陳曉文 熊曾剛 徐方

摘要：由于網(wǎng)絡(luò)工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件的要求較高，為了有效解決地方高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題，在深入研究網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)與思科Packet Tracer虛擬軟件各自的特點(diǎn)后，提出了基于虛擬環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在此虛擬平臺(tái)上，可以完成網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)驗(yàn)考核的需求，并有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和技術(shù)技能。通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，證明了此虛擬平臺(tái)的可用性與靈活性并不亞于網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境。

關(guān)鍵詞：虛擬環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)考核；包跟蹤

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）03-0148-02

Abstract： Due to the experimental teaching network engineering higher requirements for network hardware，In order to effectively solve the problem of lack of laboratory equipment in local colleges and universities， after in-depth study of the respective characteristics of network engineering and Cisco Packet Tracer virtual software， a network engineering experiment platform Based on virtual environment is proposed. In this virtual platform， you can complete network engineering professional network hardware experiment assessment needs， and help to improve students' innovative ability and technical skills. The actual experimental teaching practice proves that the availability and flexibility of this virtual platform is as good as the network hardware environment.

Key words： virtual environment； network engineering； experimental teaching； experimental evaluation； packet tracer

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層出不窮，網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)硬件的實(shí)驗(yàn)需求也在不斷提升。但由于高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)的不足，很多實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法跟上技術(shù)發(fā)展的腳步，落后、陳舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備極大影響了實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性。利用虛擬軟件模擬的虛擬環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以有效改善實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的現(xiàn)狀，而且更有利于通過虛擬環(huán)境對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果展開綜合性考核。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)均需要使用具有配置功能的高端設(shè)備，這些設(shè)備的價(jià)格相比普通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更高，而且這個(gè)設(shè)備隨時(shí)面臨升級(jí)換代的問題。因此高校在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室時(shí)，往往需要投入大量資金，并不斷追加，這些資金問題對(duì)于“985”等一本高校來說，可能不是太大的問題。但是對(duì)于國(guó)內(nèi)的很多地方二本院校而言，資金的持續(xù)投入是很難做到的。

由于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地及設(shè)備安裝的原因，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備往往以機(jī)柜形式進(jìn)行安裝，而這些實(shí)驗(yàn)的機(jī)柜往往又相對(duì)獨(dú)立，因此在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)只能按照教師提前針對(duì)機(jī)柜固有設(shè)備而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)往往不能自由搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，這個(gè)問題極大地限制了網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練要求，無法滿足學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 基于虛擬環(huán)境的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)屬于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)中實(shí)驗(yàn)性較強(qiáng)的一門課，為了解決上述提到的問題并完成專業(yè)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，目前地方高校在網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，已經(jīng)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)上廣泛開展了虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)有多種形式，目前使用較多的虛擬軟件是來自思科的PT（Packet Tracer）軟件。

2.1 PT軟件的介紹

PT是由思科針對(duì)思科網(wǎng)絡(luò)學(xué)院發(fā)布的一個(gè)虛擬學(xué)習(xí)軟件，該軟件為學(xué)習(xí)思科網(wǎng)絡(luò)課程的初學(xué)者去設(shè)計(jì)、配置、排除網(wǎng)絡(luò)故障提供了一個(gè)非常真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境。用戶可以在該軟件的圖形用戶界面上直接使用拖放的方法建立各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并可在此拓?fù)渖咸峁?shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中行進(jìn)的詳細(xì)處理過程，用戶可以觀察網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。同時(shí)用戶還可以練習(xí)思科交換機(jī)與路由器中IOS（Internetwork Operating System）的配置、鍛煉故障排查能力。該軟件可以充分彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備不足的尷尬，讓任何感興趣的用戶都可以無限制的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、實(shí)踐，并學(xué)會(huì)思科網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用與故障的排除。

2.2 網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)涉及的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)主要集中在交換機(jī)與路由器的相關(guān)技術(shù)上。由于前面提到的問題，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)任務(wù)主要圍繞交換機(jī)與路由器兩類設(shè)備展開。在交換機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有交換機(jī)端口配置、VLAN（Virtual Local Area Network）劃分、VLAN互訪等；在路由器上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有路由器端口配置、靜態(tài)路由配置、動(dòng)態(tài)路由RIP（Routing Information Protocol）與OSPF（Open Shortest Path First）配置、NAT（Network Address Translation）配置等。這些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中，由于機(jī)柜與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備位置固定等原因，一般只能獨(dú)立進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。這個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很難融合在一起進(jìn)行綜合組網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

在傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境中擴(kuò)展使用PT之后，目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)更加全面且靈活。新的教學(xué)目標(biāo)圍繞PT虛擬平臺(tái)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)工程的相關(guān)能力要求進(jìn)行了全面的擴(kuò)展。目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)除了可以完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)，還可以通過PT提供的虛擬環(huán)境，在交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)STP（Spanning Tree Protocol）配置、以太端口聚合、VoIP（Voice over Internet Protocol）應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)教學(xué)；在路由器上實(shí)現(xiàn)HSRP（Hot Standby Router Protocol）應(yīng)用、VPN（Virtual Private Network）應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過基于PT的虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)綜合性更強(qiáng)、更實(shí)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，通過這個(gè)虛擬的平臺(tái)可以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)交換機(jī)與路由器的綜合應(yīng)用能力，并能通過此平臺(tái)最終考核學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)工程相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的掌握水平。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M的設(shè)備

在PT環(huán)境中，可以模擬網(wǎng)絡(luò)工程應(yīng)用中使用的各類設(shè)備，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要使用的路由器型號(hào)為2811、二層交換機(jī)型號(hào)為2960、三層交換機(jī)型號(hào)為3560。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)

3.3.1 核心層與匯聚層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

核心層與匯聚層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是整個(gè)虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)，為了充分發(fā)揮PT軟件虛擬的功能，并滿足網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)的需求，在經(jīng)過大量實(shí)踐與不斷改進(jìn)后，目前我校網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)所采用的拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1中分部1與分部2的路由器用于模擬企業(yè)網(wǎng)的兩個(gè)分部，位于互聯(lián)網(wǎng)的不同地方，這兩個(gè)路由器上可以考核學(xué)生對(duì)VPN應(yīng)用的掌握情況；Internet路由器模擬互聯(lián)網(wǎng)，用于網(wǎng)絡(luò)功能及應(yīng)用的測(cè)試，例如檢測(cè)NAT、路由配置結(jié)果等；三層交換機(jī)A、B、C分別是分部1的核心層交換機(jī)，其中A與B、B與C分別通過冗余線路連接，用于考核學(xué)生對(duì)以太端口聚合應(yīng)用的掌握情況；三層交換機(jī)C用于模擬宿舍區(qū)的核心網(wǎng)絡(luò)；三層交換機(jī)D用于模擬分部2的核心網(wǎng)絡(luò)；部門1到部門5使用二層交換機(jī)2960，用以匯聚接入層的信息節(jié)點(diǎn)，這些信息節(jié)點(diǎn)不僅包括各類計(jì)算機(jī)、筆記本、移動(dòng)設(shè)備，還包括各類語音設(shè)備，例如思科的語音電話7960及模擬語音電話；服務(wù)器集群區(qū)域的交換機(jī)用于連接模擬的各類服務(wù)器，例如DNS、Web、FTP、DHCP等服務(wù)器，這部分模擬可以考核學(xué)生對(duì)服務(wù)器關(guān)鍵參數(shù)配置的能力，其中連接的Call Manager路由器使用2811型號(hào)，用于進(jìn)行VoIP的管理，這部分可以考核學(xué)生對(duì)VoIP的綜合應(yīng)用能力；這些核心層與匯聚層設(shè)備通過多條冗余線路構(gòu)成了各種網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些冗余線路可以考核學(xué)生對(duì)STP、HSRP、VLAN負(fù)載均衡等應(yīng)用的綜合能力。

3.3.2 接入層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

接入層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要指是匯聚層的部門交換機(jī)下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其拓?fù)鋱D如圖2所示。

在圖2中，各部門交換機(jī)下面可以根據(jù)需要接入各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如PC機(jī)、筆記本、移動(dòng)設(shè)備、語音電話、模擬電話、無線接入點(diǎn)、無線路由器等。此圖只是眾多實(shí)驗(yàn)方案中的一種，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以自己的設(shè)計(jì)想法，加入其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如使用二層交換機(jī)拓展網(wǎng)絡(luò)、使用光纖延伸網(wǎng)絡(luò)距離等。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要用于考核學(xué)生對(duì)接入層設(shè)備的應(yīng)用能力，例如IP地址分配、VLAN劃分、VLAN互訪、VoIP應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)等，也可以考核學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力。

3.3.3 服務(wù)器集群區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

服務(wù)器集群區(qū)域的模擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，此圖中模擬了三類常見的服務(wù)器：WEB、DNS、DHCP。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以根據(jù)需要擴(kuò)展其他類型的服務(wù)器，通過這些模擬的服務(wù)器，可以考核學(xué)生對(duì)服務(wù)器核心參數(shù)的配置能力；服務(wù)器集群區(qū)域的交換機(jī)通過冗余線路與核心層交換機(jī)A、B構(gòu)成了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步考核學(xué)生對(duì)IP地址分配、路由設(shè)計(jì)、VLAN劃分、負(fù)載均衡等技術(shù)的綜合能力。

4 結(jié)束語

通過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，并結(jié)合PT模擬軟件的功能及地方高校硬件條件不足的情況，本文摸索出了一個(gè)基于虛擬環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過這個(gè)平臺(tái)的應(yīng)用，目前我校可以在硬件實(shí)驗(yàn)條件不完善的條件下，圓滿完成網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，并能通過這個(gè)虛擬平臺(tái)，較為全面的檢驗(yàn)學(xué)生實(shí)際掌握的能力及水平，充分發(fā)揮了學(xué)生的動(dòng)手能力及創(chuàng)新思維。由于PT軟件功能的局限，目前防火墻設(shè)備的模擬還不能夠完全實(shí)現(xiàn)，此虛擬平臺(tái)還不能夠完全實(shí)現(xiàn)防火墻功能的考核任務(wù)，這部分技能的考核仍將使用網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)驗(yàn)室的防火墻設(shè)備進(jìn)行。

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