李 楠 孫鳳茹 張華衛(wèi)

(1蘭州交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與科學(xué)技術(shù)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730070；2蘭州城市學(xué)院商學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課程，理論概念多、抽象性強(qiáng)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的重要環(huán)節(jié)，主要研究相關(guān)技術(shù)的具體實(shí)踐操作過程，減少學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)所產(chǎn)生的枯燥情緒和厭惡感，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)、提高他們的實(shí)際動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力[1-2]。

高校的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)知識(shí)面廣，如果要確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面性和透徹性，通常需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而這些設(shè)備造價(jià)高，維護(hù)費(fèi)用昂貴，如果相關(guān)專業(yè)的學(xué)生數(shù)量不多的話，勢必會(huì)造成設(shè)備的長期閑置，降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率；另外真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；同時(shí)很多網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)都會(huì)對(duì)真正的局域網(wǎng)絡(luò)造成一定的影響，甚至是危害[3]。

正因?yàn)檎鎸?shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備存在缺陷，本文將以思科的Packet Tracer軟件為實(shí)例，介紹虛擬仿真軟件的主要功能、特點(diǎn)等，并以“三層交換機(jī)和路由器的RIP協(xié)議”實(shí)驗(yàn)為例，詳述虛擬仿真軟件的使用方法，最后提出基于虛擬仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 Packet Tracer軟件及特點(diǎn)

1.1 Packet Tracer軟件簡介

Packet Tracer是Cisco公司針對(duì)CCNA和CCNP認(rèn)證開發(fā)的一個(gè)用來設(shè)計(jì)、配置和排除網(wǎng)絡(luò)故障的模擬器，Packet Tracer軟件允許創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、配置相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并提供數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中處理的詳細(xì)過程，以便觀察網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。該軟件使用方便，既可以安裝在個(gè)人電腦上，也可以通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多人的交互學(xué)習(xí)[4-5]。

1.2 Packet Tracer軟件的主要功能

Packet Tracer網(wǎng)絡(luò)模擬器軟件能夠使學(xué)生對(duì)所研究的問題做出分析，為學(xué)生提供模擬、可視化、設(shè)計(jì)、制作及評(píng)估等功能，從而使學(xué)生能夠深刻理解抽象的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論[6]。主要功能如下：

1）模擬實(shí)際設(shè)備的硬件。進(jìn)入模擬器環(huán)境，就如同操作真實(shí)設(shè)備一樣，也包括設(shè)備模塊和面板顯示，安裝模塊需要“Power off”（斷電）。

2）模擬器支持報(bào)文分析功能。通過對(duì)Packet Tracer報(bào)文分析功能的使用能夠使學(xué)生掌握具體的通信原理，該模擬器支持應(yīng)用層協(xié)議、傳輸層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議等各個(gè)層次、各種功能的協(xié)議。

3）支持新一代的IPV6技術(shù)和無線系統(tǒng)。

4）繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D功能。

1.3 Packet Tracer的特點(diǎn)

1）仿真效果好。

在設(shè)備界面上，Packet Tracer不但能夠模擬真實(shí)設(shè)備的外觀，還能夠模擬設(shè)備所添加的各種模塊的外觀；在交互界面上，具有與真實(shí)設(shè)備相同的命令行輸入窗口；在實(shí)際的操作過程中，Packet Tracer還模擬了真實(shí)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要的各種操作規(guī)程，如必須斷電后才能更換功能模塊、系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的自檢過程、數(shù)據(jù)包傳輸?shù)难訒r(shí)現(xiàn)象等。

2）兩種工作模式的靈活切換

Packet Tracer主界面的右下角有兩個(gè)切換模式，分別是實(shí)時(shí)模式（Real-time Mode）和模擬模式（Simulation Mode）。實(shí)時(shí)模式（Real-time Mode）模擬了真實(shí)物理設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際運(yùn)行情況，讓用戶能夠體驗(yàn)真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行過程和執(zhí)行效率；而模擬模式（Simulation Mode）則是通過模擬面板控制虛擬環(huán)境的運(yùn)轉(zhuǎn)，以單步執(zhí)行的方式或以指定的速度自動(dòng)執(zhí)行操作，甚至可以根據(jù)需要隨時(shí)暫停或返回上一個(gè)執(zhí)行狀態(tài)，以人們可以理解的方式展現(xiàn)出來。

3）兩個(gè)工作區(qū)的交互選擇

Packet Tracer提供兩個(gè)可相互切換的工作區(qū)：邏輯工作區(qū)（Logical）與物理工作區(qū)（Physical）。邏輯工作區(qū)是主要工作區(qū)，在該區(qū)域里面完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯連接及配置；物理工作區(qū)則提供了辦公地點(diǎn)（城市、辦公室、工作間等）和設(shè)備的直觀圖，也可以對(duì)它們進(jìn)行相應(yīng)配置。

4）節(jié)約成本。

以“單臂路由”實(shí)驗(yàn)為例，一套真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備購置需要花費(fèi)2萬元。而引入Packet Tracer后，同樣可以完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，卻減少了對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用頻率，節(jié)約了購置資金，降低了實(shí)驗(yàn)成本，更重要的是，節(jié)省了維護(hù)管理成本。

5）方便靈活

利用虛擬仿真軟件Packet Tracer進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，Packet Tracer還能夠?qū)?shí)驗(yàn)的環(huán)境以文件形式加以保存，當(dāng)文件重新打開后，立刻還原到上一次的狀態(tài)，無需進(jìn)行初始化，節(jié)省了大量時(shí)間。

2 基于Packet Tracer的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)分為協(xié)議分析實(shí)驗(yàn)、交換實(shí)驗(yàn)、路由實(shí)驗(yàn)等，本文以典型的“三層交換機(jī)和路由器RIP協(xié)議”實(shí)驗(yàn)為例，說明Packet Tracer在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

圖1 三層交換和路由器的RIP協(xié)議配置實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

首先在Packet Tracer工作區(qū)中以拖放的方式選定所需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并連線，形成如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。所有設(shè)備的端口選擇及相應(yīng)IP地址分配如表1所示。本實(shí)驗(yàn)實(shí)施時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

1）路由器和主機(jī)相連時(shí)，需要使用交叉線；

2）在串口上配置時(shí)鐘頻率時(shí)，一定要在電纜DCE端的路由器上配置，否則鏈路不通；

3）三層交換機(jī)沒有no auto-summary命令；

4）PC網(wǎng)關(guān)一定要指向直連接口IP地址，例如PC1網(wǎng)關(guān)指向三層交換機(jī)VLAN50的IP地址。

表1 RIP協(xié)議配置設(shè)備端口及IP地址分配

此實(shí)驗(yàn)最終可以驗(yàn)證，院內(nèi)外的主機(jī)PC1和PC2之間可以自由通信，同時(shí)三層交換機(jī)和路由器均可以學(xué)習(xí)到完整的路由信息。

3 構(gòu)建基于虛擬仿真軟件技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)體系

由于高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更新速度無法滿足計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，同時(shí)設(shè)備維護(hù)的復(fù)雜性，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)有必要在以真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為主的前提下，將虛擬仿真軟件應(yīng)用到實(shí)際中，加以補(bǔ)充和完善。

4 結(jié) 語

自2014年以來，蘭州交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在《網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)過程中，在傳統(tǒng)的銳捷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用Packet Tracer虛擬軟件加以補(bǔ)充，效果明顯。

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