余瑞豐 牛德智 白文華

收稿日期：2023-08-17

基金項目：國防科技大學院級教育教學研究課題（JY21B015）；陜西省自然科學基礎研究項目（2019JQ-715）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.038

摘? 要：針對當前網絡工程、網絡安全專業(yè)在網絡管理實驗教學方面的不足，提出一種在有限的教學資源下，綜合運用虛擬化技術、網絡技術（虛實結合）的低成本、高拓展性網絡管理實驗方案。該方案可提供靈活的網絡管理環(huán)境，降低了教學平臺的建設成本，提高了網管管理教學的課堂學習效果，能夠為想要學習網絡管理的教學、管理及技術人員提供一定的參考和依據(jù)。

關鍵詞：高拓展性；網絡管理；虛實結合；實驗設計

中圖分類號：TP393.0? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）06-0178-08

Design and Implementation of Low Cost and High Expansibility Network Management Experimental Scheme

YU Ruifeng1， NIU Dezhi2， BAI Wenhua1

（1.School of Information and Communication， National University of Defense Technology， Wuhan? 430019， China;

2.Trial and Training Base， National University of Defense Technology， Xi'an? 710061， China）

Abstract： Aiming at the shortcomings of current network engineering and network security majors in network management experimental teaching， a low-cost and highly expansibility network management experimental scheme is proposed， which integrates virtualization technology and network technology （with the combination of virtual and reality） under limited teaching resources. This scheme can provide a flexible network management environment， reduce the construction cost of the teaching platform， improve the classroom learning effect of network management teaching， and can provide a certain reference and basis for teaching， management， and technical personnel who want to learn network management.

Keywords： high expansibility; network management; the combination of virtual and reality; experimental design

0? 引? 言

在互聯(lián)網技術飛速發(fā)展、網絡規(guī)模迅速擴張、網絡業(yè)務種類層出不窮的現(xiàn)實背景下，網絡管理的重要性日益凸顯。網絡管理是指對網絡的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，使其能夠安全有效、經濟合理地提供服務[1-4]。在實際就業(yè)中，有相當一部分人員從事網絡管理工作，各大高校也相繼開設了計算機網絡的有關課程，但各類計算機網絡管理課程學習中普遍缺少對學生的實訓練習和能力培養(yǎng)，同時也存在許多問題。本網絡管理實驗方案的實施，可以幫助學生更好地理解網絡管理原理，提升他們的網絡管理崗位任職能力。

結合國防科技大學信息通信學院網絡管理教學組多年的教學改革經驗，提出一種在有限的教學資源下，綜合運用虛擬化技術、網絡技術（虛實結合）的低成本、高拓展性網絡管理實驗方案。綜合使用實體交換機和PC機、虛擬化工具VMware Workstation、華為eNSP及VirtualBox、H3C網管平臺iMC，以SNMP管理技術為核心，在網絡設備的使用上以靜態(tài)路由、ARP代理為通信基礎，全面構建網絡管理教學模型。詳細的仿真實驗和結果分析表明，該方案可以為相關專業(yè)教育教學人員的教學提供一定的參考和依據(jù)。

1? 當前網管教學中存在的問題

網絡管理教學內容的設計，主要體現(xiàn)在網絡管理功能的實現(xiàn)。OSI將網絡管理劃分為配置管理、性能管理、故障管理、安全管理和計費管理五大功能[5-7]。計算機網絡及實訓課程中一般會設置相關實驗，但在傳統(tǒng)實驗環(huán)境中仍會面臨一些實際問題。

1.1? 教學實驗中的被管設備不足

多數(shù)高校的網絡工程、網絡安全專業(yè)，在計算機網絡或路由交換技術的實訓教學中一般會采用Cisco的EVE、華為的eNSP、H3C的HCL模擬器[8]，可以仿真的路由交換設備受實驗PC機內存的影響，16 GB內存的主機一般不超過10臺，難以仿真實際用到很多設備的網管管理環(huán)境。

1.2? 教學組網方式受限

每名學生可管理的網絡拓撲連接關系局限于單臺實驗主機，靈活組網的可拓展能力差，不能實現(xiàn)與其他管理人員的協(xié)同管理，無法模擬實際工作中分權分級的分布式網絡管理結構，課程所展現(xiàn)的綜合實驗場景缺乏多樣性，導致學生對網管人員工作過程的體驗欠佳。

1.3? 教學實驗管理系統(tǒng)不足

由于網絡管理系統(tǒng)成本高昂，市場價格可達幾十萬元以上，難以保障每個學員都能使用，大多高校一般會采購一套網管系統(tǒng)部署在服務器分發(fā)子賬號給多個學生使用，批量實驗時會出現(xiàn)卡頓，高度依賴服務器的性能。由于會有很多學生同時使用一套網管系統(tǒng)，不同學生的實驗操作會相互干擾，使得可能會影響網絡環(huán)境的誤操作增多，嚴重影響網絡管理的學習效果。

2? 網絡管理實驗設計關鍵技術及軟件工具

2.1? SNMP技術

在網絡管理的具體實施過程中，首先需要依托一種管理模型來設計管理系統(tǒng)軟件。SNMP是傳統(tǒng)網絡中廣為使用的一種網絡管理技術，它是一種基于TCP/IP的應用層協(xié)議，以SNMP技術為核心的網絡管理模型稱為SNMP網絡管理模型，其設計理念源于OSI網絡管理模型，也是傳統(tǒng)網絡中大多數(shù)計算機網絡管理結構的基礎[9，10]。SNMP網管模型需要具備管理者（Management）、代理（Agent）和協(xié)議（Protocol）三個要素。管理者作為監(jiān)控被管設備的執(zhí)行者，通過主動和被動兩種形式收集被管設備信息，對其進行整理和圖形化呈現(xiàn)；代理程序運行在被管設備上，通過不斷查詢、記錄、上報被管設備上管理信息庫MIB中更新內容的方式來獲取被管設備的具體管理信息；SNMP協(xié)議作為管理者和代理之間通信的主要協(xié)議，具備輪詢和trap兩種通信機制[11，12]。輪詢是由管理者主動發(fā)起的，通過與運行在被管設備上代理程序的周期性交互，不斷更新同步被管設備上MIB變化的方式，采用161端口，管理站會周期性發(fā)起get-request操作的報文，被管設備響應get-response報文實現(xiàn)交互。trap機制是指當被管設備狀態(tài)發(fā)生一定程度的變化時，主動向管理者發(fā)送trap報文進行告警的一種方式，采用162端口。SNMP通過輪詢和trap兩種通信機制實現(xiàn)對被管網絡設備近乎實時的管理，并通過讀寫團體字（Community）的方式對通信報文進行安全確認。

2.2? 靜態(tài)路由和ARP代理

本實驗在網絡連通部署上采用了靜態(tài)路由和ARP代理技術。靜態(tài)路由是一種網絡路由配置方法，用于手動指定網絡數(shù)據(jù)包在網絡中的傳輸路徑，它不會隨網絡拓撲結構的改變而改變[13]。

ARP代理是ARP協(xié)議的一個變種，可以使沒有配置缺省網關的主機與其他網絡中的主機實現(xiàn)通信，網關收到源計算機的ARP請求后會使用自己的MAC地址和目標計算機的IP地址對源計算機進行應答[14]，使原本被路由器隔開的廣播域重新連通。

2.3? 仿真平臺

華為企業(yè)網絡仿真平臺（Enterprise Network Simulation Platform， eNSP）是一款免費、可擴展、圖形化操作的網絡設備仿真平臺，可以對企業(yè)級路由器、交換機等進行仿真[15-17]。通過與VirtualBox開源虛擬機軟件的結合，仿真更多型號的路由交換設備，與Wireshark軟件的結合可以對捕獲的報文進行協(xié)議分析。

VMware Workstation是一款虛擬桌面計算機軟件，它為用戶提供了在單一桌面上同時運行不同操作系統(tǒng)的能力，并可為用戶開發(fā)、測試、部署新的應用程序提供最佳解決方案。該軟件所部署的虛擬機系統(tǒng)具有易于遷移、復制和快速重裝的特點[18，19]。

H3C iMC是一款由H3C公司開發(fā)、為用戶提供簡單易用網絡管理功能的平臺軟件，商用版價格昂貴，教學實驗采用免費試用版，license使用期限為45天，使用期限與操作系統(tǒng)綁定，重裝系統(tǒng)可以再次使用。

3? 網絡管理實驗方案

3.1? 實驗目的

為全面推進網絡管理教學手段創(chuàng)新及實訓平臺的搭建，采取以下方式和手段：

1）實施網絡管理實驗可使學生深刻體會并驗證SNMP網絡管理的原理，掌握網絡管理的具體流程。

2）使用虛實結合的手段構建基于SNMP協(xié)議的網絡管理模型體系，使網絡管理中涵蓋設備、拓撲、告警等主要功能，使學生在實驗后能夠獲得對網絡進行有效管理的基本能力。

3.2? 實驗清單

實體設備：浪潮S5660 V2-48T4X-S交換機1臺、PC主機2臺、雙絞線若干。

虛擬設備與軟件平臺：eNSP模擬仿真的AR2200路由器3臺、S3700交換機2臺、PC機3臺，VMware Workstation仿真的Server 2008服務器2臺、H3C iMC網管系統(tǒng)2套。

3.3? 實驗總體設計思路

提供可以實現(xiàn)單人單機、互不影響的低成本、高拓展性網絡管理實驗方案。方案需要滿足SNMP網管模型要素的構建、各要素間通信的實現(xiàn)以及基本網絡管理功能的呈現(xiàn)。

網管模型的構建要素如下：

1）SNMP管理模型中的管理者。在兩臺本地實體PC上分別使用VMware Workstation仿真服務器部署H3C iMC網管系統(tǒng)，規(guī)劃管理站的地址。

2）運行代理程序的被管設備。eNSP仿真的路由器3臺、交換機2臺，在虛擬設備上通過配置命令使代理程序生效。

各要素間的通信實現(xiàn)：

1）實體部分的網絡。兩臺實體PC機通過浪潮交換機互聯(lián)。此時在單臺PC機的連接關系上，管理者和代理（被管設備）都集合在實體PC一處，多個實體PC端（本次實驗使用2臺，具有可拓展性）又互聯(lián)在同一實體交換機之下，這樣可以保障每名學生在被管網絡中的個人操作獨立，在需要協(xié)作時又可以連通，進行分級網管間的實驗模擬。

2）虛擬部分的網絡。在本地PC端通過eNSP的云橋接功能將虛擬網絡與真實設備連接之后，教師和學生即可以根據(jù)上課需要，在eNSP搭建的虛擬網絡中使用靜態(tài)路由、OSPF等網絡協(xié)議擴展配置虛擬局域網，形成更大的被管網絡。

3）虛實設備之間的通聯(lián)。本方案選擇靜態(tài)路由作為跨網段通信的路由手段，可以更為簡單、清晰地呈現(xiàn)實驗效果。由于在本實驗中管理者和代理分別采用不同的虛擬系統(tǒng)進行仿真模擬，在主機上產生了多塊虛擬網卡，在初始連接狀態(tài)下跨虛擬系統(tǒng)的設備之間并不能相互通信，通過開啟虛擬路由器的ARP代理功能，可以簡單有效地將廣播幀透明傳輸?shù)蕉鄠€虛擬系統(tǒng)設備，滿足實驗所需的通信要求。

4）網絡管理功能呈現(xiàn)。使用H3C iMC網管系統(tǒng)實現(xiàn)對被管網絡設備、拓撲、告警、性能的管理。

其虛實結合后在邏輯上的網絡結構如圖1所示。

圖1? 虛實結合的網絡管理實驗模型邏輯拓撲

3.4? 實驗任務

分步完成網管實驗方案的部署與驗證：

1）虛擬化服務器搭建的網管站與被管虛擬設備之間的連通。

2）使用網管站對仿真網絡設備進行添加和管理，并進行拓撲查看。

3）分析SNMP輪詢和trap報文，驗證SNMP的工作原理。

3.5? 詳細網絡規(guī)劃

通過VMware在第一臺實體PC中創(chuàng)建服務器1臺，安裝iMC網管站1套，使用eNSP模擬可開啟代理的網絡被管設備。通過云橋接功能將虛擬網絡中的設備與本地實體PC連通，在虛擬網絡中模擬兩個以太網子網，分別設置不同的網段，通過靜態(tài)路由將R1與R2之間的子網連通。第一臺實體PC規(guī)劃如圖2所示，第二臺實體PC規(guī)劃如圖3所示。

圖2、圖3中各設備的具體命名及IP地址規(guī)劃如表1所示。

圖2? 第一臺實體PC上的設備拓撲

圖3? 第二臺實體PC上的設備拓撲

表1? 設備IP地址規(guī)劃

實體設備 虛擬設備 接口 IP地址

第一臺

實體PCA PCA本地網卡 — 192.168.5.50/24

服務器與iMC網管站M1 — 192.168.5.250/24

二層交換機S1 — —

二層交換機S2 — —

路由器R1 E0/0/0 192.168.5.150/24

E0/0/1 192.168.6.150/24

G0/0/0 192.168.8.254/24

路由器R2 E0/0/0 192.168.6.151/24

G0/0/0 192.168.7.254/24

測試PC1 — 192.168.7.1/24

測試PC2 — 192.168.7.2/24

測試PC3 — 192.168.8.1/24

實體設備 虛擬設備 接口 IP地址

第二臺

實體PCB PCB本地網卡 — 192.168.5.3/24

服務器與iMC網管站M2 — 192.168.5.203/24

路由器R1 E0/0/0 192.168.5.103/24

核心交換機CORE E0/0/1 N/A

E0/0/2 N/A

4? 虛實結合的網絡管理實驗方案的實現(xiàn)

4.1? 第一臺實體PCA配置步驟及內容

SNMP網管模型仿真及虛實間通信配置：

1）PCA的本地以太網卡IP地址設置為192.168.

5.50/24。在PCA的Windows系統(tǒng)中通過VMware工具創(chuàng)建虛擬機，為虛擬機配置4核、4 GB內存、40 GB存儲空間。在所創(chuàng)建的虛擬機上安裝Server 2008操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)上安裝H3C iMC。通過橋接模式將虛擬機與PCA的本地以太網卡相連。配置服務器的地址為192.168.5.250/24。此步驟完成SNMP中管理站M1的建立。

2）通過eNSP創(chuàng)建R1、R2，然后啟動代理，完成SNMP中被管設備的創(chuàng)建。

主要配置代碼如下：

R1的配置：

[R1] interface Ethernet0/0/0

[R1-Ethernet0/0/0]ip address 192.168.5.150 255.255.

255.0 #配置e0/0/0的IP地址

[R1] interface Ethernet0/0/1

[R1-Ethernet0/0/1]ip address 192.168.6.150 255.255.

255.0 #配置e0/0/1的IP地址

[R1] interface GigabitEthernet0/0/0

[R1-GigabitEthernet0/0/1]ip address 192.168.8.254 255.255.255.0 #配置R1作為192.168.8.0的網關出口

[R1] ip route-static 20.0.0.0 255.255.255.0 30.0.0.1? ? ? ? ? ? ?#配置R1到20.0.0.0網絡的靜態(tài)路由

[R1] ip route-static 192.168.7.0 255.255.255.0 192.168.

6.151? ? ?#配置R1到192.168.7.0網絡的靜態(tài)路由

[R1]snmp-agent #啟動代理程序

[R1]snmp-agent community read 123 #配置讀團體字為123

[R1]snmp-agent community read 321 #配置寫團體字為321

[R1]snmp-agent sys-info version all #允許通過的SNMP版本為所有

[R1]snmp-agent target-host trap address udp-domain 192.168.5.250 params securityname 123 #SNMP Trap報文發(fā)送指向M1網管站地址，安全名123

[R1-Ethernet0/0/1]arp-proxy enable 由于路由器隔離廣播域，使能該接口的ARP代理功能

R2的配置：

[R2] interface Ethernet0/0/0

[R2-Ethernet0/0/0]ip address 192.168.6.151 255.255.

255.0 #配置e0/0/0的IP地址

[R2] interface GigabitEthernet0/0/0

[R2-GigabitEthernet0/0/1]ip address 192.168.7.254 255.255.255.0 #配置R2作為192.168.7.0的網關出口

[R2] ip route-static 192.168.5.0 255.255.255.0 192.

168.6.150 #配置R2到192.168.5.0網絡的靜態(tài)路由

[R2] ip route-static 192.168.8.0 255.255.255.0 192.

168.8.254 #配置R2到192.168.8.0網絡的靜態(tài)路由

*** R2上SNMP配置和R1相同，此處不再重復***

3）虛擬網絡和本地PCA實體網卡通信的Cloud組件配置。Cloud1選取綁定信息，創(chuàng)建虛擬通道，一端連接R1左端口E0/0/0，一端連接PCA物理網卡，創(chuàng)建PCA與虛擬設備的通道，在端口映射處選擇對創(chuàng)建的端口進行雙向通道連通，配置參數(shù)如圖4所示。

圖4? Cloud1上的配置參數(shù)

4.2? 第二臺實體PCB配置步驟及內容

分級網管站與被管網絡的拓展部署仿真、虛實間通信配置：

1）PCB與PCA類似，本地網卡地址為192.168.

5.3/24，服務器的地址為192.168.5.203/24，完成管理站M2的建立。

2）通過eNSP創(chuàng)建R1，功能上與PCA一致，主要配置代碼變化如下：

R1的配置：

[R1] interface Ethernet0/0/0

[R1-Ethernet0/0/0]ip address 192.168.5.103 255.255.

255.0? #配置e0/0/0的IP地址

[R1]snmp-agent target-host trap address udp-domain 192.168.5.203 params securityname 123? #配置trap信息和安全確認

3）eNSP創(chuàng)建能和本地PCB網卡通信的云cloud組件，配置方法如圖4所示。

4.3? CORE交換機配置

將PCA和PCB分別接入浪潮交換機的上下前兩個LAN接口，實現(xiàn)實體設備的連通，劃分同一VLAN即可，代碼如下：

[SW]vlan 10? #創(chuàng)建VLAN10

[SW] interface Ethernet0/0/0

[SW -Ethernet0/0/0]port link aceess

[SW -Ethernet0/0/0]port default vlan 10? #配置將e0/0/0劃入VLAN10

[SW] interface Ethernet0/0/1

[SW -Ethernet0/0/1]port link aceess

[SW -Ethernet0/0/1]port default vlan 10? #配置將e0/0/1劃入VLAN10

5? 網絡管理功能實現(xiàn)及驗證分析

5.1? 驗證VM虛擬服務器與被管虛擬設備之間的連通性

在PCA上的PC1對網管站M1執(zhí)行ping命令，PC1（192.168.7.1）可以和M1（192.168.5.250）通信，如圖5所示。M1可以與PCA上R1、R2的網關通信，如圖6所示。

5.2? 驗證設備管理、拓撲查看和可拓展性

1）驗證設備管理。在本地PCA或PCB中，使用瀏覽器登錄http：//192.168.5.250/imc：8080打開網管站M1界面，通過手動添加設備方式添加虛擬路由器，設置讀團體字123、寫團體字321。添加成功后可以對被管虛擬設備R1進行管理。同樣添加管理設備R2。如圖7所示，可以查看到R1設備的詳細信息，圖中藍色“可修改”字體代表缺省狀態(tài)下權限是讀寫的管理信息。

2）驗證拓撲查看。使用網管站M1拓撲查看功能，可以看到網管站中呈現(xiàn)的拓撲關系與圖2規(guī)劃的網絡情況一致，如圖8所示。

3）驗證被管網絡的拓展性。按照上述方法操作管理站M1，通過SNMP協(xié)議添加PCB上的R1，結果如圖9所示。

PCB上網管站M2可以添加PCB上的R1，過程如上，不再贅述演示。證明該方案可以不斷拓展網絡組網規(guī)模。

5.3? 驗證SNMP原理

1）驗證輪詢過程。當前管理關系中，M1可以對PCA上的R1、R2以及PCB上的R1進行管理，M2可以對PCB上的R1進行管理。Wireshark是當前廣泛使用的網絡抓包分析軟件，通過Wireshark抓取PCA上R2左端e0/0/0接口，并觀察采用UDP占用161端口，可以看到地址為192.168.5.250的網管站M1和地址為192.168.7.254的R2設備在重復進行SNMP的get-request請求和get-response的響應報文交互，從而可以證明SNMP輪詢是通過161端口進行周期性的輪詢通信，如圖10所示。

2）驗證trap過程。Trap報文產生于網絡故障。為達到實驗目的，需要主動制造一個故障。在PCB的eNSP中對R1左端接口e0/0/0進行接口關閉操作，主動使PCB上R1網絡中斷。代碼如下：

[R1] interface Ethernet0/0/0

[R1-Ethernet0/0/0]shutdown? ? #關閉結構e0/0/0

等待網管站生成告警反饋，結果如圖11所示。通過Wireshark對PCB上R1的E0/0/0接口進行抓包，抓包結果如圖12所示。

通過抓包發(fā)現(xiàn)162端口下PCB上R1產生的trap數(shù)據(jù)包，因為在步驟4.2中PCB上R1進行SNMP代理配置時指向的trap發(fā)送地址是192.168.5.203，故該trap報文是從203這個地址轉發(fā)到250的。抓包結果可以證明SNMP中trap是故障設備通過162端口主動發(fā)送的單次報文，證明SNMP實驗成功并可以實現(xiàn)交互管理。

6? 結? 論

本文設計的實驗方案滿足當前對傳統(tǒng)網絡管理教學的實驗需求，已應用于我校本科、大專教育兩個層次4個教學班的教學實踐中，并取得了較好的教學效果。保證了學生單人單機獨立完成網管功能實驗，解決了網管資源緊缺和靈活組網的問題。SNMP是傳統(tǒng)網絡中最常用的管理協(xié)議，未來在SDN網絡中也會發(fā)揮重大作用，熟練掌握SNMP網絡管理原理并學會使用網管工具，是發(fā)現(xiàn)網絡異常事件、分析網絡隱患、制定網絡規(guī)劃策略的重要基礎和依據(jù)。

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作者簡介：余瑞豐（1990—），男，滿族，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，研究方向：軍事通信網管理。