ARQUITECTURA DE REDES

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1 ARQUITECTURA DE REDES Boletín 1: Introducción a GNS3 Contenidos: 1. Virtualización de redes de computadores 2. Introducción al simulador GNS3 3. Interfaz 4. Construcción de topologías 4.1 Creación de equipos 4.2 Configuración de equipos 4.3 Establecimiento de enlaces entre equipos 5. Arranque y parada de la simulación 6. Otros aspectos interesantes 6.1 Guardado de topologías y configuraciones de equipos 6.2 Captura de paquetes 6.3 Optimizando el consumo de recursos 7. Referencias Antonio Ruiz <arm@um.es> Francisco J. Ros <fjros@um.es> Fernando Pereñíguez <pereniguez@um.es> Boletín 1: Introducción a GNS3 1

2 1. Virtualización de redes de computadores En la enseñanza de los conceptos relacionados en redes de comunicaciones es necesario no sólo conocer los protocolos de comunicaciones, sino tener solvencia a la hora de aplicar, configurar, administrar y gestionar estos protocolos en redes de comunicaciones reales. Para conseguir este objetivo es necesaria la demostración y aplicación de forma práctica de dichos conceptos en el mundo real. Sin embargo, para llevarlo a cabo es potencialmente necesario establecer infraestructuras complejas de red. Desafortunadamente, el despliegue de dichas infraestructuras requiere una cantidad no despreciable de equipamiento, conexiones de red y readaptación de laboratorios que suelen conllevar un coste elevado. Además, el número de alumnos debería ser muy reducido para permitir ofrecer la mayor disponibilidad posible de los recursos que componen la infraestructura necesaria durante el ejercicio práctico. Como solución alternativa existe la posibilidad de poner en marcha programas software que emulen un dispositivo de red de la forma más realista posible y construir la infraestructura de red necesaria de forma virtual, sin necesidad de incurrir en los gastos de tener los dispositivos físicos. Las herramientas de virtualización permiten la creación de dichos dispositivos virtuales así como inter-conectarlos para obtener la infraestructura de red necesaria para una correcta ejecución de la parte práctica. De esta forma es posible solucionar los problemas planteados anteriormente de una forma eficiente y barata. La virtualización es una técnica que permite encapsular una unidad de proceso para su ejecución dentro de un entorno que emula el entorno real de forma transparente. Dependiendo del nivel alcanzado por el software de virtualización, la unidad de proceso puede tratarse de un programa, sistema operativo o un equipo completo. Una máquina virtual es la representación lógica de un computador en software. Tradicionalmente, un computador real puede ejecutar un sistema operativo el cuál, a su vez, puede ejecutar varias aplicaciones. En un entorno virtualizado, un computador físico puede ejecutar diversas máquinas virtuales, alcanzando un comportamiento equivalente a emplear varios computadores reales para desplegar la infraestructura de máquinas virtuales. En los últimos años, la virtualización está experimentando un auge importante motivado por las importantes ventajas que ofrece su uso. En general, podemos destacar las siguientes: Ahorro de costes de la infraestructura. El despliegue de varias máquinas virtuales sobre un único equipo físico permite reducir costes en la adquisición y mantenimiento de equipos. Además, esta reducción en el número de máquinas reduce el consumo de energía de la infraestructura. Mayor aprovechamiento de los recursos Por ejemplo, la virtualización aplicada a los servidores permite incrementar los índices de utilización ya que se puede transferir cargas de trabajo a sistemas inactivos. Boletín 1: Introducción a GNS3 2

3 Simplificación de la gestión. La concentración de diversas máquinas virtuales en un mismo equipo físico facilita las tareas de configuración y detección de errores. Reducción en los procesos de copias de seguridad. Además, la virtualización favorece la creación de nuevas soluciones en la recuperación ante desastres, lo cuál incrementa la disponibilidad de los servicios. Figura 1. Técnicas de virtualización para la emulación de redes En conclusión, la virtualización es una técnica versátil que puede ser aplicada a ámbitos tan diferentes como la prueba de software bajo desarrollo, estudio de amenazas de seguridad por medio de redes señuelo (honeynet) o soporte a software antiguo. En particular, nosotros emplearemos esta técnica en las prácticas de esta asignatura para facilitar la enseñanza práctica de redes de computadores. 2. Introducción al simulador GNS3 GNS3 (Graphical Network Simulator) [1] es un emulador de redes que permite la virtualización de redes complejas. Al igual que otros emuladores tales como VMWare o VirtualBox son empleados para la virtualizar sistemas operativos (Windows, Ubuntu, Debian, ), GNS3 es usado para la emulación de imágenes IOS (Internetwork Operating System) de routers Cisco. GNS3 es un interfaz gráfico a Dynamips y Dynagen, los cuáles son las herramientas que realmente permiten la emulación de IOS Cisco. Más, concretamente, Dynagen [2] ofrece una interfaz de línea de comandos más simple a Dynamips [3], el cuál es en última instancia, el responsable de la emulación de la IOS. Usando un simple editor de textos, un usuario podría crear su propio fichero de topología con la red a emular por Dynagen. Precisamente, GNS3 facilita este proceso creando para ello una sencilla interfaz gráfica que abstrae al usuario de los detalles de configuración del escenario. Boletín 1: Introducción a GNS3 3

4 GNS3 Dynagen Dynamips Figura 2. Arquitectura de GNS3 GNS3 es un emulador de código abierto (Open Source) el cuál está disponible para Windows, Mac OS X y Linux. Sin embargo, por restricciones de licencia, el simulador no viene con las IOS de routers Cisco, las cuáles deben ser proporcionadas al simulador. Entre las características más importantes, podemos destacar: Diseño gráfico de topologías de red a emular. Emulación de una gran variedad de IOS Cisco, JunOS, IPS y firewalls CISCO de tipo ASA y PIX (ver [4]). Emulación de redes Ethernet, ATM y switches Frame Relay. Conexión de la red simulada a un entorno real. Captura de paquetes integrada usando Wireshark. Integración con Qemu y VirtualBox. La instalación de GNS3 está completamente automatizada para los distintos sistemas operativos: ejecutable para Windows (.exe), imagen (.dmg) Mac OS X y paquete.deb disponible en los repositorios de Ubuntu desde la versión Ubuntu 8.10 (Intrepid Ibex). En caso de que optemos por una instalación en un sistema Linux partiendo de los fuentes, seguiremos el siguiente proceso (ver información detallada en [5]): 1. Instalación del paquete python-qt4. 2. Descarga de los fuentes de GNS3 (ej. GNS src.tar.gz) y descomprimir su contenido. 3. Descarga del último binario de Dynamips [3] para Linux (binario RC2 para plataforma Linux 32 o 64 bits). El fichero descargado (.bin) debe guardarse en la carpeta que contiene los fuentes GNS3 (ej. GNS src) y concederle permisos de ejecución. 4. Arrancar el simulador y realizar las siguientes configuraciones básicas: (STEP 1) Configurar la ruta hacia el ejecutable dynamips (binario descargado en el paso anterior). En Edit/Preferences/Dynamips debemos indicar la ruta en la opción Executable path. El botón Test sirve para comprobar si la configuración es correcta. (STEP 2) Añadir una imagen IOS que poder emular. En Edit/ISO images and hypervisors, podemos encontrar la pestaña ISO Images donde configurar la imagen / imágenes que deseemos usar en nuestras simulaciones. Boletín 1: Introducción a GNS3 4

5 En la prácticas de la asignatura emplearemos la última versión estable del simulador. En caso de que optemos por instalar dicha versión en una distribución Linux, deberemos seguir el proceso de instalación manual ya que dicha versión no está disponible en los repositorios de Ubuntu. Así mismo, emplearemos una imagen el router modelo c3660, la cuál está disponible en los equipos de los laboratorios de prácticas. 3. Interfaz GNS3 presenta una sencilla e intuitiva interfaz gráfica done el usuario puede configurar la topología a emular indicando los dispositivos y enlaces existentes entre ellos. En la Fig. 3 se muestra una breve descripción de la ventana principal del programa. Tal y como podemos observar, la ventana de GNS3 está divida en 5 paneles distintos: Tipos de nodos: este panel contiene el tipo de nodos que podemos emplear para configurar nuestro escenario de red. En particular, en las prácticas de esta asignatura, emplearemos Routers CISCO del modelo c3600, switches Ethernet así como nodos ATM (switches y bridges). Ventana de trabajo: en este panel podremos dibujar de forma gráfica la topología que deseemos emular. Para ello indicaremos nodos y crearemos conexiones entre ellos. A nivel informativo, podremos colocar etiquetas indicando cualquier tipo de información (por ejemplo, subredes) que ayuden a interpretar visualmente la topología. Resumen de topología: en este panel encontraremos un resumen de la topología configurada. Más precisamente, podemos observar una lista de equipos donde para cada uno se nos informa del estado de sus interfaces (activo, inactivo) así como los enlaces existentes con otros equipos. Ventana de comandos: este panel contiene una consola que muestra el funcionamiento de Dynagen. Tal y como se explicó en la Sección 2, Dynagen es el núcleo principal de GNS3 que hace posible la emulación de las IOS de routers Cisco. Esta ventana está disponible pues en ciertas ocasiones nos será útil interaccionar directamente con Dynagen a través de comandos. Capturas de paquetes: finalmente, en este último panel encontramos una lista resumida de las capturas de paquetes activas que estamos llevando a cabo en nuestra simulación. En la Sección 7 daremos información más detallada acerca del proceso a seguir para realizar una captura de paquetes sobre una interfaz mediante Wireshark. Boletín 1: Introducción a GNS3 5

6 Boletín 1: Introducción a GNS3 6

7 Figura 6. Arranque y parada de simulación Figura 7. Interacción con equipos. 4. Construcción de topologías El proceso para construir una topología de red en GNS3 consiste en tres sencillos pasos: (1) creación de los equipos/nodos que integran el escenario; (2) configuración de cada equipo, y (3) establecimiento de enlaces entre equipos. A continuación describimos el procedimiento a seguir en cada uno de esto pasos. 4.1 Creación de equipos El procedimiento a seguir para crear los equipos de red que van a formar parte de nuestro escenario de red es tan sencillo como, sobre el panel Tipo de nodo, seleccionar con el ratón el tipo de equipo (por ejemplo, Router c3600) que deseamos incluir en nuestro escenario y arrastrarlo a la Ventana de trabajo (ver Fig. 8 (a)). Este proceso lo repetiremos tantas veces como equipos formen parte de la topología que deseamos construir. 4.2 Configuración de equipos El siguiente paso consiste en configurar cada uno de los equipos insertados previamente. Para ello, con el ratón situado sobre el equipo, hacemos click con el botón derecho y seleccionamos Configure. Esta acción nos abrirá una ventana de configuración específica que dependerá del tipo de nodo seleccionado. En nuestro caso, donde crearemos escenarios basados en routers CISCO, la ventana de configuración será como la mostrada en la Fig. 8(b). De entre las distintas opciones disponibles, cabe destacar la pestaña Slot, donde vamos a poder configurar la distintas interfaces del router. Las interfaces en los routers cisco pueden ser fijas (conectadas a la placa base) o tarjetas de interfaz que puede ser insertadas en los diferentes slots disponibles en el router. En prácticas trabajaremos con tarjetas de interfaz tipo NM, las cuáles poseen interfaces basadas en tecnologías LAN (por ejemplo Ethernet). Así, por ejemplo, tal y como podemos observar en la Fig. 8(b), GNS3 soporta la emulación de 6 slots en el modelo c3660 y los siguientes tipos de tarjetas de interfaz NM: Boletín 1: Introducción a GNS3 7

8 NM-1E: 1 puerto Ethernet NM-4E: 4 puertos Ethernet NM-1FE-TX: 1 puerto Fast Ethernet NM-16ESW: switch con 16 puertos FastEthernet NM-4T: 4 puertos serie En el siguiente guión de prácticas dedicado a la iniciación en la administración de routers cisco se profundizará en la arquitectura de los routers Cisco y el nombrado de interfaces. 4.3 Establecimiento de enlaces entre equipos El último paso para finalizar la creación de la topología consiste en la creación de conexiones entre los distintos equipos de nuestro escenario. Para ello haremos uso del botón Add Link disponible en la barra de herramientas para establecer dichos enlaces. Al seleccionar el botón se nos abrirá un menú desplegable donde podremos elegir el tipo de enlace que deseamos crear. En este caso, lo más cómodo es seleccionar la opción Manual, la cuál permite al usuario escoger las interfaces a usar para establecer la conexión entre los equipos. Las interfaces disponibles son mostradas al hacer click sobre el equipo en cuestión. Opcionalmente, para dotar de mayor claridad al escenario creado, GNS3 ofrece diversas utilidades: anotaciones de texto, insertar imágenes, o incluso dibujar cuadrados o elipses. Todas ellas están disponibles en la barra de herramientas. Boletín 1: Introducción a GNS3 8

9 Boletín 1: Introducción a GNS3

10 5. Arranque y parada de la simulación Una vez construida la topología que deseamos emular siguiendo los pasos descritos en la sección anterior, podemos lanzar la simulación y comenzar a interactuar con el escenario virtualizado. El arranque del escenario es un proceso tan simple como pulsar el botón localizado en la barra de herramientas. El lanzamiento del escenario requerirá de un tiempo, hasta que todos los dispositivos sean inicializados. En concreto, el lanzamiento de la simulación finaliza cuando observamos que en el panel Resumen de topología (ver Fig. 3) todos los dispositivos han pasado a estado activo (es decir, el indicador está en color verde). Una vez lanzada la simulación, ya podemos interactuar con los equipos de nuestro escenario. GNS3 nos ofrece la posibilidad de hacer un telnet a los routers y abrir una consola. Para ello, tenemos dos opciones: 1. Arrancar una consola para un equipo concreto. Sobre el equipo en cuestión, haciendo click con el botón derecho de ratón y en el menú desplegado seleccionamos Console. 2. Lanzar un terminal para todos los equipos del escenario. GNS3 nos automatiza este proceso mediante el botón Console to all devices d disponible en la barra de herramientas. Figura 9. Lanzamiento/Parada de simulaciones en GNS3. Boletín 1: Introducción a GNS3 10

11 En nuestro caso donde usamos routers Cisco, como podemos observar en la Fig. 9, la consola nos abre una interfaz de administración real del router. De hecho, estamos ejecutando la imagen IOS de Cisco que configuramos al instalar el simulador (IOS modelo c3660). Similar al proceso de lanzamiento, la simulación se puede pausar mediante el botón, relanzar mediante el botón o detener la pulsando el botón. 6. Otros aspectos interesantes En esta sección vamos a tratar otros aspectos interesantes que facilitan la simulación de escenario de red en GNS3. Más precisamente, trataremos aspectos relacionados con el guardado de topologías y configuraciones de equipos, explicaremos el proceso a seguir para realizar una captura de paquetes y trataremos algunos aspectos de GNS3 que permiten minimizar el consumo de recursos en el host anfitrión. 6.1 Guardado de topologías y configuraciones de equipos GNS3 permite guardar y cargar nuestras topologías de red usando el formato NET definido en Dynagen. Para guardar una topología debemos seleccionar la opción Save o Save topology as del menú File, también accesibles en la barra de herramientas mediante los iconos. Igualmente, GNS3 nos ofrece la posibilidad de guardar la topología como una imagen en formato PNG. Para conseguir este efecto, debemos usar la opción File/Screenshot. En ciertas ocasiones, tal y como ocurrirá en las prácticas de la asignatura, nos surgirá la necesidad de guardar las configuraciones de cada equipo de tal modo que, cuando volvamos la lanzar la simulación, se carguen automáticamente y no tengamos que volver a ejecutar los mismos comandos de administración en cada equipo. Para guardar las configuraciones de cada router, debemos recurrir al menú Import/Export accesible desde el icono - disponible en la barra de herramientas (también en File/ Import/Export ). Ello nos abrirá una ventana ofreciéndonos dos opciones: Extracting to a directory. Esta opción debemos seleccionarla cuando queramos guardar las configuraciones de cada equipo en nuestra topología. Nos pedirá seleccionar una carpeta de destino donde almacenar los ficheros de configuración (típicamente escogeremos la misma que almacena el fichero.net con la topología). Como podemos observar en la Fig. 10, creará un fichero con extensión.cfg por cada equipo. En nuestro caso, que trabajaremos con routers Cisco, vemos que este fichero contiene aspectos de configuración del router (nombre del router, configuración de las interfaces, protocolo de enrutamiento, etc.), los cuáles se explicarán con detalle en el Boletín 2 de prácticas de la asignatura. Finalmente, Boletín 1: Introducción a GNS3 11

12 es importante mencionar que antes de exportar la configuración, previamente debemos haber guardado en memoria la configuración de cada router (comando write en el modo enable). Importing from a directory. Esta opción debemos escogerla cuando deseemos importar los ficheros de configuración. Nos abre un diálogo para buscar la carpeta donde se encuentran almacenados. Figura 10. Guardando configuración de equipos En líneas generales, el modo de trabajo será el siguiente: 1. Una vez construida la topología que deseamos virtualizar con GNS3, arrancaremos la simulación y abriremos los terminales para interaccionar con cada router. 2. Si lo deseamos, podremos hacer una primera configuración básica a través del terminal (por ejemplo, asignar un nombre al router y dirección IP a las interfaces). 3. Debemos guardar en memoria la configuración inicial del router. Para ello, desde el modo enable, emplearemos el comando write. 4. Una vez repetidos los pasos 2 y 3 para cada router de la topología, podemos exportar la configuración. 5. A partir de este momento, podemos modificar directamente (empleado un editor de textos) cada uno de los ficheros.cfg para establecer la configuración deseada en cada router. Boletín 1: Introducción a GNS3 12

13 Boletín 1: Introducción a GNS3

14 Grado en Ingeniería Informática Boletín 1: Introducción a GNS3

15 6.3 Optimizando el consumo de recursos Una de las mayores críticas a las técnicas de virtualización radica en el alto consumo de recursos (memoria y CPU) que requieren. En este sentido, GNS3 aporta nuevas ventajas frente a otros emuladores ya que posee ciertas optimizaciones que permite la virtualización de escenarios complejos sin requerir un consumo excesivo de recursos en el host anfitrión. Para optimizar el uso de memoria, GNS3 incluye dos opciones soportadas por Dynamips/Dynagen: ghostios y sparemem. Ghostios es una optimización que permite reducir de forma significativa la cantidad de memoria RAM requerida para simular un escenario consistente en múltiples routers empleando la misma imagen IOS. En lugar de que cada router almacene una copia idéntica de la imagen IOS, esta optimización permite que exista una única copia compartida por todos los routers. La optimización sparemem reduce la cantidad de memoria virtual consumida por cada instancia de router virtual. Este es un aspecto importante ya que típicamente los sistemas operativos limitan la cantidad de memoria que puede usar un mismo proceso (ej. 3GB en un sistema Linux). Mediante esta funcionalidad sólo se requiere reservar memoria para cada instancia de router que está siendo realmente utilizada. La configuración de estas optimizaciones pueden ser controladas en el menú Edit/Preferences/Dynamips (ver Fig. 13). Figura 13. Optimización del consumo de memoria en GNS3 Boletín 1: Introducción a GNS3 15

16 Para optimizar el consumo de CPU, GNS3 viene con una interesante opción denominada idlepc. Este comando analiza una imagen IOS para determinar aquellos puntos de código que representan un bucle que mantiene la ejecución en estado ocioso (idle). Una vez aplicada la optimización idlepc, Dynamips duerme al router virtual ocasionalmente cuando estos puntos del código son alcanzados. Como se puede observar, esta optimización reduce el consumo de CPU en el router sin reducir la funcionalidad en el router virtual. Los valores idlepc son particulares a una imagen IOS. Sin embargo, estos valores no dependen del host anfitrión, sistema operativo o versión de Dynamips empleada. Es posible que para una IOS no sea posible encontrar un valor de idlepc o, lo que es más, que alguno de los valores no produzcan una reducción en el consumo de CPU. En este último caso, el proceso de búsqueda debe repetirse hasta localizar un valor válido. El proceso para determinar el valor idlepc para una imagen IOS se realiza del siguiente modo. 1. Creamos una nueva topología donde insertamos un único router (empleando la IOS para la que deseamos localizar un valor idlepc). 2. Lanzamos la simulación (botón Start). 3. Abrimos la consola de administración del router. Esperar hasta que la interfaz sea inicializada (aparezca el prompt Router> ). 4. Volvemos a la ventana principal de GNS3 y sobre el router hacemos click con el botón derecho del ratón. Del menú desplegado, seleccionamos Idle PC. 5. Tras esperar unos segundos, nos aparecerá una ventana (Fig. 14a) donde podemos seleccionar valores pontenciales. Desplegamos la lista (Fig. 14b) y seleccionamos uno (aquellos recomendados están marcados con *) y confirmamos su aplicación. En caso de que el valor seleccionado no produzca una reducción en el consumo de CPU tal y como se puede observar en la Fig. 14c, deberemos repetir los pasos 4 y 5 hasta encontrar con un valor adecuado. Boletín 1: Introducción a GNS3 16

17 Figura 14. Configuración valor Idle PC para una imagen IOS Boletín 1: Introducción a GNS3 17

18 7. Referencias [1] GNS3: Graphical Network Simulator. [2] Dynagen. [3] Dynamips. [4] Hardware emulated by GNS3. [5] Tutorial for GNS3 v [6] Tutorial for GNS3 v Simulador-de-Redes-Grafico Boletín 1: Introducción a GNS3 18