應用型本科院校eNSP模擬器輔助計算機網(wǎng)絡教學探究

丁思淼，韓 哲，龔 蕾

（洛陽理工學院，河南 洛陽 471023）

0 引 言

應用型本科是近年來出現(xiàn)的一種新型教學模式，中華人民共和國教育部發(fā)展規(guī)劃司于2019年發(fā)布的《支持應用型本科高校發(fā)展有關工作情況》再次明確了普通本科高等學校向應用型轉(zhuǎn)變的發(fā)展目標[1]。對于地方應用型本科高校而言，需要在新工科的時代需求下，改革教學目標、教學內(nèi)容、教學手段和教學過程，為地方社會培養(yǎng)應用型和技能型人才[2]。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為典型的工科專業(yè)，工程實踐性強，其專業(yè)特色決定了在新工科背景下提升應用型人才網(wǎng)絡實踐技能水平對學生就業(yè)和地方經(jīng)濟社會發(fā)展都有著重要意義[3]。

華為交換機、路由器等網(wǎng)絡設備目前已占據(jù)中國市場第一的份額，每年人才市場都需要大量掌握華為設備交換路由技術的人才。若采用真實網(wǎng)絡設備進行計算機網(wǎng)絡課程組網(wǎng)實踐成本較高，學生需要進行分組實踐，不能獨立對設備進行配置測試，同時場地大小也限制了多層跨子網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲搭建規(guī)模[4-5]。eNSP模擬器可以實現(xiàn)對真實華為網(wǎng)絡設備的仿真，在不增加較多成本條件下可以實現(xiàn)學生獨立進行多層跨子網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲的組網(wǎng)過程，對網(wǎng)絡設備的操作和配置過程與真實華為設備一致，進而幫助學生掌握華為網(wǎng)絡設備配置技能，提升應用型本科院校學生在就業(yè)市場的競爭力[6]。本文擬對計算機網(wǎng)絡課程中采用eNSP模擬器輔助教學展開探究。

1 應用型高校計算機網(wǎng)絡課程教學現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)作為實現(xiàn)萬物互聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，由傳統(tǒng)為人機交互提供服務的計算機網(wǎng)絡向人與物和物與物交互拓展，其本質(zhì)和核心仍然是計算機網(wǎng)絡，計算機網(wǎng)絡課程不僅是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程，還是無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信等專業(yè)課程的基礎[7-8]。計算機網(wǎng)絡課程知識點繁雜，各層均涉及多種協(xié)議，傳統(tǒng)課程實驗中往往利用各類抓包軟件和數(shù)據(jù)分析工具分析各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元信息來加深學生對各層協(xié)議的掌握[9-10]，但整體內(nèi)容偏理論教學，缺乏對實際網(wǎng)絡進行組網(wǎng)配置和整體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的邏輯梳理。應用型本科院校立足應用型人才培育，更傾向于培養(yǎng)學生的實踐能力和技能水平，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡課程實驗內(nèi)容與社會所需應用人才的網(wǎng)絡技能有較大的脫節(jié)。

計算機網(wǎng)絡課程的教學目標是要求學生掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及各體系結(jié)構(gòu)的相關協(xié)議和設備原理，課程涉及知識點內(nèi)容量大、邏輯性強，理論教學過程中針對各類協(xié)議進行詳細講解時容易碰到學生對授課內(nèi)容接受困難，不能很好地將理論知識與實際應用結(jié)合梳理出系統(tǒng)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信邏輯。計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸分層示意圖如圖1所示。

圖1 計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸分層示意圖

計算機網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)對應的五層體系結(jié)構(gòu)中，應用層和運輸層運行在終端設備上，為用戶實現(xiàn)終端設備應用進程到應用進程之間的通信過程和與終端用戶的交互過程。網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)作完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)從發(fā)送主機到接收主機的通信過程，其中物理層位于整個傳輸網(wǎng)絡底層，實現(xiàn)二進制比特流在物理介質(zhì)上的傳輸過程，并不牽涉網(wǎng)絡協(xié)議處理和網(wǎng)絡設備配置。社會對網(wǎng)絡方面的人才技能的需求主要集中于網(wǎng)絡組網(wǎng)、配置和故障檢測處理等方面。對于應用型本科院校而言，計算機網(wǎng)絡教學課程內(nèi)容中的重難點主要集中在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層及兩層之間的銜接配合。

1.1 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層負責網(wǎng)絡通信過程中相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，該層協(xié)議主要涉及點對點傳輸、廣播傳輸和以太網(wǎng)交換傳輸?shù)认嚓P內(nèi)容。根據(jù)不同的應用場景，選取不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝、傳輸和校驗。在工程應用中，以太網(wǎng)由于簡單廉價等特點壟斷了局域網(wǎng)市場，社會中組建園區(qū)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)等應用場景中，最常用的是以太網(wǎng)虛擬局域網(wǎng)VLAN技術，VLAN技術原理簡單，在理論教學中并不作為重難點介紹，但這容易使學生忽視對虛擬VLAN配置技能的掌握。

1.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層在數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務基礎上，負責網(wǎng)絡通信過程中發(fā)送端到接收端之間的數(shù)據(jù)傳輸，該層協(xié)議主要涉及數(shù)據(jù)網(wǎng)際傳輸、控制數(shù)據(jù)傳輸和路由選擇等相關內(nèi)容，是計算機網(wǎng)絡理論課程中的核心章節(jié)，也是實現(xiàn)廣域網(wǎng)組網(wǎng)應用的關鍵技術。在實際應用所需技術中與理論知識結(jié)合較為緊密，但各知識點實現(xiàn)原理較為獨立，邏輯性較強，不便于學生對網(wǎng)絡層知識的系統(tǒng)掌握。

1.3 數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層的銜接

計算機網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)通信設備分別在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元存儲轉(zhuǎn)發(fā)，在功能上相互配合完成數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收端的整體過程，各層為實現(xiàn)自己的傳輸任務分別依托多種相關協(xié)議，在進行理論知識的教學過程中需要分別對各層協(xié)議的實現(xiàn)原理進行詳細講授，在傳統(tǒng)實踐教學中通常分別對各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進行抓包分析，或者對各層組網(wǎng)過程進行分層實踐，并沒有對實際傳輸邏輯進行系統(tǒng)梳理。實際傳輸過程中數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層是相互配合完成傳輸任務，學生缺乏真實組網(wǎng)中網(wǎng)絡設備配置試錯的經(jīng)驗，容易在學習過程中產(chǎn)生邏輯理解偏差。

2 ENSP模擬器輔助計算機網(wǎng)絡應用教學

數(shù)通網(wǎng)絡工程師崗位職責中局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的規(guī)劃和實施占據(jù)著重要地位，各類別對應理論層次和相關協(xié)議見表1所列。

表1 數(shù)通網(wǎng)絡工程師主要崗位職責類別對應的技術和相關理論

在理論教學過程中會對子網(wǎng)規(guī)劃進行較為詳細的講解，實踐教學過程需要輔助路由器和交換機等網(wǎng)絡設備，學生可以通過eNSP模擬器對華為系列網(wǎng)絡設備進行仿真配置實踐，通過實踐過程進一步加強對理論知識的理解，同時提升自身的組網(wǎng)規(guī)劃、實施和維護能力。

2.1 eNSP模擬器輔助數(shù)據(jù)鏈路層教學

數(shù)據(jù)鏈路層處于TCP/IP網(wǎng)絡中的底層，網(wǎng)絡設備通過處理該層協(xié)議數(shù)據(jù)單元獲取MAC地址和端口號等信息實現(xiàn)相鄰節(jié)點之間的通信過程，理論知識教學過程中側(cè)重于對基本功能、點對點信道傳輸協(xié)議、廣播信道傳輸協(xié)議、以太網(wǎng)沖突避免協(xié)議和交換機的工作原理等內(nèi)容的教授，實際組網(wǎng)中則注重在網(wǎng)絡上實現(xiàn)對以太網(wǎng)中跨交換機VLAN的配置和應用。

理論教學過程中對數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)的主要功能和相關協(xié)議的發(fā)展過程進行了詳細介紹，對數(shù)據(jù)鏈路層的多種組網(wǎng)方式都進行了相應的講解。在實踐教學過程中，需要向?qū)W生說明實際互聯(lián)網(wǎng)應用過程中局域網(wǎng)通信被以太網(wǎng)占據(jù)了市場，以太網(wǎng)分為共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)，現(xiàn)在市場上最常用的是以交換機為通信設備的交換式以太網(wǎng)，幫助學生梳理清楚數(shù)據(jù)鏈路層的理論知識和實踐技能的共同點和差異點，使學生在實踐過程中心中有數(shù)。

采用eNSP模擬器輔助數(shù)據(jù)鏈路層教學的過程中，以圖2所示二層VLAN跨交換機通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為例，進行交換機和終端設備的配置實踐，學生通過對模擬器中的交換機進行二層配置，并結(jié)合終端相關配置，實現(xiàn)跨交換機的VLAN通信過程。

圖2 二層VLAN跨交換機通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

在配置過程中，在模擬器中通過對交換機互聯(lián)trunk端口和access端口的配置，結(jié)合虛擬終端命令行，利用ping命令測試網(wǎng)絡各終端的連通性，幫助學生形象體驗VLAN對于廣播域的隔離效果。通過在模擬器中對各連接端口數(shù)據(jù)流進行抓包分析，幫助學生加深對廣播信道傳輸協(xié)議、以太網(wǎng)沖突避免協(xié)議的掌握。通過對模擬器中交換機MAC表的查看，幫助學生加深對交換機工作原理的理解。

2.2 eNSP模擬器輔助網(wǎng)絡層教學

網(wǎng)絡層位于數(shù)據(jù)鏈路層之上，網(wǎng)絡設備通過處理該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元獲取IP地址和下一跳等信息，利用數(shù)據(jù)鏈路層提供的相鄰節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩说耐ㄐ胚^程。理論知識教學過程中側(cè)重對IP編址方式、子網(wǎng)規(guī)劃、地址解析協(xié)議、數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)流程、路由選擇協(xié)議、虛擬專用網(wǎng)和網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換等內(nèi)容的講授，實際組網(wǎng)中側(cè)重于子網(wǎng)規(guī)劃、跨子網(wǎng)通信的配置和應用、優(yōu)化網(wǎng)絡性能的相關路由配置、網(wǎng)絡故障排查與解決等。網(wǎng)絡層是計算機網(wǎng)絡理論和實踐教學中的重點內(nèi)容，理論課程中所涉及內(nèi)容均在實踐過程中有所體現(xiàn)，差異在于理論課程中主要對各協(xié)議原理和運行流程進行學習，實踐課程中主要對各協(xié)議進行配置應用，實現(xiàn)整體網(wǎng)絡互聯(lián)。采用eNSP模擬器輔助網(wǎng)絡層教學過程中，以圖3所示三層跨子網(wǎng)通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為例進行路由器、交換機和終端設備的配置實踐。

圖3 三層跨子網(wǎng)通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

在實踐過程中，通過在模擬器上搭建網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，幫助學生實踐子網(wǎng)地址規(guī)劃，學會將子網(wǎng)劃分的理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵺`技能應用于網(wǎng)絡組網(wǎng)過程。通過單個三層交換機跨子網(wǎng)通信配置，加深學生對子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關和直連路由的理解。通過多個三層交換機跨子網(wǎng)通信配置，幫助學生真實體驗靜態(tài)路由和動態(tài)路由的差別。通過查看配置后的路由器表項并使用tracert路由跟蹤命令查看數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端所經(jīng)路徑，幫助學生梳理網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡層的傳輸流程和路由器的工作原理，并學會分析網(wǎng)絡故障原因。通過配置聚合路由、缺省路由和動態(tài)路由，幫助學生了解聚合路由和缺省路由的存在意義和網(wǎng)絡優(yōu)化思路。通過配置網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，加深學生對公網(wǎng)地址和內(nèi)網(wǎng)地址概念的掌握，幫助學生掌握互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)配置的技能。

2.3 eNSP模擬器輔助數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層銜接教學

在計算機網(wǎng)絡組網(wǎng)規(guī)劃、實施和維護過程中，所要求的主要技能為網(wǎng)絡設備實踐，網(wǎng)絡設備牽涉到的理論內(nèi)容集中在網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層。通過網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層的銜接傳輸，即網(wǎng)絡層依據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層提供的點到點通信服務，實現(xiàn)發(fā)送端到接收端通信服務的過程。端到端數(shù)據(jù)通信流程如圖4所示，網(wǎng)絡層IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層MAC地址相互配合完成數(shù)據(jù)從發(fā)送端主機到接收端主機的傳輸過程。各層之間相互依存，而不是相互替代，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層作為整個計算機網(wǎng)絡課程中的重點，包含知識點內(nèi)容量大、邏輯性強，每層都有各自相對獨立運行的協(xié)議，各層協(xié)議如何相互配合實現(xiàn)整個網(wǎng)絡通信過程是計算機網(wǎng)絡課程教學過程中的難點。

圖4 端到端數(shù)據(jù)通信流程

在真實網(wǎng)絡環(huán)境中進行數(shù)據(jù)抓包、學習網(wǎng)絡協(xié)議銜接配合過程時，由于網(wǎng)絡通信情況復雜、數(shù)據(jù)量大，學生較難從復雜數(shù)據(jù)中查找到相關協(xié)議數(shù)據(jù)。在eNSP模擬器中搭建如圖3所示的三層網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡設備各接口處抓包通信數(shù)據(jù)，由于拓撲結(jié)構(gòu)簡單，通過接口的數(shù)據(jù)量較單一，學生可以清晰地找到相關網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過對地址解析協(xié)議數(shù)據(jù)的分析，幫助學生掌握地址解析協(xié)議的實際運行過程。通過在各節(jié)點查看路由表、MAC表和ARP高速緩存表并分析各表項內(nèi)容意義，幫助學生梳理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流程，掌握網(wǎng)絡層如何利用數(shù)據(jù)鏈路層提供點到點傳輸服務、實現(xiàn)端到端傳輸服務。

3 結(jié) 語

應用型本科院校注重培養(yǎng)學生的實踐能力和綜合應用能力。鑒于此，本文依據(jù)應用型本科院校辦學定位，設計并實踐了基于華為eNSP模擬器輔助計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層教學的過程，在數(shù)據(jù)鏈路層教學過程中采用二層網(wǎng)絡拓撲案例，在網(wǎng)絡層教學過程中采用三層網(wǎng)絡拓撲案例，通過對三層網(wǎng)絡拓撲接口通信數(shù)據(jù)抓包，加深學生對計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸邏輯的梳理和掌握。實踐結(jié)果表明，該教學方式可以有效提升學生對計算機網(wǎng)絡課程的學習熱情，實現(xiàn)通過理論知識來輔助學生實踐，通過實踐過程反向輔助學生加深對理論知識的理解，達到了較好的教學效果。