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《湖北汽車工業(yè)學院學報》2015年第一期

1虛擬仿真實驗室的構(gòu)建

計算機網(wǎng)絡教學在高等院校的計算機課程中占有重要地位，但是在高校的授課過程中，普遍存在著重理論、輕實踐的傾向。針對目前計算機網(wǎng)絡實驗教學中出現(xiàn)的實驗教學內(nèi)容不系統(tǒng)、實驗硬件設備缺乏等問題，結(jié)合學院實驗室自身情況，構(gòu)建了基于虛擬仿真技術的計算機網(wǎng)絡實驗室。實驗室的構(gòu)建內(nèi)容包括虛擬仿真實驗室軟硬件建設、虛擬仿真教學資源的建設和虛擬仿真實驗教學共享平臺的建設3個部分。基于虛擬仿真技術的計算機網(wǎng)絡實驗室結(jié)合高校教育的實際情況，將網(wǎng)絡方面的理論知識通過軟件模擬來實現(xiàn)，讓學生在實踐的過程中更深入地掌握網(wǎng)絡方面的基礎理論知識，使學生能清楚地理解和掌握網(wǎng)絡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和協(xié)議，通過編輯各種協(xié)議的數(shù)據(jù)包深入學習計算機網(wǎng)絡的內(nèi)部原理。

1.1虛擬仿真實驗室軟硬件建設學院計算機網(wǎng)絡實驗室與吉林中軟吉大信息技術有限公司合作，將網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)引入到計算機網(wǎng)絡實驗教學當中，為計算機網(wǎng)絡實驗教學提供了新的教學方法和手段。虛擬仿真實驗室硬件部分由主控中心平臺、智能網(wǎng)絡設備和組控設備構(gòu)成，用于搭建實驗所需的網(wǎng)絡環(huán)境，可以靈活實現(xiàn)多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，設備硬件連接圖如圖1所示。主控中心平臺是本系統(tǒng)的硬件核心，由專用高性能服務器和中心設備構(gòu)成，為實驗環(huán)境提供各種系統(tǒng)服務，保障網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量，確保實驗結(jié)構(gòu)完整和實驗用戶數(shù)的有效擴展，為計算機網(wǎng)絡實驗提供FTP、DNS、DHCP等服務、實驗室管理服務。智能網(wǎng)絡設備用于構(gòu)建網(wǎng)絡硬件結(jié)構(gòu)，提供網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的自動化管理。通過按動智能網(wǎng)絡設備上的“Topology”按鈕，就可以在所有網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中循環(huán)切換，從而有效避免更改網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)時頻繁插拔網(wǎng)線的問題，同時通過集聯(lián)控制按鈕“Team”設置智能網(wǎng)絡設備的集聯(lián)控制模式，可以實現(xiàn)對實驗室內(nèi)所有實驗組網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的一鍵式切換。組控設備是系統(tǒng)專用硬件。每個組控設備由6個共享模塊構(gòu)成，配合智能網(wǎng)絡設備實現(xiàn)多種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；具有數(shù)據(jù)采集、動態(tài)緩沖區(qū)分配、均衡網(wǎng)絡負載等功能。每臺組控設備連接6臺學生實驗機器，其角色分別定義為A、B、C、D、E、F。根據(jù)實驗不同，每個角色有不同的分工。目前該系統(tǒng)支持5種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)實驗項目內(nèi)容的不同，切換到不同的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖，例如網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)一效果圖如圖2所示。虛擬仿真實驗室軟件部分由協(xié)議仿真編輯器、協(xié)議分析器和其它工具軟件構(gòu)成。仿真編輯器可以模擬TCP/IP協(xié)議族中多種協(xié)議的數(shù)據(jù)包；協(xié)議分析器可以捕獲仿真編輯器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，以及網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并將常用協(xié)議的通訊過程以會話圖解的形式直觀展示出來；工具軟件包括UDP工具、組播工具等輔助教學的專用軟件。目前，實驗室的網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)擁有7組組控設備，每組6臺機器，可以同時容納42名學生進行仿真實驗，每組同學需要相互協(xié)作進行實驗，加強了學生之間的學習交流能力，充分鍛煉了學生團隊協(xié)作的能力。網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)作為一門獨立的課程體系，以實驗為主，強調(diào)學生的主動性和設計能力，能夠拓寬學生的思路，達到真正的教學互動。同時利用BosonNetSimforCCNP和思科模擬器CiscoPacketTracer仿真實驗教學軟件，可以模擬搭建局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)運行環(huán)境，在仿真軟件中進行模擬網(wǎng)絡實驗。另外，虛擬仿真實驗室前期購買了多臺Cisco交換機、Cisco路由器、網(wǎng)絡防火墻和多路模擬電話交換機等網(wǎng)絡設備，能夠模擬局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的運行環(huán)境，用于學生在開放性實驗項目中使用。

1.2虛擬仿真教學資源的建設計算機網(wǎng)絡是綜合性很強的學科，既有硬件實驗又有軟件實驗，兩者密切結(jié)合，不可分割，先實物再理論后應用的教學模式，更有利于學生的理解。教學資源的建設應該加強實驗教學環(huán)節(jié)的力度，深入理解課程核心知識內(nèi)容，認真選擇實驗內(nèi)容，制定詳細的實驗計劃，選擇數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層等重點教學內(nèi)容來設計實驗的內(nèi)容。把實驗分為操作性、設計性、分析性和創(chuàng)新性等類型，著力構(gòu)建“厚基礎、重應用”的人才培養(yǎng)模式。通過對理論課程教學知識體系結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合學院計算機網(wǎng)絡實驗室自身軟硬件條件，對計算機專業(yè)計算機網(wǎng)絡課程實驗大綱進行了修訂，部分實驗項目內(nèi)容進行了更新，有選擇地加入了CCNA課程實驗項目和網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)的實驗項目，實驗項目的設置如表1所示。各實驗項目設置及內(nèi)容說明如下：實驗1：帶領學生參觀網(wǎng)絡實驗室，建立起計算機網(wǎng)絡初步的概念，了解該網(wǎng)絡由哪些硬件設備構(gòu)成（設備名稱、功能、主要技術指標）；掌握局域網(wǎng)中電纜線的作用及使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)以太網(wǎng)連接的方法。學會制作2種類型的RJ-45接頭。掌握在Windows系統(tǒng)中進行網(wǎng)絡配置及在Windows系統(tǒng)中進行TCP/IP協(xié)議配置。熟悉使用ping、ipconfig、tracert等命令工具來進行測試。實驗2：學生在網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)環(huán)中進行仿真實驗，通過實驗使學生理解以太網(wǎng)MAC幀格式的2種標準，掌握以太網(wǎng)的報文格式、MAC地址的作用、MAC廣播地址的作用、掌握LLC幀報文格式和仿真編輯器和協(xié)議分析器的使用方法。實驗3：學生通過虛擬仿真軟件自行設計并模擬搭建局域網(wǎng)運行環(huán)境，掌握局域網(wǎng)中交換機的基本配置方法，能夠?qū)粨Q機進行VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的劃分。使學生能夠掌握局域網(wǎng)運行特點及搭建過程，掌握交換機VLAN的作用和劃分方法。實驗4：學生在網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)環(huán)境中進行仿真實驗，通過實驗使學生掌握ARP協(xié)議的報文格式和工作原理，理解ARP高速緩存的作用和緩存表的維護過程。實驗5：學生在網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)環(huán)境中進行仿真實驗，通過實驗使學生理解特殊IP地址的含義和IP分片過程；掌握IP數(shù)據(jù)報的報文格式、IP校驗和計算方法、子網(wǎng)掩碼和路由轉(zhuǎn)發(fā)。實驗6：學生通過虛擬仿真軟件自行設計并模擬搭建廣域網(wǎng)運行環(huán)境，掌握廣域網(wǎng)運行特點、路由器的配置方法、路由選擇協(xié)議的工作原理和設置方法，使學生綜合學習路由器操作系統(tǒng)IOS操作、路由選擇協(xié)議、路由配置方法、子網(wǎng)劃分、超網(wǎng)構(gòu)造、網(wǎng)絡診斷及路由器操作命令等知識。實驗7：學生在網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)環(huán)境中進行仿真實驗，通過實驗使學生掌握TCP協(xié)議的報文格式、TCP連接的建立和釋放過程、TCP數(shù)據(jù)傳輸中編號與確認的過程、TCP協(xié)議校驗和的計算方法、理解TCP重傳機制的工作原理。實驗8：理解Socket的基本概念和原理，掌握Socket的建立、監(jiān)聽、連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。實驗綜合了高級語言程序設計、點對點通信協(xié)議、運輸層相關原理及Socket編程思想、方法等知識。學生在實驗教學環(huán)節(jié)后，需進行計劃內(nèi)課程設計環(huán)節(jié)。課程設計教學是在學完計算機網(wǎng)絡課程之后綜合利用所學知識，完成一個具有一定難度的綜合設計題目。通過課程設計訓練，培養(yǎng)和鍛煉學生的分析問題能力、軟件總體結(jié)構(gòu)設計能力、用戶界面的設計能力、程序設計的基本技能和技巧。在計劃內(nèi)的實驗教學任務外，學生還可以選做實驗室提供的開放性實驗項目。之前在BonsonNetSim和CiscoPacketTracer虛擬仿真軟件環(huán)境中進行的實驗，可以用交換機、路由器等硬件設備搭建網(wǎng)絡實驗環(huán)境進行真實實驗，進一步加強實踐操作技能。同時，網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)中除了實驗教學環(huán)節(jié)中開設的計劃實驗項目外，還提供了應用層協(xié)議、網(wǎng)絡攻防、網(wǎng)絡故障分析和網(wǎng)絡應用程序設計等方面的開放性實驗項目，從全方位、多角度對學生計算機網(wǎng)絡知識技能進行訓練，將理論與實踐相結(jié)合，大大提高了學生的學習興趣，鍛煉了學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。通過多層次，全方位的計算機網(wǎng)絡基礎和工程訓練，學生可以更好的學習和掌握計算機網(wǎng)絡的內(nèi)部原理，實踐教學課程體系層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3虛擬仿真實驗教學共享平臺建設虛擬仿真實驗教學共享平臺依托于網(wǎng)絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)，平臺包括計算機網(wǎng)絡管理信息系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡實驗教學平臺兩部分。管理信息系統(tǒng)安裝于主控中心平臺，教師通過教師機以Web頁面形式訪問管理信息系統(tǒng)，能夠輔助教師更好的進行實驗教學管理。通過該系統(tǒng)，教師可以進行實驗報告管理、實驗結(jié)構(gòu)管理、實驗信息管理、實驗方案管理、實驗設備管理和實驗公告信息管理。實驗教學平臺安裝于學生客戶端，學生上機時可以將教師在管理信息系統(tǒng)中安排的實驗教學內(nèi)容和實驗公告等信息同步下載到學生客戶端，能夠輔助學生進行實驗，提供實驗操作環(huán)境的軟支撐。該平臺是指導學生實驗的教學平臺，輔助教師授課，并將實驗過程中所需要的各種輔助工具、實驗知識點講解、實驗過程指南、實驗思考問題等內(nèi)容集成在平臺中，為學習者提供便捷的實驗環(huán)境，從而提高學習效率。

2網(wǎng)絡實驗室對理論教學的影響

實驗教學與理論教學是平行而又相互協(xié)調(diào)、相輔相成的，具有相等重要地位，是培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力基礎。實驗課程是理論課程的延伸，對于培養(yǎng)學生綜合運用所學知識、解決實際問題、加深對網(wǎng)絡理論知識的理解和應用起著非常重要的作用。新建設的虛擬仿真網(wǎng)絡實驗室有先進的實驗設備、完善的實驗教學大綱、完整的實驗內(nèi)容教學體系，對計算機網(wǎng)絡課程理論教學有較大影響。1）虛擬仿真網(wǎng)絡實驗室給網(wǎng)絡課程提供了實驗操作的物質(zhì)基礎，實驗教學方式促進了學生對理論知識的理解。計算機網(wǎng)絡課程跟其他專業(yè)的課程有所不同，它需要系統(tǒng)掌握一套理論，然后進行實踐驗證和思考，如果只講理論，沒有配套的實驗課程，教學效果會不理想。2）虛擬仿真網(wǎng)絡實驗室的建設可以提高教師教學水平。當代社會電子產(chǎn)品淘汰非常快，包括計算機網(wǎng)絡實驗設備，但理論基礎卻長期不變。如果沒有實驗室，教師也只能一再重復教學理論，不了解最新設備特點，知識不能及時更新，教師能力成長速度緩慢。3）實驗室的建設有利于提升學校科研能力。計算機網(wǎng)絡的科學研究很多都是在理論創(chuàng)新的基礎上進行實驗驗證，沒有實驗室就無法驗證，理論創(chuàng)新就無說服力，科研能力就得不到提高。由于現(xiàn)代社會對人才的需求越來越高，不但要求學生具備一定的知識，更要求學生具備一定的能力。需要把理論教學轉(zhuǎn)換為實際動手能力，只有在不斷的實驗中嘗試、摸索、更正后才能具備敏銳的觀察力和敏捷的判斷能力。

3結(jié)束語

通過計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗室的建設，構(gòu)建了一個高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，將網(wǎng)絡方面的理論知識通過軟件模擬來實現(xiàn)，將虛擬仿真軟件技術融入到計算機網(wǎng)絡實驗課程當中，對計算機網(wǎng)絡實驗課程建設起到了很好的推動作用，逐步形成完善的實驗教學體系，真正把理論轉(zhuǎn)化為實踐，把知識轉(zhuǎn)化成能力，從而滿足現(xiàn)代社會的需求，促進學生的就業(yè)，提升教師的科研能力。

作者：齊心史旅華楊亞會徐洪勝單位：湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院