虛擬機和模擬器在網絡教學中的應用

摘要：傳統的計算機網絡課程教學方法給教師的講授和學生的學習都帶來很多困難，通過合理和充分利用虛擬機和模擬器工具軟件構建網絡教學環境，能夠在避免巨額投資的前提下，極大地提高教師的教學質量和學生的學習效果。

關鍵詞：網絡教學 虛擬機 模擬器

一、傳統計算機網絡教學的困境

計算機網絡技術的飛速發展深刻地影響了人們的工作、娛樂和交流等生活方式。網絡技能成為新時代勞動者必須掌握的工具，網絡相關崗位也是就業市場經久不衰的熱門崗位之一。幾乎所有大中專院校都開設有計算機網絡相關專業或課程。

然而，計算機網絡的教學卻一直面臨著相當大的困難，主要表現在：雖然學生對網絡和網絡技術本身普遍都比較感興趣，傳統的計算機網絡教學卻由于相當抽象和枯燥乏味而很難吸引學生；雖然社會上確實需要很多高水平的網絡工程師和網絡管理員，學校卻很難培養出來，畢業生卻多是似懂非懂的半瓶醋，在工作崗位上必須重新培訓。

除去其它因素，如師資和學生基礎，導致計算機網絡教學困境的一個很重要的原因，是相對于一般課程，它對教學條件的要求特別高。

計算機網絡是一門理論性和實踐性要求都很高的學科，尤其強調實踐操作，因為理論不是不重要，但由于課程特點，必須通過實踐才能真正理解理論。

因此，計算機網絡的課堂教學過程中僅僅拿著教科書照本宣科理論，簡單放放PPT演示文稿是達不到理想的教學效果的，教師還需要能反映各種情景的完整真實網絡環境進行操作技能的實際演示；學生上實驗實訓課程也絕不是普通計算機機房就能夠滿足的，必須有一個能對各種網絡設備進行操作的專業實驗室。此外，學生在課外也需要有網絡實驗環境，才可能通過大量練習將網絡技能鍛煉到工作實用水平。

通過耗費巨資創建網絡專業實驗室固然是最理想的解決方案，卻不是大部分普通院校能夠輕易承受的，而且即使有了這種實驗室，復雜的管理工作和隨著網絡技術的發展面臨的更新換代壓力也是非常令人頭痛的。

不過，隨著計算機的廣泛普及和軟硬件技術的進步，計算機網絡教與學的困難也出現了低成本的解決方案，根據筆者的經驗，合理和充分利用虛擬機和模擬器工具軟件能夠在很大程度上改善教學效果。

二、虛擬機的應用

虛擬機軟件能夠在一臺物理計算機上模擬出多臺虛擬的計算機，因此，很早就在設備條件有限環境下的網絡教學中得到了廣泛應用。一方面，教師在普通多媒體教室上課的時候只有一臺物理計算機可用，所有牽涉到對網絡系統中多個計算機進行配置的操作只能借助于虛擬機進行演示；另一方面，學生到機房做網絡實驗的時候，因為很多練習都需要改動計算機操作系統的核心配置或安裝特殊的軟件，而現在學校的普通機房基本都由還原卡保護，管理制度也不允許在物理機上亂裝軟件，因此安裝虛擬機軟件基本是唯一的解決方案。

虛擬機的主要缺點是對物理機的資源消耗太大，需要高性能CPU，大容量內存和海量硬盤空間，不過隨著計算機硬件技術的不斷進步，問題得到了緩解，現在比較新的計算機都能夠勝任模擬幾臺虛擬機的任務。

普通機房應用虛擬機對管理也有一定要求。因為虛擬機軟件安裝過程要修改操作系統底層驅動并重啟生效，在某個虛擬機上安裝操作系統也要消耗很多時間，所以虛擬機系統不能在做實驗時現裝，應該在還原卡保護系統之前就將虛擬機軟件安裝好，并事先在虛擬機上安裝好幾個典型的操作系統以備做實驗室的時候用；此外，為方便實驗時添加系統模塊，還需要將操作系統的安裝光盤鏡像文件拷貝到本地硬盤。

目前，流行的虛擬機軟件主要有微軟的Virtual PC和VMware公司的VMware Workstation，VMware因為對非Windows操心系統的更好支持和更強大的網絡設置功能更適合一般的計算機網絡教學。

如上圖所示，VMware虛擬機解決了在一臺計算機上進行網絡中多計算機配置的問題，另外，VMware虛擬機支持的snapshot快照功能，三種不同虛機聯網方式（bridge、host-only和 NAT）都有利于進行復雜的網絡實驗。

三、模擬器的應用

一個完整的網絡系統不僅包括各種計算機，還包括交換機和路由器等網絡互聯設備，在沒有專業實驗室的情況下，只能用軟件模擬器模擬聯網設備來進行教學。

1.初級模擬器

初級模擬器只模擬了聯網設備的部分特征，所以一般只適用于比較基礎的網絡技術教學，但它們的優點是資源要求低，界面使用直觀友好。

現在最流行的初級網絡設備模擬器是Cisco公司出品的Packet Tracer：

從上圖可以看出，Packet Tracer可以用簡單的拖放+連線的方式模擬組建成逼真的網絡系統，其中交換機路由器等設置都可以進入CLI命令控制界面進行配置，模擬的計算機雖然不能像虛擬機那樣進行配置，但也支持基本的網絡參數設置和網絡命令。

Packet Tracer因為消耗主機資源少，可以模擬組建規模較大的完整的網絡系統，有利于初學者盡快從總體結構上把握理解網絡。

Packet Tracer還支持用非常形象的動畫方式顯示網絡數據包傳輸的過程和詳細結構，對于網絡初學者理解網絡原理非常有幫助。

2.高級模擬器

高級模擬器用虛擬化技術完全模擬聯網設備，因此適合于初級模擬器不支持的一些高級網絡配置技術的學習，例如廣域網技術、IPv6技術、VPN技術等。缺點則類似于虛擬機軟件，非常耗費物理計算機資源，所以模擬的網絡規模往往很有限。

目前，可用的高級模擬器主要是用于模擬Cisco路由器設備的Dynamips，它是通過讀取Cisco的IOS網絡操作系統文件仿真Cisco路由器硬件，因此可以支持Cisco路由器的所有命令。

Dynamips的功能很強，但自己不帶圖形界面，需要用戶自己寫net配置文件。因此，在教學中最好配合一個優秀的圖形前端GNS3使用。

四、完整的虛擬網絡環境的構建

如果有需要，在實際網絡教學中還可以將前面所述的虛擬機和模擬器

工具結合起來，達到高度仿真一個實際的完整網絡環境的效果。

如上圖所示，通過配置Cloud，GNS3模擬器可以橋接到VMware虛擬機生成的虛擬網卡上，從而模擬出來的網絡系統中不僅交換機和模擬器，包括客戶機和服務器都獲得完全的仿真，從而能夠支持一些對真實程度要求很高的網絡實驗。學生熟悉掌握這些工具后，在課外即使只有一臺電腦的情況下，仍然能夠進行復雜的網絡操作練習。

五、總結與展望

虛擬機和模擬器都是功能強大的計算機網絡教學輔助工具，雖然它們并不能完全代替真實網絡設備和網絡環境下的教學，但實踐已證明它們能夠用很低的成本顯著提高教學質量。

雖然這些工具出現的時間都不算很短了，但由于要用好這些工具需要一些使用和管理上的細節技巧，很多學校在實際教學過程中還沒有能夠充分整合利用。因此，有必要呼吁給予更多關注。隨著虛擬化技術的發展和更廣泛的受到重視，虛擬機和模擬器在未來的網絡教學中還會扮演更重要的角色。

參考文獻：

[1]Packet Tracer 5.3幫助文檔：Simulation Mode.