基于網絡模擬器和虛擬機的高職計算機網絡課程實驗體系構建

余翠蘭　楊群林

摘 要： 根據高職計算機網絡課程傳統教學的特點，分析了教學存在的弊端，提出以虛擬機和網絡模擬器為主要工具，構建高職計算機網絡課程的教學實驗體系。實踐證明，該體系可以緩解實驗經費和網絡設備的不足，改善實驗環境，提高實驗教學效果和教學質量。

關鍵詞： 虛擬機； 網絡模擬器； 計算機網絡； 網絡設備； 實驗體系

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）07-66-02

0 引言

計算機網絡是一門理論性和實踐性都很強的課程，該課程為學生進行后續課程學習、實踐、畢業設計，以及參加工作打下基礎。計算機網絡的實驗教學是非常重要的，實驗內容的設置是保證該課程教學效果的關鍵，而目前多數高職高專院校的實驗課開設還存在許多問題[1]。

⑴ 經費不足，設備不全，缺少實驗環境，實驗內容不全面，甚至沒有。

⑵ 即使購買了網絡硬件設備，建立了網絡實驗室，但由于計算機網絡技術更新較快，后續投資跟不上，沒有形成完整的實驗體系，而且網絡設備數量欠缺，種類不全。

⑶ 部分實驗內容涉及計算機硬件的操作[2]，如對硬盤的分區和格式化操作，有的實驗需要增加多塊硬盤、網卡等硬件設備，對CMOS的設置操作等，這些操作和實驗由于受條件的限制是無法完成的，有的雖能實現，但操作后對計算機系統有很大的破壞性，使計算機無法正常使用。

⑷ 實際網絡設備在使用上的單用戶性，導致實驗室適合于小班化教學，與目前日常的教學組織形式相矛盾，使得實驗室使用頻率高，實驗教學效率極低。

⑸ 計算機網絡課所涉及的操作系統較多，如Windows XP、Windows 2003 Server和Linux等，而一個計算機房可能只安裝一個操作系統。

⑹ 學生需要課外反復訓練但很少有實驗環境。

高職院校強調的是動手能力，在單機環境下的實際網絡系統中上機實驗存在這么多問題需要解決，為此，本文提出了基于網絡模擬器和虛擬機的高職計算機網絡課程實驗體系。

1 計算機網絡課程實驗教學體系

計算機網絡實驗教學體系分為三大模塊，如圖1所示。

1.1 基于虛擬機的實驗設計

虛擬機指通過軟件模擬的具有完整硬件系統功能的、運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統。通過虛擬機軟件，可以在一臺物理計算機上模擬出二臺或多臺虛擬的計算機，這些虛擬機完全就像真正的計算機那樣進行工作，例如，可以安裝操作系統、安裝應用程序、訪問網絡資源等等。對于用戶而言，虛擬機只是運行在物理計算機上的一個應用程序，但是對于在虛擬機中運行的應用程序而言，它就是一臺真正的計算機。

目前流行的虛擬機軟件有VMware、VMLite、Virtual Box、Virtual PC等，它們都能在Windows系統上虛擬出多個計算機。VMware是目前機房應用較多的軟件，可以在一臺機器上同時運行二個或更多Windows、DOS、Linux系統。下面我們就基于虛擬機（以VMware Workstation為例）的實驗進行設計。

⑴ 在虛擬機環境搭建對等網

在真實計算機中安裝客戶端操作系統Windows XP，在虛擬機中安裝客戶端操作系統Windows 98，將真實機和虛擬機連接成對等網，使學生能在一臺計算機中即可組建對等網。還可以增加組網需要的其他設備如交換機、網卡等。通過該實驗，使學生學會采用真實PC與虛擬配置對等網的方法。

⑵ 在虛擬機環境下安裝和配置Windows Server 2003

若機房的真實機中安裝的是Windows XP，又想要安裝和配置網絡操作系統Windows Server 2003，為了不改變原有系統，那么我們可以在虛擬機中安裝Windows Server 2003，安裝活動目錄。通過該實驗，使學生學會Windows Server 2003的安裝和基本配置方法，并學會使用“Active Directory用戶和計算機”創建和管理用戶和組的方法[3]。

⑶ 在虛擬機環境下安裝和配置Linux

目前應用較廣泛的還有操作系統Linux，而一般機房沒有安裝獨立的Linux。為了滿足教學，我們在虛擬機環境下安裝Linux。像Linux中的文件配額管理[4]，靜態路由的配置等實驗都要通過增加硬件設備來實現，這在現有的機房里是不可能滿足的，但是我們通過虛擬機增加硬盤、增加網卡就能非常方便地解決問題，使實驗能夠順利完成。

1.2 基于網絡模擬器的的實驗設計

網絡模擬器（也稱網絡仿真）通過在計算機上建立一個虛擬的網絡平臺， 來實現真實網絡環境的模擬，可用于網絡模型選擇、網絡設備、協議、測試和驗證。目前有許多優秀模擬軟件，如Boson NetSim、Packet Tracer、Dynamips等，Packet Tracer是由Cisco公司發布的一個輔助學習工具，用戶可以自由添加主機，進行網絡劃分，進行路由器和交換機的配置，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等。高職高專院校實踐實訓中，使用實際網絡設備結合Packet Tracer，使學生能得到充分的網絡技術的建設實訓，同時又能通過實際設備增加對網絡的感性認識。基于Packet Tracer的實驗設計如下。

⑴ 用物理工作區展示現實環境

使用Packet Tracer的物理工作區（Physical Workspace）視圖從綜合布線的角度展示樓宇、管理間、機柜的位置，展示機柜中設備的放置，能使學生更直觀地模擬網絡建設中管理間、機柜、設備的需求。

⑵ Packet Tracer 5.0配置路由器、交換機、PC機

在Packet Tracer 5.0上進行路由器、交換機的配置，實現真實的網絡場景，讓學生能夠在模擬軟件的使用中體會到Cisco路由器、交換機在網絡環境中的具體配置和應用。例如，讓學生添加路由器、交換機、PC機設備后，并完成各設備的配置，組建一個“路由器+交換機+PC機”網絡模式的局域網。

⑶ 幾個局域網的相互訪問[5]

幾個局域網通過路由器來實現相互訪問，實際去做這一實驗時，學生很難理解配置命令，且搭出這樣的一個網絡很費勁。我們使用Packet Tracer軟件來做這個實驗，不用考慮實際經常出現的軟硬件錯誤，并且通過觀察數據包傳輸的仿真演示，更好地理解配置命令所起的作用，而其逼真的程度又可讓學生“沉浸”在這一氛圍，把這一虛擬的實驗當成是真實的實驗，讓學生能夠輕松、單獨地搭建和配置這樣的大網絡，從而產生很好的學習效果。在部分課程教學中，仿真較之于真實設備更能發揮作用。

⑷ 用模擬模式仿真協議數據單元PDU轉發流程[6]

PDU的格式和轉發流程比較抽象，學生難以理解，我們使用Packet Tracer的模擬模式（Simulation Mode）直觀展示PDU的格式和轉發流程，可以產生事半功倍的教學效果。

⑸ 研究第2層幀頭

當IP數據包通過網間時，可封裝在許多不同的第2層幀中。Packet Tracer支持以太網、Cisco的私有HDLC、基于PPP的IETF標準以及第2層的幀中繼。當數據包在路由器之間傳送時，第2層幀將會解封，而數據包將封裝在出站接口的第2層幀中。本練習將跟蹤網間的IP數據包，研究不同的第2層封裝。

⑹ 研究應用層和傳輸層協議

Packet Tracer的模擬模式可以捕獲流經整個網絡的所有網絡通信，例如，從PC使用URL捕獲Web請求，運行模擬模式并捕獲通信，研究捕獲的通信。

1.3 實際單機計算機系統的實驗設計

在實際計算機系統中的實驗設計如下：

⑴ 雙絞線的制作：制作交叉線連接兩計算機，用ping命令或網上鄰居測試制作的網線是否工作正常。

⑵ 組建共享式局域網：利用HUB，網卡，雙絞線，微機、TCP/IP協議等組建一個星型局域網絡。

⑶ Web服務的構建與配置：利用IIS構建和配置Web服務器。

⑷ FTP服務的構建與配置：利用IIS（或Serv-U 6.4.0.4）構建和配置FTP服務器。

⑸ DNS服務器的配置。

⑹ 電子郵件服務的構建與配置：利用Mdaemon或Microsoft Exchange 2000 Server配置電子郵件服務器。

⑺ DHCP服務器的配置。

⑻ 配置代理服務器：利用Wingate、Sygate等配置代理服務器。

2 結束語

網絡模擬器和虛擬機是計算機網絡教學中良好的輔助工具，本文主要從基于虛擬機的實驗設計、基于網絡模擬器的實驗設計、實際單機計算機系統的實驗設計三個方面來構建計算機網絡實驗教學體系，該體系可以改變許多傳統的教學方法，完全符合“項目教學”的原理。該體系具有成本低、通用性強、易用性高、開放性好、實驗操作安全性高等特點，可以緩解經費和網絡設備的不足，改善實驗環境以滿足教學需求，提高學生的動手能力和創造能力，提高實驗教學效果和教學質量。

參考文獻：

[1] 范文廣，王勝.虛擬機在計算機網絡專業課程實驗中應用的綜述[J].攀枝花學院學報，2012.29（4）：124-125

[2] 倪強.微型計算機安裝調試與維修[M].安徽科學技術出版社，2010.

[3] 張蒲生.計算機網絡技術及實訓[M].中國水利水電出版社，2010.

[4] 謝蓉.Linux基礎及應用[M].中國鐵道出版社，2008.

[5] 徐佩鋒，趙中營.用packet tracer模擬軟件改進高職計算機網絡實驗教學[J].計算機教育，2008.18：35-37，39

[6] 吳剛.Cisco Packet Tracer在網絡教學中的特殊應用[J].計算機時代，2011.