基于軟路由系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)改革研究

胡延達 胡曦明 馬苗 李鵬

摘要：針對計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)所需的操作平臺建設(shè)問題，提出了一種基于軟路由系統(tǒng)開展仿真實驗的解決方案。該方案通過在虛擬機環(huán)境下安裝軟路由系統(tǒng)，按照實驗教學(xué)需要生成多臺獨立的虛擬路由設(shè)備和終端設(shè)備，采用虛擬網(wǎng)卡實現(xiàn)組網(wǎng)連接從而構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實驗拓撲，可滿足多種網(wǎng)絡(luò)實驗的教學(xué)需求，為教學(xué)信息化改革提供了新的途徑。

關(guān)鍵詞：軟路由；仿真；實驗教學(xué)；虛擬；拓撲搭建

中圖分類號 TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）14-0123-04

Abstract： Aiming at the construction of operation platform needed for computer network experimental teaching， a solution based on soft routing system to carry out simulation experiment was put forward. The program installs a soft routing system in a virtual machine environment， generates multiple independent virtual routing devices and terminal devices according to experimental teaching needs， and uses a virtual network card to implement networking to build a network experiment topology， which can meet the needs of a variety of network experiments. The demand has provided a new way for the reform of teaching informationization.

Key words：software router； simulation； experimental teaching； virtual； topological structure

隨著計算機仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，在高校的課程教學(xué)中采用模擬軟件開展仿真實驗的教學(xué)方法由于其具有操作便捷、環(huán)境可控、成本低等優(yōu)點，已成為大學(xué)教學(xué)信息化改革的熱點。目前《計算機網(wǎng)絡(luò)》《網(wǎng)絡(luò)工程》《路由與交換》等計算機類課程的仿真實驗，多采用行業(yè)廠商推出的模擬軟件，例如國內(nèi)的華三公司H3C Cloud Lab平臺[1]和華為公司eNSP網(wǎng)絡(luò)模擬器[2]、國外的思科公司Packet Tracer模擬器[3]。采用行業(yè)廠商的模擬軟件開展實驗教學(xué)存在設(shè)備型號受限、缺乏真實性和靈活性、仿真功能不可二次開發(fā)等缺點，難以滿足大學(xué)教學(xué)信息化改革提出的應(yīng)用需求。如何構(gòu)建一種仿真度高、功能開放和實驗成本可控的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗操作平臺成為新一輪實驗教學(xué)改革的難點。

1 軟路由系統(tǒng)

軟路由是指路由器的操作系統(tǒng)或路由器軟件與電腦主機或服務(wù)器相結(jié)合形成具有一定路由功能的路由器。由于軟路由具有使用成本低、維護操作方便、功能易擴展等優(yōu)點[4]，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信行業(yè)進行路由設(shè)備研發(fā)，測試以及廣泛應(yīng)用于行業(yè)中。

軟路由的工作原理是在電腦主機或服務(wù)器中，安裝專用的軟路由系統(tǒng)或軟件，通過執(zhí)行算法實現(xiàn)路由器的功能。常用的軟路由操作系統(tǒng)有iKuai、MikroTik、WayOS、海蜘蛛等；常用的路由器軟件有BIRD、Quagga、XORP、Zebra等。軟路由也被用于搭建企業(yè)網(wǎng)[5]和校園網(wǎng)的建設(shè)中[6]。有許多軟路由是開源的如：Click、

Quagga、VyOS等，可以利用開源的軟路由進行二次開發(fā)[7]，有利于提高軟件的實用性，幫助單位和企業(yè)打造更具有適用性的個性化軟件。

2 基于軟路由系統(tǒng)的實驗教學(xué)設(shè)計

軟路由是一種簡單、高效、功能強大的路由器，利用軟路由和虛擬機結(jié)合構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲，使網(wǎng)絡(luò)仿真實驗環(huán)境將不再局限于模擬器環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)實驗有了更多可擴展的空間。圖1的實驗將利用軟路由和虛擬機的結(jié)合，搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.1實驗流程

2.2實驗步驟

1）實驗環(huán)境搭建

實驗采用VMware Workstation為仿真環(huán)境，它是一款功能強大的虛擬計算機軟件，支持多種操作系統(tǒng)同時運行。搭建實驗環(huán)境需要將VMware Workstation安裝在宿主機中。

2）設(shè)備生成

在搭建網(wǎng)絡(luò)拓撲中，需要生成路由器、交換機和終端設(shè)備。要生成路由器和終端設(shè)備，需要在VMware Workstation中安裝終端設(shè)備的操作系統(tǒng)和軟路由系統(tǒng)來實現(xiàn)生成路由器和終端設(shè)備。要生成交換機，需要在VMware Workstation中開啟合適的網(wǎng)絡(luò)適配器作為網(wǎng)絡(luò)拓撲的交換機。

3）設(shè)備互連組網(wǎng)

設(shè)備之間通過VMnet進行互聯(lián)，VMnet在網(wǎng)絡(luò)拓撲搭建中充當著交換機和路由器與終端設(shè)備的網(wǎng)卡的角色。將需要連接的兩臺設(shè)備，連接在同一個VMnet上，通過對路由器進行地址和路由設(shè)置，就可以輕松地將兩臺設(shè)備連接起來。

4）實驗數(shù)據(jù)分析

在組網(wǎng)后，利用Ping命令等方式測試網(wǎng)絡(luò)拓撲的連通性，通過抓包等方式獲取實驗拓撲中的報文，對獲取的數(shù)據(jù)進行分析與歸納。

5）實驗總結(jié)

實驗后，對所得的實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果進行分析與總結(jié)。利用結(jié)果對自己的研究進行驗證和分析，進而得出所需的結(jié)論。

3 實驗教學(xué)案例

軟路由提供了非常豐富的功能，在數(shù)據(jù)鏈路層中，它可以實現(xiàn)提供劃分VLAN、搭建PPPOE服務(wù)器[8]等功能；在網(wǎng)絡(luò)層中，軟路由支持靜態(tài)、OSPF、IPv6[9]等協(xié)議的運行以及實現(xiàn)DHCP服務(wù)器[10]搭建等功能。

選取目前使用頻率高、可應(yīng)用功能齊全的、方便操作、應(yīng)用程度好的三款軟路由：iKuai、Ubuntu、MikroTik進行比較，對三款的性能對比如表1所示：

本次實驗以靜態(tài)路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓撲搭建為例，利用軟路由進行仿真教學(xué)環(huán)境的搭建，將iKuai、Ubuntu、MikroTik三種軟路由通過靜態(tài)路由協(xié)議進行相互的連接（如圖2）。

3.1實驗拓撲

在一臺計算機中，以VMware Workstation虛擬機環(huán)境作為總的實驗環(huán)境，通過虛擬機分別生成主機A、路由器一、路由器二、路由器三、主機B，將生成的設(shè)備通過VMnet進行互連，得到網(wǎng)絡(luò)拓撲（如圖2所示）。

3.2設(shè)備生成與配置

為了盡可能豐富本次實驗，讓實驗更具有普遍性，因此采用了三款軟路由進行實驗，以此來展示軟路由系統(tǒng)在計算機網(wǎng)絡(luò)中可利用的范圍和可支持的豐富的實驗功能。

對于圖2中的路由器一，采用iKuai軟路由系統(tǒng)進行生成，iKuai軟路由系統(tǒng)操作基于圖形化操作界面，具有操作簡單、易于配置等優(yōu)點，在操作中可以為它添加IP地址、生成靜態(tài)路由。

對于圖（圖2）中的路由器二，采用Ubuntu系統(tǒng)進行生成，通過Ubuntu系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能實現(xiàn)路由功能。Ubuntu操作系統(tǒng)作為路由器具有功能易于擴展、支持二次開發(fā)等特點。在Ubuntu操作系統(tǒng)中，通過圖形化操作界面給網(wǎng)卡添加相應(yīng)的IP地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)；在開啟Ubuntu的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能時，使用ip_forward來開啟；在生成靜態(tài)路由時，通過配置IPAdress、Mask、GateWay參數(shù)生成靜態(tài)路由。

對于圖2中的路由器三，采用MikroTik軟路由系統(tǒng)進行生成，MikroTik軟路由系統(tǒng)具有操作方式多樣、功能強大、穩(wěn)定性好等特點。在添加IP地址時，通過配置IPAddress/mask-length和Interface實現(xiàn)IP地址的添加。在生成靜態(tài)路由時，通過配置IPAddress/mask-length和Gateway參數(shù)生成靜態(tài)路由。

3.3實驗數(shù)據(jù)分析

1）連通性測試

對于連通性測試，可以采用Ping命令。在主機A上運行ping命令，ping主機B的IP地址，主機A收到主機B的回復(fù)報文，由此說明網(wǎng)絡(luò)的連通性良好。

2）協(xié)議分析

上面的連通性測試是基于ICMP報文的，在真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以通過在終端設(shè)備抓包進行測試。在基于軟路由系統(tǒng)搭建的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境中，同樣可以進行抓包。

在VMwareWorkstation中，設(shè)備之間通過VMnet互聯(lián)，需要在基于軟路由系統(tǒng)搭建的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境中抓取報文，要在宿主機中運行Wireshark對VMnet進行抓包，從而獲取報文。圖4、圖5為在VMnet中捕獲的報文。

圖4、圖5表明，在基于軟路由系統(tǒng)搭建的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境中可以成功捕獲到報文。

3.4性能比較

表5 對模擬器實驗環(huán)境和基于軟路由的實驗環(huán)境進行對比。

1）支持二次開發(fā)

部分軟路由提供二次開發(fā)的功能，可以在軟路由上通過代碼修改等方式進行二次開發(fā)。對路由器進行二次開發(fā)，提高了軟件的實用性，增加了軟件的個性化，方便不同的企業(yè)和單位根據(jù)實際情況對軟路由進行使用。

2）配置復(fù)雜度低

在對軟路由進行配置時，不需要像模擬器一樣，必須通過命令行進行管理，大多數(shù)軟路由提供圖形化操作頁面，只需要在圖形化操作頁面進行操作就可以輕松地實現(xiàn)所需的功能。

3）逼真性高

在進行虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗中，模擬器的主機通常只具有ping功能，但在軟路由的虛擬主機中，主機均采用電腦常用的操作系統(tǒng)，使得實驗環(huán)境仿真程度更高。

4）操作靈活

在搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時，不再局限于模擬器提供的固定功能的路由器與主機，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點，選擇適合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的軟路由進行實驗，虛擬主機也可以根據(jù)自身的需要，選擇合適的操作系統(tǒng)，這樣搭建出的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境靈活性更大。

5）擴展性強

部分軟路由具有良好的擴展性，可在軟路由上添加相應(yīng)的組件，就可以輕松地實現(xiàn)功能的拓展，使路由器的功能更加強大。

4 總結(jié)

長期以來，計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)所采用的教學(xué)方法，主要有兩種，分別是采用真實設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境以及華三公司、華為公司、思科公司等廠商推出的H3C Cloud Lab平臺、eNSP網(wǎng)絡(luò)模擬器、Packet Tracer模擬器進行模擬器的仿真實驗。但是對于采用真實設(shè)備的實驗，受限于場地、經(jīng)費的要求，無法滿足大規(guī)模學(xué)生上課的要求。采用模擬器實驗時，由于受到廠商的設(shè)備類型和設(shè)備種類的限制以及許多模擬軟件需要付費等原因，無法進行很好的軟件仿真。

本文將常用于設(shè)備通信廠商進行設(shè)備開發(fā)、測試所廣泛采用的軟路由系統(tǒng)引入到計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中來，提出了一種基于軟路由系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)設(shè)計，并詳細闡述了教學(xué)設(shè)計的實驗流程和實驗步驟。然后又以靜態(tài)路由實驗為教學(xué)案例，詳細地描述了采用iKuai軟路由系統(tǒng)、Ubuntu系統(tǒng)、MikroTik軟路由系統(tǒng)通過配置IP地址和生成靜態(tài)路由進行組網(wǎng)互聯(lián)的過程、對搭建好的網(wǎng)絡(luò)拓撲進行連通性測試和抓包分析。最后，通過對模擬器的實驗環(huán)境和基于軟路由的實驗環(huán)境進行對比得出基于軟路由實驗環(huán)境的優(yōu)點。

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