基于GNS3的虚实混合型网络工程实验平台
摘要：针对现有网络工程实验平台的不足，借助GNS3网络仿真器的物理设备连接能力，构建了一个虚实混合的网络工程实验平台。在现有基于终端访问方式的实验台基础上，实现了虚拟设备与物理设备间的互联。该混合型实验台既充分保留了现有实验台的优势，又扩展了学生所能接触的设备类型；丰富了网络实验的种类和规模，进一步提高了学生实际动手能力。
关键词：终端访问服务器 网络仿真器 GNS3 云虚拟设备
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（b）-00-04
目前，高校网络工程实验室多采用基于终端访问服务器的网络架构[1-2]。该架构的主要优势在于，避免了因学生配置设备时来回插拔console线而导致设备console口的损坏；又实现了多台设备的集中控制，简化了操作步骤，利于实验过程的进行；同时也有助于实验室管理人员对设备的统一管理和维护。
然而在实际实验教学中，该架构也逐渐显示出其不足。其主要体现在，网络实验的种类和规模受到设备资源的限制；此外，学生所能接触的设备命令集，也受到设备厂商的限制。因此，如何更好利用该架构的优势，同时克服其不足；在充分利用现有设备资源的前提下，进一步提高学生动手能力，开展好网络实验是值得思考的问题。
1 基于终端访问的网络工程实验室
基于终端访问方式的网络实验室由多个网络实验台组成（如图1所示），每个实验台包含1台终端访问服务器和多台实验设备（路由器及交换机）。在实验台内部（如图2所示），实验设备的console口均与终端访问服务器的异步串行口连接，终端访问服务器的以太网口则与实验室中心交换机连接。
学生进行实验时，首先以Telnet或Web方式登录终端访问服务器，之后在终端访问服务器上选择并登录各实验设备。在登录到指定实验设备控制台后，就可开始实验操作。
终端访问服务器本质上是1台安装有异步串行模块的路由器。异步串行模块经由CAB-OCTAL-ASYNC电缆，可同时连接并控制最多8台设备。采用终端访问服务器的主要优势在于，避免了因学生配置设备时来回插拔console线而导致设备console口的损坏；又实现了多台设备的集中控制，简化了操作步骤，利于实验过程的进行；同时也有助于实验室管理人员对设备的统一管理和维护。
然而在实际实验教学中，该架构也逐渐显示出其不足。首先，网络实验的种类和规模受到实际设备资源的限制；其次，用户所能接触的设备命令集，也受到设备厂商的限制[3]。
因此，如何更好利用该架构的优势，同时克服其不足；在充分利用现有设备资源的前提下，进一步提高学生动手能力，开展好网络实验是值得思考的问题[4-6]。
2 GNS3及其与物理设备互联
GNS3是一款优秀的多平台（Windows，Linux，MacOS等）网络仿真软件[7-9]。
它能直接加载和运行各类Cisco路由器操作系统（IOS），为用户提供最真实的操作体验。其还具备图形操作界面，能直接搭建拓扑，形象直观的设计和反映网络拓扑结构，被广泛应用于科研、教学及Cisco认证中。
作为GNS的一项特有功能，是其与外部物理设备的连接能力。GNS3提供了一种称为云（Cloud）的虚拟设备，用来代表仿真环境下的外部世界。
在云设备中，无论主机网卡是物理的或是虚拟的，均可添加与主机网卡数量对应的云端口，这些云端口可在仿真器环境下与各类GNS3虚拟设备相连接。若添加了与物理网卡对应的云端口，则这些端口就能成为GNS3与外界物理设备通信的桥梁。
要实现GNS3与外部设备间的连接，首先需要在云设备中添加端口（如图3所示）。依据主机物理网卡的数量，可添加与之对应的网络端口。
接着在GNS3中添加虚拟设备（路由器或交换机）并建立该设备与云设备间的连接拓扑（如图4所示）。
最后，将该云端口对应的主机网卡与物理设备相连接（如图5
所示）。
至此，虚拟设备与物理设备间的连接得以建立。在正确配置好物理设备端口IP地址和虚拟设备端口IP地址，并开启设备端口后，虚拟设备与物理设备间就可实现通信。
因此，在现有平台架构基础上，若能结合GNS3的物理设备连接能力，就可构建一个虚实结合的网络工程实验平台，实现虚拟设备与物理设备间的交互，丰富学生可以接触的设备类型和实验种类，进一步提高学生实践能力。
3 虚实混合型网络工程实验平台
3.1 平台构建
虚实混合型网络工程实验平台的搭建并不复杂。首先需要在学生机上增加配置二块或多块网卡。其中，第一块网卡用于登录终端访问服务器，以终端访问方式访问物理设备控制台。其余网卡提供给GNS3的云设备，依据需要连接外界物理设备。之后，在各学生机上部署GNS3。实验时，根据实验拓扑将学生机的第二或第三网卡与物理设备连接，从而构成虚实混合的实验平台。整个实验平台拓扑如图6所示。
3.2 平台的使用方法
平台的使用分为3个步骤。
（1）GNS3云设备配置
首先启动GNS3，添加一个云设备（如图7所示）。接着打开云设备的配置对话框（如图3所示），在“NIO Ethernet”选项卡的“Generic Ethernet NIO”下拉列表中，查找并添加指定的物理网卡。
在网卡添加完成后，云设备中便会增加一个与之对应的云端口，且其可用于GNS3内部的拓扑连接中。
（2）拓扑连接
在完成云设备端口配置后，就可按照实验需要进行拓扑连接。需要注意的是，实验中的拓扑结构只是逻辑拓扑，其要分解到GNS3仿真拓扑和物理设备拓扑两个部分；而GNS3的云设备端口就是仿真拓扑和物理设备拓扑的分界点。
（3）设备登录
在以上配置完成后，就可以分别登录物理设备和GNS3虚拟设备控制台，进行实验操作。其中，物理设备的登录还是采用现存的终端访问方式；而虚拟设备控制台的登录则直接在GNS3环境中完成（如图8所示）。
4 实验演示
下面以一个简单的单臂路由实验，演示虚实混合型网络工程实验平台在实际实验教学中的应用。
4.1 实验拓扑
本实验采用1台锐捷RG-S2126二层交换机和1台cisco R2600路由器，其逻辑拓扑如图9所示。其中，RG-S2126采用物理设备，Cisco R2600采用GNS3虚拟设备。
实验物理拓扑如图10所示。GNS3主机装备2块网卡，其中网卡1与实验室中心交换机连接，用以登录终端访问服务器；网卡2与RG-S2126的Fa0/24口连接。
其中对RG-S2126的配置使用终端访问方式，对R2600的配置则直接在GNS3主机中完成。
4.2 实验要求
实验要求在二层交换机RG-S2126上配置2个VLAN，分别为VLAN10，VLAN20；IP网段分别为192.168.10.0/24，192.168.20.0/24；端口Fa0/1-10属于VLAN10，端口Fa0/11-23属于VLAN20；端口Fa0/24为Trunk口，连接路由器R2600的Fa0/0口
路由器R2600的Fa0/0口上创建2个子接口：fa0/0.1与fa0/0.2；设置其二层封装类型为dot1Q，VLAN ID分别与RG-S2126的2个VLAN对应，分别为10和20；子接口IP分别为：192.168.10.1/24，192.168.20.1/24。实验要求通过R2600的Fa0/0口实现VLAN10，VLAN20间的互访。
4.3 实验过程
首先在GNS3主机中启动GNS3，在GNS3中分别添加云设备和Cisco R2600路由器。接着在云设备中添加与网卡2对应的端口“本地连接2”（如图11所示），并将其与R2600的fa0/0口连接（如图12所示）。
在物理拓扑连接以及GNS3仿真拓扑连接完成后，学生就可以进行实验。其中对RG-S2126的配置使用终端访问方式，对R2600的配置则直接在GNS3中完成。鉴于篇幅所限，具体实验配置文件不在此详述。
5 结语
通过GNS3网络仿真器的运用，构建了一种基于GNS3的虚实混合型网络工程实验台，进一步拓展了网络实验室功能。其不仅实现了虚拟设备与物理设备间的互联，更在充分利用现有网络硬件资源基础上，丰富了网络实验类型和规模；同时也让学生熟悉了不同网络设备厂商的配置命令与方法，提高了学生的实际动手能力[10-11]。在实际实验教学中，虚实混合型网络工程实验平台取得了良好效果。
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