摘要：購置大量網絡設備建設網絡實驗室用于教學，其購置和維護費用較高；完全采用模擬器或虛擬機進行網絡實驗，學生對網絡設備、接口和線纜難以獲得較好的感性認知。本文提出了一種虛實結合的網絡實驗室建設方案--實驗室建設需要購置少量網絡設備，同時網絡設計的邏輯實現和練習則是通過網絡模擬器和虛擬機完成。這樣既考慮到學生對網絡設備感性認知的需要，達到與真機訓練相同的效果，又可以大幅度降低購置成本和維護費用。

關鍵字：網絡 實驗 模擬器虛擬機

1.研究背景

在現實的計算機網絡教學和實踐中，很多高?；蛘吲嘤枡C構為了讓學生學以致用，采用購置大量的網絡設備用于教學或培訓，其好處在于學生能夠接觸到真實的設備，能夠增強學生的感性認識，但是購置大量網絡設備成本較高，不僅需要一筆價值不菲的設備購置費用，而且每年還需要維護費用，這對于經費緊張的學?；蚺嘤枡C構往往是難以承受的，一些實力較為雄厚的培訓公司具有較多的網絡設備，通過虛擬化方式提供給學員在虛擬化的平臺實踐，學生往往練習的內容還是網絡的邏輯設計和命令練習，無法看到背后強大支持的真機，難以獲得較強的感性認識。銳捷公司雖然提供一套整體的網絡實驗室解決方案，方便實驗教學管理，但是同樣需要相當的購置成本和維護費用。

學生在獲得初步的感性認識后在今后練習和實踐中接觸到的更多是網絡邏輯設計和命令的練習，真機練習和模擬器練習從效果上看區(qū)別不大?；谶@種考慮，本文在多年的教學和實踐的基礎上提出了一種以虛擬為基礎，虛實結合的實驗室構建方案，網絡實驗室建設需要一定量的設備，包括路由器、交換機及相關線纜和網絡模塊，后續(xù)的教學可以采用網絡模擬器和虛擬機方式完成。這樣不僅解決網絡實驗室建設成本過高問題，而且可以讓學生在模擬環(huán)境中獲得真實的動手實踐能力。

2.構建原則方案

要構建虛實結合的虛擬網絡實驗室，必須堅持以下幾個原則：

（1）以學生為中心的原則

學生是學習的主體，學習網絡知識的學生離不開網絡環(huán)境。學生的網絡運維能力培養(yǎng)離不開相關的輔助網絡環(huán)境。網絡實驗室開放時間可能有所限制，但是虛擬網絡實驗室則可以搬到學生的電腦，方便學生學習、練習和實踐。

（2）成本性原則

構建虛實結合的虛擬網絡實驗室，其成本必須大大低于大量網絡設備的購置和維護費用。虛擬網絡實驗室購置成本主要體現在需要一臺配置較好的計算機上和虛擬機軟件上。虛擬網絡實驗室的計算機配置要高，主要體現在臺式計算機的CPU和內存上。CPU建議采用四核以上的Intel CPU，而內存建議8G以上。假設以60個學生為教學單位，每臺計算機成本增加不會超過2000元，其設備購置費增加不會超過12萬元。而購置大量網絡設備用于教學動輒超過100萬。而虛擬機和網絡模擬軟件可以采用VMware、Virtual Box、GNS3或Unified Network Lab，VMware費用不會太高，VirtualBox、GNS3或Unified Network Lab屬開源性質，基本上不用花費。

（3）虛實結合原則

計算機網絡教學過程，學生應該能夠從教學中獲取一些感性認知。比如，各種線纜和各種網絡設備接口的認知，線纜和接口連接方式的認知，各種網絡模塊的認知，這些認知需要真實線纜和設備。所以，構建虛實結合網絡實驗室，不能完全脫離真實環(huán)境。學校購置所有線纜以及少量部分網絡模塊和網絡設備供學生參觀和實驗。

學生的平時練習和網絡邏輯設計采用虛擬的模擬器或者虛擬機軟件完成。

3.虛擬網絡實驗室方案及應用

基于以上網絡實驗室構建原則，盡管一些學者從教學角度闡述虛實結合的計算機網絡實驗【1-3】的思想，本文采用較新的技術提出一種虛實結合的網絡實驗室的建設方案：網絡實驗室需要配置少量路由器和交換機，需要配備各種網絡模塊、具備各種接口的線纜；同時網絡實驗室應該有助于教學中網絡設計的邏輯實現，這可以采用網絡模擬器和虛擬機來實現。網絡模擬器GNS3或UNetLab，而虛擬機采用VMWare Workstation Pro或VirtualBox。

3.1 虛擬網絡實驗室配置步驟

下面以最新的GNS3 1.5.2和VMWare Workstation Pro 12.2為例，詳細闡述虛擬實驗室實現步驟。

（1）準備軟件：VMWare Workstation Pro 12.2、GNS3 1.5.2、GNS3 VM.ova、IOU二層和三層設備鏡像文件i86bi-linux-l2-adventerprisek9-15.1a.bin和i86bi-linux-l3-adventerprisek9-ms.155-2.T.bin、路由器IOS鏡像文件，比如：c7200-adventerprisek9_sna-mz.152-4.M10.bin、ASA防火墻模擬器文件asav952-204.qcow2、Wireshark、TightVNC Viewer等。

（2）安裝并配置VMWare Workstation Pro 12.2?？梢赃M行全局性一些配置，比如，客戶虛擬機安裝目錄的更改。

（3）導入GNS 1.5.2 for VMWare Workstation Pro虛擬機。在VMWare Workstation Pro上點擊"文件"--"打開"--找到GNS3 VM.ova文件。如下圖

（4）安裝Wireshark等抓包軟件。通過抓包軟件可以進行網絡協議分析；安裝TightViewer客戶端。（注意：如果網絡條件許可的話，可以安裝GNS3時會自動下載這兩個軟件。但在國內網絡環(huán)境下，建議提前安裝）；

（5）安裝并配置GNS3。安裝過程基本上是導航式的，按步驟操作即可完成。安裝時，如果已經安裝Wireshark和TightVNC Viewer，注意在安裝GNS3軟件時去掉這兩個軟件復選框。安裝完成后，可以點擊"Edit"--"Preferences"，在 "General"選項卡中對GNS3項目存放的目錄進行更改設置。在"VNC"選項中設置TightViewer客戶端程序：點擊"VNC選項卡"--點擊"Edit"按鈕--按圖3給出TightViewer客戶端程序所在目錄，后面附上%h：%p，表示主機IP地址和端口號。

在左邊選取Packet Capture，正確設置抓包程序所在目錄和參數，如圖4所示。

（6）初次啟動GNS3或點擊help--Setup Wizard進入服務器配置選擇服務器設置向導。比較大型的模擬請采用Local GNS3 VM。如圖5所示。

（7）配置IOS。在Preference對話框中，單擊Dynamips下IOS Routers，單擊New按鈕，選擇"Run the IOS on the GNS3 VM"，單擊next，選擇New Image，單擊Browse…按鈕，選擇所要加載路由器鏡像文件，如圖6所示。

（8）配置IOU二層和三層設備。其中IOU二層設備可用作交換機，IOU三層設備可以用作路由器。選擇IOU on Unix下的IOU Devices，單擊New按鈕，在New IOU device template中選擇服務器類型"Run the IOS on the GNS3 VM"，單擊next，在name and image中，進行適當的設置：如果模擬二層設備，name名字可以為SW_IOU，選擇New Image，Type下拉列表選擇L2 Image，單擊Browse按鈕，選取i86bi-linux-l2-adventerprisek9-15.1a.bin鏡像，確定就可以了；如果模擬三層設備，name可以是RT_IOU，選擇New Image，Type下拉列表選擇L3 Image，單擊Browse按鈕，選取i86bi-linux-l3-adventerprisek9-ms.155-2.T.bin鏡像，確定就可以了。完了之后注意：在IOU on Unix的通用配置中，要設置License，如圖7所示。

（9）在QEMU中模擬ASA防火墻。新的GNS3支持ASAv，對原來像ASA 8.4.2設置起來較為麻煩。下面是在GNS3 1.5.2中配置使用ASAv 9.5.2-204防火墻。選擇QEMU下的QEMU VMs，單擊New，出現New QEMU VM template向導，首先選擇服務器類型"Run the Qemu VM on the GNS3 VM"，單擊Next，在Name給出名字，比如ASAv952，單擊Next，設置Qemu binary and memory，如圖8所示。

單擊Next，通過選取New Image選取磁盤鏡像ASAv 9.5.2-204.qcow2，如圖9所示。

單擊確定后，磁盤鏡像上傳完成后，單擊Finish。這時看到ASAv是一個類似計算機圖標，需要進一步編輯。選擇此圖標并單擊Edit按鈕，出現模板編輯對話框。在General settings選項卡中，需要對Symbol、Category和Console type進行設置，如圖10所示。

切換至Network選項卡，在Adapters中設置為6；切換至Advanced settings選項卡中，將Options設置：-cpu Haswell -smp 4，sockets=4，cores=1，threads=1 （Intel CPU）或-cpu Opteron_G5 -smp 4，sockets=4，cores=1，threads=1 （AMD CPU），去掉Use as a linked base VM，如圖11所示。

將ASAv拖入項目中并啟動，點鼠標右鍵單擊console啟動TightVNC Viewer。經過兩次在GRUB引導菜單中選擇bootflash：/asav952-204-smp-k8.bin with no configuration load進行初始自動配置后進入提示符ciscoasa>，然后敲入以下命令配置控制臺：

ciscoasa>enable

ciscoasa# configure terminal

ciscoasa（config）#cd coredumpinfo

ciscoasa（config）#copy coredump.cfg disk0：/use_ttyS0

ciscoasa#write

ciscoasa#reload

重啟后，串口控制臺就可以使用了。注意：在ASAv模板中要將console type改回telnet，Additional settings改回先前默認狀態(tài)。

（10） 還可以可以添加VirtaulBox/VMWare/Docker容器作為網絡中主機。比如，在VMWare中可以添加一個Linux虛擬機，這個虛擬機就可以作為GNS3中實驗用主機。相關系統配置和管理相關實驗可以采用虛擬機進行。

3.2利用虛擬網絡實驗室構建網絡實驗

構建基本的虛擬網絡實驗室，就可以在虛擬網絡中進行絕大部分的基本路由交換實驗。模擬真實場景的實驗需要學生設計好相關的網絡拓撲圖，然后依照相關的拓撲圖，完成網絡的核心部分和邊緣部分構造。其中，邊緣部分可以虛擬PC、虛擬機或真實服務器或者PC，虛擬網絡實驗室的邊緣部分可以采用本地服務器、本地虛擬機或遠程計算機來模擬。GNS3模擬器通過橋接方式采用直接橋接或者啟用Microsoft Loopback Adapter橋接連接真機；通過在VMWare中添加虛擬網絡形式連接不同VMWare虛擬主機、Docker容器或VirtualBox主機。

教師和學生通過虛擬網絡實驗環(huán)境能夠快速、靈活地構建網絡核心部分和邊緣部分，還能夠利用ASAv、PIX、Iptables或firewalld進行防火墻實驗和網絡安全實驗，在高度仿真的網絡環(huán)境中實現網絡攻防實驗和網絡安全審計實驗。

利用虛擬網絡實驗室可以進行網絡的仿真設計，從而有利于在真實環(huán)境中實現網絡。

4.結束語

在計算機網絡教學或者網絡工程專業(yè)課程教學中，本文提出了一種虛實結合的網絡實驗室方案用于教學實踐，這種方案不但可以克服傳統的純粹硬件構建的網絡實驗室中購置和維護成本過高的問題，而且可以讓師生可以根據自己設計靈活組網，實現高度仿真。學生也可以擺脫課堂實踐的限制在自己電腦上完成自己的網絡設計和實現、配置和管理。

當然，這種虛實結合的網絡實驗環(huán)境也有其局限，比如，無法實現網絡性能模擬。但是虛擬結合的網絡實驗環(huán)境對于教學而言已經基本夠用，即便對于網絡工程等專業(yè)的大部分實驗也可以在這個方案所實現的網絡環(huán)境完成。

參考文獻

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作者簡介：

易學能 （1969.8-） 男 漢族 湖北人 副教授 博士 研究方向：信息與通信工程