楊 禮(喀什大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 喀什 844008)

0 引 言

廣域網(wǎng)[1]是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的必學(xué)內(nèi)容之一，幀中繼技術(shù)解決了不同區(qū)域間、跨地理區(qū)域的局域網(wǎng)的互聯(lián)以及廣域網(wǎng)的連接[2]。在實(shí)驗(yàn)室條件有限的情況下，借助仿真平臺(tái)開(kāi)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以降低實(shí)驗(yàn)的投入成本，利用仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為一種趨勢(shì)[3-4]。Packet Tracer軟件提供了廣域網(wǎng)模擬云設(shè)備，在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[5-6]中給出了一種基于Packet Tracer的幀中繼仿真實(shí)驗(yàn)。本文以GNS3作為網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[7]，設(shè)計(jì)了使用兩種不同方法實(shí)現(xiàn)幀中繼網(wǎng)絡(luò)互連的實(shí)驗(yàn)，滿足計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

1 幀中繼基本概念

幀中繼(Frame Relay)是一種高性能的廣域網(wǎng)協(xié)議，運(yùn)行在OSI參考模型的物理層(Physical Layer)和數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)[6]。幀中繼技術(shù)實(shí)現(xiàn)多區(qū)域局域網(wǎng)以及廣域網(wǎng)的互聯(lián)，利用幀中繼實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的工作過(guò)程簡(jiǎn)單描述如下：首先建立數(shù)據(jù)終端設(shè)備[8](DataTerminalEquipment，DTE)之間的虛電路，然后經(jīng)由中間的數(shù)據(jù)通信設(shè)備[8](DataCommunication Equipment，DCE)實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。以下是幀中繼網(wǎng)絡(luò)中常用的基本概念。

(1) 虛電路。根據(jù)建立方式，虛電路分為永久虛電路(Permanent Virtual Circuit，PVC)和交換虛電路(Switched Virtual Circuit，SVC)[8]。虛電路是一種端到端的邏輯鏈路，PVC由手動(dòng)設(shè)置產(chǎn)生，SVC經(jīng)過(guò)協(xié)議協(xié)商產(chǎn)生，幀中繼接口一般使用PVC方式。虛電路有active、inactive、delete3種基本狀態(tài)。

(2) 數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí)符(Data Link Connection Identifier，DLCI)[2]。DLCI用于標(biāo)識(shí)不同的邏輯鏈路，每一段邏輯鏈路對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的DLCI值。一臺(tái)DTE設(shè)備通過(guò)建立IP地址與DLCI的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)幀的封裝。

(3) 本地管理接口(Local Management Interface，LMI)[2]。LMI提供了DCE與DTE之間的信令標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)設(shè)備之間的連接管理和狀態(tài)維護(hù)。LMI分為3種類型[8]：ANSI、Cisco和Q933a，默認(rèn)為Cisco格式。

2 GNS3仿真軟件

目前在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件有Cisco的Packet Tracer、GNS3等虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[9]。Packet Tracer是一款純模擬軟件，操作簡(jiǎn)單，功能有限，而GNS3對(duì)幀中繼實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出更好的適用性[10]。GNS3不僅完全支持Cisco設(shè)備，還支持Juniper等廠商的部分設(shè)備，可以直接運(yùn)行IOS文件，提供了仿真度較高的路由器和幀中繼交換機(jī)等設(shè)備，實(shí)驗(yàn)效果更佳。GNS3模擬器提供了多種登錄和配置路由器的方法，可以通過(guò)VMware[11-12]、VirtualBox[13]、VPCS等虛擬機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)虛擬PC機(jī)之間通信。VPCS是GNS3自帶的一款小型軟件，用于模擬PC機(jī)，可以執(zhí)行ping命令測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的連通性[14]。GNS3中PC機(jī)的本地端口號(hào)和遠(yuǎn)程端口分別對(duì)應(yīng)VPCS軟件中虛擬PC機(jī)的遠(yuǎn)程端口和本地端口。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

理解幀中繼技術(shù)的基本概念和原理，掌握利用GNS3模擬軟件進(jìn)行幀中繼網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置方法和過(guò)程。

3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃

結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)教研、教改的要求，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，綜合考慮了實(shí)驗(yàn)室硬件環(huán)境和教學(xué)目標(biāo)，調(diào)整了實(shí)驗(yàn)規(guī)模，充分展示了幀中繼技術(shù)在廣域網(wǎng)部署中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以模擬某個(gè)高校的3個(gè)校區(qū)為例，實(shí)現(xiàn)校區(qū)的互連。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體的規(guī)劃如下：

(1) 3臺(tái)Routerc2961(R1、R2、R3)和3臺(tái)Host虛擬PC機(jī)(PC1、PC2、PC3)構(gòu)成3個(gè)不同的校區(qū)網(wǎng)絡(luò)。以R1作為中心路由器，創(chuàng)建子接口并封裝幀中繼point-to-point子接口；以R2、R3作為分支路由器，在物理接口封裝幀中繼，3臺(tái)路由器均以DTE方式工作。

(2) 使用1臺(tái)Frame Relay Switch(FR1)或一臺(tái)c2961 Router(R4)作為幀中繼設(shè)備，以DCE方式工作。

(3) 實(shí)驗(yàn)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址的規(guī)劃如表1所示。

表1 設(shè)備端口的IP地址表

3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置與幀中繼地址映射

(1) 為路由器添加模塊。實(shí)驗(yàn)中選取的路由器為Router c2961，該路由器的slot 0提供的默認(rèn)接口為GT96100-FE接口，需要在slot 1中添加NM-4T接口。

(2) 設(shè)備端口的DLCI參數(shù)的設(shè)置。實(shí)驗(yàn)中需要建立IP地址與DLCI值之間的映射關(guān)系，具體設(shè)置參數(shù)如表2所示。

表2 幀中繼地址映射表

3.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.4.1基于幀中繼交換機(jī)的實(shí)驗(yàn)

在GNS3模擬器中通過(guò)拖動(dòng)所需設(shè)備以及連線，搭建如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

實(shí)驗(yàn)配置步驟如下：

(1) 路由器的配置。在路由器R1的serial1/0端口上定義幀中繼的封裝格式并啟動(dòng)端口，然后創(chuàng)建子接口并以point-to-point方式連接，配置如表2所示的IP地址與DLCI的靜態(tài)映射；在f0/0端口配置IP地址，配置RIP路由[15]實(shí)現(xiàn)3個(gè)不同網(wǎng)段的連通。

R1的配置文檔如下：

R1#show running-config

interface FastEthernet0/0

ip address 192.168.1.1 255.255.255.0

R1(config-if)#

圖1 基于幀中繼交換機(jī)的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

interface Serial1/0

noip address

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

interface Serial1/0.101 point-to-point

ip address 200.0.0.1 255.255.255.0

frame-relay interface-dlci 101

interface Serial1/0.102 point-to-point

ip address 201.0.0.1 255.255.255.0

frame-relay interface-dlci102

router rip

version 2

network 192.168.1.0

network 200.0.0.0

network 201.0.0.0

no auto-summary

在路由器R2的Serial1/0端口封裝幀中繼協(xié)議并開(kāi)啟端口，配置IP地址，指定幀中繼封裝的LMI類型，默認(rèn)為Cisco類型。手動(dòng)指定IP地址與DLCI的映射關(guān)系，最后配置RIP路由實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連通。R3與R2的配置方法相同。

R2的配置文檔如下：

R2#show running-config

interface FastEthernet0/0

ip address 192.168.2.1 255.255.255.0

interface Serial1/0

ip address 200.0.0.2 255.255.255.0

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

frame-relay map ip 200.0.0.1 202 broadcast

router rip

version 2

network 192.168.2.0

network 200.0.0.0

no auto-summary

R3的配置文檔如下：

R3#show running-config

interface FastEthernet0/0

ip address 192.168.3.1 255.255.255.0

interface Serial1/0

ip address 201.0.0.2 255.255.255.0

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

frame-relay map ip 201.0.0.1 203 broadcast

router rip

version 2

network 192.168.3.0

network 201.0.0.0

no auto-summary

路由器配置完畢，查看路由器上的靜態(tài)映射關(guān)系和路由器的幀中繼接口的狀態(tài)[16]。

R1#show frame-relay map

Serial1/0.101 (up): point-to-point dlci, dlci 101(0x67,0x1870), broadcast,status defined, active

Serial1/0.102 (up): point-to-point dlci, dlci 102(0x66,0x1860), broadcast,status defined, active

R2#show frame-relay map

Serial1/0 (up): ip 200.0.0.1 dlci 202(0xC9,0x3090), static,broadcast,CISCO, status defined, active

R3#show frame-relay map

Serial1/0 (up): ip 201.0.0.1 dlci203(0x12D,0x48D0), static,broadcast,CISCO, status defined, active

(2) 幀中繼交換機(jī)的配置。在幀中繼交換機(jī)上通過(guò)右鍵單擊“configure”，完成端口的DLCI對(duì)應(yīng)關(guān)系的設(shè)置如圖2所示。

圖2 FR1的DLCI設(shè)置

3.4.2基于路由器的幀中繼實(shí)驗(yàn)

在上述實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以路由器取代幀中繼交換機(jī)，其它設(shè)備不變，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置步驟如下：

(1) 路由器R1、R2、R3的配置與3.4.1節(jié)中實(shí)驗(yàn)相同。

(2) 路由器R4作為幀中繼設(shè)備的配置。

首先需要開(kāi)啟路由器R4的幀中繼交換功能，然后把R4的3個(gè)串口均設(shè)置為DCE類型并配置時(shí)鐘頻率，最后建立幀中繼內(nèi)部的DLCI交換關(guān)系表。

R4的配置文檔如下：

圖3 基于路由器的幀中繼實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

R4#show running-config

frame-relay switching

interface Serial1/1

noip address

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

clock rate 64000

frame-relayintf-type dce

frame-relay route 101 interface Serial1/2 202

frame-relay route 102 interface Serial1/3203

interface Serial1/2

noip address

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

clock rate 64000

frame-relayintf-type dce

frame-relay route 202 interface Serial1/1 101

interface Serial1/3

noip address

encapsulation frame-relay

serial restart-delay 0

clock rate 64000

frame-relayintf-type dce

frame-relay route 203 interface Serial1/1 102

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)在VPCS窗口中配置Host虛擬PC機(jī)的IP地址，然后運(yùn)行ping命令測(cè)試主機(jī)的連通性，虛擬PC機(jī)的IP地址配置結(jié)果如圖4所示，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果相同，如圖5所示。

圖4 虛擬PC機(jī)的IP地址信息

圖5 網(wǎng)絡(luò)連通性測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的教學(xué)內(nèi)容，本文選擇幀中繼實(shí)驗(yàn)作為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)GNS3與VPCS結(jié)合的方式構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了兩種不同的實(shí)現(xiàn)幀中繼網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)兩種不同方法，讓學(xué)生更加深入地理解了幀中繼技術(shù)的原理。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件不足的情況下，利用虛擬軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)為高校師生提供了廣闊的學(xué)習(xí)和交流的平臺(tái)。

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