Emulacija računalne mreže primjenom računalnih programa GNS3 i VirtualBox. Computer network emulation using GNS3 and VirtualBox

Transcription

1 Emulacija računalne mreže primjenom računalnih programa GNS3 i VirtualBox Sažetak doc.dr.sc. Alen Jakupović Poslovni odjel, Veleučilište u Rijeci alen.jakupovic@veleri.hr Maria Knežević, bacc. inf. maria.knezevic@veleri.hr Članak opisuje pojam emulacije računalne mreže uz primjenu računalnih programa GNS3 i VirtualBox. Praktično se emulacija prikazuje na topologiji računalne mreže koja se sastoji iz dva korisnička računala, usmjerivača, DHCP i WEB poslužitelja, te tri DNS poslužitelja. Svi navedeni mrežni uređaji emulirani su kroz virtualne mašine unutar alata VirtualBox s Tiny Core distribucijom Linux operacijskog sustava, dok je sama fizička razina emulirana u alatu GNS3. Iako je članak motiviran problematikom praktične nastave iz domene računalnih mreža, u zaključku se navodi niz drugih mogućih primjena emulacije računalne mreže, kako iz perspektive edukacije, tako i iz perspektive poduzeća koja nude proizvode i usluge vezane uz računalne mreže. Computer network emulation using GNS3 and VirtualBox Abstract The paper describes the concept of the computer network emulation using GNS3 and VirtualBox. Emulation is practically represented by the computer network topology that consists of two clients, routers, DHCP and Web servers, and three DNS servers. All listed network devices are emulated through virtual machines in the VirtualBox with Tiny Core Linux distribution, while the physical level of the network is emulated in GNS3. Although the article was motivated by the problems of practical training in the domain of computer networks, in conclusion, it lists a number of other possible uses of computer network emulation, both from the perspective of education, and from the perspective of companies that offer products and services related to computer networks.

2 1. Uvod U informatici, emulacija (oponašanje) predstavlja metodu kojom se vrši oponašanje funkcioniranja jednoga sustava (sustav gost, engl. guest) preko drugoga sustava (sustav domaćin, engl. host). Da bi sustav domaćin bio u stanju oponašati nekoga sustav gosta, on mora posjedovati emulator - softversku i/ili hardversku komponentu koja omogućava oponašanje funkcioniranja sustava iz stvarnoga svijeta. Temeljna osobina emulacije je da vanjski promatrač ne vidi razliku između emuliranoga i stvarnoga sustava. U domeni računalnih mreža, emulacijom se nastoji prikazati funkcioniranje složene topologije koja se sastoji iz različitih mrežnih uređaja koji su ponovno svi emulirani. Moguće je da se takva emulirana složena računalna mreža poveže sa stvarnom topologijom. Također je moguće da se u emuliranu računalnu mrežu dodaju stvarni mrežni uređaji i servisi. O simulaciji i emulaciji računalnih mreža kao i o komparativnoj analizi različitih virtualizacijskih tehnika više se može pronaći u [6]. U emulaciji računalne mreže koja je opisana ovim radom koriste se dva emulatora - VirtualBox za emulaciju računala i GNS3 za emulaciju fizičke razine računalne mreže. 2. Motivacija Na Stručnom studiju informatike i telematike Veleučilišta u Rijeci održavaju se i kolegiji koji obuhvaćaju teme iz domene računalnih mreža. Problematika praktične nastave navedenih kolegija ogleda se u poteškoćama koje postoje u praktičnoj realizaciji različitih topologija računalnih mreža, te topologija s različitim mrežnim uređajima i servisima. Pored ovoga problema javlja se i problem broja studenata (prosječno 30) kojima treba biti omogućena praktična nastava. Želja je da svaki student može samostalno proučiti topologiju računalne mreže s različitim mrežnim uređajima i servisima. Ovo bi bilo izrazito teško ostvariti primjenom stvarnih mrežnih uređaja i servisa. Jedno od rješenja je uvođenje laboratorija za emulaciju računalne mreže koji će omogućiti da svaki student na svome računalu unutar računalnog kabineta može izgrađivati različite mrežne topologije s različitim mrežnim uređajima i servisima. Pored toga, studenti će moći izrađivati i svoje projekte s kojima uspostavljaju različite sustave za čiji rad je potrebna računalna mreža (npr. WEB poslužitelji, poslužitelji, FTP poslužitelji, Proxy poslužitelji, DNS poslužitelji, DHCP poslužitelji, VPN, rad na daljinu, uspostava P2P mreže, video konferencija, sustav autentifikacije, sustav za povećanje

3 dostupnosti i raspoređivanje opterećenja, sustav IP telefonije itd.). Uz to rad na ovakvim projektima nije ograničen samo radom u računalnim kabinetima Veleučilišta, već studenti na projektima mogu raditi i izvan nastave. 3. Metodika Radne stanice računalnih kabineta Veleučilišta u Rijeci koje studenti koriste u praktičnoj nastavi različitih kolegija (npr. za projektiranje, programiranje, rad s bazama podataka itd.) predstavljaju PC računala na kojima se nalazi operacijski sustav Windows 7. Ova računala posjeduju Intel Core 2 duo procesor E6600, 250GB diskovnog prostora koji je razdijeljen u dvije particije (C: s 115 MB i korisničku D: s 135MB) i 2 GB RAM memorije. Posjeduju žičanu mrežnu karticu propusnosti 1000Mbs kojom su umrežena u računalnu mrežu Veleučilišta. Studenti se na radnu stanicu, te time i računalnu mrežu, prijavljuju preko korisničkog imena i zaporke koju su dobili prilikom upisa na studij. Nemaju nikakve ovlasti nad particijom C: gdje se nalaze sve potrebne aplikacije. Nad particijom D: imaju potpune ovlasti. Studenti nemaju ovlasti mijenjati postavke operacijskog sustava (npr. mijenjanje postavki mrežnih sučelja). Ovakve radne stanice će se iskoristiti kao emulatori računalne mreže na kojima će studenti moći izrađivati različite topologije s različitim mrežnim uređajima i servisima (kako to već traži plan nastave), ali će moći raditi i na svojim projektnim zadacima. U svrhu pretvaranja računala u emulator računalne mreže, instalirani su računalni programi GNS3 i VirtualBox, te su izrađene dvije osnovne virtualne mašine - jedna s Tiny Core Linux distribucijom, a druga s Windows XP operacijskim sustavom GNS3 Graphical Network Simulator (GNS3) je grafički emulator računalne mreže koji se besplatno može pronaći na stranicama Omogućava emulaciju složenih topologija koja se sastoji ne samo iz mrežnih koncentratora (engl. hub) i preklopnika (engl. switch), već omogućava emulaciju niza mrežnih usmjerivača (engl. router) proizvođača Cisco i Juniper, te Cisco vatrozida (engl. firewall). Integriran je s VirtualBoxom, alatom za emulaciju računala s različitim operacijskim sustavima. Time je omogućena emulacija topologije računalne mreže s računalima različitih operacijskih sustava (npr. Windows, Linux, Mac OS X, FreeBSD itd.) [2]

4 GNS3 GNS3 GNS3 GNS3 NIC NIC NIC a) b) c) Slika 1. Mogući oblici topologije računalne mreže emulirane s GNS3 Pored same emulacije računalne mreže s emuliranim mrežnim uređajima (slika 1a), GNS3 omogućava povezivanje stvarnih mrežnih uređaja na emuliranu mrežu (npr. stvarno računalo koje je preko stvarnog mrežnog preklopnika povezano u emuliranu mrežu) - slika 1b. Uz povezivanja stvarnih mrežnih uređaja, moguće je i povezivanje dvije emulirane računalne mreže koje se nalaze na istom ili različitim računalima domaćinima - slika 1c. Vrlo važna mogućnost emulatora GNS3 je klasično spremanje i ponovno otvaranje izrađene topologije računalne mreže čime je omogućeno da se nad njom radi i izvan, a ne samo tijekom nastave. Slika 2 prikazuje osnovno radno okruženje računalnog programa GNS3. Slika 2. Osnovno radno okruženje računalnog programa GNS3

5 GNS3 osim što je besplatan je računalni program otvorenoga koda (engl. open source) čime je omogućeno sudjelovanje u njegovu razvoju, ali i njegovu prilagodbu specifičnim potrebama. Na primjeru nastave iz domene uvoda u računalne mreže, specifična potreba se može definirati u smjeru dodatnog pojednostavljenja samoga emulatora. Naime, većina čvorova dostupnih nakon instalacije emulatora GNS3 (njihove ikone su vidljive na slici 2, lijevo) nisu pogodni za praktičnu nastavu (npr. da bi se koristio Cisco router potreban je Cisco IOS - operacijski sustav - za koji je pak potrebna odgovarajuća licenca). S druge strane, takvi čvorovi izlaze iz domene plana nastave koja treba biti općega oblika, a ne konkretizirana na pojedinog proizvođača. Pored ovih "suvišnih" čvorova, postoje i čvorovi koji se ne nalaze u početnoj instalaciji emulatora GNS3 (npr. čvor za poslužitelj, čvor za usmjerivač bez proizvođača, čvor za pristupnu točku, čvor za vatrozid bez proizvođača itd.). Sve ovo daje motivaciju za prilagodbu emulatora GNS3 potrebama nastave VirtualBox VirtualBox je besplatni emulator računala koji se može pronaći na stranici Emulirana računala se nazivaju virtualne mašine (engl. Virtual Machine) i na njima mogu biti instalirani različiti operacijski sustavi (DOS, Windows, OS/2, FreeBSD, OpenBSD, Linux, Solaris, Mac OS X). [3] Koncept virtualizacije računala, kao i analiza računalnih programa za virtualizaciju detaljno je obrađena u [1]. Slika 3 prikazuje radnu površinu računalnog programa VirtualBox. Slika 3. Radna površina računalnog programa VirtualBox

6 Na primjeru sa slike 3 vidljivo je postojanje dvije virtualne mašine (dva emulirana računala) imena TinyCore1 i TinyCore2. Svako pokrenuto emulirano računalo zahvaća dio resursa sustava domaćina, tj. stvarnoga sustava na kojemu se odvija emulacija. Stoga je vrlo važno da sustav domaćin ima dovoljno resursa za pokretanje svih potrebnih emuliranih računala, ali je isto tako važno i da emulirana računala budu optimalna za svoju namjenu, tj. imaju optimalan operacijski sustav i potrebite aplikacije. U emulaciji računalne mreže, namjena emuliranih računala je da to budu klijentski čvorovi mreže, različiti poslužitelji ili mrežni usmjerivači. Zbog potreba nastave, operacijski sustav treba imati grafičko sučelje. Jedan od operacijskih sustava koji posjeduje grafičko sučelje, te mogućnost nadogradnje u različite poslužitelje i mrežni usmjerivač, je TinyCore Linux distribucija. TinyCore Linux distribucija je besplatna distribucija operacijskog sustava veličine 12MB koji zahtijeva minimalno 48 MB RAM memorije (više o projektu TinyCore se može naći u [4]). Temelji se na Linux kernelu i omogućava instalaciju različitih dodatnih računalnih programa (npr. internet preglednik, tekstualni procesor, ali i WEB poslužitelj, DNS poslužitelj itd.). Instalacijom dodatnih računalnih programa, raste i potreba za RAM memorijom. Sa slike 3 je vidljivo da je svakom emuliranom računalu dodijeljeno maksimalno 128 MB RAM memorije. Razlog je taj što je pored samog operacijskog sustava u emulirano računalo instaliran i internet preglednik (više o načinu rada s TinyCore Linux distribucijom može se pronaći u [5]). Slika 4 prikazuje grafičko sučelje Tiny Core Linux distribucije. Slika 4. Grafičko sučelje Tiny Core Linux distribucije

7 Na slici 4 je vidljiv i način kako se grafički postavljaju osnovne mrežne postavke emuliranoga računala. Pitanje koje se postavlja je na koje mrežno sučelje se odnosi mrežna postavka u emuliranom računalu. Emulator VirtualBox omogućava dodjeljivanje različitih vrsta mrežnih sučelja emuliranim računalima (npr. samo mrežno sučelje sustava domaćina dodjeljuje se emuliranom računalu u obliku mrežnog mosta - engl. Bridged Adapter, na emulirana računala se primjenjuje NAT - engl. Network Address Translation itd.). Za potrebe emulacije računalne mreže u emulatoru GNS3, emuliranim računalima se neće dodavati nikakva mrežna sučelja unutar emulatora VirtualBox, već će se sva sučelja onemogućiti kako to prikazuje slika 5. Slika 5. Sučelje za dodjelu mrežnih adaptera unutar VirtualBoxa Naime, kontrolu nad mrežnim sučeljima emuliranih računala dobiva GNS3, te se u njemu određuje koliko će ih imati pojedino računalo. Važno je naglasiti da taj broj ne može biti manji od 2 (dakle ne može biti 1) jer prvo mrežno sučelje u emuliranim računalima koristi sam VirtualBox. Definiranjem broja mrežnih sučelja po pojedinom emuliranom računalu i njegovim pokretanjem, GNS3, koristeći aplikativno programsko sučelje (engl. Application programming interface - API), upravlja računalnim programom VirtualBox kako bi ovaj stvorio odgovarajući broj mrežnih sučelja pojedinom emuliranom računalu, kako bi ga pokrenuo i na kraju zaustavio. Dakle, GNS3 ima potpunu kontrolu nad emulatorom VirtualBox i tu se otkriva njihova visoka integracija.

8 Slika 6 prikazuje integraciju emuliranih računala iz VirtualBoxa i definiranje broja njihovih mrežnih sučelja u emulatoru GNS3. Slika 6. Sučelje za prijavu emuliranih računala i broja njihovih mrežnih sučelja u emulatoru GNS3 Jedna od mogućnosti emulatora VirtualBox koja je važna iz perspektive nastave je mogućnost da se emulirana računala eksportiraju i ponovno importiraju u emulator VirtualBox nekog drugog sustava domaćina. Ovime je olakšana prenosivost emuliranih računala što je preduvjet za rad nad njima i izvan, a ne samo tijekom nastave. 4. Rezultati U prethodnom poglavlju je opisan uspostavljeni sustav za emulaciju računalne mreže koji se sastoji iz dva emulatora - GNS3 za emulaciju računalne mreže i VirtualBox za emulaciju računala. Također je opisana konfiguracija računala iz računalnog kabineta Veleučilišta koji će predstavljati sustav domaćin, tj. koji će biti radne stanice - laboratoriji - za emulaciju računalnih mreža. Kako bi se ispitalo može li se na ovim računalima emulirati složenija topologija računalne mreže, izrađena je emulacija topologije koja se sastoji iz dva korisnička računala, tri mrežna preklopnika, po dva mrežna usmjerivača, DHCP i WEB poslužitelja, te tri DNS poslužitelja. Ova topologija je prikazana na slici 7.

9 WEB poslužitelj 1 DHCP poslužitelj 1 DNS poslužitelj 1 Mrežni usmjerivač 0 DHCP poslužitelj 0 DNS poslužitelj 0 Korisničko računalo 1 Mrežni preklopnik 0 Mrežni usmjerivač 1 Mrežni preklopnik 1 MREŽA PRUŽATELJA USLUGE PRISTUPA INTERNETU /19 Korisničko računalo 2 LOKALNA MREŽA /24 Mrežni preklopnik 2 WEB poslužitelj 2 DNS poslužitelj 2 INTERNET Slika 7. Topologija računalne mreže koja će se emulirati s GNS3 i VirtualBox Naredna tablica detaljno prikazuje zahtjeve koje treba zadovoljiti prikazana topologija. Tablica 1. Zahtjevi na topologiju Naziv mrežnog uređaja sa Zahtjev toloplogije Mrežni preklopnik 0, 1 i 2 Klasični Ethernet mrežni preklopnik Korisničko računalo 1 i 2 IP, Gateway i DNS adresu dobivaju od DHCP poslužitelja koji se nalazi na Mrežnom usmjerivaču 0 Mrežni usmjerivač 0 Usmjerava promet između lokalne mreže i mreže pružatelja usluge pristupa internetu; prema lokalnoj mreži ima stalnu IP adresu /24; prema mreži pružatelja usluge dobiva IP adresu od DHCP poslužitelja iz te mreže; posjeduje DHCP poslužitelj koji dodjeljuje IP adrese u lokalnoj mreži ( ); posjeduje DNS poslužitelj 0 koji zahtjeve prosljeđuje DNS poslužitelju 1 WEB poslužitelj 1 Ima stalnu IP adresu /19 DNS poslužitelj 1 Ima stalnu IP adresu /19. Rješava adresu u /19. Ostale upite prosljeđuje DNS poslužitelju 2 DHCP poslužitelj 1 Dodjeljuje IP adresu mrežnom usmjerivaču 0 na strani mreže pružatelja usluge pristupa internetu ( ) Mrežni usmjerivač 1 Usmjerava promet između mreže pružatelja usluge pristupa internetu (IP adresa je ) i interneta ( /20). WEB poslužitelj 2 Ima stalnu IP adresu /20 DNS poslužitelj 2 Ima stalnu IP adresu /20. Rješava adresu u /20 Za potrebe emulacije topologije sa slike 7 potrebno je ukupno osam pokrenutih emuliranih računala s TinyCore Linux distribucijom.

10 Korisnička računala su predstavljena s dva emulirana računala na kojima se nalazi internet preglednik Mozilla FireFox. Usmjerivači su predstavljeni s dva posebna emulirana računala kojima je omogućeno IP prosljeđivanje (engl. IP forwarding) definirano tablicom usmjeravanja (engl. IP routing table). Jedan od emuliranih računala će biti i DHCP poslužitelj koji će se implementirati preko računalnog programa udhcpd, te DNS poslužitelj preko računalnog programa Dnsmasq. DNS poslužitelji su implementirani preko računalnog programa Dnsmasq koji su instalirani na dva emulirana računala. Jedan od njih će biti i DHCP poslužitelj implementiran preko računalnog programa udhcpd. Web poslužitelji su implementirani preko računalnog programa Apache HTTP Server koji je instaliran na dva posebna emulirana računala. Slika 8 prikazuje emulator VirtualBox sa potrebnih osam emuliranih računala. Slika 8. Osam emuliranih računala u emulatoru VirtualBox

11 Slika 9 prikazuje fizičku razinu topologije izrađene u emulatoru GNS3. Slika 9. Fizička razina topologije u emulatoru GNS3 Na slici 9 je vidljivo da se na nekim krajevima veza među mrežnim uređajima nalaze zelene i crvene točke. One pokazuju je li mrežni uređaj pokrenut ili ne. Vidljivo je da su trenutno samo pokrenuti mrežni preklopnici, dok je ostale mrežne uređaje potrebno pokrenuti posebno (u alatnoj traci se nalaze ikone za pokretanje i zaustavljanje, uz još niz drugih ikona). Njihovim pokretanjem se u osnovi pokreće emulirano računalo unutar VirtualBoxa koje predstavlja dotični mrežni uređaj. Izrađena topologija (njezin fizički dio unutar GNS3 i osam emuliranih računala unutar VirtualBoxa) se relativno jednostavno prebacuje s jednoga na drugo računalo domaćina čime je provjerena lakoća distribucije emulirane računalne mreže (tijekom prebacivanja je u fizičkoj topologiji potrebno prilagoditi putanju radne mape kako bi ona odgovarala drugom računalu). Cjelokupna emulacija računalne mreže uspješno se pokrenula na radnim stanicama koje će predstavljati laboratorij (njihova konfiguracija je opisana u prethodnom poglavlju). Temeljem ove činjenice, trenutno je jedna cijela računalna dvorana na Veleučilištu u Rijeci s ukupno 26 radnih stanica pripremljena kao laboratorij za emulaciju računalnih mreža.

12 5. Zaključak Članak opisuje uspostavu laboratorija - emulatora računalnih mreža - na radnim stanicama preko računalnih programa GNS3 i VirtualBox. Oba programa su besplatno dostupna, a GNS3 posjeduje i otvoreni programski kod čime se pruža mogućnost njegove dodatne prilagodbe potrebama korisnika. Članak je motiviran problematikom praktične nastave iz domene računalnih mreža, te je opravdano vjerovati da će ju prikazano rješenje (uspostava laboratorija) znatno poboljšati. Treba reći da prikazano rješenje nije pogodno samo za edukaciju studenata. Isto rješenje se može primijeniti i u edukaciji zaposlenika nekoga poduzeća koje nudi proizvode i usluge iz domene računalnih mreža. Lako se može zamisliti scenarij u kojemu se grupu zaposlenika želi praktično osposobiti za uspostavu neke lokalne mreže (engl. LAN), ali i uspostavu složenije globalne mreže (engl. WAN). S druge strane, rješenje računalne mreže koje neko poduzeće nudi svome kupcu se može, prije same implementacije, emulirati u laboratorijskim uvjetima. Mogu se izvršiti potrebna testiranja, isprobati različite postavke, te kada emulirana računalna mreža zadovoljava, tek je onda i stvarno implementirati. Ovdje se ne misli samo na testiranje mrežnih uređaja, već i na testiranje računalnih programa kojima se uspostavlja neki sustav (npr. virtualna privatna mreža - engl. VPN, vatrozid - engl. Firewall, FTP poslužitelj itd.). Računalni program GNS3 omogućava emulaciju Cisco i Juniper mrežnih usmjerivača čime se otvara mogućnost testiranja postavki ovih mrežnih uređaja prije same stvarne implementacije. Pored primjene emulatora računalnih mreža u provjeri uspostave neke mrežne infrastrukture, te uspostave nekoga mrežnog servisa, on se može iskoristiti i u testiranju novo razvijenih mrežnih aplikacija. Primjera radi, izrađena je neka web aplikacija koja se treba postaviti na neki poslužitelj. Može se emulirati navedeni poslužitelj, te različiti korisnici koji će koristiti mrežnu aplikaciju (npr. Windows, Linux, Mac ili Android korisnik). Ovime se na jednostavan način može provesti provjera rada mrežne aplikacije na različitim platformama, te testirati njezine različite postavke unutar neke složene mrežne topologije. Integrirano s računalnim programom GNS3 dolazi i besplatni analizator mrežnih paketa Wireshark. Njime se, osim analize paketa koji kolaju stvarnom mrežom, mogu pratiti i paketi unutar emulirane mreže. Uz to, on se može iskoristiti u analizi paketa novo razvijenih komunikacijskih protokola (npr. autori ovoga članka zajedno sa svojim

13 suradnicima razvijaju novi protokol za upravljanje udaljenim računalom koji se temelji na ICMP protokolu). Emulacija računalne mreže otvara sasvim nove mogućnosti u razvoju novih mrežnih usluga i protokola, u edukaciji i samoj implementaciji gotovih mrežnih rješenja. Ove mogućnosti se ogledaju prije svega u uspostavi laboratorija u kojima studenti, istraživači i praktičari mogu slobodno testirati svoje ideje i svoja rješenja bez straha da će eventualna pogreška utjecati na rad stvarnih sustava. Literatura [1] CERT, LS&S, Virtualizacija računala, NCERT-PUBDOC pdf, [ ] [2] Introduction to GNS3, [ ] [3] Oracle VM VirtualBox User Manual, UserManual.pdf, [ ] [4] The Core Project - Tiny Core Linux, [ ] [5] TinyCore, [ ] [6] Zec, M., Simulacija i emulacija računalnih mreža i raspodijeljenih sustava primjenom virtualizacijskih mehanizama, repository/zec,_kdi.pdf, [ ] Alen Jakupović je posljednjih pet godina profesor na poslovnom i odjelu telematike Veleučilišta u Rijeci. Docent je informacijskih znanosti, te profesor matematike i informatike. U petnaestogodišnjem radnom iskustvu u struci, koje je većim dijelom stekao radom na talijanskom tržištu, sudjelovao je u različitim fazama realizacije niza informatičkih projekata. Posjeduje certifikat financijskog konzultanta u uvođenju ERP rješenja Microsoft Dynamics NAV. Navedeno ERP rješenje je uveo u niz malih i srednje velikih poduzeća, te je sudjelovao u njegovoj integraciji s drugim sustavima, te njegovoj vertikalizaciji za poslovnu djelatnost najma. Područja interesa su mu razvoj metrika i metoda u izgradnji informacijskih sustava, ICT u obrazovanju, umjetna inteligencija (formalizmi prikaza znanja), te simulacija i emulacija različitih sustava. Maria Knežević je studentica Specijalističkog diplomskog stručnog studija informatike na Veleučilištu u Rijeci je završila Stručni studij informatike na Veleučilištu u Rijeci, te time stekla stručni naziv stručna prvostupnica informatike. Područja interesa su joj arhitektura i rad računalnih mreža, razvoj web aplikacija te rad s programima za grafičko uređivanje i video postprodukciju.