基于虛擬仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室的構(gòu)建

齊心，史旅華，楊亞會，徐洪勝

（湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，湖北十堰442002）

基于虛擬仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室的構(gòu)建

齊心，史旅華，楊亞會，徐洪勝

（湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，湖北十堰442002）

分析了高校計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學的現(xiàn)狀，結(jié)合我校實際情況，構(gòu)建了基于虛擬仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室。詳細探討了實驗室軟硬件條件和教學內(nèi)容的建設(shè)，進一步完善了實驗教學體系。

計算機網(wǎng)絡(luò)；虛擬仿真；實驗室

計算機網(wǎng)絡(luò)課程是計算機科學領(lǐng)域中重要的主干課程，而計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當今世界高新技術(shù)潮流中的主流技術(shù)之一，它的發(fā)展對其它技術(shù)學科的發(fā)展具有極為重要的意義。目前我國信息技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，需要大批掌握計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)人才，這對培養(yǎng)21世紀高素質(zhì)創(chuàng)新型計算機專業(yè)人才提出了迫切的要求。

建設(shè)一個功能完善的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室需要學校投入大量的資金，且很難滿足大批量的學生同時進行實驗，實驗開出率較低，同時硬件損耗較大，不利于實驗的開展。隨著虛擬仿真軟件技術(shù)的成熟和大量成功應用，可以將虛擬仿真軟件技術(shù)融入到計算機網(wǎng)絡(luò)課程當中，對計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程建設(shè)起到了很好的推動作用［1-3］。

1 計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學的現(xiàn)狀

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對現(xiàn)階段的計算機網(wǎng)絡(luò)實踐教學提出了更高的要求，現(xiàn)存的實驗教學環(huán)節(jié)只是停留在驗證性實驗階段，實驗教學內(nèi)容不夠系統(tǒng)、不明確、形式松散，學生只是被動的接受抽象的網(wǎng)絡(luò)知識，實驗教學環(huán)節(jié)中沒有合適的教學工具和教學資源來加深學生對所學理論知識的理解，普遍存在著理論與實踐脫節(jié)，導致學習興趣下降、被動式學習、知識理解片面，不夠深入［4］。

產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因在于：1）缺乏適應各自學校特點的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學資源，實驗教學內(nèi)容、教學方法和教學手段較為落后，只是停留在早期計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層面，無法進行高層次的理論和實踐研究；2）建設(shè)一個專業(yè)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室硬件設(shè)備費投入較大，如交換機、路由器等硬件設(shè)備的購置，學生單純通過硬件設(shè)備來做實驗，勢必對硬件設(shè)備損耗較大，而且計算機硬件設(shè)備的更新?lián)Q代速度太快，高校很難跟上設(shè)備的發(fā)展速度，無法大批量的組織學生開展實驗［5］。

2 虛擬仿真實驗室的構(gòu)建

計算機網(wǎng)絡(luò)教學在高等院校的計算機課程中占有重要地位，但是在高校的授課過程中，普遍存在著重理論、輕實踐的傾向。

針對目前計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學中出現(xiàn)的實驗教學內(nèi)容不系統(tǒng)、實驗硬件設(shè)備缺乏等問題，結(jié)合學院實驗室自身情況，構(gòu)建了基于虛擬仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室。實驗室的構(gòu)建內(nèi)容包括虛擬仿真實驗室軟硬件建設(shè)、虛擬仿真教學資源的建設(shè)和虛擬仿真實驗教學共享平臺的建設(shè)3個部分。

基于虛擬仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室結(jié)合高校教育的實際情況，將網(wǎng)絡(luò)方面的理論知識通過軟件模擬來實現(xiàn)，讓學生在實踐的過程中更深入地掌握網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)理論知識，使學生能清楚地理解和掌握網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和協(xié)議，通過編輯各種協(xié)議的數(shù)據(jù)包深入學習計算機網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部原理。

2.1 虛擬仿真實驗室軟硬件建設(shè)

學院計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室與吉林中軟吉大信息技術(shù)有限公司合作，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)引入到計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學當中，為計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學提供了新的教學方法和手段。

虛擬仿真實驗室硬件部分由主控中心平臺、智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和組控設(shè)備構(gòu)成，用于搭建實驗所需的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以靈活實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)備硬件連接圖如圖1所示。

主控中心平臺是本系統(tǒng)的硬件核心，由專用高性能服務器和中心設(shè)備構(gòu)成，為實驗環(huán)境提供各種系統(tǒng)服務，保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，確保實驗結(jié)構(gòu)完整和實驗用戶數(shù)的有效擴展，為計算機網(wǎng)絡(luò)實驗提供FTP、DNS、DHCP等服務、實驗室管理服務。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)，提供網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的自動化管理。通過按動智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的“Topology”按鈕，就可以在所有網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中循環(huán)切換，從而有效避免更改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時頻繁插拔網(wǎng)線的問題，同時通過集聯(lián)控制按鈕“Team”設(shè)置智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集聯(lián)控制模式，可以實現(xiàn)對實驗室內(nèi)所有實驗組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一鍵式切換。

組控設(shè)備是系統(tǒng)專用硬件。每個組控設(shè)備由6個共享模塊構(gòu)成，配合智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；具有數(shù)據(jù)采集、動態(tài)緩沖區(qū)分配、均衡網(wǎng)絡(luò)負載等功能。每臺組控設(shè)備連接6臺學生實驗機器，其角色分別定義為A、B、C、D、E、F。根據(jù)實驗不同，每個角色有不同的分工。

目前該系統(tǒng)支持5種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)實驗項目內(nèi)容的不同，切換到不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，例如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一效果圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一效果圖

虛擬仿真實驗室軟件部分由協(xié)議仿真編輯器、協(xié)議分析器和其它工具軟件構(gòu)成。仿真編輯器可以模擬TCP/IP協(xié)議族中多種協(xié)議的數(shù)據(jù)包；協(xié)議分析器可以捕獲仿真編輯器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，以及網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并將常用協(xié)議的通訊過程以會話圖解的形式直觀展示出來；工具軟件包括UDP工具、組播工具等輔助教學的專用軟件。

目前，實驗室的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)擁有7組組控設(shè)備，每組6臺機器，可以同時容納42名學生進行仿真實驗，每組同學需要相互協(xié)作進行實驗，加強了學生之間的學習交流能力，充分鍛煉了學生團隊協(xié)作的能力。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)作為一門獨立的課程體系，以實驗為主，強調(diào)學生的主動性和設(shè)計能力，能夠拓寬學生的思路，達到真正的教學互動。同時利用Boson NetSim for CCNP和思科模擬器Cisco Packet Tracer仿真實驗教學軟件，可以模擬搭建局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)運行環(huán)境，在仿真軟件中進行模擬網(wǎng)絡(luò)實驗。

另外，虛擬仿真實驗室前期購買了多臺Cisco交換機、Cisco路由器、網(wǎng)絡(luò)防火墻和多路模擬電話交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能夠模擬局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的運行環(huán)境，用于學生在開放性實驗項目中使用。

2.2 虛擬仿真教學資源的建設(shè)

計算機網(wǎng)絡(luò)是綜合性很強的學科，既有硬件實驗又有軟件實驗，兩者密切結(jié)合，不可分割，先實物再理論后應用的教學模式，更有利于學生的理解。教學資源的建設(shè)應該加強實驗教學環(huán)節(jié)的力度，深入理解課程核心知識內(nèi)容，認真選擇實驗內(nèi)容，制定詳細的實驗計劃，選擇數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應用層等重點教學內(nèi)容來設(shè)計實驗的內(nèi)容。把實驗分為操作性、設(shè)計性、分析性和創(chuàng)新性等類型，著力構(gòu)建“厚基礎(chǔ)、重應用”的人才培養(yǎng)模式。

通過對理論課程教學知識體系結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合學院計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室自身軟硬件條件，對計算機專業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗大綱進行了修訂，部分實驗項目內(nèi)容進行了更新，有選擇地加入了CCNA課程實驗項目和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)的實驗項目，實驗項目的設(shè)置如表1所示。

表1 計算機網(wǎng)絡(luò)實驗項目列表

各實驗項目設(shè)置及內(nèi)容說明如下：

實驗1：帶領(lǐng)學生參觀網(wǎng)絡(luò)實驗室，建立起計算機網(wǎng)絡(luò)初步的概念，了解該網(wǎng)絡(luò)由哪些硬件設(shè)備構(gòu)成（設(shè)備名稱、功能、主要技術(shù)指標）；掌握局域網(wǎng)中電纜線的作用及使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)以太網(wǎng)連接的方法。學會制作2種類型的RJ-45接頭。掌握在Windows系統(tǒng)中進行網(wǎng)絡(luò)配置及在Windows系統(tǒng)中進行TCP/IP協(xié)議配置。熟悉使用ping、ipconfig、tracert等命令工具來進行測試。

實驗2：學生在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)環(huán)境中進行仿真實驗，通過實驗使學生理解以太網(wǎng)MAC幀格式的2種標準，掌握以太網(wǎng)的報文格式、MAC地址的作用、MAC廣播地址的作用、掌握LLC幀報文格式和仿真編輯器和協(xié)議分析器的使用方法。

實驗3：學生通過虛擬仿真軟件自行設(shè)計并模擬搭建局域網(wǎng)運行環(huán)境，掌握局域網(wǎng)中交換機的基本配置方法，能夠?qū)粨Q機進行VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的劃分。使學生能夠掌握局域網(wǎng)運行特點及搭建過程，掌握交換機VLAN的作用和劃分方法。

實驗4：學生在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)環(huán)境中進行仿真實驗，通過實驗使學生掌握ARP協(xié)議的報文格式和工作原理，理解ARP高速緩存的作用和緩存表的維護過程。

實驗5：學生在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)環(huán)境中進行仿真實驗，通過實驗使學生理解特殊IP地址的含義和IP分片過程；掌握IP數(shù)據(jù)報的報文格式、IP校驗和計算方法、子網(wǎng)掩碼和路由轉(zhuǎn)發(fā)。

實驗6：學生通過虛擬仿真軟件自行設(shè)計并模擬搭建廣域網(wǎng)運行環(huán)境，掌握廣域網(wǎng)運行特點、路由器的配置方法、路由選擇協(xié)議的工作原理和設(shè)置方法，使學生綜合學習路由器操作系統(tǒng)IOS操作、路由選擇協(xié)議、路由配置方法、子網(wǎng)劃分、超網(wǎng)構(gòu)造、網(wǎng)絡(luò)診斷及路由器操作命令等知識。

實驗7：學生在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)環(huán)境中進行仿真實驗，通過實驗使學生掌握TCP協(xié)議的報文格式、TCP連接的建立和釋放過程、TCP數(shù)據(jù)傳輸中編號與確認的過程、TCP協(xié)議校驗和的計算方法、理解TCP重傳機制的工作原理。

實驗8：理解Socket的基本概念和原理，掌握Socket的建立、監(jiān)聽、連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。實驗綜合了高級語言程序設(shè)計、點對點通信協(xié)議、運輸層相關(guān)原理及Socket編程思想、方法等知識［6-8］。

學生在實驗教學環(huán)節(jié)后，需進行計劃內(nèi)課程設(shè)計環(huán)節(jié)。課程設(shè)計教學是在學完計算機網(wǎng)絡(luò)課程之后綜合利用所學知識，完成一個具有一定難度的綜合設(shè)計題目。通過課程設(shè)計訓練，培養(yǎng)和鍛煉學生的分析問題能力、軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計能力、用戶界面的設(shè)計能力、程序設(shè)計的基本技能和技巧。

在計劃內(nèi)的實驗教學任務外，學生還可以選做實驗室提供的開放性實驗項目。之前在Bonson NetSim和Cisco Packet Tracer虛擬仿真軟件環(huán)境中進行的實驗，可以用交換機、路由器等硬件設(shè)備搭建網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境進行真實實驗，進一步加強實踐操作技能。同時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)中除了實驗教學環(huán)節(jié)中開設(shè)的計劃實驗項目外，還提供了應用層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)攻防、網(wǎng)絡(luò)故障分析和網(wǎng)絡(luò)應用程序設(shè)計等方面的開放性實驗項目，從全方位、多角度對學生計算機網(wǎng)絡(luò)知識技能進行訓練，將理論與實踐相結(jié)合，大大提高了學生的學習興趣，鍛煉了學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。

通過多層次，全方位的計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和工程訓練，學生可以更好的學習和掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部原理，實踐教學課程體系層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 實踐教學課程體系層次結(jié)構(gòu)

2.3 虛擬仿真實驗教學共享平臺建設(shè)

虛擬仿真實驗教學共享平臺依托于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學系統(tǒng)，平臺包括計算機網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學平臺兩部分。

管理信息系統(tǒng)安裝于主控中心平臺，教師通過教師機以Web頁面形式訪問管理信息系統(tǒng)，能夠輔助教師更好的進行實驗教學管理。通過該系統(tǒng)，教師可以進行實驗報告管理、實驗結(jié)構(gòu)管理、實驗信息管理、實驗方案管理、實驗設(shè)備管理和實驗公告信息管理。

實驗教學平臺安裝于學生客戶端，學生上機時可以將教師在管理信息系統(tǒng)中安排的實驗教學內(nèi)容和實驗公告等信息同步下載到學生客戶端，能夠輔助學生進行實驗，提供實驗操作環(huán)境的軟支撐。該平臺是指導學生實驗的教學平臺，輔助教師授課，并將實驗過程中所需要的各種輔助工具、實驗知識點講解、實驗過程指南、實驗思考問題等內(nèi)容集成在平臺中，為學習者提供便捷的實驗環(huán)境，從而提高學習效率。

3 網(wǎng)絡(luò)實驗室對理論教學的影響

實驗教學與理論教學是平行而又相互協(xié)調(diào)、相輔相成的，具有相等重要地位，是培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力基礎(chǔ)。實驗課程是理論課程的延伸，對于培養(yǎng)學生綜合運用所學知識、解決實際問題、加深對網(wǎng)絡(luò)理論知識的理解和應用起著非常重要的作用。

新建設(shè)的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實驗室有先進的實驗設(shè)備、完善的實驗教學大綱、完整的實驗內(nèi)容教學體系，對計算機網(wǎng)絡(luò)課程理論教學有較大影響。

1）虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實驗室給網(wǎng)絡(luò)課程提供了實驗操作的物質(zhì)基礎(chǔ)，實驗教學方式促進了學生對理論知識的理解。計算機網(wǎng)絡(luò)課程跟其他專業(yè)的課程有所不同，它需要系統(tǒng)掌握一套理論，然后進行實踐驗證和思考，如果只講理論，沒有配套的實驗課程，教學效果會不理想。

2）虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實驗室的建設(shè)可以提高教師教學水平。當代社會電子產(chǎn)品淘汰非?？?，包括計算機網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備，但理論基礎(chǔ)卻長期不變。如果沒有實驗室，教師也只能一再重復教學理論，不了解最新設(shè)備特點，知識不能及時更新，教師能力成長速度緩慢。

3）實驗室的建設(shè)有利于提升學?？蒲心芰ΑＳ嬎銠C網(wǎng)絡(luò)的科學研究很多都是在理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上進行實驗驗證，沒有實驗室就無法驗證，理論創(chuàng)新就無說服力，科研能力就得不到提高。

由于現(xiàn)代社會對人才的需求越來越高，不但要求學生具備一定的知識，更要求學生具備一定的能力。需要把理論教學轉(zhuǎn)換為實際動手能力，只有在不斷的實驗中嘗試、摸索、更正后才能具備敏銳的觀察力和敏捷的判斷能力。

4 結(jié)束語

通過計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗室的建設(shè)，構(gòu)建了一個高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，將網(wǎng)絡(luò)方面的理論知識通過軟件模擬來實現(xiàn)，將虛擬仿真軟件技術(shù)融入到計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程當中，對計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程建設(shè)起到了很好的推動作用，逐步形成完善的實驗教學體系，真正把理論轉(zhuǎn)化為實踐，把知識轉(zhuǎn)化成能力，從而滿足現(xiàn)代社會的需求，促進學生的就業(yè)，提升教師的科研能力。

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圖8 改善后D310流水制造周期

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Construction of Computer Network Laboratory Based on Virtual Simulation Technology

Qi Xin,Shi Lühua,Yang Yahui,Xu Hongsheng
（School of Electrical&Information Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

The current status of computer networks experimental teaching in colleges and universities was analyzed.According to the actual situation of Hubei University of Automotive Technology,a computer network laboratory was built based on virtual simulation technology.The construction of laboratory hardware condition and the teaching content was discussed in detail.The experimental teaching system was improved.

computer network;virtual simulation technology;laboratory

TP393

A

1008-5483（2015）01-0068-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2015.01.015

2014-11-09

湖北省重點實驗室開放基金項目（ZDK2201404）；湖北汽車工業(yè)學院本科教學工程基金項目（SJ201415）

齊心（1977-），男，湖北十堰人，碩士，主要從事計算機應用實踐教學研究。E-mail：qixin622@163.com