基于GNS3的寬帶交換技術仿真實驗設計

朱曉榮，陳美娟，張 穎，高元杰

(南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003)

0 引言

我校開設了與交換技術有關的兩門課程:“交換技術基礎”和“寬帶交換技術”。前者主要內容包括程控電話交換、七號信令和移動交換技術，對智能網技術、ATM技術和軟交換技術只作簡單介紹;后者主要內容包括ATM交換技術、MPLS技術和NGN技術(含軟交換和 IMS)[1]。

本文介紹我?！皩拵Ы粨Q技術”課程實驗設置情況。我校構建了有多種終端、多種接入方式的寬帶網絡實驗室，配置了中興通訊3臺CR ZSR 3884和2臺ZXR10 T600寬帶通信的相關設備，開展了MPLS相關的實驗。但是，我們在實驗過程中遇到了問題:由于實驗設備數量有限，分組輪流做實驗耗時會過多。

現在，我們改用仿真方式完成MPLS相關實驗，根據學生人數的多少，選擇在實際設備上還是采用仿真工具完成這些實驗。

基于仿真的實驗還有一個優點:可以仿真出一個較大的網絡，這在實際設備上是無法實現的[2]。

MPLS部分主要內容包括:MPLS網絡架構、LSR/LER結構和功能、標記分發協議、路由協議、基于MPLS的VPN和流程工程。為此，我們為仿真實驗設計了路由協議實驗、MPLS基本實驗和MPLS VPN等類型的實驗，按照級別分為初級、中級和高級實驗。學生可以根據課時已有知識，選擇不同類型和不同級別的實驗。

1 仿真實驗設計

1.1 初級實驗

初級實驗包括路由協議初級實驗、MPLS初級實驗和MPLS VPN初級實驗。

(1)路由協議包括RIP、EIGRP和OSPF等。每個路由協議初級實驗:計劃時間為1課時。實驗目的:① 掌握RIP協議配置;② 查看路由協議配置。實驗內容:①RIP協議配置;② 測試配置。通過測試，檢查路由協議配置是否成功。

教師在實驗時提供一個已創建好的拓撲結構、配置好端口IP地址的工程文件，學生在該工程文件的基礎上完成實驗?！耙褎摻ê玫耐負浣Y構”是指已經添加路由器、配置端口以及增加端口連線。

(2)MPLS初級實驗:計劃時間為1課時。實驗目的:①掌握MPLS配置方法;② 掌握MPLS標簽轉發方式;③ 驗證倒數第二跳彈出;④掌握MPLS測試方法。實驗內容:① MPLS協議配置;② 測試配置;③查看隱式標簽。通過測試可以查看標記轉發表和標記轉發信息表。

教師實驗時提供一個已經配置好路由協議的工程文件，即已經完成路由協議初級實驗的工程文件，學生在此工程文件的基礎上完成實驗。

(3)MPLS VPN初級實驗計劃時間為2課時。實驗目的:①掌握MPLS VPN關鍵理論;② 掌握路由重分發方法;③掌握MPLS VPN測試方法。實驗內容:①PE端VRF配置;②MP-BGP配置;③ PE端路由協議重分發;④測試VPN。

通過測試，查看同一VPN內路由是否暢通，驗證不同VPN站點的IP地址可以相同。

教師實驗時提供一個已經搭建好的VPN網絡拓撲、配置好路由協議、基本MPLS協議的工程文件，學生在此工程文件的基礎上完成實驗。

1.2 中級實驗

中級實驗包括路由協議中級實驗、MPLS中級實驗和MPLS VPN中級實驗。

(1)路由協議和MPLS中級實驗計劃時間為1課時。實驗目的:在初級實驗基礎上，掌握路由器端口IP地址配置方法。實驗內容:配置端口IP地址。

教師實驗時提供一個已經搭建好網絡拓撲的工程文件，學生在該文件的基礎上完成實驗。

(2)MPLS VPN中級實驗計劃時間為2課時。實驗目的:在初級實驗基礎上，掌握路由協議配置方法和掌握MPLS協議配置方法。實驗內容:配置路由協議和配置MPLS協議。

教師實驗時提供一個已經搭建好VPN拓撲結構、已經配置好端口IP地址的工程文件，學生在該文件的基礎上進行本實驗。

1.3 高級實驗

高級實驗針對MPLS VPN，計劃時間為4課時。實驗目的:讓學生通過自己設計網絡結構，并在GNS3中實現至少2個MPLS VPN的配置，然后進行測試。實驗內容:設計并創建網絡拓撲、配置IP地址、配置路由協議、配置MPLS和配置VPN相關數據和測試。

教師實驗時不提供工程文件，只提出實驗要求。如果課時有限，教師可以提供網絡拓撲結構和IP地址規劃。

2 仿真實驗實現

2.1 高級實驗實例

實驗采用圖形化網絡仿真軟件GNS3完成，實驗設計2個VPN，可以體會MPLS VPN中的VRF、RT和RD的概念，說明不同VPN之間路由和用戶數據等不會互通[3，4]。網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 MPLS VPN實驗網絡拓撲圖

2.2 數據配置

MPLS VPN實驗網絡配置過程依次是:路由器IP地址配置、路由器內部路由協議配置、骨干網MPLS配置、PE端VRF配置和內部網關協議配置、PE端MP-BGP配置和路由重分布。

各臺路由器所用接口的IP地址規劃如表1所示。每臺路由器都配置環回口地址，用來替代實際終端，方便測試配置數據。地址規劃中，R4和R6的環回口地址相同、R5和R7的環回口地址相同，目的是為了說明MPLS VPN允許不同VPN間IP地址相同。

表1 路由器接口IP地址

路由協議的設計，VPN A私網路由協議采用RIP，VPN B私網路由協議采用EIGRP，運營商骨干網路由協議采用RIP，采用MP-BGP MPLS進行VPN組網，標記分發協議使用LDP。如表2所示。

表2 路由器內部協議

骨干網中的PE、P路由器均需配置MPLS協議，R2兩個接口分別連接R1和R3，這兩個接口均開啟MPLS功能。

為了區分兩個VPN，PE端(R1，R3)需要配置兩個VRF，同時配置這個VRF對應的 RD和 RT。設計VRF相關數據如表3所示。

表3 VRF和內部網關協議

PE上需要配置MP-BGP協議，才可以在路由發布時，攜帶上面配置的參數RD和RT，以區分VPN A和VPN B的路由信息。首先配置基本BGP，然后配置MP-BGP。

配置完MP-BGP后，需要將它重分布進入PE端的內部網關協議。PE端配置了vrf a和vrf b，分別啟用RIP和EIGRP協議。在R1和R3上進行配置，實現將MP-BGP的路由重分布進RIP和EIGRP。另外，需要在PE端，將每個VRF的路由信息重分布進入MP-BGP協議。我們在R1和R3上進行配置，實現將vrf a的RIP協議和vrf b的EIGRP協議導入MP-BGP。

2.3 測試

通過命令 R4#ping 5.5.5.5 source 4.4.4.4，我們可以查看VPN A的兩個站點之間是否互通。通過命令 R4#traceroute 5.5.5.5 source 4.4.4.4，可以跟蹤查看MPLS標記報文轉發過程中標簽的改變，也可以看到路徑經過了哪些路由器，最終到達了該VPN的另一個站點。也可以通過R4#show ip route等命令查看路由信息。

3 實驗結果分析

3.1 學生完成實驗情況

上述MPLS VPN高級實驗在我校實驗中心進行，電腦配置操作系統為Windows XP。2011級通信工程專業180名學生參加了該實驗，每人1臺電腦。結果顯示，有41%的學生在規定時間內完成了實驗，其中80%是在已經安裝好GNS3的電腦上操作。這些學生的特點是:輸入命令非常細心，或者事先預習了路由器操作相關知識。沒有在規定時間完成實驗的可能的原因是:①安裝GNS3占用了較多時間;②因為粗心輸入錯誤命令;③很重要很普遍的原因是:計算機的性能問題，導致GNS3運行速度太慢。

3.2 實驗改進方案

GNS3的虛擬路由器在運行過程中，對宿主機的CPU和內存要求較高。每采用一臺C3600路由器，就要占用128M內存。本實驗中，使用了7臺路由器，占用相當多內存。此外，實驗中心的計算機上安裝著較多的軟件，內存已經不多了。因此，今后需考慮采用GNS3的分布式功能，將7臺虛擬路由器分別部署到2臺計算機上[4]。另一方面，實驗室的計算機上不用安裝所有實驗所需軟件。學生在實驗之前可以僅安裝該實驗相關的軟件，結束后再卸載這些軟件。

4 結語

本文給出了一種MPLS VPN的實現方案，對于感興趣的學生，可以根據本方案，改變私網和骨干網的路由協議，也可以重新設計實驗網絡拓撲結構，達到深入學習MPLS VPN的目的[5]。

本文探討了基于仿真軟件GNS3，設計寬帶交換技術課程中MPLS知識點相關的實驗，設計了不同內容和不同級別的實驗，可以根據課時以及學生已有知識的程度選擇使用，本文還給出了VPN的實現過程，根據學生實驗反饋信息，給出了實驗的改進方案。在工科學生的專業課程教學中，采用仿真軟件設計專業課程實驗是一種比較好的選擇。

[1]陳美娟，張穎，許嵐，楊國民.“交換技術”課程教學改革探索[J].南京:電氣電子教學學報.2011年10月.20-22

[2]陳美娟.交換技術課程實驗設計探討[J].成都:實驗科學與技術.2007年10月.121-124

[3]汪慶淼.GNS3在計算機網絡實驗教學中的應用[J].西安:高校實驗室工作研究.2012年6月.65-67

[4]施苑英.基于軟件仿真的現代通信網實驗教學[J].北京:實驗技術與管理.2012年12月.94-97

[5]龍艷軍.MPLS VPN技術及其虛擬網絡實驗研究[J].武漢:計算機與數字工程.2013年第1期.79-82