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@JamesHopbourn

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小型互联网拓扑实验 - Multipass网络实验环境
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setup.md

小型互联网拓扑实验环境搭建指南

概述

本文档详细描述如何使用 Multipass 搭建一个三台虚拟机的小型局域网环境，模拟现实互联网中的 NAT、内网穿透、网络分段访问控制等场景。

网络拓扑结构

Client (10.0.0.3) ← → Gateway (10.0.0.1) ← → Server (10.0.0.2:8000)
                           |
                      Internet (NAT)

环境要求

  • 虚拟化工具: Multipass
  • 宿主机系统: Ubuntu 或 macOS
  • VM 操作系统: Ubuntu 24.04 LTS
  • 网络: 10.0.0.0/24 内网段

详细搭建步骤

1. 创建虚拟机

首先创建三台虚拟机：

# 创建网关虚拟机
multipass launch --name gateway --cpus 2 --memory 4G --disk 10G

# 创建服务器虚拟机
multipass launch --name server --cpus 2 --memory 4G --disk 10G

# 创建客户端虚拟机
multipass launch --name client --cpus 2 --memory 4G --disk 10G

验证虚拟机创建成功：

multipass list

应该看到类似输出：

Name                    State             IPv4             Image
client                  Running           192.168.69.18    Ubuntu 24.04 LTS
gateway                 Running           192.168.69.16    Ubuntu 24.04 LTS
server                  Running           192.168.69.17    Ubuntu 24.04 LTS

2. 配置网络接口

2.1 配置 Gateway 虚拟机

Gateway 虚拟机需要配置桥接网络接口：

# 创建桥接接口
multipass exec gateway -- sudo ip link add name br0 type bridge

# 配置桥接接口IP地址
multipass exec gateway -- sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev br0

# 启用桥接接口
multipass exec gateway -- sudo ip link set br0 up

创建持久化网络配置：

# 创建 netplan 配置文件
multipass exec gateway -- bash -c 'echo "network:" | sudo tee /etc/netplan/60-bridge.yaml && echo "  version: 2" | sudo tee -a /etc/netplan/60-bridge.yaml && echo "  bridges:" | sudo tee -a /etc/netplan/60-bridge.yaml && echo "    br0:" | sudo tee -a /etc/netplan/60-bridge.yaml && echo "      addresses:" | sudo tee -a /etc/netplan/60-bridge.yaml && echo "        - 10.0.0.1/24" | sudo tee -a /etc/netplan/60-bridge.yaml && echo "      dhcp4: false" | sudo tee -a /etc/netplan/60-bridge.yaml && echo "      dhcp6: false" | sudo tee -a /etc/netplan/60-bridge.yaml'

# 修正文件权限
multipass exec gateway -- sudo chmod 600 /etc/netplan/60-bridge.yaml

# 应用网络配置
multipass exec gateway -- sudo netplan apply

为主接口添加 Gateway IP：

multipass exec gateway -- sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev enp0s1

2.2 配置 Server 虚拟机

为 Server 虚拟机添加静态 IP：

multipass exec server -- sudo ip addr add 10.0.0.2/24 dev enp0s1

2.3 配置 Client 虚拟机

为 Client 虚拟机添加静态 IP：

multipass exec client -- sudo ip addr add 10.0.0.3/24 dev enp0s1

3. 配置 NAT 转发（Gateway）

在 Gateway 虚拟机上启用 IP 转发和 NAT：

# 启用 IP 转发
multipass exec gateway -- sudo sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1

# 使 IP 转发持久化
multipass exec gateway -- echo "net.ipv4.ip_forward=1" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf

# 配置 NAT masquerading
multipass exec gateway -- sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -o enp0s1 -j MASQUERADE

# 允许转发
multipass exec gateway -- sudo iptables -A FORWARD -i enp0s1 -o enp0s1 -j ACCEPT

# 配置端口转发（从 Gateway 到 Server）
multipass exec gateway -- sudo iptables -t nat -A PREROUTING -i enp0s1 -p tcp --dport 8000 -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:8000

4. 启动 HTTP 服务（Server）

在 Server 虚拟机上启动 Python HTTP 服务：

# 启动 HTTP 服务，绑定到内网 IP
multipass exec server -- nohup python3 -m http.server 8000 --bind 10.0.0.2 > /dev/null 2>&1 &

验证服务启动：

multipass exec server -- ss -lntp | grep 8000

应该看到：

LISTEN 0      5           10.0.0.2:8000      0.0.0.0:*    users:(("python3",pid=1798,fd=3))

5. 配置访问控制（Client）

在 Client 虚拟机上配置防火墙规则，阻止直接访问 Server：

# 阻止直接访问 Server
multipass exec client -- sudo iptables -A OUTPUT -d 10.0.0.2 -j DROP

# 允许访问 Gateway
multipass exec client -- sudo iptables -I OUTPUT -d 10.0.0.1 -j ACCEPT

验证测试

6.1 测试直接访问（应该失败）

# 从 Client 直接访问 Server（应该超时失败）
multipass exec client -- curl --connect-timeout 5 http://10.0.0.2:8000

预期结果：连接超时

6.2 测试通过 Gateway 访问（应该成功）

# 从 Client 通过 Gateway 访问 Server（应该成功）
multipass exec client -- curl --connect-timeout 5 http://10.0.0.1:8000

预期结果：返回 HTML 页面内容

6.3 测试访问控制

禁用 Gateway 转发功能：

multipass exec gateway -- sudo sysctl -w net.ipv4.ip_forward=0

再次测试访问（应该失败）：

multipass exec client -- curl --connect-timeout 5 http://10.0.0.1:8000

恢复转发功能：

multipass exec gateway -- sudo sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1

网络配置总结

虚拟机名 主要IP 内网IP 角色 服务
gateway 192.168.69.16 10.0.0.1 网关/路由器 NAT转发, 端口转发
server 192.168.69.17 10.0.0.2 服务器 HTTP服务 (端口8000)
client 192.168.69.18 10.0.0.3 客户端 仅通过网关访问服务器

核心配置说明

  1. 网络隔离: Client 通过 iptables 规则无法直接访问 Server
  2. 强制路由: Client 只能通过 Gateway 访问 Server
  3. 端口转发: Gateway 使用 DNAT 将请求转发到 Server
  4. 访问控制: 可通过禁用 Gateway 的 IP 转发来控制整个网络的连通性

故障排除

常见问题

  1. 无法 ping 通

    • 检查 IP 地址配置：ip addr show
    • 检查路由表：ip route show

  2. HTTP 访问失败

    • 检查 HTTP 服务状态：ss -lntp | grep 8000
    • 检查 iptables 规则：sudo iptables -L -n -v

  3. 转发不工作

    • 检查 IP 转发状态：sysctl net.ipv4.ip_forward
    • 检查 NAT 规则：sudo iptables -t nat -L -n -v

清理环境

如需重新开始，可以删除所有虚拟机：

multipass delete gateway server client
multipass purge

教育价值

这个实验环境可以帮助理解：

  • NAT 网络地址转换原理
  • 网络分段和访问控制
  • Linux 网络配置和路由
  • iptables 防火墙规则
  • 网络故障排除方法

通过这个实验，可以深入理解现代网络架构中常见的安全和路由机制。

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需求文档.md

小型互联网拓扑实验需求文档

一、背景与目标

本实验旨在使用三台虚拟机模拟小型局域网环境，配置一台网关服务器（Gateway）作为中间跳板，使得 Client 虚拟机只能通过 Gateway 中转访问 Server，从而模拟现实互联网中的 NAT、内网穿透、网络分段访问控制等场景。

二、实验环境

使用平台

  • 虚拟化工具：Multipass（由 Canonical 提供的轻量虚拟机管理工具）
  • 宿主机系统：Ubuntu 或 macOS
  • VM 操作系统镜像：Ubuntu 20.04 LTS（默认）

虚拟机创建命令

每台虚拟机使用如下命令启动：

multipass launch --name <vm-name> --cpus 2 --memory 4G --disk 10G

实际创建如下三台虚拟机：

虚拟机名 角色 IP分配 备注
gateway 网关节点 手动配置两个网卡（NAT + 内网） 配置转发和NAT
server 服务端 内网IP 运行 Python HTTP 服务
client 客户端 内网IP 仅能通过 gateway 访问 server

三、网络拓扑设计

               [ Client ]
                   |
             10.0.0.3/24
                   |
               [ Gateway ]
             eth1: 10.0.0.1/24
             eth0: NAT (默认Multipass)
                   |
             Internet (Host NAT)
                   |
               [ Server ]
             10.0.0.2/24

说明：

  • gateway 有两个网卡：

    • eth0：连接到 NAT 网络（默认 multipass 网络）
    • eth1：连接到自定义私有网络（桥接）

  • server 和 client 均仅连接到 gateway 创建的私有网络（模拟内网）

  • Server 提供 HTTP 服务，监听 10.0.0.2:8000

  • Client 不允许直接连 Server，只能通过 Gateway 转发访问

四、系统配置细节

1. 创建虚拟机

multipass launch --name gateway --cpus 2 --memory 4G --disk 10G
multipass launch --name server --cpus 2 --memory 4G --disk 10G
multipass launch --name client --cpus 2 --memory 4G --disk 10G

2. 配置静态私有网络（通过 cloud-init 或 netplan）

  • 给 gateway 增加一个内网桥接接口 eth1
  • 给 server/client 设置静态 IP 地址（如 10.0.0.2, 10.0.0.3）

建议使用 multipass exec gateway -- sudo ip link add br0 type bridge 配合 netplan 配置实现

3. Gateway 配置 NAT 转发

# 开启 IP 转发
sudo sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
echo "net.ipv4.ip_forward=1" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf

# 配置 NAT（假设 eth0 为对外接口）
sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE

4. Server 上配置 Python 服务

# 安装 Python3（如未安装）
sudo apt update && sudo apt install -y python3

# 运行一个简单的 HTTP 服务（监听内网地址）
python3 -m http.server 8000 --bind 10.0.0.2

5. Client 上配置默认路由指向 Gateway

# 删除默认路由
sudo ip route del default

# 添加 gateway 为默认网关
sudo ip route add default via 10.0.0.1

五、验证目标

正确性验证

  1. 在 client 上使用 curl 访问 server：

    curl http://10.0.0.2:8000

    成功返回内容说明路由通过 gateway 生效

  2. 关闭 gateway 的转发功能后访问失败

    sudo sysctl -w net.ipv4.ip_forward=0

    再次访问 server 应该失败，说明中转控制生效

  3. 直接从 client ping server 应该不通（如无静态路由）

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