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1、天津职业技术师范大学2012届本科生毕业设计1 引言1.1 课题研究的背景计算机网络近年来获得了飞速的发展。20年前，在我国很少有人接触过网络。现在，计算机通信网络以及Internet已成为我们社会结构的一个基本组成部分。网络被应用于工商业的各个方面，包括电子银行、电子商务、现代化的企业管理、信息服务业等都以计算机网络系统为基础。从学校远程教育到政府日常办公乃至现在的电子社区，很多方面都离不开网络技术。可以不夸张地说，网络在当今世界无处不在。网络的发展也是一个经济上的冲击。数据网络使个人化的远程通信成为可能，并改变了商业通信的模式。一个完整的用于发展网络技术、网络产品和网络服务的新兴工业已经形
2、成，计算机网络的普及性和重要性已经导致在不同岗位上对具有更多网络知识的人才的大量需求。企业需要雇员规划、获取、安装、操作、管理那些构成计算机网络和Internet的软硬件系统。另外，计算机编程已不再局限于个人计算机，而要求程序员设计并实现能与其他计算机上的程序通信的应用软件。网络互联的最大优点在于能集合任意多个网络而成为规模更大的网络,并且能互通互联,资源共享。然而，昂贵的设备开销是教学条件所不允许的，迫切地需要仿真软件来实现实验过程中基本的网络互联设备的连接、配置和结果校验的仿真。市面上也有很多相同的产品都实现了虚拟设备的功能，比如：Boson NetSim、Dynamips、GNS3和Pa
3、cket Tracer。Boson NetSim是ITExamP推荐的路由器模拟软件，可以模拟路由器和部分交换机，而且是它最先提出自定义网络拓扑的功能，使用Boson NetSim省去了制作网线连接设备，频繁变换CONSOLE线，不停地往返于设备之间的环节。同时，Boson NetSim的命令也和最新的Cisco的IOS保持一致，它可以模拟出Cisco的部分中端产品35系列交换机和45系列路由器。Dynamips，是由我国CCIE小凡开发的一个思科模拟器图形前端。这个优秀的模拟器可以模仿思科设备的真实操作环境，可以说是目前最好的思科模拟器它不仅整合了思科所有的IOS模拟器，而且还整合了BES以
4、及VPCS。它是一个综合的模拟器解决方案。Packet Tracer 是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具，为学习思科网络课程的初学者去设计、配置、排除网络故障提供了网络模拟环境。用户可以在软件的图形用户界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑，并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况。可以学习IOS的配置、锻炼故障排查能力。而Internet的最初设计，并没有考虑到需要支持目前这样庞大的互联网，因此在IPv4的设计当中，IP地址仅使用了32bit来标识网络中的一个节点设备，虽然这很好地解决了IP数据报的对齐问题，但随着Internet的迅猛发展，网络地址日益紧缺，已经被视
5、为一种宝贵的网络资源。为了解决这个问题，NAT技术被人们广泛使用，它将网络地址从一个地址域映射到另一个地址域。1.2 课题研究的目的网络世界发展迅猛,各种技术丰富多彩。在过去的20年中最为成功的一项技术就是网络互联(Internetworking)技术。网络互联的最大优点在于能集合任意多个网络而成为规模更大的网络,并且能互通互联,资源共享。网络的迅猛发展，必然导致部署及设计网络的人才的需求量逐渐增大。为了训练这些人才，对网络试验环境的需求也逐渐增大。然而，昂贵的设备开销是教学条件所不允许的，迫切地需要模拟软件来实现实验过程中基本的网络互联设备的连接、配置和结果校验。毕业设计应在满足题目要求的基
6、础上尽可能完善功能，尽量模拟一个真实的网络实验环境，实现网络设备的NAT模块功能，对象的建立应尽量贴近现实，成为一个使用方便、操作简单、高效率的适合网络课程初学者的使用锐捷命令集的模拟实验系统。2 网络互联模拟实训系统介绍在网络互联实训的实际操作中，实验参与者必须在实训前做好充分的准备工作，确定规划方案。实训中则需按照事先准备的规划方案，进行连线、配置及测试工作。实验过程中大多需要配置、测试的多次反复，交互性极强。 为了尽可能地模拟真实的实验过程，在配置和测试阶段，系统应模拟实验者所选取的互联设备的操作系统，对实验者的配置及时响应，尽可能地缩小与实际操作的差距。2.1系统总体设计网络互联实验模
7、拟系统是一款实用性较高的软件，实现了用软件代替硬件，用编程模拟实验的全过程，真实地模拟出实验的操作过程，节省实验中各种仪器的使用费用，省去了制作网线连接设备，频繁变换CONSOLE线，不停地往返于设备之间的环节，也为那些由于无法承担起昂贵的设备开销而无法学习网络互联知识和无法操作网络互联设备实验的人们，提供了一个很好的机会。本系统的主要内容有模拟实验、经典实验、理论学习和帮助四个模块。网络互联实验模拟系统总体框架图如图2-1所示。网络互联实验模拟系统模模拟实验实参考实验参参考资料帮助图2-1 网络互联实验模拟系统总体框架图1）模拟实验该模块可以完成实验过程中对锐捷交换机路由器以及电脑主机的连接
8、、配置和结果的校验等功能的模拟。为网络课程的初学者去配置网络设备提供了网络模拟环境。2）实验参考该模块罗列出多个常用网络课程实验的实验步骤、拓扑图等，方便实验者在虚拟实验的过程中对照经典实验，通过经典实验更好的了解网络互联设备的配置、调试。3）参考资料该模块展示了网络互联的发展以及应用情况，并详细介绍了网络互联基础、交换机原理与应用、路由器原理与应用等方面的知识。是网络课程的初学者可以了解网络的发展历史与应用现状，更好的了解网络这门课程。4）帮助该模块包括网络互联模拟实训体统的使用说明，方便初学者了解该系统并使用该系统进行网络互联模拟试验;还包括命令提示功能，使实验者在试验过程中更方便的查找到
9、所需要的命令，以便更好的完成试验。2.2运行环境1）硬件平台（1）CPU：P41.8GHz。（2）内存：256MB以上。2）软件平台（1）操作系统：Windows XP/ Windows Vista/Windows7。（2）编程语言：C#。3 NAT模块的设计与实现3.1 NAT技术简介随着Internet技术的不断以指数级速度增长，珍贵的网络地址分配给专用网络终于被视作是一种对宝贵的虚拟房地产的浪费。因此出现了网络地址转换(NAT)标准，就是将某些IP地址留出来供专用网络重复使用。NAT英文全称是Network Address Translation，称是网络地址转换，它是一个IETF标准，
10、允许一个机构以一个地址出现在Internet上。NAT将每个局域网节点的地址转换成一个IP地址，反之亦然。它也可以应用到防火墙技术里，把个别IP地址隐藏起来不被外界发现，使外界无法直接访问内部网络设备，同时，它还帮助网络可以超越地址的限制，合理地安排网络中的公有Internet 地址和私有IP地址的使用。1）NAT技术的原理NAT技术能帮助解决令人头痛的IP地址紧缺的问题，而且能使得内外网络隔离，提供一定的网络安全保障。它解决问题的办法是：在内部网络中使用内部地址，通过NAT把内部地址翻译成合法的IP地址在Internet上使用，其具体的做法是把IP包内的地址域用合法的IP地址来替换。 NAT
11、功能通常被集成到路由器、防火墙、ISDN路由器或者单独的NAT设备中。NAT设备维护一个状态表，用来把非法的IP地址映射到合法的IP地址上去。每个包在NAT设备中都被翻译成正确的IP地址，发往下一级，这意味着给处理器带来了一定的负担。但对于一般的网络来说，这种负担是微不足道的。2）NAT的类型NAT有三种类型：静态NAT(Static NAT)、动态地址NAT(Pooled NAT)、网络地址端口转换NAPT（PortLevel NAT）。其中静态NAT设置起来最为简单和最容易实现的一种，内部网络中的每个主机都被永久映射成外部网络中的某个合法的地址。而动态地址NAT则是在外部网络中定义了一系列
12、的合法地址，采用动态分配的方法映射到内部网络。NAPT则是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上。根据不同的需要，三种NAT方案各有利弊。动态地址NAT只是转换IP地址，它为每一个内部的IP地址分配一个临时的外部IP地址，主要应用于拨号，对于频繁的远程联接也可以采用动态NAT。当远程用户联接上之后，动态地址NAT就会分配给他一个IP地址，用户断开时，这个IP地址就会被释放而留待以后使用。网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）是人们比较熟悉的一种转换方式。NAPT普遍应用于接入设备中，它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后
13、面。NAPT与动态地址NAT不同，它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的IP地址上，同时在该地址上加上一个由NAT设备选定的TCP端口号。在Internet中使用NAPT时，所有不同的TCP和UDP信息流看起来好像来源于同一个IP地址。这个优点在小型办公室内非常实用，通过从ISP处申请的一个IP地址，将多个连接通过NAPT接入Internet。实际上，许多SOHO远程访问设备支持基于PPP的动态IP地址。这样，ISP甚至不需要支持NAPT，就可以做到多个内部IP地址共用一个外部IP地址上Internet，虽然这样会导致信道的一定拥塞，但考虑到节省的ISP上网费用和易管理的特点，用NAPT还是
14、很值得的。3）NAT技术的应用NAT技术可以让你区域网路中的所有机器经由一台通往Internet的server 线出去，而且只需要注册该server的一个IP就够了。 在以往没有NAT技术以前，我们必须在server上安装sockd，并且所有的clients都必须要支援sockd，才能够经过server的sockd连线出去。这种方式最大的问题是，通常只telnet/ftp/www-browser支援sockd，其它的程式都不能使用；而且使用sockd的速度稍慢。因此我们使用网络地址转换NAT技术，这样client不需要做任何的更动，只需要把gateway设到该server上就可以了，而且所有的
15、程式(例如kali/kahn等等) 都可以使用。最简单的NAT设备有两条网络连接：一条连接到Internet，一条连接到专用网络。专用网络中使用私有IP地址（有时也被称做Network 10地址，地址使用留做专用的从10.0.0.0开始的地址）的主机，通过直接向NAT设备发送数据包连接到Internet上。与普通路由器不同NAT设备实际上对包头进行修改，将专用网络的源地址变为NAT设备自己的Internet地址，而普通路由器仅在将数据包转发到目的地前读取源地址和目的地址。NAT这项技术主要是为了解决IP地址空间不足。在NAT功能的支持下，内部网络可以使用一个公共的IP地址访问外部网络，因此，它很好地隐藏内部网络的网络拓扑结构，也使网络更安全。由于这些特点，NAT也常常是作为Firewall的重要部分一起提供的，但是它并不是Firewall。由于NAT可以带来一定的安全性，相信即使在IPv6的时代，它还是能够继续应用。3.2 模块需求分析3.2.1功能要求为保证该模拟器能在最大程度上保证其与实际系统的相似度，NAT模块的功能以及其工作方式也应尽量贴近实际设备的功能和工作方式。本模块需要实现的具体功能有以下方面：1）输入的配置命令和输出的响应信息与真实配置环境一致，确保模拟实训系统的真实性； 2）通过输入正确的命令能在不同模式下进行切换； 3）输入正确的的命令配
