CCNP 演習シミュレータ (CCNP01)

Cisco CML（Cisco Modeling Labs）上に実機ネットワークを自動構築し、CCNP 相当の課題を出題 → 受験者が実コマンドで解答 → 自動採点する、Ansible + pyATS/Genie ベースの学習システムです。

対象は Cisco 認定 CCNP ENCOR (350-401) / ENARSI (300-410) の技術領域。「問題を作る・投入する・採点する」を一気通貫で自動化しているので、同じ技術を何度でも・少しずつ値を変えて練習できます。

個人の学習・作問用に育てたリポジトリです。特定のCML環境で実機検証しながら作っていますが、環境依存の値（CML接続情報・管理IP）は差し替え可能にしてあります（後述のセットアップ参照）。

  問題生成/作問 ──→ 初期投入 ──→ 受験者が CML で実コマンド解答 ──→ 自動採点
  (生成器 gen_*.py)  (Ansible)      (CML コンソール / SSH)          (pyATS Genie で構造化して判定)

特徴

実機で学べる — シミュレータの近似ではなく、本物の Cisco IOS-XE / IOSv / IOS-L2 を CML 上で動かして解く。
完全自動の採点 — show 出力を pyATS Genie で構造化し、フィールド単位でアサート。「隣接が FULL か」「この経路だけ消えているか」「ping が通るか」まで機械判定。合否は収束するまでリトライ。
問題の量産 — seed を渡すと生成器がトポロジ・故障・パラメータをランダム化して問題を丸ごと生成。同じ seed なら同じ問題（再現可能）。
自己完結の問題パック — 1問 = 1ディレクトリ。問題文・初期config・採点基準・模範解答が揃っている。
トラブルシュート対応 — 正常構成に故障を注入して「直す」問題や、複数レイヤにまたがる連鎖故障も生成できる。
Ansible 自動化ラボ — Cisco 機器を題材に Ansible そのものを学ぶ「道場」コースも同梱。

仕組み

4つの Ansible playbook が「描画 → 起動 → 解答 → 採点」を担います。

 build_topology.yml ──→ lab_up.yml ──────→ (受験者が解答) ──→ grade.yml
   day0 config を描画        CML へ import          実機 CLI で        show 出力を Genie で
   + gen_cml_lab.py で        して起動               設定を投入          構造化し、基準と照合
   ラボ YAML を生成                                                     して点数を返す

build_topology.yml — 問題定義（problem.yml）から day0 の「穴あき」config を描画し、gen_cml_lab.py が CML 用ラボ YAML（ノード・配線・管理IP）を生成する。
lab_up.yml — そのラボを CML に import して起動する。管理IPは共有プールから動的に貸与（mgmt_alloc.py の台帳が管理）。
受験者の解答 — CML のコンソール、または管理IP経由の SSH で機器にログインし、実コマンドで設定する。自動化ラボの場合は付属の作業ディレクトリで Ansible を書く。
grade.yml — 各ノードへ show を送って出力を Genie で構造化し、採点基準（grading.yml）のチェックを1つずつ判定。全PASS になるまで一定間隔でリトライ（設定の収束待ち）。

採点の詳細は採点の仕組みを参照。

何ができる / どんな問題が出せるか

現在 problems/ に 165 問（ENCOR 系 46・ENARSI 系 35・生成問題 GEN 系 67・Ansible 自動化 5・FortiGate 4・大型シナリオほか 8）。難易度は 1〜6 で、3〜4 が中心。加えて 生成器から無限にバリエーションを作れます。出題可能な問題の正準台帳は problems/CATALOG.md。

ENCOR（350-401）系

分野	主な問題
OSPF	単一エリア / マルチエリア / stub / NSSA / インターフェイスモード / 認証 / OSPFv3
EIGRP	基本構築 / variance による不等コストロードバランス / SIA トラブルシュート
再配送	OSPF ⇄ EIGRP など IGP 相互再配送
First-Hop 冗長	HSRP（FHRP）
トンネル / VPN	GRE、DMVPN（Phase2 / Phase3）、IPsec sVTI（IKEv1 / IKEv2）
経路制御	PBR、IP SLA + Object Tracking、WAN 冗長・フェイルオーバ
セグメンテーション	VRF-Lite、VRF ルートリーク、VRF + NAT
セキュリティ / L2	標準/拡張/名前付き ACL、VACL、SPAN / RSPAN、CoPP、エッジ機器ハードニング
可視化 / 運用	Flexible NetFlow、EEM
QoS	分類・マーキング / ポリシング / 階層シェーピング + LLQ（効果を iperf3/ping で実測採点する体感シリーズ3問）
DHCP	DHCPv4 一気通貫（プール配布 / MAC 固定割当 / リレー / DHCP-only ACL。採点は release/renew の実効確認込み）
その他	LAG（EtherChannel）、IPv6 静的 / SLAAC、NAT/PAT 複合

ENARSI（300-410）系

分野	主な問題
BGP 属性 / 経路制御	weight / local-preference / MED / community / AS-path / origin / next-hop-self
BGP フィルタ / 集約	prefix-list、route-map、AS-path 正規表現、経路集約、ルートリフレクタ
BGP 複合 / 特殊	複数属性の総合ポリシー、IPv6 AF、レガシー synchronization 残骸×非BGP中継ブラックホールの2段TS
再配送	相互再配送、再配送ループの発生と抑止、3ドメインリング一周ループ（`distance bgp` 解法）、仕様書駆動の選択的再配送（遮断 / E1 / seed metric / 出自タグ / 監査）
MPLS	MPLS L3VPN 6問（基礎構築 / マルチカスタマー / PE-CE eBGP + as-override / フルメッシュ×Hub&Spoke 組み分け / Extranet 共有サービス VRF）
オーバーレイ複合	DMVPN + BGP 再配送、DMVPN + IPsec 完全版、GRE over IPsec（sVTI IKEv1/IKEv2・crypto map 版）
アドレッシング / セキュリティ	DHCPv6（stateful/リレー）、uRPF anti-spoofing、VRF-Lite DN ビット

大型シナリオ / ファブリック

ID	内容
`CAMPUS-TS-01`	12台・3層キャンパス（ASA 含む）の複数レイヤ連鎖トラブルシュート超大作
`SDA-LISP-01`	SD-Access の土台を素の LISP/VXLAN で組むガイド付き教育ラボ（9台・LISP編→VXLAN編）
`EVPN-VXLAN-01`	EVPN-VXLAN ファブリック（IOL RR + NX-OS leaf×3・SDA-LISP-01 の続編）
`UM2-BUILD-01/02`	中規模企業網の総合構築。02 はワンアーム LB 変種（IP SLA トラッキング対比）
`DMVPN-PHASE3-01` ほか	DMVPN 単体の構築問（Phase2 / Phase3）
`NETAUTO-03-RESTCONF`	RESTCONF によるネットワーク自動化道場（cat8000v）

FortiGate（マルチベンダ）

FortiGate-VM（eval ライセンス）を Cisco 網に混ぜた4問: FGT-SDWAN-01（SD-WAN）/ FGT-FW-BASIC-01（FWポリシー基礎）/ FGT-IPSEC-01（Cisco との IPsec 相互接続・管理IF自己設定の Phase 0 付き）/ FGT-REPLACE-01（ASA 設定読替の卒業試験）。eval 制約（IF 3個・ポリシー3本・route 3本・DES 限定）を前提に設計。

生成問題（`GEN-*`）— seed で量産

種別	生成器	内容
到達性	`gen_topology.py`	ランダムなツリー型 OSPF。BFS で一意な next-hop を計算し採点
ひねり	`gen_twist.py` / `gen_aggregate.py` / `gen_pathctrl.py`	ルートフィルタ / 経路集約・マルチエリア / 経路制御・冗長
トラブルシュート	`gen_troubleshoot.py`	OSPF に故障を注入（多重故障・おとり・段差故障に対応）
BGP TS	`gen_bgp_troubleshoot.py` / `gen_bgp_pathts.py` / `gen_bgp_rrts.py` / `gen_bgp_complex_ts.py`	到達性 / 経路選択 / RR 伝播 / 複合故障
IGP 複合 TS	`gen_eigrp_complex_ts.py` / `gen_ospf_complex_ts.py` / `gen_ospfv3_complex_ts.py` / `gen_eigrpv6_complex_ts.py`	EIGRP / OSPF / OSPFv3 / EIGRPv6 の複合故障
再配送 TS	`gen_redist_mutual_ts.py` / `gen_redist_ripospf_ts.py`	相互再配送 / RIP⇄OSPF 再配送ループ
再配送ループ TS	`gen_redist_loop_ts.py` / `gen_redist_mp_ts.py`	BGP→EIGRP→OSPF リングを出自が一周する定常ループ（3変種） / 多点相互再配送ループ（解法4モードを seed 抽選し監査ポリシーで強制）
連鎖故障	`gen_chain_ts.py`	12台規模でレイヤをまたぐ連鎖故障を生成
MPLS L3VPN TS	`gen_mpls_ts.py`	12台 (3PE×Pリング×2顧客) の L3VPN に L1〜L5 の故障を注入。`--pece ebgp` 軸で PE-CE eBGP 化
L2 TS	`gen_l2_troubleshoot.py`	EtherChannel など L2 の故障
DMVPN TS	`gen_dmvpn_ts.py`	DMVPN + IPsec に14種の故障を注入
DHCP TS	`gen_dhcp_ts.py`	DHCPv4（配布/リレー/ACL）に8故障×3レイヤを注入
FNF TS	`gen_fnf_ts.py`	仕様書突き合わせ型 Flexible NetFlow TS（10故障4レイヤ・`--faults` で複合化）
セキュリティ TS	`gen_urpf_ts.py`	uRPF anti-spoofing の故障（strict過剰/ACL例外誤り/未設定/loose過緩の4種・非対称ルーティング題材）
フィルタ道場	`gen_list_dojo.py`	prefix-list / AS-path / ACL の基本形ドリル3部作（`acl_model.py` = ACL 意味評価器で採点）
S2S VPN 設計構築	`gen_s2svpn.py`	要件書形式・技術選定自由の設計構築問。`--day2` で運用チケット3本（支店追加/split化/重複NAT）を追加出題
サーバ / 監視	`gen_dnsdhcp_*.py` / `gen_radius_build.py` / `gen_snmpv3_ts.py` / `zbx_setup.py`	Linux サーバ（BIND/DHCP/FreeRADIUS）構築・TS、SNMPv3/Zabbix 監視

Ansible 自動化ラボ（`ANSIBLE-01〜05`）

Cisco 機器を題材に Ansible 自体を段階学習するコース。トポロジは固定で「変わるのは Ansible 技術だけ」。インベントリ → アドホック → Playbook → 変数優先順位 → 冪等性の順に進む。ENCOR/ENARSI 側にも「OSPF/BGP を Ansible で自動構築する」自動化問題（*-AUTO-*）がある。

問題一覧は ls problems/、各問題の詳細は problems/<ID>/task.md(.j2) と solution.md を参照。

動作要件

必要なもの	用途
Cisco CML 2.x	ネットワーク機器を動かす基盤（API 有効・ログイン可能なこと）
CML ノードイメージ	ルータ/スイッチ用に IOL(iol-xe / ioll2-xe)、または IOSv/IOSvL2。Linux 問題用に Ubuntu クラウドイメージ
Linux コントローラ（Ubuntu 想定）	Ansible + pyATS を動かすホスト。CML と管理ネットワークで疎通できること
Python 仮想環境	`.venv` に ansible-core、pyATS/Genie、`cisco.ios` / `cisco.cml` コレクション、`virl2_client`

使用する CML イメージ ID は group_vars/all/main.yml の device_profiles で定義。手元の CML に登録済みの正確な ID に合わせて調整してください。

セットアップ

git clone <this-repo> && cd CCNP01

# 1) Python 仮想環境（ansible-core / pyATS / cisco.ios / cisco.cml / virl2_client を導入）
python3 -m venv .venv && . .venv/bin/activate
pip install ansible-core pyats[full] && ansible-galaxy collection install cisco.ios cisco.cml

# 2) ★ローカル環境設定（CML接続情報・管理IPプール）を自分の値で作成
cp group_vars/all/local.yml.example group_vars/all/local.yml
$EDITOR group_vars/all/local.yml     # cml_host / cml_username / cml_password と mgmt_* を編集

group_vars/all/local.yml は .gitignore 済み（コミットされない）。CML の場所・ログイン・管理ネットワークといった各自の環境依存値はここだけに置きます。雛形は group_vars/all/local.yml.example。

機器のログイン認証は Ansible Vault（group_vars/all/vault.yml）に格納。学習用の固定値なので vault パスワードは CCNP、playbook 実行時に --vault-password-file <(printf 'CCNP\n') を付けます（各ノードの config テンプレートが同じ user/secret を焼き込む前提。変える場合はテンプレート側も合わせて変更）。

クイックスタート

scripts/lab.sh がライフサイクル（build → up → 作業コピー配布 → 撤去）を一括管理します。

# 出題（build_topology → lab_up → lab/<ID>/ に問題.md と作業コピーを配置）
scripts/lab.sh provision ENCOR-OSPF-01           # variant 指定は第2引数: provision <ID> <variant>

# 受験者は CML コンソール / SSH で機器にログインして解答
#   - SSH 例: ssh <user>@<割当てられた管理IP>
#   - 自動化ラボ(ANSIBLE-*/AUTO-*)は lab/<ID>/ を編集して playbook を流す

# 採点
ansible-playbook playbooks/grade.yml -e problem=ENCOR-OSPF-01 \
  --vault-password-file <(printf 'CCNP\n')
# パラメータ化問題は -e variant=sXXXX も付ける

# 片付け（CMLラボを削除して管理IPを解放。problems/<ID> 自体は残る）
scripts/lab.sh teardown ENCOR-OSPF-01

scripts/lab.sh status                            # 稼働ラボ・管理IPの空き・作業コピー一覧

lab.sh を使わず手で回す場合:

V="--vault-password-file <(printf 'CCNP\n')"
ansible-playbook playbooks/build_topology.yml -e problem=<ID> [-e variant=<v>] [-e node_image=iosv] $V
ansible-playbook playbooks/lab_up.yml         -e problem=<ID> $V          # 停止/撤去: -e lab_state=stopped|absent
ansible-playbook playbooks/grade.yml          -e problem=<ID> $V          # -e max_attempts= -e settle_delay= で収束調整

複数ラボの同時稼働に対応。管理IPは topologies/mgmt_alloc.py のリース台帳（_state/mgmt_leases.json）が first-fit で調停するため、旧ラボを撤去せずに新ラボを起動しても管理IP衝突は起きません。teardown 漏れは mgmt_alloc.py gc で回収できます。

同時稼働の上限は環境依存で、コードにハードコードした定数はありません。実質的には次の2つで決まります。

管理IPプールのサイズ = group_vars/all/local.yml の mgmt_pool の要素数（環境ごとに各自が設定・.gitignore 済。天井は管理セグメントのサブネット幅）。mgmt_alloc.py はプール不足のときだけ割当を停止する（要求ノード数 > 空きIP数 → rc=2、CML には触らない）。

CML の同時起動ノード数 = CML ライセンスグレードの制約（例: Personal は 20 ノード）。プロジェクト側はこれを関知せず、超過分は CML が拒否する。Enterprise 等では実質プールサイズが律速。

ディレクトリ構成

CCNP01/
├── ansible.cfg                  # network device 向け接続設定
├── inventory.yml                # 名前/グループのみ（管理IPは動的割当）
├── group_vars/ host_vars/       # 接続変数・device_profiles・vault(機器認証) / local.yml(環境依存・gitignore)
├── roles/baseline/              # day0 baseline テンプレート（baseline_router/switch/server.cfg.j2）
├── playbooks/
│   ├── build_topology.yml       # day0 描画 + gen_cml_lab.py → _generated/<ID>/lab.yaml
│   ├── lab_up.yml               # CML へ import + 起動（管理IP割当・プリフライト）
│   ├── grade.yml + _grade_attempt*.yml   # 採点（ssh / telnet / console の3収集パス）
│   ├── solve_generated.yml / fix_generated.yml   # 生成問題の模範解答/故障修正の自動投入
│   └── verify_failover*.yml     # フェイルオーバ（shut→疎通→復旧）の能動検証
├── topologies/
│   ├── conventions.md           # 採番・配線・命名規約
│   ├── gen_cml_lab.py           # problem.yml → CML ラボ YAML
│   ├── grade.py + netmodel.py   # 採点エンジン（Genie 構造化 / 大域不変条件）
│   ├── mgmt_alloc.py            # 管理IPリース台帳（複数ラボ同時稼働の調停）
│   ├── gen_*.py                 # 各種生成器（34本）
│   ├── *_ops.py                 # 大型シナリオの構築/運用ヘルパ（campus/sda/evpn/um2/fgt*/sdwan/s2svpn）
│   └── _generated/<ID>/         # build で出る中間物（mgmt_map / lab.yaml / 描画済 task.md 等・gitignore）
├── problems/<ID>/               # 問題パック（自己完結）
│   ├── CATALOG.md               # 出題可問題の正準台帳（実機検証済のみ掲載）
│   └── _drafts/                 # 未着手課題の詳細設計メモ（BACKLOG.md からリンク）
├── poc/<テーマ>/                # 作問前の PoC 置き場（実機検証ログ・試行スクリプト）
├── um2/                         # UM2 シリーズの設計書・構成図
├── scripts/lab.sh               # 出題/片付けラッパ
└── lab/<ID>/                    # provision が作る使い捨て作業コピー（gitignore）

問題パック仕様

1問 = problems/<ID>/ の自己完結ディレクトリ。

ファイル	役割
`problem.yml`	メタ（id/exam/topics/difficulty/target_nodes/points）＋ `lab.links`（配線。a_if/b_if は slot 番号）
`task.md` または `task.md.j2`	受験者向け問題文（日本語）。`.j2` は params で数値が変わる
`initial/<NODE>.cfg.j2`	出題時に重ねる「穴あき」config
`grading.yml` または `grading.yml.j2`	採点基準（フィールドアサート型スキーマ）
`solution.md`	模範解答
`params/`	パラメータ化（`base.yml` 既定値 + `_gen.yml` ランダム化スキーマ）
`controller/` `controller_solution/` `blanks.yml`	自動化ラボ用の穴あき workspace と完成形

パラメータ化（値違い問題の量産）

initial/grading/task を .j2 化し {{ params.xxx }} を参照。-e variant=<name>（既定 base）で値を切替。ランダム生成は gen_params.py --problem <ID> --seed N → params/sN.yml（同 seed = 同値 = 再現可能）。

採点の仕組み（`grade.py` / pyATS Genie）

show 出力を Genie で構造化 → find（glob でオブジェクト選択）+ match（同一オブジェクト上でフィールド相関）で判定。配点は all-or-nothing。
grade.yml が 全PASS or max_attempts まで settle_delay 秒間隔でリトライ（収束待ち）。
Genie パーサが無い/壊れる箇所は raw: 正規表現（contains / not_contains / regex …）で判定。「特定経路だけ不在」「単一経路化（ECMP排除）」「能動 ping の成否」もこれで表現。
netmodel.py = ネット全体の大域不変条件（ループ不在 / 最適性 / 到達性）を採点する別系統。
収集パスは problem.yml の access: で分岐: ssh（既定）/ telnet（IOL L2スイッチ）/ console（IOSv）。

grading.yml スキーマ例:

defaults: { genie_os: iosxe }
checks:
  - name: "RT01-RT02 OSPF 隣接 FULL"
    node: RT01
    command: show ip ospf neighbor
    parser:  show ip ospf neighbor        # command=実機へ送る文字列 / parser=Genieキー（別物）
    find:    "interfaces.*.neighbors.*"
    match:   { state: { startswith: "FULL" } }
    points:  30
  - name: "特定経路だけ不在（raw で判定）"
    node: RT04
    command: show ip route 35.35.35.35
    raw: [ { regex: "not in table" } ]
    points: 10

規約（要点 / 詳細は conventions.md）

命名: RTxx=router / SWxx=switch（接頭辞でロール自動判定）。CMLラボ名は CCNP-LAB-<md5(id)[:8]> で不透明化（画面に技術名が出て解法バレを防ぐ）。
採番: Loopback0 = x.x.x.x/32（RT01→1.1.1.1）。ルータ間 = 10.1.<a><b>.0/30（小番号側が .1）。
イメージ: トポロジ単位で統一。優先 CLI -e node_image > problem.yml > group既定。物理IF名は device_profiles で論理↔物理を吸収。

運用上の落とし穴

複数ラボ同時稼働可（管理IPは mgmt_alloc.py のリース台帳が調停）。上限は環境依存でコード定数はない：mgmt_pool（local.yml）の要素数と、CML グレードの同時起動ノード数（例: Personal 20）で決まる。teardown 漏れは mgmt_alloc.py gc で回収し、不要ラボは scripts/lab.sh teardown <ID> で撤去する。
baseline 末尾に end を置かない（day0 は baseline+initial を連結。中間 end 以降が無視される）。
IOL はリンクダウンを対向に伝播しない（片端 shutdown でも対向 line protocol は up）。フェイルオーバ設計は remote link-down 検知に依存しないこと。
raw 採点は IOS のコマンド省略形・別表記に脆い → 各語を <最短プレフィクス>[\w-]* で緩める。
task.md.j2 にリテラル {{ ____ }} を書くと描画器が変数解釈して失敗 → {% raw %}…{% endraw %} で囲む。
採点チェックが多く2分超になる問題は、実行ツールの timeout を上げる。

ライセンス / 免責

学習・作問目的の個人プロジェクトです。Cisco IOS 等のイメージは各自が正規に入手・ライセンスした CML 環境で使用してください（本リポジトリにイメージは含みません）。

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playbooks		playbooks
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topologies		topologies
um2		um2
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BACKLOG.md		BACKLOG.md
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