基于虛擬平臺的網(wǎng)絡工程實踐性教學探索

摘要本文分析了網(wǎng)絡工程實踐教學開設的社會背景，分析了當前實踐性課程存在的不足，由此提出了利用虛擬平臺進行網(wǎng)絡工程實踐性教學的必要性，并構建了基于虛擬平臺的實踐教學體系結構。隨著虛擬平臺引入網(wǎng)絡實踐環(huán)節(jié)，在提高學生綜合分析與處理能力上取得了較好的效果。

關鍵詞虛擬平臺 體系結構 實踐教學

中圖分類號:G420文獻標識碼:A

0 引言

網(wǎng)絡與通信技術是近二十年來發(fā)展最迅速的技術之一，網(wǎng)絡通信相關的技術研究、產(chǎn)品開發(fā)成為學術領域的研究熱點。與此同時，新技術不斷涌出，網(wǎng)絡工程領域在淘汰了一批過時技術后，對網(wǎng)絡安全、網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能測試和優(yōu)化，網(wǎng)絡可靠性設計方面提出了新的要求。而社會對網(wǎng)絡復合型人才的需求也越來越大，不僅要有理論知識，還要有網(wǎng)絡設計、網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化的設計能力，并且隨時保持最新的網(wǎng)絡技術。這些新的要求，客觀上要求網(wǎng)絡人才要有豐富的實踐經(jīng)驗才能夠達到。網(wǎng)絡工程專業(yè)作為新興的一個專業(yè)，主要以培養(yǎng)理論研究與技能應用相結合的復合型人才為主，而實踐經(jīng)驗的欠缺是傳統(tǒng)教育的弊端，造成培養(yǎng)的學生不能適應當今網(wǎng)絡的發(fā)展，所以在國內高校內開始探索一條新的網(wǎng)絡專業(yè)人才培養(yǎng)模式是十分必要和緊迫的。

為了提高網(wǎng)課程的教學效果，教師們采用了很多方法，加強實驗環(huán)節(jié)就是方法之一。但是計算機網(wǎng)絡是一種高速發(fā)展的技術，要取得好的實驗效果，就需要為學生提供充分的新技術、網(wǎng)絡配置優(yōu)化和故障分析的實驗機會，當前網(wǎng)絡實驗室普遍是利用路由器、交換機、PC機組成實際的網(wǎng)絡拓撲。這種方法由于經(jīng)費的限制，只能提供有限數(shù)量和型號的設備，種類較少，設備更新慢，學生實驗機會少，很難掌握最新技術。比如網(wǎng)絡設備大多是以太網(wǎng)設備，而先進的網(wǎng)絡實驗幾乎沒有，實驗效果無法保證。為了突破這種局限性，在網(wǎng)絡工程的實踐性教學中引入虛擬實驗平臺，使學生可以在單機或者網(wǎng)絡環(huán)境下進行網(wǎng)絡的實驗仿真。虛擬實驗平臺的引入突破了時間和空間的限制，可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。而且虛擬實驗的實現(xiàn)將有效地緩解很多高校實驗室在經(jīng)費、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力。

1 基于虛擬平臺的實踐教學體系結構

實踐教學的主要目的是培養(yǎng)學生的技術應用能力，根據(jù)網(wǎng)絡工程教學的需要，并結合對講授課過程中各個層次知識點歸納和整理，不斷地對時間內容進行設計和改進，最終形成了以虛擬仿真平臺為依托，網(wǎng)絡協(xié)議仿真和網(wǎng)絡設備模擬為兩條主線的實踐教學體系，利用對網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡拓撲、網(wǎng)絡設備進行模擬分析，學生可以直觀地看到網(wǎng)絡協(xié)議和數(shù)據(jù)包的運行狀況，將抽象的網(wǎng)絡概念形象化，把枯燥的網(wǎng)絡原理具體化。基于虛擬平臺的實踐教學體系結構如圖1所示。

1.1 基本實踐層次

基本實踐環(huán)節(jié)主要以驗證型實驗為主，這些實踐內容中所占比重最大，主要用于幫助學生理解網(wǎng)絡協(xié)議、觀察和評價網(wǎng)絡性能指標。首先由教師給出試驗所需的協(xié)議概念和基本配置，學生根據(jù)教師的講解及關鍵配置做相應的試驗，運行后通過修改某一參數(shù)觀察網(wǎng)絡各性能指標的變化，分析比較仿真結果，領會協(xié)議和設備工作狀態(tài)的含義。基本實踐內容主要在Packet Tracer虛擬軟件平臺下完成，可以實現(xiàn)的主要內容有:

(1)以太網(wǎng)基本協(xié)議，包括CSMA/CD協(xié)議工作特點和方式、數(shù)據(jù)幀封裝格式、MAC地址的應用和ARP協(xié)議的工作過程等。

(2)交換機與路由器的基本配置，該內容是后續(xù)高級IP路由實驗的基礎，是網(wǎng)絡正常運行的基本保障。主要涉及接口模式的配置、路由接口IP地址的配置、交換機端口角色的配置和基本動態(tài)路由協(xié)議的了解等。

(3)動態(tài)路由。學習采用距離矢量算法的動態(tài)路由，并觀察當鏈路狀態(tài)發(fā)生改變時，使用靜態(tài)路由和動態(tài)路由之間的差異。通過該實驗學生可以對動態(tài)路由的路由信息的更新，有更直觀和清晰的認識。

(4)無線網(wǎng)絡的安全機制。了解隱藏站點和暴露站點的概念，掌握RTS/CTS的工作機制以及其如何降低隱藏站點發(fā)生的概率，通過認識IEEE802.11n安全體系，結合802.1x認證提高無線網(wǎng)絡的安全性。

1.2 專業(yè)實踐層次

該層次的實踐內容主要以設計性、工程性和應用性為主的實驗題目，讓學生嘗試著去改進現(xiàn)有網(wǎng)絡結構和配置，根據(jù)網(wǎng)絡性能要求去設計與規(guī)劃方案，針對網(wǎng)絡安全體系去評測和加固網(wǎng)絡等。使用的虛擬平臺主要為Dynamips，該虛擬平臺利用虛擬機技術，可以在計算機上虛擬出Cisco各種系列的路由器硬件結構，裝載Cisco路由器的IOS(接口操作系統(tǒng))后可以進行，主要內容有:

(1)網(wǎng)絡負載均衡的應用與探索。其中涉及MSTP(多實例生成樹協(xié)議)與IEEE802.1q協(xié)議結合，實現(xiàn)跨交換機的多VLAN(虛擬局域網(wǎng))冗余鏈路分擔。交換機鏈路聚合，使用wireshark協(xié)議包捕獲軟件分析不同的負載均衡策略。

(2)OSPF與RIP協(xié)議的身份驗證。目前動態(tài)路由協(xié)議主要采用明文和MD5加密認證，學生在了解兩種協(xié)議的傳送方式后，通過捕獲認證數(shù)據(jù)包截取明文口令和MD5加密HASH值，從中體會協(xié)議安全的重要性。

(3)網(wǎng)絡性能優(yōu)化。網(wǎng)絡工程領域一個重要的課題是網(wǎng)絡優(yōu)化，同等硬件設備條件下，優(yōu)化后的網(wǎng)絡性能提高20%以上。在虛擬平臺下可以進行RIP協(xié)議不連續(xù)子網(wǎng)導致丟失數(shù)據(jù)包實驗，OSPF樁域消除區(qū)域外鏈路通告數(shù)據(jù)包實驗等。

1.3 研究探索性實踐層次

研究探索性實驗主要用于學有余力的學生利用課余時間進行的自主研究實驗，旨在提高學生運用所學知識解決實際問題的能力，以及培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神。虛擬平臺主要使用的是網(wǎng)絡仿真軟件，比如Opnet或者Ns2。該層次使用的虛擬平臺是一種通過建立網(wǎng)絡設備、鏈路和協(xié)議模型，并模擬網(wǎng)絡流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡設計或優(yōu)化所需的網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)的技術。它既可以用于現(xiàn)有網(wǎng)絡的優(yōu)化和擴容，也可用于新網(wǎng)絡的設計。特別適合各種網(wǎng)絡仿真研究，在實際應用中越來越廣。

2 實踐性教學的效果

在網(wǎng)絡工程實踐性教學體系內，教學方法和授課內容的改革，教學效果在隨后的教學過程中發(fā)生了明顯的變化。

(1)學生對于網(wǎng)絡的興趣顯著提高，由過去的被動學習轉變?yōu)橹鲃訉W習。通過對2007年至2010年四屆網(wǎng)絡工程專業(yè)學生隨機抽查，學生對網(wǎng)絡課程的評分逐步提高。從任課老師得到的反饋也是學生探討問題的氛圍熱烈，改變過去單一教學模式，學生被動聽課的局面。

(2)從對已經(jīng)畢業(yè)的三屆網(wǎng)絡工程專業(yè)學生問卷結果顯示，本專業(yè)學生85%均從事網(wǎng)絡領域，在學校所學的內容尤其是實踐性內容和工作聯(lián)系緊密，可以很快適應上手，也受到了用人單位的廣泛好評。

(3)提高了學生的實際動手能力。通過實驗，學生具備了一定的實踐經(jīng)驗。結合實際硬件設備的使用和引入世界知名廠商認證課程，本專業(yè)學有多人獲得國家網(wǎng)絡工程師認證考試。

3 結束語

通過虛擬平臺引入網(wǎng)絡工程實踐性教學，可以使學生在實驗前就能更好地了解實驗的目的和原理，掌握實驗方法和儀器使用，提高學生的興趣和專業(yè)知識的感性認識。在節(jié)約實驗經(jīng)費，提高人才培養(yǎng)的質量等方面具有積極的作。研究表明，通過實踐證明，利用虛擬技術進行教學實踐，可提高學生對網(wǎng)絡工程知識的認知能力，對深化教學內容具有重要的意義。今后還需以虛擬實踐平臺為依托，鞏固和擴大教學成果，完善新的實踐性教學體系。

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