仿真軟件在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用

周彬 陸軍 宿敬肖 伊瑞敏 侯樂(lè)樂(lè)

（河北工程技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信學(xué)院，河北 石家莊 050091）

當(dāng)前熱門(mén)的技術(shù)包括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)與人工智能等都是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要性是顯而易見(jiàn)的。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是我校電子信息工程專(zhuān)業(yè)群重要的專(zhuān)業(yè)課，目的是讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)有一個(gè)較為全面、系統(tǒng)、扎實(shí)地掌握，為學(xué)習(xí)其他課程以及從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究、開(kāi)發(fā)、管理和使用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是這門(mén)課程本身理論較為抽象、綜合性強(qiáng)同時(shí)對(duì)實(shí)踐要求高，但網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)涉及多種昂貴、維護(hù)成本較高并且更新?lián)Q代速度快的設(shè)備，這使得學(xué)校需要投入大量的資金建設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室，即使如此也不可能每個(gè)學(xué)生都充分完成實(shí)驗(yàn)的要求，并且網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的管理也較為困難。而采用仿真軟件，學(xué)生可以在高仿真環(huán)境中學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理、調(diào)試以及網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)等實(shí)驗(yàn)，并且可以反復(fù)練習(xí)不受到時(shí)間地點(diǎn)的限制，一方面大大降低了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室管理的難度，另一方面 有助于學(xué)生理解書(shū)本中的理論知識(shí)和培養(yǎng)其分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，同時(shí)提高了課堂教學(xué)的效果。

一、仿真軟件簡(jiǎn)介

（一）Packet Tracer

Packet Tracer是Cisco公司主要針對(duì)CCNA和CCNP認(rèn)證考試開(kāi)發(fā)的一款強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件。其提供集線器、交換機(jī)、路由、PC機(jī)等虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使得使用者無(wú)須購(gòu)買(mǎi)真實(shí)的昂貴的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，便可在圖形化的界面上，采用直接拖曳的方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌M(jìn)而模擬搭建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)程序模仿網(wǎng)絡(luò)的通信過(guò)程。Packet Tracer可以采用實(shí)時(shí)（Real-time）或者模擬（Simulation）兩種模式觀察數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和處理過(guò)程。支持使用者自主搭建網(wǎng)絡(luò)模型，為設(shè)置、配置與排除網(wǎng)絡(luò)故障提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助于使用者掌握網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜技術(shù)概念，鍛煉使用者的網(wǎng)絡(luò)架設(shè)以及網(wǎng)絡(luò)排錯(cuò)的能力[1]。

（二）eNSP

企業(yè)仿真網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（enterprise Network Simulation Platform， eNSP）是由華為公司推出的一款免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)仿真工具平臺(tái)，并且提供便捷的圖形化操作界面，讓用戶能夠更加簡(jiǎn)單地進(jìn)行操作。主要對(duì)華為網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)、防火墻、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行軟件仿真，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的仿真和模擬，使眾多華為數(shù)通技術(shù)的初學(xué)者有機(jī)會(huì)在沒(méi)有真實(shí)設(shè)備的情況下能夠模擬演練，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，該軟件自帶豐富的使用教程，通過(guò)該軟件可完成華為網(wǎng)絡(luò)工程師初級(jí)（HCNA）、中級(jí)（HCNP）、高級(jí)（HCIE）的絕大部分實(shí)驗(yàn)，是國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的佼佼者。

（三）GNS3

GNS3是一款具有圖形化的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，可以運(yùn)行在多平臺(tái)（包括Windows， Linux， MacOS等）上，能夠仿真模擬出復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，為從事網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工作以及想通過(guò)CCNA， CCNP，CCE等Cisco認(rèn)證考試的人員提供模擬度較高的實(shí)驗(yàn)操作。同時(shí)GNS3是開(kāi)源的，能夠進(jìn)行全真模擬實(shí)驗(yàn)，也可以虛擬體驗(yàn)Cisco網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)IOS或者是檢驗(yàn)將要在真實(shí)的路由器上部署實(shí)施的相關(guān)配置。

二、仿真軟件在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用及意義

（一）利用仿真軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與理論的有機(jī)結(jié)合

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的理論知識(shí)抽象，同時(shí)應(yīng)用性又非常強(qiáng)，為了使學(xué)生能夠有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，教師應(yīng)該充分利用課堂教學(xué)實(shí)踐，將抽象晦澀難懂的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單易懂的想象知識(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，F(xiàn)lash動(dòng)畫(huà)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的教學(xué)效果，也有助于提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的理論教學(xué)水平，然而一方面Flash動(dòng)畫(huà)的制作需要教師投入更多的時(shí)間和精力，另一方面也不是每個(gè)教師都能夠制作出完美的動(dòng)畫(huà)課件，而Packet Tracer工作方式中的模擬方式可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。比如在解釋動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol， DHCP） 時(shí)，在Packet Tracer搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)拓?fù)洌?yīng)用其模擬方式，用來(lái)直觀展示計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收的整個(gè)環(huán)節(jié)。再比如在講解地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）時(shí)也可以運(yùn)用Packet Tracer仿真軟件輕松直觀地看到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

（二）充分發(fā)揮仿真軟件的整合功能

通過(guò)仿真軟件既可以整合一個(gè)學(xué)校機(jī)房的相關(guān)資源，又可以使得學(xué)生打破時(shí)間和地域的限制，在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型、不易實(shí)施的實(shí)驗(yàn)。比如在講解路由選擇協(xié)議時(shí)，開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（Open Shortest Path First，OSPF）是一種基于鏈路狀態(tài)的分布式路由協(xié)議，屬于內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。在學(xué)習(xí)了關(guān)于OSFP的理論知識(shí)之后學(xué)生還是一頭霧水，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)理解OSPF協(xié)議。但是要完成OSPF實(shí)驗(yàn)，至少需要4臺(tái)路由器，2臺(tái)交換機(jī)，4臺(tái)終端主機(jī)。對(duì)于學(xué)校來(lái)說(shuō)這樣的硬件需要是比較高的，尤其是想讓每一位學(xué)生都能夠做實(shí)驗(yàn)更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，然而通過(guò)仿真軟件則在一臺(tái)主機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)這一要求，在學(xué)校的機(jī)房學(xué)生每人一臺(tái)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行仿真軟件就可以獨(dú)立地完成相應(yīng)的拓?fù)浯罱ê徒M網(wǎng)配置，驗(yàn)證OSPF路由協(xié)議報(bào)文，并可以分析結(jié)果。

通過(guò)仿真軟件，既能夠滿足實(shí)驗(yàn)的靈活性和有效性的要求，又可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本和資源消耗。通過(guò)仿真軟件既可以省去線纜接續(xù)問(wèn)題或硬件設(shè)備穩(wěn)定性問(wèn)題帶來(lái)的教學(xué)進(jìn)度的影響，又可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師的教學(xué)效率。

三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)生能更好地理解理論知識(shí)，根據(jù)我校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)安排，可以設(shè)計(jì)包括OSFP實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的4個(gè)實(shí)驗(yàn)。

設(shè)備管理實(shí)驗(yàn)：本實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作做鋪墊。其目的是對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換機(jī)和路由器進(jìn)行基礎(chǔ)調(diào)試包括操作模式、初始管理、接口管理、配置管理等，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)了解常用的操作命令，掌握接口的IP地址的配置方法。

RIP實(shí)驗(yàn)：本實(shí)驗(yàn)的目的是配置路由信息協(xié)議（Routing Information Protocol， RIP），并分析它的特性。在本次實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（使用RIP的）拓?fù)洌榭慈我庖粋€(gè)路由器產(chǎn)生的路由表；使用分組網(wǎng)間探測(cè)PING（Packet InterNet Groper）來(lái)測(cè)試兩個(gè)路由器之間的連通性；觀察網(wǎng)絡(luò)故障對(duì)RIP協(xié)議的影響。

TCP實(shí)驗(yàn)：本實(shí)驗(yàn)的目的是演示TCP的連接管理。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生將搭建實(shí)驗(yàn)拓?fù)洌渲蠷1模擬客戶端，R2模擬服務(wù)器。通過(guò)抓包，分析TCP報(bào)文頭部和三次握手連接建立原理；當(dāng)連接建立后，可以進(jìn)一步驗(yàn)證TCP的可靠傳輸功能；對(duì)分組中收到FIN結(jié)束位以及ACK確認(rèn)位分析四次揮手拆除連接的過(guò)程。

VLAN實(shí)驗(yàn)：本實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生靈活掌握VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng)）的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，掌握VLAN技術(shù)配置，理解VLAN的功能。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)拓?fù)洌M基于跨交換機(jī)VLAN的劃分。進(jìn)一步分析得出在不同交換機(jī)的相同VLAN之間能夠相互進(jìn)行通信，而不同的VLAN處于不同的廣播域，相互隔離，不能通信。

這4個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩傮w上涵蓋計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)的重點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和原理的理解，并且鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種仿真軟件不斷運(yùn)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，大大提高了教學(xué)水平和教學(xué)成效。眾所周知，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的基礎(chǔ)，相比于其他課程，它要求教師在講授理論知識(shí)的前提下，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，這樣才能更有效地提高教學(xué)效果，進(jìn)而為培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)型人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。