基于Cisco Packet Tracer的虛擬仿真軟件在“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

王珂 劉文艷（通訊作者） 王宇 楊淼 沙飛 翟陽(yáng)陽(yáng) 辛欣

首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

●引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域。[1-3]各高校越來(lái)越重視培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技能，紛紛將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程開設(shè)為必修課或者公共選修課。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門注重理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。[1，4]由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)復(fù)雜抽象、實(shí)踐性強(qiáng)，所以，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)節(jié)中起到非常重要的作用，是幫助培養(yǎng)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技能的重要部分。[3，5-7]但在目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于受到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的限制，實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生不能很好地掌握網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不好。[6-7]為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高教學(xué)質(zhì)量，筆者認(rèn)為可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，幫助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力、實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力。目前，高校常用的虛擬仿真軟件有Cisco Packet Tracer、GNS3、eNSP等。根據(jù)這些軟件各自的特點(diǎn)和本校醫(yī)學(xué)生自身情況，筆者所在學(xué)校在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引用了Cisco Packet tracer虛擬仿真軟件。

●Cisco Packet Tracer軟件

Cisco Packet Tracer是一款輔助學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的虛擬仿真軟件，學(xué)習(xí)者可以通過(guò)此軟件，在網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境中學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)、設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及排除網(wǎng)絡(luò)故障。[8-12]學(xué)習(xí)者可以將該軟件安裝到個(gè)人電腦上，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多用戶環(huán)境的交互學(xué)習(xí)，利用該軟件創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，配置與測(cè)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還可以在模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以動(dòng)畫形式觀察數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行過(guò)程，并可以進(jìn)行協(xié)議分析。[14-15]它還附帶多個(gè)已建好的演示環(huán)境和實(shí)驗(yàn)任務(wù)案例，學(xué)習(xí)者通過(guò)完成這些案例評(píng)估自己掌握網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的水平。[16]

1.Cisco Packet Tracer軟件的功能

①繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ?。用戶使用拖曳方法，布置網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)拓?fù)洹?/p>

②模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能。提供不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如路由器，交換機(jī)、集線器、無(wú)線設(shè)備、主機(jī)、服務(wù)器、防火墻等。

③支持多種協(xié)議的分析功能。在模擬模式下，只需發(fā)送數(shù)據(jù)包，就可以查看數(shù)據(jù)包的每一層協(xié)議內(nèi)容。

④提供實(shí)時(shí)和模擬兩種操作模式。實(shí)時(shí)模式模擬了真實(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，模擬模式是通過(guò)模擬面板控制虛擬環(huán)境的運(yùn)轉(zhuǎn)，學(xué)習(xí)者通過(guò)單步執(zhí)行方式或者自動(dòng)執(zhí)行方式觀察網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸情況。[14-16]

⑤提供邏輯和物理兩種工作區(qū)。在邏輯工作區(qū)中，用戶在該區(qū)域繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的參數(shù)配置；物理工作區(qū)提供了城市、建筑、辦公室等虛擬設(shè)施，可以加載和縮放用戶創(chuàng)建的圖像，結(jié)構(gòu)化布線，并對(duì)它們進(jìn)行相應(yīng)配置。

⑥提供圖形化配置界面。在圖形化配置界面中可以配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的參數(shù)。

⑦提供IOS命令行配置接口。在命令行接口中輸入命令操作，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置。

(2) 生物炭復(fù)合材料吸附劑表面官能團(tuán)復(fù)雜，其對(duì)污染物的去除受多種機(jī)制影響，目前研究多停留在表觀分析階段，添加的改性材料——磁性材料、納米材料和其他無(wú)機(jī)材料與生物炭自身的相互作用尚未明確，鮮見定量分析生物炭復(fù)合材料對(duì)污染物的作用機(jī)理，今后可將重點(diǎn)放在定量分析上。

⑧活動(dòng)向?qū)Чδ??；顒?dòng)向?qū)且环N評(píng)估工具，教師可以創(chuàng)建帶有說(shuō)明、初始網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生按照教師指定說(shuō)明完成任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)評(píng)功能。

2.Cisco Packet tracer軟件的優(yōu)點(diǎn)

①仿真效果好。模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的外觀并且可以添加模塊，模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者感受真實(shí)物理設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際運(yùn)行情況。

②界面友好，操作簡(jiǎn)單。通過(guò)拖曳設(shè)備及線纜，繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，通過(guò)可視化界面配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)命令操作。

③節(jié)約成本。Cisco Packet Tracer為學(xué)生提供了多種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，學(xué)生在模擬環(huán)境下使用無(wú)數(shù)量限制的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，完成在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不能完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，節(jié)約購(gòu)買設(shè)備和維修設(shè)備成本，降低人為操作不當(dāng)造成的設(shè)備損壞率。[17-18]

④突破時(shí)空的限制。學(xué)生在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)和完成課后實(shí)驗(yàn)時(shí)，不需要預(yù)約網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，只要在個(gè)人電腦上安裝虛擬仿真軟件，就可以隨時(shí)隨地完成實(shí)驗(yàn)。[18]

●實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

筆者所在學(xué)校開設(shè)的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程內(nèi)容以基礎(chǔ)性、實(shí)用性為主，網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)內(nèi)容多且抽象，甚至有些知識(shí)難以理解，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能理解其工作原理。因此，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)尤為重要。筆者根據(jù)課程的教學(xué)大綱內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)安排，并且考慮本校醫(yī)學(xué)生的計(jì)算機(jī)技能水平的差異，重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)交換實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)路由實(shí)驗(yàn)和服務(wù)器實(shí)驗(yàn)四大模塊，如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)分類

●虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

筆者以交換機(jī)虛擬局域網(wǎng)為例，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，讓學(xué)生更好地理解虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的原理，并且掌握交換機(jī)VLAN劃分的方法。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)案例說(shuō)明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可以提升課堂教學(xué)效率。

1.教學(xué)目的

通過(guò)引入、分析與討論實(shí)驗(yàn)案例，讓學(xué)生了解VLAN的原理和作用，根據(jù)案例要求制訂實(shí)施方案；學(xué)生用虛擬仿真軟件獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，掌握VLAN知識(shí)點(diǎn)，提高探索思維能力和動(dòng)手操作能力。

2.案例分析

②討論分析。教師通過(guò)此案例，引出VLAN的知識(shí)點(diǎn)并講解其原理。學(xué)生小組討論并分析：由于兩部門的電腦在同一個(gè)交換機(jī)上，只有將兩部門的電腦分配在不同的VLAN里，這兩部門的電腦之間才不能通信；由于同一部門的電腦在相同的VLAN里，因此它們之間可以通信。

③實(shí)施方案。在交換機(jī)上需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)VLAN，學(xué)生處的電腦分配在VLAN10，科研處的電腦分配在VLAN20。

3.繪制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在繪圖工作區(qū)中，拖曳合適的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、主機(jī)和線纜，繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（如圖1）。PC1和PC3是學(xué)生處的電腦，PC2和PC4是科研處的電腦，在繪制拓?fù)鋱D的過(guò)程中，用直通線將主機(jī)與交換機(jī)連接，PC1、PC2、PC3和PC4依次接入到交換機(jī)的F0/1、F0/2、F0/3和F0/4端口。

圖1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

4.設(shè)備參數(shù)的設(shè)置

在繪制完拓?fù)鋱D后，需要設(shè)置各主機(jī)的具體參數(shù)，如表2所示。在工作區(qū)域中，單擊主機(jī)PC1，彈出設(shè)置參數(shù)的對(duì)話框，選擇“config”選項(xiàng)卡，IPAddress設(shè)為192.168.0.11，Subnet Mask設(shè)為255.255.255.0，如圖2所示。然后，用同樣方法設(shè)置PC2、PC3和PC4的IP地址和子網(wǎng)掩碼。

圖2

表2 主機(jī)配置參數(shù)

5.測(cè)試主機(jī)之間連通性

學(xué)生可以從上述四臺(tái)主機(jī)任選兩臺(tái)測(cè)試其連通性，這里選擇的是主機(jī)PC1和主機(jī)PC2，單擊主機(jī)PC2，在彈出的PC2參數(shù)對(duì)話框中選擇“Desktop”選項(xiàng)卡，單擊“Command Prompt”選項(xiàng)，在對(duì)話框中輸入“ping 192.168.0.11”，結(jié)果如圖3所示，“Reply from 192.168..11：bytes=32 time＜1ms TTL=128”表示連通。

圖3

說(shuō)明：在創(chuàng)建和分配VLAN之前，交換機(jī)默認(rèn)與其連接的所有主機(jī)都在同一個(gè)VLAN中，它們之間可以通信。

6.VLAN的劃分

單擊交換機(jī)Switch0，在彈出的Switch0參數(shù)對(duì)話框中選擇“CLI”選項(xiàng)卡，輸入配置命令。將F0/1和F0/3端口分配到VLAN10，將F 0/2 和F 0/4 端口分配到VLAN20，PC1和PC3屬于VLAN10的廣播域，PC2和PC4屬于VLAN20的廣播域。劃分VLAN過(guò)程如下：

①進(jìn)入特權(quán)模式和全局模式（如圖4）。

圖4

②創(chuàng)建VLAN。

在交換機(jī)中創(chuàng)建VLAN10和VLAN20（如圖5）。

圖5

③分配VLAN。

將交換機(jī)Switch0的F0/1和F0/3接口分配到VLAN10中，將F0/2和F0/4接口分配到VLAN20（如下頁(yè)圖6）。

圖6

7.分配VLAN后測(cè)試連通性

在劃分和分配VLAN后，再次測(cè)試主機(jī)之間的連通性。測(cè)試過(guò)程如下：

①測(cè)試在相同V L A N中的主機(jī)之間的連通性，在VLAN10中主機(jī)PC1 ping主機(jī)PC3，單擊主機(jī)PC1，在彈出的PC參數(shù)對(duì)話框中選擇“Desktop”選項(xiàng)卡，單擊“Command Prompt”選項(xiàng)，在對(duì)話框中輸入“ping 192.168.10.13”，結(jié)果顯示連通。

②測(cè)試不在同一個(gè)VLAN里的主機(jī)之間的連通性，在VLAN10中的主機(jī)PC1 ping在VLAN20中的主機(jī)PC2，測(cè)試結(jié)果顯示“Request timed out.”，表明主機(jī)PC1與主機(jī)PC2之間網(wǎng)絡(luò)不連通。

結(jié)果說(shuō)明，由于主機(jī)PC1與主機(jī)PC3都在VLAN10中，即在同一個(gè)廣播域中，所以主機(jī)PC1與主機(jī)PC3是連通的，而主機(jī)PC1與主機(jī)PC2不在同一個(gè)廣播域里，所以不能通信。

如果觀察數(shù)據(jù)包的傳輸情況，切換到模擬模式下，單擊“Filter Edit”按鈕，在彈出對(duì)話框中選中ARP分組和ICMP分組。單擊“Add Simple PDU”按鈕，添加PC1到PC3的數(shù)據(jù)包，單擊“Auto Capture/Play”按鈕，以動(dòng)畫形式觀察數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程，如圖7所示。PC1發(fā)送的數(shù)據(jù)包從Switch0的Fa0/1端口進(jìn)入，此端口屬于VLAN10，所以此數(shù)據(jù)包只能在VLAN10中廣播，PC3可以收到廣播幀，而不屬于VLAN10的主機(jī)不能收到此幀。PC3收到從Switch0發(fā)送的廣播幀后，PC3會(huì)向PC1發(fā)送一個(gè)單播幀。

圖7

在數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中，右側(cè)的“Event List”對(duì)話框中會(huì)顯示捕獲數(shù)據(jù)包的詳細(xì)信息，選中要查看的數(shù)據(jù)包，單擊列表中右側(cè)的Info彩色方塊[13]，彈出的PDU Information對(duì)話框，顯示OSI Model、Inbound PDU Details和Outbound PDU Details選項(xiàng)卡?？梢圆榭锤鲗覲DU的封裝參數(shù)，以及輸入端口和輸出端口各層協(xié)議的封裝詳情[15]，如圖8和圖9所示。

圖8

圖9

●教學(xué)評(píng)價(jià)

在2021-2022學(xué)年第二學(xué)期，43名本科學(xué)生選修“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程，由于當(dāng)時(shí)處于新冠疫情階段，課程是線上教學(xué)，學(xué)生完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)安排的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并且進(jìn)行了關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問卷調(diào)查。91%的學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式滿意，98%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)有幫助（54%的學(xué)生表示非常有幫助，44%的學(xué)生表示有一些幫助）。調(diào)查結(jié)果說(shuō)明，大部分學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式能夠提高學(xué)習(xí)效率和實(shí)踐操作能力，授課教師認(rèn)為能夠提高教學(xué)質(zhì)量和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在問卷中，筆者也發(fā)現(xiàn)在選擇開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)中，70%的學(xué)生選擇真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明大部分學(xué)生愿意在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)理解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)。因此，在以后開展“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)的各自優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力和動(dòng)手操作能力。

●結(jié)束語(yǔ)

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用Cisco Packet Tracer進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能夠有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，幫助教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，對(duì)每名學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到問題進(jìn)行更加具體的指導(dǎo)。學(xué)生可以重復(fù)完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，從而掌握和理解網(wǎng)絡(luò)知識(shí)。