路由與交換實驗課教學研究

曾堯

摘要：路由與交換課程有很強的理論性和實踐性。居于真實設備成本高、設備維護困難和實驗效果差等問題，引入GNS3仿真軟件用于教學。本文以《路由與交換》課程中VRRP項目實例介紹GNS3仿真軟件的使用過程及帶來的各方面的影響。

關鍵詞：GNS3；仿真軟件；網絡實驗；路由與交換

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0021-03

路由與交換課程是計算機網絡核心課程，有很強的理論性和實踐性。在開展路由器與交換機的配置、搭建中小型網絡等實驗時，要提高學生的操作能力，需借助相關的網絡設備進行實驗實訓，這是高成本的投入，設備維護也不容易。即使擁有設備齊全的實驗環境，對于初學者的學生來說，一旦命令錯誤或設備故障而導致實驗失敗，學生也找不到問題的所在，這些都大大地影響了實驗效果。為解決路由與交換實驗課存在的這些問題，我校計算機科組在教學中引入了GNS3仿真軟件作為網絡實驗教學平臺。實踐證明，使用GNS3仿真軟件不僅讓實驗實訓效果大為改善，還在技能競賽訓練、專業師資培養等方面起到了積極的作用。

1 分析基于GNS3仿真軟件開展路由與交換實驗課教學的可行性

GNS3（全稱Grapical Network Simulator）是一款基于Cisco設備下的網絡實驗仿真軟件。界面圖形化，操作簡單。該軟件可為思科認證考試如CCNA、CCNP、CCIE等提供模擬實驗環境。下面結合學校的情況和學生的學習習慣，對此模式教學的優劣勢進行分析。

1.1 優勢：GNS3與其他仿真軟件的比較

對比其他網絡仿真軟件發現，GNS3具有快速構建復雜網絡、可以互通物理網絡或虛擬機、方便分析網絡協議數據等方面的優勢，在計算機網絡實驗教學中能得到很好的推廣。下面將Packet Trace軟件與GNS3軟件做比較，總結GNS3在網絡設備模擬實驗上的優勢。

GNS3能支持更多的設備命令與參數。由于GNS3直接運行Cisco網絡設備的IOS，相當于整體模擬了整個硬件設備的系統，跟真實設備的命令完全相同。而Packet Trace只支持部分簡單的路由器和交換機命令，一些復雜的命令卻不能使用，如VRRP、HSRP、ACL限制上網時間等實驗，無法在Packet Trace上開展。

GNS3能與真實設備相連。安裝有GNS3的計算機通過網卡接口能與真實網絡中任何設備如路由器、交換器、計算機、虛擬機等相連使用，進行數據通信。Packet Trace所有設備與外界沒有接口，處于一個封閉虛擬環境，無法與真實網絡環境連接，這是Packet Trace很大的局限性。

GNS3支持多種網絡設備。GNS3除了基本網絡設備外，還提供PIX防火墻、ASA防火墻、IDS入侵檢測系統、ATM和幀中繼交換機，這些設備大部分職業學校網絡實驗室擁有量少，甚至沒有，而GNS3能填補這一空白。如今，計算機網絡專業都有網絡安全技術課程，網絡安全技術中防火墻技術、入侵檢測技術、入侵防御技術、VPN技術等，通過GNS3都能夠很好地仿真，實驗效果和真實設備一樣，為教師的實驗演示和學生的實操創造了一個仿真平臺。

GNS3便于網絡數據包分析。通過GNS3的集成Wireshark軟件，在GNS3構建的網絡拓撲上可以捕獲任意路徑上的網絡數據報文，學生分析數據包，達到理解網絡協議的原理，也能鍛煉學生故障排查的能力。

1.2 劣勢：GNS3功能的不足

GNS3對物理計算機的要求較高。GNS3要在一臺物理計算機里運行多個網絡設備，加上Vmware再運行幾個虛擬機系統，占用系統內存很大，整臺電腦運行效率會大打折扣。實驗發現，將Vmware虛擬機系統使用的windows xp或2003，內存設置為128M（有特殊需求除外），這樣能最大限度減少內存使用。

GNS3所加載的IOS僅支持cisco設備，對于國產的H3C、銳捷和神碼等廠商設備暫時還不支持，不過銳捷的大部分命令與cisco相似，可供學生參考學習。

上網行為管理器與真實設備存在一些差異。GNS3原來并沒有使用現成的上網行為管理器，在教學時使用的上網行為管理器是小草軟路由，該軟件僅是試用版，工作能力和運行速度還有待改善。

GNS3暫時還不支持無線設備，如做無線網絡實驗，須將GNS3與真實設備相連，才能完成實驗。

2 GNS3在路由與交換教學中的仿真實驗

GNS3支持調用真實設備的IOS，仿真度高，能完成高級網絡技術實驗，如基于時間的訪問控制列表、熱備份路由器協議HSRP、虛擬路由冗余協議VRRP等。下面以我校計算機網絡專業的《路由與交換》課程中VRRP實驗項目為藍本來說明GNS3虛擬實驗室在路由與交換實驗教學中的使用方法。

2.1 實驗設備的準備

本實例將使用GNS3和Vmware虛擬機軟件搭建網絡環境，進行虛擬路由冗余協議VRRP實驗。實驗所需設備如表1所示：

2.2 拓撲結構

在這個實驗配置了vrrp 1組和vrrp 2組。在vrrp 1組中，主虛擬路由器（Master）為R1，備用虛擬路由器（Backup）為R2；在vrrp 2組中，主虛擬路由器為R2，備用虛擬路由器為R1。在網絡實驗VRRP配置正確的時候，PC1和PC2通過R1訪問過遠端R3；PC3通過R2訪問過遠端R3。在GNS3圖形界面中設置添加三個路由器R1、R2和R3，一臺二層交換機，三臺電腦，實驗涉及設備的實際連線，如圖1所示。

R1、R2和R3均采用Cisco7200系列路由器，使用動態路由實現全網通行。三臺電腦對應三臺運行Windows server2003的虛擬機，設置所有網卡的連接方式為host-only，在GNS的電腦結點以太網NIO屬性中通過虛擬網卡與虛擬機綁定。

2.3 系統配置

2.4 實驗結果驗證

對R1和R2配置完后，我稍微解釋下，例如：PC2的默認網關是10.0.0.253，則當其訪問外網時，它選擇的路由器是R1，因為VRRP 1組中Master是R1路由器，Backup是R2路由器；同理，PC3訪問外網時，選擇的是R2路由器，因為VRRP 2組中Master是R2路由器，Backup是R1路由器。可以使用show vrrp brief或show vrrp all命令來查詢vrrp的配置信息。

3 創新網絡實驗課教學

3.1 學校層面的影響

3.1.1 解決資金不足、設備匱乏的問題

職業學校的網絡實驗室，交換機、路由器、防火墻和IPS/IDS等網絡設備，還有其他實驗硬件設備價格昂貴，且更新淘汰快，學校很難為學生提供全面系統的網絡實驗環境。GNS3是一款開源的網絡虛擬軟件，可以適用于多種操作系統，使用靈活、升級方便，電腦與軟件的價格大大低于各種網絡設備，通過更改軟件設置或升級軟件版本，就可以輕松更換或升級更新網絡設備，能有效解決學校辦學資金不足的問題。

3.1.2 便于計算機機房設備管理

如果建設傳統的網絡設備實驗室，學校需要對原有的機房進行大改造。布線工程、工位分組、設備購置等一系列做下來，至少耗時一個學期，且建好后的網絡設備實驗室也不便于教師開展實驗的演示和管理，課后還需定期對設備進行檢修。引進仿真教學后，只要在現有的學校機房中，進行簡單的軟件安裝，就可以構建GNS3仿真網絡實驗環境，并可以和其他課程共用機房，不僅節省了教學資源，還可以讓學生體驗與真實硬件平臺相同的實驗環境。

3.2 創新了教師的教學

教師不受設備和場地的限制，能在電腦前使用GNS3模擬器進行備課和專業學習，將更多的精力投入到教學方法的鉆研中。同時GNS3模擬器也便于師資的培訓，給一些網絡知識相對薄弱的教師提供一個很好的學習平臺，在一定程度上提高教師專業水平、解決師資不足的問題。

使用GNS3模擬器可以將技能競賽的項目融入日常教學中，完成一些相對復雜網絡環境的模擬，解決以往無法將技能競賽的內容與課程相結合的問題，既幫助學生加強對實際工程案例的認識，也能提高教師的教研水平，真正做到以賽促教。

3.3 改進了學生的網絡實驗環境及效果

使用真實設備開展實驗，就必須將學生分組。受設備數量限制，同組學生只能輪流實驗，甚至部分學生實驗，其他學生觀看，若要深入理解網絡的組建與運行狀況是不可能的，這就導致教師上課任務繁重、學生學習效率低。而使用GNS3和Vmware搭建網絡環境，僅需要一個普通的電腦機房即可開展，可以保證每個學生都能進行實驗操作。同時能夠將實驗實訓的數據保存，方便以后繼續使用，達到預期教學效果。學生親手配置網絡，并分析網絡的運行情況，從而對網絡實驗有一定的感性認識，有助于進一步地理解網絡原理和概念，更好地應用計算機網絡。采用這樣的實驗實訓模式，學生不僅能像操作真實設備那樣進行實驗，而且還避免了以前設備損壞、網線接觸不良等現象的出現。

3.4 促進了專業的發展

計算機網絡專業的發展必須依靠不同的網絡設備，通過GNS3模擬器與其他軟件的結合，使網絡技術綜合性實驗實訓較易實現。這樣的網絡環境還可以應用到計算機網絡的其他課程中，如《網絡設備配置與管理》《計算機組網技術及工程》《中小型網絡構建》等，使用GNS3模擬器將這些本來支離破碎的課程很好地貫穿起來，為后續開設更深入的課程創造條件，如《網絡安全與防火墻技術》課程，GNS3本身已經提供好相關的設備供其實驗使用。

這樣，教師和學生的積極性得到調動，在日常課程教學、競賽訓練、教師專業水平和學生實際操作能力上都可以有很大的提升，培養出來的學生能滿足社會發展的需求，計算機網絡專業可以得到長足的發展。

4 結束語

在路由與交換實驗教學中利用GNS3+Vmware環境進行仿真實驗，網絡搭建方法簡單，成本低，效果和用真實的網絡設備實驗幾乎沒區別，為路由與交換實驗教學提供了一個很好的網絡實訓平臺，解決了網絡實驗室資源匱乏的狀況，避免了計算機網絡只是資金充裕學校能辦的專業的囧狀，利于實現教育均衡。學生利用GNS3+Vmware可以仿真基礎類和設計類實驗，還可以拓展創新類實驗，鼓勵學生大膽去探索、實踐和創新，有效地提高學生的動手能力和創新能力，使學生可以將課堂獲得的網絡實踐技能迅速地轉到未來工作的真實網絡設備中，為就業打下扎實的基礎。

參考文獻：

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【通聯編輯：張薇】