多維計算機網絡實踐教學系統的構建

嚴燕

摘要： 為提高“計算機網絡”課程的教學效果和學生實踐能力，將課程的實踐分為驗證型實驗、配置型實驗、設計型實驗、創新性實驗四個層次；分別采用網絡協議分析軟件、神州數碼路由器和交換機、Packet Tracer 軟件以及NS2等仿真軟件，構建多維的計算機網絡實踐教學系統。此手段能夠由淺入深，從簡單到復雜，引導和幫助學生進行計算機網絡的課程實踐，并達到了提高教學效果的目標。

關鍵詞： 計算機網絡； 實踐教學； 多維； 仿真軟件

中圖分類號：G642.0文獻標志碼：B 文章編號：1006-8228（2012）11-39-03

Construction of multi-dimensional network practice teaching system

Yan Yan

（School of Computer Sci. &Tech， Nantong University， Nantong， Jiangsu 2260019， China）

Abstract： In order to improve the "computer network" course teaching effect and the students' practical ability， the practice of the course is divided into four levels： verification type experiment， configuration type experiment， the design type experiment and innovative type experiment. Network protocol analysis software， digital China routers and switches， Packet Tracer software， the NS2 simulation software and so on are utilized respectively to build multi-dimensional computer network practice teaching system. It can guide and help the students with the computer network practice from the simpleness to the complexity， and achieve the goal of improving the teaching effect.

Key words： computer network； practice teaching； multi-dimension； simulation software

0 引言

“計算機網絡”課程是目前國內外高等院校計算機專業及相關IT專業本科生和研究生必修課程，是計算機專業課程的核心課程之一。該課程具有學科交叉、理論知識抽象和實踐性強等特點，歷來是學生比較難學的一門課程。

計算機網絡有著自己非常明確的體系結構，結合ISO/OSI-RM和TCP/IP協議族， 很多教材將其分成五個層次來講述，在每個層次上的不同的協議以及數據包的格式都是課程學習的重點和難點，如何理清并讓學生熟練掌握，是計算機網絡教學歷來探討和研究的問題[1，2]。筆者建議通過多維的計算機網絡實踐教學系統的構建，通過驗證型、配置型、設計型和創新型實驗的多維手段，讓學生加強對理論知識的理解，強化理論聯系實際的能力，提高網絡配置動手能力，最終能夠實現網絡的規劃和設計，達到創新的目的。

1 計算機網絡實踐系統的劃分

實踐是檢驗真理的惟一標準，同時，實踐對于學生來說，是鞏固理論基礎，獲得真知的主要過程。本系統將實踐過程劃分為四個模塊，如圖1所示，這四個模塊既可各自獨立，又相輔相成。

[驗證型實驗

采用協議分析軟件對計算機網絡各個層次的協議進行分析和驗證][配置型實驗

采用神州數碼公司的交換機和路由器實現對交換機和路由器的基本配置][設計型實驗

采用Packet Tracer模擬軟件實現網絡構建和配置

][創新型實驗

采用NS2模擬軟件模擬已有協議的實現或對協議改進驗證]

圖1實踐系統結構圖

1.1 驗證型實驗

驗證型實驗是一種最為基礎的實驗手段，針對計算機網絡課程內容的特點，在大多數教材中采用的是結合開放系統互連參考模型的七層結構和TCP/IP協議體系族的四層結構，將計算機網絡劃分為五層，分別是物理層，數據鏈路層，網絡層，傳輸層和應用層。目前我們采用的是西普數據的網絡協議分析軟件，該軟件有兩大主要部件，網絡協議編輯軟件和網絡協議分析軟件。

網絡協議編輯軟件的主要功能是數據包的生成和發送。它有四大功能區：數據包列表區、數據包編輯區、協議層結構和十六進制顯示區。在數據包列表區可以通過選擇各種協議的模板，建立各種類型的數據包，同時也可以在數據包編輯區來根據自己的需求重新編輯數據包的各個字段來產生新的數據包；協議層結構以圖形的形式顯示所編輯數據包的分層信息；十六進制顯示區能按照用戶的操作實時刷新顯示用戶編輯數據包的十六進制數值。

網絡協議分析軟件主要功能是數據包的捕獲和分析。主要包含兩大功能模塊：協議視圖和交互序列圖。協議視圖能夠查看捕獲到的數據包，并查看協議數據包的詳細結構和協議交互內容；交互序列圖可以清晰地查看捕獲到的協議的一次完整的會話過程，并且有tcp標志位、數據報傳輸方向的圖示。協議視圖主要按時序排列接收到的數據包，并詳細顯示數據包的結構和16進制數值。

西普的網絡協議分析軟件可以進行各個層次的協議數據包的編輯、發送、捕獲和分析。按照五層體系結構，基本的協議有：鏈路層的以太網MAC幀的802.3協議；網絡層IP協議，ARP協議，ICMP和IGMP；傳輸層的UDP和TCP；應用層的TELNET，SMTP，POP，FTP，HTTP等。除此以外，還可以進行一些復雜的驗證實驗，如ARP地址欺騙，路由RIP協議和OSPF協議等等。通過這些驗證型實驗，學生可以加深對基礎知識的理解，同時也是對所學知識的鞏固，化理論知識為感性認識，促進學生進一步的學習。

通過驗證型實驗，理解計算機網絡各個層次的協議的工作原理，各個層次的數據包的發送和接收時各個字段的設置和變化。比如最重要的IP協議，通過設置IP數據包中幾個重要的字段，如源IP地址、目的IP地址，總長度、標志、標示、片偏移等，觀察它們在發送前，發送過程中以及接收時的變化，學生還可以自己手算檢驗和字段。再比如TCP的三次握手協議，利用該軟件，學生可以清晰地了解在TCP建立連接的三次握手過程中，SYN、ACK、序號和確認號字段等的設置：三次報文的重要區別在于標識位的不同，第一個報文，SYN位置1；第二個報文是對第一個報文的確認，SYN位置1，ACK位置1；第三個報文是確認報文，ACK位置1。

1.2 配置型實驗

配置型實驗的目的是讓學生能夠熟練掌握交換機和路由器的基本配置，掌握網絡管理的基本功能。目前學院已經建立了計算機網絡實驗室，購置了神州數碼公司的12組設備，每組設備由2臺二層交換機，2臺三層交換機，4臺路由器和1臺防火墻設備組成。在實體設備上完成設備的連線和初始化，以及配置等相關實驗，可以提高學生的實際動手能力，近距離地觀察設備，認識設備，從而熟悉設備。這對于網絡工程專業的畢業生來說，能夠使他們以極快的速度適應工作，操作設備。

配置型實驗的內容也是比較豐富的，重點在于對交換機和路由器的配置。對交換機的實驗，如交換機的類型，端口，速度等；交換機的恢復出廠配置；單交換機VLAN的劃分；跨交換機VLAN的劃分等等。路由實驗包含路由器的基本配置；靜態路由；RIP路由協議，OSPF路由協議等等。通過配置型實驗的學習，學生能夠加深對教材中重點章節數據鏈路層和網絡層基本概念的理解，由理論轉為實踐，對相應層次的實現設備交換機和路由器有了感性的認識，從而提高了學生了實際動手能力，為以后的工作積累經驗。

1.3 設計型實驗

設計型實驗的目的是利用所學知識，來解決一些綜合性的問題。解決綜合性問題是學習一門課程的最重要的目的，同時也是檢驗學生是否真正地消化和吸收知識的方法和手段。對所學知識徹底理解，融會貫通，才有能力去進行設計型實驗。計算機網絡課程的設計型實驗，就是檢驗學生對計算機網絡各個層次協議的理解。

在通過對前面的驗證型實驗和配置型實驗的學習，學生將綜合運用所學知識，進行設計型實驗。當然，由于實驗環境的限制，在有限的實驗學時內每個學生都能親自動手利用現有的實際設備進行操作顯然是不太可能的，所以我們在這個環節考慮使用思科的模擬軟件Packet Tracer來完成。

Packet Tracer是由Cisco公司發布的一個輔助學習工具，用戶可以在軟件的圖形用戶界面上直接使用拖曳方法建立網絡拓撲，并可提供數據包在網絡中行進的詳細處理過程，觀察網絡實時運行情況。可以學習網絡的配置、鍛煉故障排查能力。Packet Tracer提供了強大的網絡模擬設備，有：路由器、交換機、集線器、無線設備、線纜、服務器、仿真局域網以及各種網絡終端設備等。在網絡模擬時，用戶可以在網絡設備選項中選取所需要的網絡設備，根據網絡拓撲圖構建網絡。在對網絡設備進行配置時，只需要單擊網絡設備，然后選擇進入命令行，并輸入思科網絡配置命令，就可以實現網絡設備的命令配置。在網絡拓撲圖構建完成以及配置命令輸入完成后，我們可以利用網絡終端設備進行驗證，檢查網絡構建及命令配置是否正確。

利用模擬器，學生可以設計建立簡單的局域網或廣域網，如校園網或公司網絡，能夠綜合運用計算機網絡各個層次的基本知識，包括物理層下的線纜的選擇；物理層的接口選擇；數據鏈路層的交換機的選擇和配置，VLAN的劃分；網絡層的IP地址的分配以及路由器的選擇和配置，路由協議的配置以及訪問控制等；應用層的各種應用協議的應用，如HTTP，FTP，郵件協議，DNS等。

1.4 創新型實驗

創新型實踐是指能夠激發和培養學生創新能力的實踐活動。培養具有創新精神和實踐能力的有較高綜合素質的人才是當代教育的目標，也是學校教學的出發點和歸宿[3]。現在的中國教育從學前教育開始就要求進行素質教育，這也是為培養創新型的人才奠定基礎。一味地模仿已不再適應這個社會的要求，只有創新，才能夠出成績，出成果。所以在此實驗環節，我們考慮使用目前主流和成熟的網絡模擬軟件之一——NS（Network Simulator）。

NS是由UC Berkeley大學開發的，其開源、免費和易于擴展的特性使得全世界的研究者不斷對其完善，成為了一個涉及網絡各個方面的優秀的網絡模擬軟件[4]。研究者大都采用NS作為網絡仿真的手段模擬實驗結果，發表學術論文，受到了業界的普遍認可。此外，很多大學也將NS作為一種輔助教學的工具，廣泛地應用到網絡技術課程的相關教學中。利用NS可以實現網絡協議的開發和完善，并對其進行驗證和性能測試。這些在實體硬件系統中很難實現。

NS可以完成的實驗是非常多的[5]，如對UDP數據流端到端的延遲、抖動率、封包遺失率、吞吐量進行測量與分析；對以TCP為傳輸協議的應用程序的吞吐量進行測量；學習采用距離向量算法的動態路由；學習TCP的擁塞控制機制并了解TCP不同版本；無線網絡的傳輸和效果分析等。可以看出，這些實驗基本上是對網絡所學知識的測量和分析，或自己搭建網絡平臺，設計網絡協議。

2 計算機網絡實踐教學體系的實施

2.1 課堂演示

計算機網絡的課堂教學相對于其他課程而言是稍顯枯燥的，各個層次的協議和工作原理僅靠講授或者即使用PPT動畫演示，也不能到達很好的教學效果。這時，教師可以使用相應的課堂演示的實踐方法來進行教學，既能在課堂上教授實驗軟件和仿真軟件的使用，又能夠讓學生在實驗的動態變化過程中理解原理和概念，可謂一舉兩得。

2.2 實驗課

實驗課是讓學生親自動手，通過實驗來理解和驗證所學知識，它是課堂教學最強有力的補充。實驗課一般安排總學時的三分之一或四分之一左右。對于計算機網絡的實驗課，可以安排前面介紹的驗證型實驗和配置型實驗。

2.3 課程設計

課程設計是實踐教學環節中重要的一環，是將計算機網絡中所學的知識全面地融會貫通起來，也是檢驗學生對計算機網絡課程理論知識掌握程度的一種手段。一般來說，課程設計安排一周左右的時間，來進行設計型實驗。其實踐教學目的是讓學生全面掌握計算機網絡分析和設計的基本方法。通過分析具體需求，進行任務設計，確定方案，畫出網絡拓撲結構圖，并能進行相關的配置。

2.4 科研活動

科研活動是學生創新與實踐的一種途徑。主要針對學有余力或對計算機網絡課程非常感興趣的學生，通過讓他們參加一些不同形式的科研活動，來提高他們的動手能力和科研能力，同時也能為積極考研做好準備。參與科研活動的形式非常多，如參加教師的科研項目，參加社會實踐，輔助參與校園網絡的建設與維護，或者是參加一些與計算機網絡相關的科技競賽項目等等。在科研活動中，主要實踐的是設計型實驗和創新性實驗，也適用于一部分的配置型實驗。

2.5 畢業設計

到了畢業設計階段，對于計算機網絡的專業的學生來說，他們已經學完了網絡通信技術，網絡安全，無線網絡等一系列的計算機網絡課程，進行創新型實驗的空間進一步得到了擴大。我們安排學生畢業設計的時間是16周，在這段時間中，學生可以選擇到自己感興趣的網絡方面的課題，在老師的指導下完成畢業設計。畢業設計是對大學所學專業的綜合運用，是提升自己專業能力最強有力的實踐活動。

3 結束語

計算機網絡的實踐教學是學習計算機網絡課程的重要組成部分，我們根據教學的需求以及對各種計算機相關專業學生培養的需求，建立了計算機網絡實踐教學的多維系統，將計算機網絡實踐分為驗證型、配置型、設計型和創新型四種，這四種網絡實踐既相互獨立，又相輔相成，適用于不同專業，不同需求的學生。經過對本院學生的實踐教學，取得了一定的教學效果。

計算機網絡的實踐教學的研究是一個長期而且需要不斷改進的過程，必須與時俱進，充分利用新的技術和新的手段，從而培養出具有超強實踐能力和創新能力的學生。

參考文獻：

[1] 高茜.計算機網絡課程教學中網絡仿真輔助教學方法的探討[J].計算

機教育，2010.23：70-73

[2] 周麗雅.多層次的計算機網絡實驗體系研究與設計[J].計算機教育，

2010.7：124-126

[3] 徐慧，郭榮祥，周建美.多維一體的“數據結構”實踐教學系統的構建

[J].計算機教育，2011.10：66-70

[4] 黃化吉，馮穗力，秦麗姣，等.NS網絡模擬和協議仿真[M].人民郵電出

版社，2010.

[5] 柯志亨，程榮祥，鄧德雋.NS2仿真實驗——多媒體和無線網絡通信

[M].電子工業出版社，2009.