邊勝琴, 王建萍, 崔曉龍

(北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院， 北京 100083)

·實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與科學(xué)管理·

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

邊勝琴, 王建萍, 崔曉龍

(北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院， 北京 100083)

高校實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生進(jìn)行工程素質(zhì)教育和實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要基地，在人才培養(yǎng)過程中占有重要地位。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)從專業(yè)建設(shè)、實(shí)際需求和技術(shù)發(fā)展的角度出發(fā)，合理安排，全方位考慮，兼顧實(shí)用性和先進(jìn)性，穩(wěn)定性和開放性，既保證了日常教學(xué)的正常進(jìn)行，又延緩了設(shè)備的更換周期。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法也隨著實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不斷改進(jìn)，展現(xiàn)技術(shù)發(fā)展方向，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)，提高設(shè)備使用率，在實(shí)踐應(yīng)用中取得了良好的效果。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和開放式教學(xué)模式的探索，將理論教學(xué)和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才奠定了基礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)； 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 創(chuàng)新能力

0 引 言

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》是高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的主干課程之一，理論性強(qiáng)、知識(shí)面寬、應(yīng)用廣泛，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)的出現(xiàn)，知識(shí)點(diǎn)不斷增加，內(nèi)容抽象，理論教學(xué)面臨很大的難度。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，可以為學(xué)生提供真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其應(yīng)用環(huán)境，配置和調(diào)試設(shè)備，搭建各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)、管理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)技能，加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)的理解與應(yīng)用，從而達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)懂、建、管、用的教學(xué)目標(biāo)[1]。

我校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室成立于2006年，能滿足1個(gè)自然班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及實(shí)驗(yàn)人數(shù)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的增加，在2015年本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備修購(gòu)任務(wù)中，添加一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，與原有設(shè)備一起使用，能同時(shí)滿足2個(gè)自然班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。新舊實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，管理平臺(tái)的擴(kuò)充，以及與其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備的兼容，使得實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和規(guī)劃變得尤其重要。

1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)

1.1 因地制宜規(guī)劃實(shí)驗(yàn)環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源不足曾是制約課程建設(shè)的最大障礙，① 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備價(jià)格昂貴，資金受限；② 實(shí)驗(yàn)室面積有限，需要合理規(guī)劃，才能既滿足教師授課需求，有利于學(xué)生分組動(dòng)手操作。由于計(jì)算機(jī)專業(yè)轉(zhuǎn)入的學(xué)生人數(shù)較多，轉(zhuǎn)出的人數(shù)較少，班級(jí)容量逐漸增大，原有實(shí)驗(yàn)室容量已經(jīng)不滿足實(shí)際需求，這次實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對(duì)臺(tái)式機(jī)容量進(jìn)行了擴(kuò)充，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室后面放置6組機(jī)柜，計(jì)算機(jī)的“校園網(wǎng)”網(wǎng)卡與相應(yīng)機(jī)柜的管理設(shè)備綁定，計(jì)算機(jī)的“網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)”網(wǎng)卡延伸到機(jī)柜的網(wǎng)絡(luò)配線架上。

1.2 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)用性和先進(jìn)性

設(shè)備選型前與任課教師進(jìn)行了商討，根據(jù)我校計(jì)算機(jī)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和發(fā)展方向，任課教師提出新設(shè)備需要滿足邊界路由協(xié)議BGP和下一代互聯(lián)網(wǎng)IPV6協(xié)議的開展，所以每組機(jī)柜增設(shè)了RSR3044型號(hào)路由器2臺(tái)；同時(shí)在設(shè)備廠商的聯(lián)系下，參觀了北京語(yǔ)言大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，就實(shí)際建設(shè)中的一些問題請(qǐng)教了相關(guān)的負(fù)責(zé)教師。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生都是零基礎(chǔ)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，為了避免學(xué)生無意操作，引起設(shè)備端口的損害，實(shí)驗(yàn)機(jī)柜繼續(xù)采用配線架接線，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部分端口，引到配線架上，學(xué)生采用跳線在配線架上組建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，節(jié)省了設(shè)備維護(hù)成本。

1.3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的穩(wěn)定性和開放性

由于實(shí)驗(yàn)課程安排緊密，學(xué)生誤操作較多，為了保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)正常運(yùn)行，要求實(shí)驗(yàn)室環(huán)境穩(wěn)定可靠，盡可能采用主流的產(chǎn)品和主流方案[2-7]，減少故障發(fā)生頻率和處理的時(shí)間；同時(shí)，系統(tǒng)具有開放性，能夠兼容其他品牌的設(shè)備，易于和各種公用網(wǎng)絡(luò)連接，支持的協(xié)議類型豐富、配置靈活，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展能夠不斷升級(jí)。實(shí)驗(yàn)室主要采用的是銳捷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還有部分思科的交換機(jī)和防火墻，這兩種設(shè)備的配置命令十分相似，能夠代表先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是工業(yè)界的主流產(chǎn)品，并且能夠在一個(gè)管理機(jī)架下正常工作不產(chǎn)生干擾。

1.4 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的多樣性和完備性

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)要立足現(xiàn)在，放眼未來，滿足社會(huì)對(duì)信息技術(shù)發(fā)展的需求，既可以模擬寬帶數(shù)據(jù)城域網(wǎng)，以及大型園區(qū)的組網(wǎng)方式，又可以構(gòu)建各種類型的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；還要考慮不同廠家，不同技術(shù)的融合，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有復(fù)雜性和多樣性的特點(diǎn)[3-10]。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)該具有完備性，覆蓋網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)層面，給學(xué)生提供真實(shí)的數(shù)據(jù)環(huán)境；滿足各類課程的驗(yàn)證性、綜合性、和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含接入層路由器、核心路由器、二層交換機(jī)、三層交換機(jī)、防火墻、VPN、無線網(wǎng)卡等，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，接觸多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)施方案

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室以小組為單位，成立了12個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。每組實(shí)驗(yàn)臺(tái)由1臺(tái)設(shè)備控制服務(wù)器(簡(jiǎn)稱RCMS)、4～6臺(tái)路由器、2臺(tái)二層交換機(jī)、2臺(tái)三層交換機(jī)和6臺(tái)雙網(wǎng)卡計(jì)算機(jī)組成，功能型實(shí)驗(yàn)臺(tái)添加了無線、安全、語(yǔ)音等模塊，可以完成相應(yīng)的擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)。設(shè)備控制服務(wù)器(簡(jiǎn)稱RCMS)通過八爪線連接8～10臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置端口，能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備集中管理，以及設(shè)備的初始化操作，方便老師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行管理、監(jiān)督和檢驗(yàn)。

每組實(shí)驗(yàn)臺(tái)相對(duì)獨(dú)立，組與組之間的成員不會(huì)互相干擾，避免了組成員之間誤操作帶來的傷害[8-11]。組內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以任意組合，既可以單獨(dú)使用，也可以組建小型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；如果模擬大型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，還可以解除組與組的訪問控制，實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間設(shè)備的組合。

交換機(jī)能夠模擬構(gòu)建三層模式網(wǎng)絡(luò)，滿足VLAN、RSTP、ACL、VRRP等實(shí)驗(yàn)的需求。

路由器的功能要求，含2個(gè)同步串行接口，支持以太口或串口兩種連接方式，能模擬FrameRelay、VPN、NAT、QoS等廣域網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。圖1為實(shí)驗(yàn)室拓?fù)洹?/p>

按照功能劃分成學(xué)生區(qū)、教師區(qū)、服務(wù)器區(qū)、出口區(qū)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)區(qū)等部分，教師區(qū)是管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的教師用機(jī)，通過一套教學(xué)管理軟件可以實(shí)現(xiàn)排課、監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程等功能；服務(wù)器區(qū)由Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器等組成，為學(xué)生提供一個(gè)平臺(tái)，可以通過校園網(wǎng)訪問網(wǎng)路實(shí)驗(yàn)室；出口區(qū)通過防火墻和校園網(wǎng)連接，學(xué)生在宿舍區(qū)也可以遠(yuǎn)程配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；實(shí)驗(yàn)教學(xué)區(qū)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集中存放的區(qū)域，一共12組，是網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心區(qū)域。學(xué)生區(qū)按照網(wǎng)絡(luò)布線也分成12組，每組6臺(tái)電腦，每臺(tái)電腦配有兩塊網(wǎng)卡：網(wǎng)卡1命名為校園網(wǎng)，網(wǎng)卡2 命名為網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。通過校園網(wǎng)這塊網(wǎng)卡，可以連接相應(yīng)的訪問控制服務(wù)器(RCMS)，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行操作；通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)這塊網(wǎng)卡，設(shè)置成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需地址，可以完成實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，如圖2所示，實(shí)線代表校園網(wǎng)環(huán)境，虛線代表實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D。

圖1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室拓?fù)鋱D

圖2 學(xué)生區(qū)電腦的雙網(wǎng)卡連接方式

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通常分為：① 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作原理、性能參數(shù)、選擇方法；② IP地址的分配與聚合設(shè)計(jì)控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的廣播流量；③ 交換機(jī)的性能提升技術(shù)(堆疊、鏈路聚合)；④ 交換網(wǎng)絡(luò)中的冗余鏈路；⑤ IP子網(wǎng)間的理由技術(shù)(靜態(tài)路由、默認(rèn)理由、動(dòng)態(tài)路由)；⑥ 網(wǎng)絡(luò)訪問安全性技術(shù)(交換機(jī)端口安全、訪問控制列表、加密傳輸、鏈路管理認(rèn)證技術(shù))；⑦ 常見網(wǎng)絡(luò)故障分析與處理[12-13]。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境和開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將一些簡(jiǎn)單的不用連線的實(shí)驗(yàn)，作為預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，在開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下完成，比如：路由器、交換機(jī)的基本操作，單個(gè)交換機(jī)劃分虛擬局域網(wǎng)，常用網(wǎng)絡(luò)命令的熟悉和抓包軟件的使用等；課內(nèi)必修實(shí)驗(yàn)主要有8個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涉及交換機(jī)組網(wǎng)、路由技術(shù)、常用報(bào)文分析、傳輸層協(xié)議機(jī)制分析等部分，要求在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上完成，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題和解決辦法進(jìn)行總結(jié)，教師和實(shí)驗(yàn)室老師在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行指導(dǎo)并現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)；一些擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如IPV6、負(fù)載均衡、VPN設(shè)置、無線網(wǎng)絡(luò)等，為對(duì)網(wǎng)路感興趣的同學(xué)提供，他們既可通過開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)踐，也可到實(shí)驗(yàn)室預(yù)約，進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表1。

4 開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備匱乏、場(chǎng)地有限、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一等因素，實(shí)驗(yàn)室設(shè)置了Web和FTP服務(wù)器，教師定期更新和管理網(wǎng)站內(nèi)容，進(jìn)行信息發(fā)布，并提供相關(guān)課件和軟件的下載；在Web網(wǎng)頁(yè)上有實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程登錄的連接，方便學(xué)生遠(yuǎn)程訪問實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也會(huì)不斷調(diào)整和更新。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都配置了無線路由，方便學(xué)生使用筆記本的連接網(wǎng)路。

開放性實(shí)驗(yàn)的開展在一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)資源緊張的問題，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)室資源的使用效率，增加了學(xué)生實(shí)踐的機(jī)會(huì)，大大提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，而且方便學(xué)生社團(tuán)和興趣小組活動(dòng)。另外，實(shí)驗(yàn)室開放，為學(xué)生提供了一個(gè)自主學(xué)習(xí)的寬松環(huán)境，使學(xué)生能夠根據(jù)自身的興趣和愛好，最大限度地挖掘自身潛能，不斷提高實(shí)踐能力；任課教師可以方便地熟悉實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，進(jìn)行備課或者課堂演示。

在學(xué)生對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的熟悉和熟練應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室的FTP服務(wù)器提供多種網(wǎng)絡(luò)模擬軟件的下載，借助網(wǎng)絡(luò)仿真軟件Cisco Packet Tracer、NetRiver、NS2(Network Simulator)等學(xué)生可以進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的搭建和學(xué)習(xí)。校園網(wǎng)、銀行、醫(yī)院、電子商務(wù)等部門，不同需求其解決的方案也不同，反映到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中，設(shè)備的選型和線路的配置也不同，學(xué)生根據(jù)自己的興趣或特長(zhǎng)，針對(duì)具體安全的需求，自主設(shè)計(jì)實(shí)施方案，在仿真軟件上模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，完成設(shè)備選型、配置、測(cè)試等操作，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

5 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室利用暑假一個(gè)月的時(shí)間完成建設(shè)目標(biāo)，并于2015～2016學(xué)年第一學(xué)期投入正常使用，實(shí)現(xiàn)了2個(gè)自然班同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際需求，開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用和教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量大大提高，但是教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式還需不斷改進(jìn)、不斷完善，在實(shí)踐教學(xué)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生解決問題的能力。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)又有其獨(dú)特的方法，與其他學(xué)科既有聯(lián)系又有區(qū)別，包括觀察、實(shí)驗(yàn)、實(shí)施、測(cè)試、查錯(cuò)和對(duì)比，以及理論分析、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、測(cè)試分析，綜合驗(yàn)證等，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注意教學(xué)方法的總結(jié)和改進(jìn)，才能有效地提高教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理逐漸信息化、網(wǎng)絡(luò)化和開放化，最大限度地實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享，才能實(shí)現(xiàn)高等教育和教學(xué)的人性化、定制化，才能培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和潛能，真正實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育，提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量和核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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Construction of Computer Network Laboratory and Reform of Experimental Teaching

BIANShengqin,WANGJianping,CUIXiaolong

(School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

University laboratory is an important base for students to carry out engineering quality education and practical ability training, and plays an important role in the process of personnel training. The construction of computer network laboratory should start with the perspective of professional construction, actual demand and technology development, should reasonably arrange and fully consider the practical requirement and advanced instrument, stability and openness. It should ensure the normal teaching and delay the replacement cycle of equipment. Experimental teaching content and teaching methods also should be improved with the construction of laboratory, showing the technology development and the direction of new experimental projects, improving students' learning interest and increasing the students' mobile. It was also important to increase the utilization rate of equipment. Good results have been achieved in practice. The exploration of laboratory construction and open teaching mode should combine theory teaching with practice application, and training high quality talents with innovative consciousness and innovative ability.

computer network; laboratory construction; experimental teaching; innovation ability

2016-08-15

2015年北京科技大學(xué)教改項(xiàng)目(JG2015M29)

邊勝琴(1977-)，女，河北保定人，博士，工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。Tel.：010-62334983；E-mail：xiaobian@ustb.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)02-0259-04