虛擬化技術在網絡互聯課程教學中的應用

李安邦

摘要：武漢軟件工程職業學院網絡技術專業開設了較多的網絡互聯技術課程，課程中涉及的網絡設備、網絡協議通過傳統教學手段或使用真實設備來完成教學都存在一定缺陷，故而在教學中引入虛擬化軟件Packet tracer。該文通過分析其功能作用，研究其在教學中如何實施，并通過具體實例說明了應用過程。

關鍵字：教學;虛擬化;packet tracer

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）15-0171-03

網絡互聯技術是我校網絡技術專業重要的核心課程，由于教學內容涉及知識點多，安排了四個學期來完成教學。在這些課程的教學實施過程中，不可避免地涉及各種網絡協議，這些網絡協議的通信時間短、過程不可見，單靠語言文字、圖片動畫這些傳統信息載體，無法做到將其直觀地呈現在學生面前。此外在實踐環節中，需要安排大量的實驗來鞏固所學知識及操作技能，這些實驗如何組織設計也是教學過程中重要一環。由于本課程強調培養學生的動手實操能力，在課程考核方面，如何做到從傳統的理論考核轉變為實操考核，并且在出卷、考試、閱卷這些考核環節中，在保證可控和公正的前提下盡可能簡化。

在學校的大力支持下，本專業已配備了各類品牌的網絡設備，讓所學能貼近真實工程應用，但這樣仍不能很好地解決以上問題，故而在實際教學環節中仍然引入虛擬化技術。目前使用的虛擬軟件主要有思科系列的packet tracer和GNS3以及華為系列的eNSP。這幾款虛擬化軟件相比，Packet tracer更簡單、直觀，適合網絡技術初學者使用。本文以packet tracer為例，分享在教學中使用的經驗。

1 分析協議通信過程

目前思科官網發布了支持Windows 32/64位及Linux的7.2.1版本和支持iOS的3.0版本，通過Packet Tracer可以任意搭建網絡場景。這里以ARP為例，介紹使用Packet Tracer講述其工作流程。圖1為課前已準備好的實驗場景，重要信息已在圖中標出，通過在模擬計算機中使用ipconfig /all命令可以查看其MAC地址。

Packet tracer設計了兩種工作模式，一種是實時模式（realtime），此種模式拓撲中發生的網絡事件按照正常時間進行，也是默認模式;另一種是模擬模式（simulation），主要用來對通信過程的分析。在教學設計時，首先將實驗環境做整體介紹，將其標注在拓撲中，介紹實驗的過程是在PC1上使用PING命令訪問PC3，分析此時PC1需要完成PING，源目IP和源MAC都是已知的，但目的MAC是未知的。在發出PING命令訪問前切換成模擬模式，觀察ARP在其中發揮的作用。為了實驗的簡潔，可在過濾器中關閉掉與實驗無關的網絡協議，只保留ARP和ICMP。

此時網絡中發生的事件都變為可控（時間靜止或時間前移后移），并可對設備發出的報文進行分析：此時以太網二層封裝為何目的MAC為FFFF.FFFF.FFFF，源MAC為何為0006.2A32.AAED;ARP封裝中TARGET MAC為何為0000.0000.0000。如果此前學習了交換機數據幀轉發原理，還可分析數據幀在進入交換機前后，交換機MAC映射表發生了哪些變化，并通過數據幀在拓撲中的傳播路徑進行解釋，這樣可以和其他知識點結合。模擬器是模擬真實網絡發生的網絡事件的，在模擬模式對話框中點擊“capture/forward”一步步對通信流程分解、分析，直至整個ARP工作過程結束，在PC1通過查看到ARP映射表得到PC3的MAC地址。

通過虛擬化軟件packet tracer進行操作演示和分析講解，將原本枯燥的協議字段作用、工作原理和流程以直觀的方式呈現在學生面前，并且將相關命令和操作結果穿插在教學過程中。這樣可以激發學生的學習興趣，降低課程的學習難度。

2 實踐環節設計

上文提到的課堂演示案例，其特點是搭建起來簡便，可以根據教學需要任意組織教學場景并且可隨時保存，便于在課前備課在課堂上調用。通過類似的方式，根據實際教學需要布置課上或課下實驗。在實驗拓撲中注明需要完成的練習內容，學生完成后保存文件提交，文件的后綴名為pkt。但在練習的檢查環節中，需要教師對操作的結果在每臺虛擬設備上一一查看，從而掌握學生實驗的完成情況。這對查看者的專業水平和時間精力都提出了較高的要求。

思科官網提供了大量后綴名為pka的實驗文件，以《網絡互聯路由交換基礎》為例，從第一章到第十章已設計共計51個實驗。打開作業文件后，實驗完成情況一目了然，圖3中橢圓標記處顯示當前完成度，并可通過檢查結果查看哪些步驟正確或錯誤。為了避免學生在提交練習時直接復制文件，要求學生在實驗前將用戶信息修改為本人姓名（圖3中方框標記處）。這樣，如果通過復制完成作業，打開用戶信息即可查看到非本人完成;如果將其信息修改為本人姓名，則原有操作全部重置，即實驗得分為0分。

pkt文件的實驗方式為實驗提供了便捷的組織方式，并且靈活度極高，甚至可以讓學生按要求自主完成網絡設計并對網絡進行細化配置。但該方式的缺點就是實驗過程不可控，后期檢查量大。通過下發pka文件安排課內或課下實驗，學生完成后保存后再提交。這樣，學生在完成練習時就得知是否按題目要求正確完成，方便學生檢查糾錯;作業內改名的要求也杜絕了學生通過復制方式敷衍交差的念想;打開文件查看完成度可精簡教師作業的批改過程，只需要比對姓名即可。這種設計使得整個實踐環節處于設計控制中，并且無論是對學生而言還是對教師而言，提供了質量保證和便利。

3 教學質量考核系統

在網絡互聯課程考核中，對設備的操作熟練程度是衡量教學效果的重要指標。如果考核以筆試的形式進行，體現不了學生的設備操作水平。如果以真實設備進行考核操作，由于在考核時會要求同步進行，學校無法提供如此多的設備和場地。另一方面，在實物設備操作時，由于學生誤操作或設備、線纜等諸多方面原因，以及考核后的檢查工作需要大量的人員和時間來完成，這些都為整個考核過程帶來不確定性，從而影響考核的公平公正。

Packet tracer提供了活動向導（Activity wizard）來完成操作考核的設計。進入到考核文件編輯模式后，可以為編輯模式加密碼，因為該模式下可以看到考試答案。進入到說明（Instructions）選項使用html語言編輯考試說明，告知考生考試信息和操作要求，并可以網頁模式預覽，如圖5所示。

進入Initial Network模式處理初始化界面，可以從pkt文件導入，也可自行編輯。出題者可根據考核內容和考核要求進行調整：如對網絡拓撲的劃分以及說明、設備的接口使用線纜連接、對running-config中的配置等等，甚至可以故意安排錯誤配置讓學生完成排錯。設計完成后，學生考核時打開文件看到的就是已設計規劃好的網絡現場。為了避免考核過程中學生的誤操作使考試不能繼續，可以選擇在接口、拓撲、模擬模式的相應選項加鎖，以此來保證考核順利進行。

進入Answer Network編輯考試答案，按照考試要求對設備操作后，并保留現場。同Initial Network模式一樣，也可從pkt文件直接導入。這里需要注意的是，這兩種模式下，設備的型號和拓撲中的名稱應保持一致，否則評分系統不能識別。為了保持初始界面和答案界面的一致性，通常的做法是在編輯完初始界面后保存，然后在此基礎上按考試要求進行操作另存為答案文件。

編輯完答案文件后，進入Assessment tree對評分點進行編輯，根據所涉及知識點的難易、重要程度，對答案操作分配合適的得分并標注考核知識點（圖7方框部分）。為了保障考核順利進行，可根據實際需要設置是否為倒計時方式、是否顯示操作反饋、操作反饋顯示模式、禁用默認賬戶登錄、鎖定用戶信息等功能。

通過對考核文件的編輯生成pka文件，考生打開文件進入類似圖3的操作頁面。在考核過程中考生只能完成出題者允許進行的操作，避免各種誤操作中斷考試;考核結束后，閱卷老師進入類似圖4的閱卷頁面，可輕松統計考生操作成績，并通過操作涉及知識點分析教學質量。

4 結語

本文介紹了如何利用虛擬化軟件Packet tracer提供的功能，以ARP單元教學為案例完成教學設計，使用pka及pkt文件安排教學實踐環節，使用Activity wizard完成考核系統設計。通過對該軟件設計的功能熟悉和掌握，幫助學生和教師更好地完成網絡互聯技術課程教學。

參考文獻：

[1] 王海鳳，劉志強.基于Packet Tracer的計算機網絡類課程實驗測評系統的研究與實現[J].內蒙古工業大學學報（自然科學版），2015（2）.

[2] 李智.基于PacKetTracer虛擬仿真軟件的網絡設計實踐[J].信息通信，2018（10）.

【通聯編輯：朱寶貴】