幀中繼交換機的目的。

2.3 虛擬安全設備配置

GNS3支持思科ASA (adaptive security appliance)虛擬安全設備配置，ASA通常用來提供IPS、VPN和防火墻等服務功能，攔截和阻止訪問。使用最新1.2.3版本的GNS3配置虛擬ASA4.2的過程如下：

(1) 啟動GNS3→Edit→Preferences→ Qemu → Qemu VMs→new；

(2) 按照配置向導依次設置Name and type→Qemu binary and memory→ASA VM。

全部配置參數如圖3所示。

圖3 ASA4.2防火墻配置參數

2.4 虛擬終端連接配置

GNS3支持Cloud、Host和VPCS終端連接。Cloud和Host結點是可配置的設備結點，它并不模擬特定的硬件，而是提供一套廣泛的網絡輸入輸出接口連接選項。通過這些選項，允許GNS3中的虛擬設備與其他應用或者真實硬件進行通信，甚至可以與通過其他GNS3或者虛擬機創建的虛擬網絡設備進行通信，能夠實現多虛擬和多物理網絡之間的通信。VPCS結點能夠模擬9個PC，但是其模擬的并不是傳統PC，僅僅是一個程序，只支持少量的網絡命令，但是它可以替代路由器和虛擬機，作為PC在GNS3虛擬網絡里進行實驗。

Cloud和Host結點在使用過程中，需要為其添加外部網絡連接。添加外部網絡連接后的結點就可以與其他虛擬網絡設備結點進行連接，實現外部設備和內部虛擬設備之間的通信。

VPCS節點在使用過程之前需要預先安裝VPCS組件，通過VPCS批處理文件啟動，通過支持的命令行命令對各個PC進行操作。

2.5 虛擬網絡搭建

在虛擬網絡設備配置完成后，在GNS3中可以直接利用添加鏈路工具將這些虛擬網絡設備按照指定的接口進行連接，最終實現虛擬設備之間連接、虛擬設備與物理設備之間連接、虛擬設備與其他虛擬網絡中虛擬設備進行連接，達到虛擬網絡和物理網絡之間的全連通。拓撲示例如圖4所示。

圖4 GNS3拓撲示例

3 VirtualBox虛擬網絡搭建和配置

3.1 虛擬機的安裝

在進行虛擬網絡搭建之前，需要在VirtualBox中完成虛擬機的虛擬硬件創建、操作系統安裝和系統軟件配置。使用最新4.3.20版本的VirtualBox創建虛擬機的過程如下：

(1) 啟動VirtualBox→控制→新建→虛擬電腦名稱和類型→內存大小→虛擬硬盤→虛擬硬盤文件類型→存儲在物理硬盤上→文件位置和大小；

(2) 設置存儲為使用物理光驅或者ISO映像文件，通過操作系統安裝光盤或者ISO映像文件進行操作系統安裝，安裝過程和物理機安裝過程一致。

3.2 虛擬網絡搭建

在VirtualBox中支持4種網絡連接方式：NAT、Bridged Adapter、Internal、Host-only Adapter，能夠實現的網絡連接如表1所示。

表1 VirtualBox提供的4種網絡連接方式應用

通過在VirtualBox中虛擬多臺虛擬機，并在虛擬機中根據需要可配置4個虛擬網卡，選擇不同的網絡連接方式，可以實現與常規物理網絡類似的網絡環境，同時也支持通過端口映射方式，由內網對外網提供服務。總之，通過VirtualBox可以搭建和常規物理網絡一樣的虛擬網絡環境。

4 虛擬網絡與物理網絡之間互聯

通過GNS3可以搭建以路由器、交換機、防火墻等網絡設備為主的虛擬網絡，可以模擬物理的局域網和廣域網通信；通過VirtualBox可以搭建不同操作系統的服務器虛擬網絡，可以模擬物理的服務器，而且二者都支持通過虛擬網卡或者外部鏈接與實際的物理網絡之間的互聯。這樣，就可以通過GNS3和VirtualBox軟件在單機環境實現虛擬網絡環境，也可以通過單機實現虛擬網絡環境與物理網絡環境的互聯，甚至也可以通過物理網絡環境實現虛擬網絡環境與其他單機虛擬網絡環境的互聯，為網絡工程實驗室搭建滿足不同網絡需求的實驗環境(見圖5)。

除此之外，GNS3支持集成第三方軟件WireShark，可以實現傳統物理網絡中難以實現的路由器、交換機等網絡設備的網絡協議分析，為網絡工程專業的網絡協議相關理論課程學習提供實驗環境。另外，也可以通過在虛擬機中安裝軟件的方式滿足一些特殊的實驗需求。

圖5 虛擬網絡與物理網絡互聯模型

5 結束語

使用開源模擬器軟件GNS3和開源虛擬機軟件VirtualBox在單機環境下搭建虛擬網絡環境，并通過軟件配置實現虛擬網絡環境與物理網絡環境互聯，很好地解決了傳統網絡工程實驗室存在的設備、人員、成本、時空限制等問題。通過簡單的軟件配置就可以快速，方便地搭建單機和網絡的虛擬網絡工程實驗室環境，為網絡工程實驗教學提供了可行的解決方案。

References)

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[14] 秦寶龍.利用開源工具改革計算機網絡應用課程教學模式[J].中國信息技術教育,2014(8):14，16.

Research on virtual network engineering laboratory based on GNS3 and VirtualBox

Li Linlin, Sun Liangxu, Wu Jiansheng, Zhang Yujun

(School of Software, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)

This paper proposes to use the open source simulator GNS3 and virtual machine software VirtualBox and construct the network and equipment environment for the virtual network engineering laboratory in stand-alone host environment, and use the virtual network technology to realize the interconnection and intercommunication with the physical network, the teaching and learning are not limited by the space and time, there are not personnel and equipment cost, the software can provide various types of network environment, and learning new technology can be supported by the software update.

virtual network engineering laboratory; open source software; GNS3; VirtualBox; simulator; virtual machine

2015- 02- 01

遼寧省教育廳教學研究項目“本科工程人才培養模式改革試點專業建設(網絡工程)”(GM201410)；遼寧省教育廳教學研究項目“網絡工程專業特色發展的研究與實踐”(2014)

李林林(1979—)，女，遼寧鞍山，博士，講師，主要從事計算機軟件和網絡教學與研究.

E-mail：linlin2002_0@163.com

TP393.01

A

1002-4956(2015)9- 0144- 05