基于Packet Tracer仿真平臺的計算機組網教學研究

段國云 唐亞純

(湖南科技學院 網絡中心，湖南 永州 425199)

基于Packet Tracer仿真平臺的計算機組網教學研究

段國云 唐亞純

(湖南科技學院 網絡中心，湖南 永州 425199)

文章根據目前高校計算機組網課程理論課時過多實踐課時少的問題，提出調整課時結構，加強實踐教學的課程改革思路；利用Packet Tracer仿真平臺結合任務驅動教學法進行實踐教學，在教學過程中取得了良好的教學效果。該實踐教學過程以實際的網絡工程項目背景為例，詳細地描述了網絡工程項目分析、設計、實施的過程，采用仿真軟件將復雜的工程項目引入到教學過程中并以學生為主體加以實現，有效地培養了學生的實踐操作能力和創造力，加深了學生對項目所用知識的掌握和理解。

Packet Tracer；教學改革；計算機組網；仿真實驗；任務驅動法

引言

《計算機組網技術》課程是計算機、通信技術等專業必修課程，其培養目標是培養應用型人才；學生通過本課程的學習，對網絡協議和運行原理有一定程度的了解，并具有獨立對中小型計算機網絡組建和維護的能力。課程的教學過程中，學生學習的重點是網絡設備的運行原理和網絡協議的工作原理；教師授課的重點是結合生活中實際的工程項目和書本知識點設計教學實踐任務，通過任務的實施培養學習者規劃、分析、設計和維護中小型網絡的能力。目前多數高校開課的特點是理論課時比例遠大于實驗課，以教師講授理論課為重點，存在重理論輕實踐的弊端，忽略了學生創造力和主觀能動性，不利于應用型人才的培養。

很多教學工作者為了解決以上問題，提出了多種教學改革方案；如文獻[1]提出以學生自主學習為中心的實踐教學法，文獻[2]中提到了采用任務驅動法進行教學，對理論和實踐課時結構比例進行了調整，取得了一定的成效。采用任務驅動法教學的過程中，任務的來源均是結合實際的項目需求而設計的，任務對實驗設備要求比較高、網絡設備的更新速度極快，目前高校難以滿足實物設備的需求；由此，文中采用 Packet Tracer模擬仿真平臺輔助任務驅動和實例教學法[2]對計算機組網技術實驗課程進行實踐教學。

1 Packet Tracer概述

Packet Tracer是一款非常優秀的網絡模擬仿真軟件，由思科公司開發，為網絡初學者學習網絡的設計、配置、故障排除提供良好網絡環境的輔助學習工具[3]。平臺可模擬思科路由器、交換機、無線設備、服務器、終端和各類鏈路，支持廣域網仿真和VPN(Virtual Private Network)、AAA認證等高級配置，支持設備多種業務模塊選配與組裝。其最大的優點是為用戶提供了良好的可交互、可視化圖形界面，在平臺工作區窗口中采用對設備直接拖曳的方式搭建網絡拓撲進行組網，所有的操作與真實的物理設備幾乎相同[4]；在驗證網絡實驗項目正確性的測試過程中，可通過數據包傳輸的詳細過程實時觀察網絡的運行情況。平臺對 IOS(Internetwork Operating System)系統進行模擬，集成了相應的命令子集，允許學習者使用各種命令通過CLI(Command-Line Interface)模式對設備進行配置，模擬過程基本上接近實物設備操作。該仿真平臺因其方便性和真實性而被學習者廣泛接受，也被廣泛應用于網絡工程實踐教學中。

2 教學過程及實驗構建

在計算機組網技術實驗課程中，我們開設了15個實驗項目，其中有虛擬局域網的組建、Vlan(Virtual Local Area Network)間通信、靜態路由和默認路由、RIP(Routing Information Protocol)動態路由等10個課內實踐項目，有策略路由、STP(Spanning Tree Protocol)協議的應用和OSPF(Open Shortest Path First)路由協議等5個課外實踐項目，所有實踐項目均根據真實網絡需求進行任務設計。文中以企業網的組建綜合設計項目的實現過程來講解利用Packet Tracer平臺輔助計算機組網課程教學。

2.1 項目需求描述

某企業打算組建內部局域網并接入互聯網，根據實地調研與各部門需求匯總，項目背景如下：(1)公司有6個部門，共有職員60人，人員結構及場地分布情況如表1所示，其中生產區和研發樓距離較近。(2)上班時間所有部門均能上公司內網，除市場部、辦公室可上互聯網，其它部門辦公室均不能接入互聯網。(3)員工宿舍上班時間不能上網，下班時間可上互聯網和訪問公司內網的 OA(Office Automation)系統。(4)公司各部門用戶之間不能相互訪問，共享數據僅通過內網收發電子郵件完成。(5)公司對外為用戶提供 Web服務，對員工提供Email(Electronic mail)、OA和FTP(File Transfer Protocol)等網絡服務。(6)設計網絡時不但保證信息安全還需為公司節約開支，從ISP(Internet Service Provider)運營商申請公網IP(Internet Protocol)地址2個，所有的網絡服務器安置在公司內網中。網絡采用兩層網絡結構按以太網標準進行組網，要求千兆主干，百兆桌面接入，選用相應的路由器或防火墻為出口設備；所有PC的IP地址采用自動配置模式。(7)所有網絡設備均要求支持 SNMP(Simple Network Management Protocol)管理，交換設備要求采用相關技術控制廣播風暴的產生。

表1 用戶分布情況

2.2 理論知識教學

文中所構建的項目為綜合設計項目，之前開設的課內實驗均為此項目打下了良好的基礎。根據項目需求，安排4-8個課時進行實踐教學，細化知識點并對項目中的知識點進行要點式復習，對大多數學生有疑慮的要點，采用仿真平臺模擬實驗輔助理論知識的講解。上課時，將上述項目分解出來，有網絡結構和拓撲分析、Vlan技術、網絡服務器的架設、ACL(Access Control List)技術、NAT(Network Address Translation)技術、IP規劃和路由等知識點。在復習并掌握分解的知識點后，要求學生更要注重的是網絡設計及IP規劃技術的學習。教師重點傳授的是怎樣根據實際環境下的網絡需求進行設計，再將邏輯設計轉化為Packet Tracer平臺下的組網模型并進行仿真及通信情況的監測，檢測所設計的網絡方案是否能用于真實的環境。

3 項目實施

3.1 項目分析與設計

在仿真平臺中仿真項目所有成員并不現實，我們根據網絡拓撲圖的設計方法[5]，按項目需求建立仿真模型；將項目中用戶進行分類，每個類別的用戶在拓撲結構中用一個用戶來替代。教學過程中帶領學生分析項目，將用戶分成9種類型，其中上網用戶8類和DMZ(Demilitarized Zone)專區1類；按項目節約成本的要求，核心層采用高性能可網管的二層交換設備，接入層采用中低端的可網管二層交換設備，所有交換設備開啟STP(Spanning Tree Protocol)防止鏈路環；上網時間及各網絡服務的訪問權限在出口網關上采用ACL技術進行控制；內網用戶各類端口的安全過濾采用擴展ACL在網關和接入層交換設備上進行控制；出口選用路由器，Vlan之間的通信問題采用單臂路由技術解決，網絡拓撲如圖 1所示。

圖1 仿真項目網絡拓撲圖

網絡拓撲圖是根據項目需求對網絡設計的邏輯結構，能很好的反映網絡結構情況。按需求各部門用戶間不能互相訪問，在辦公用戶群和生產研發用戶群中，每個部門設計 1個虛擬局域網，服務器群和員工宿舍區單獨劃分虛擬局域網，所有用戶的 IP地址均采用 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)進行配置，有上互聯網需求的用戶群，采用NAT轉發技術接入互聯網。在網絡設計時根據用戶數量和路由的合理性，選用192.168.0.0/23為內網IP地址，要求學生根據設備要求及用戶數量對子網進行劃分，在此需考慮公司的發展，為近期可能大幅度增加人員的部門預留 1倍數量的IP地址，各子網IP地址及子網結構如表2所示。

表2 子網及IP地址規劃

3.2 項目實施

項目實施主要完成將設計的網絡邏輯結構搬到 Packet Tracer仿真平臺中，再對設備配置并進行測試的過程。教學過程中需引導學生將網絡拓撲轉化到仿真平臺。

(1)Packet Tracer實驗仿真。在仿真實驗中采用100Mbps骨干，100Mbps到桌面的帶寬結構進行搭建，根據圖1的拓撲結構在 Packet Tracer的工作區域中選用相應設備進行網絡環境的搭建和配置[6]。路由器選用Cisco2621XM，核心層交換選用Cisco2960，接入層交換選用Cisco2950；每個虛擬局域網選用一臺PC機為代表進行訪問控制測試，在仿真過程中選用兩臺Web服務器為服務器代表，在路由器中配置DHCP服務。采用Web服務器模擬公網訪問，內網用戶以訪問WAN-Web(仿真公網)服務器的成功與否確認訪問公網的情況；路由器 Cisco2621XM 標配的以太網接口數量不夠 ，實驗中需增加模塊，文中選用NM-2FE2W模塊擴展其接口。所有設備均采用 CLI模式進行配置，Packet Tracer仿真結果如圖2所示。

圖2 Packet Tracer仿真網絡結構

(2)設備配置。在文中實踐教學項目中，大部分知識點和設備的配置在前面的實驗中已進行了實踐操作講解，如虛擬局域網、IP地址和子網劃分等知識點的基本配置在此不再講解，應該為學生必須掌握的知識。文中設計的教學任務中，設備配置的關鍵點是單臂路由的實現過程、ACL的設計和路由器中 DHCP服務配置多作用域的配置。根據項目要求，需根據時間控制用戶的訪問范圍；配置過程中涉及到擴展ACL和時間ACL的配置，實施前需提醒學生考慮全網時間的一致性，建立NTP(Network Time Protocol)服務器。

3.3 實驗測試

測試是驗證網絡設計模型科學性、正確性的唯一方法，實驗過程中主要從以下三個方面進行驗證。(1)連通性。按項目需求及設計要求配置好各設備，驗證每個Vlan中測試PC自動獲取IP地址與設計要求的一致性；采用Ping命令測試PC機與其它Vlan內用戶通信情況；在測試PC中，訪問Web服務器，驗證其可用性。(2)ACL控制。調整時間服務器時間，驗證網絡需求的可控時間內，用戶對網絡的訪問情況。(3)模擬數據通信。Packet Tracer本身有模擬數據通信的功能模塊，可在工作界面的右下角選擇“模擬模式”界面進入；在模擬模式下，Packet Tracer可按測試人員需求對測試數據進行傳輸模擬，也可根據測試人員要求選擇只模擬如DHCP、ICMP(Internet Control Message Protocol)、OSPF(Open Shortest Path First)等幾十種網絡協議的數據傳輸過程，模擬過程如圖3所示；此功能對學生學習、了解網絡數據的傳輸原理和計算機組網實踐教學發揮了巨大的作用。

3.4 學習效果評價

在本課程教學中我們連續三屆學生都用 Packet Tracer模擬器和任務驅動教學方法進行實踐教學。實驗教學過程中，我們按學生人數進行分組實驗；因為實驗項目比較復雜，教學過程中按4人標準進行分組。要求同學們在實驗實施的過程中有需求分析、網絡拓撲、IP地址規劃和配置規劃等文檔，培養學生按分析問、制定方案、方案實施、總結文檔編寫的工作順序和項目實施習慣。全班分成了12個組，其中能完全做成功的組只有3個，基本能做成功的組有7個，有 2個組在實踐過程中存在一些問題，在指導老師的幫助下，基本能完成項目任務。實驗后老師對實踐過程中存的問題進行匯總并講解，使學習者更進一步掌握項目中相關的知識點；通過綜合設計項目的實踐，同學們對課程設計的課內實踐項目進行了復習和整體掌握，對本門課程知識結構的構筑起到了關鍵性的作用，在教學過程中，收到了一定的教學效果。

圖3 Packet Tracer模擬數據傳輸

結束語

文中介紹了 Packet Tracer仿真平臺的功能和計算機組網技術的實踐教學內容，以真實的網絡需求為背景，講解網絡工程項目設計的詳細過程并采用 Packet Tracer仿真網絡模型。通過仿真實踐教學，將計算機組網中抽象的知識，不容易見到的網絡設備在仿真平臺中進行模擬，學習其工作原理并學會在實際項目需求中的應用；將理論教學和實踐教學作了進一步的融合。此類實踐教學方法的推行，對提高學生學習興趣和培養學生實踐動手能力、創造力發揮了一定的作用，為學習者處理將來工作中所碰到的實際問題積累了一定的經驗。

[1]趙丹.以學生自主學習為中心的任務驅動教學模式探討[J].教育與職業,2013,(12):98-99.

[2]段國云.任務驅動法在《計算機組網》課程教學中的探索與實踐[J].現代計算機(專業版),2014,(5):53-55.

[3]崔北亮.CCNA認證指南[M].北京:電子工業出版社, 2009:82-83.

[4]唐燈平.基于Packet Tracer的幀中繼仿真實驗[J].實驗室研究與探索,2011,(5):192-195,210.

[5]李亞玲.自動繪制網絡拓撲技術[J].湘潭師范學院學報(自然科學版),2007,(4):35-36.

[6]王曉紅.思科Packet Tracer仿真軟件在網絡工程教學中的應用[J].電腦開發與應用,2012,(5):61-63.

TP393

A

1673-2219（2014）05-0132-03

2013-12-11

湖南省教育廳項目(11C0600)；湖南科技學院計算機應用技術重點學科資助。

段國云(1982－)，男，湖南永州人，碩士，講師，工程師，CCF會員，研究方向為網絡與信息安全、Web技術、課程教學方法。唐亞純(1980－)，男，湖南永州人，碩士，實驗師。

(責任編校：何俊華)