周彬 陸軍 宿敬肖 伊瑞敏 侯樂樂

（河北工程技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信學(xué)院，河北 石家莊 050091）

當前熱門的技術(shù)包括云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)與人工智能等都是以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此計算機網(wǎng)絡(luò)的重要性是顯而易見的。計算機網(wǎng)絡(luò)是我校電子信息工程專業(yè)群重要的專業(yè)課，目的是讓學(xué)生對計算機網(wǎng)絡(luò)知識有一個較為全面、系統(tǒng)、扎實地掌握，為學(xué)習其他課程以及從事計算機網(wǎng)絡(luò)的研究、開發(fā)、管理和使用打下堅實的基礎(chǔ)。但是這門課程本身理論較為抽象、綜合性強同時對實踐要求高，但網(wǎng)絡(luò)實驗涉及多種昂貴、維護成本較高并且更新?lián)Q代速度快的設(shè)備，這使得學(xué)校需要投入大量的資金建設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室，即使如此也不可能每個學(xué)生都充分完成實驗的要求，并且網(wǎng)絡(luò)實驗室的管理也較為困難。而采用仿真軟件，學(xué)生可以在高仿真環(huán)境中學(xué)習網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理、調(diào)試以及網(wǎng)絡(luò)的組建與維護等實驗，并且可以反復(fù)練習不受到時間地點的限制，一方面大大降低了網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備的投入和網(wǎng)絡(luò)實驗室管理的難度，另一方面 有助于學(xué)生理解書本中的理論知識和培養(yǎng)其分析問題解決問題的能力，同時提高了課堂教學(xué)的效果。

一、仿真軟件簡介

（一）Packet Tracer

Packet Tracer是Cisco公司主要針對CCNA和CCNP認證考試開發(fā)的一款強大的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件。其提供集線器、交換機、路由、PC機等虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使得使用者無須購買真實的昂貴的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，便可在圖形化的界面上，采用直接拖曳的方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲，進而模擬搭建計算機網(wǎng)絡(luò)，并且通過計算機程序模仿網(wǎng)絡(luò)的通信過程。Packet Tracer可以采用實時（Real-time）或者模擬（Simulation）兩種模式觀察數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和處理過程。支持使用者自主搭建網(wǎng)絡(luò)模型，為設(shè)置、配置與排除網(wǎng)絡(luò)故障提供實驗平臺，有助于使用者掌握網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜技術(shù)概念，鍛煉使用者的網(wǎng)絡(luò)架設(shè)以及網(wǎng)絡(luò)排錯的能力[1]。

（二）eNSP

企業(yè)仿真網(wǎng)絡(luò)平臺（enterprise Network Simulation Platform， eNSP）是由華為公司推出的一款免費的網(wǎng)絡(luò)仿真工具平臺，并且提供便捷的圖形化操作界面，讓用戶能夠更加簡單地進行操作。主要對華為網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機、防火墻、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行軟件仿真，可以實現(xiàn)對真實網(wǎng)絡(luò)場景的仿真和模擬，使眾多華為數(shù)通技術(shù)的初學(xué)者有機會在沒有真實設(shè)備的情況下能夠模擬演練，學(xué)習網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，該軟件自帶豐富的使用教程，通過該軟件可完成華為網(wǎng)絡(luò)工程師初級（HCNA）、中級（HCNP）、高級（HCIE）的絕大部分實驗，是國產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的佼佼者。

（三）GNS3

GNS3是一款具有圖形化的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，可以運行在多平臺（包括Windows， Linux， MacOS等）上，能夠仿真模擬出復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，為從事網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工作以及想通過CCNA， CCNP，CCE等Cisco認證考試的人員提供模擬度較高的實驗操作。同時GNS3是開源的，能夠進行全真模擬實驗，也可以虛擬體驗Cisco網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)IOS或者是檢驗將要在真實的路由器上部署實施的相關(guān)配置。

二、仿真軟件在計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用及意義

（一）利用仿真軟件實現(xiàn)實驗與理論的有機結(jié)合

計算機網(wǎng)絡(luò)課程的理論知識抽象，同時應(yīng)用性又非常強，為了使學(xué)生能夠有效地進行實驗學(xué)習，教師應(yīng)該充分利用課堂教學(xué)實踐，將抽象晦澀難懂的理論知識轉(zhuǎn)化成簡單易懂的想象知識呈現(xiàn)出來。教學(xué)實踐結(jié)果表明，F(xiàn)lash動畫能夠?qū)崿F(xiàn)較好的教學(xué)效果，也有助于提升計算機網(wǎng)絡(luò)課程的理論教學(xué)水平，然而一方面Flash動畫的制作需要教師投入更多的時間和精力，另一方面也不是每個教師都能夠制作出完美的動畫課件，而Packet Tracer工作方式中的模擬方式可以很好地解決這個問題。比如在解釋動態(tài)主機配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol， DHCP） 時，在Packet Tracer搭建相應(yīng)的實驗拓撲，并應(yīng)用其模擬方式，用來直觀展示計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)施數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收的整個環(huán)節(jié)。再比如在講解地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）時也可以運用Packet Tracer仿真軟件輕松直觀地看到數(shù)據(jù)傳輸過程。

（二）充分發(fā)揮仿真軟件的整合功能

通過仿真軟件既可以整合一個學(xué)校機房的相關(guān)資源，又可以使得學(xué)生打破時間和地域的限制，在一定的范圍內(nèi)進行設(shè)計型、創(chuàng)新型、不易實施的實驗。比如在講解路由選擇協(xié)議時，開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（Open Shortest Path First，OSPF）是一種基于鏈路狀態(tài)的分布式路由協(xié)議，屬于內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。在學(xué)習了關(guān)于OSFP的理論知識之后學(xué)生還是一頭霧水，可以通過實驗來理解OSPF協(xié)議。但是要完成OSPF實驗，至少需要4臺路由器，2臺交換機，4臺終端主機。對于學(xué)校來說這樣的硬件需要是比較高的，尤其是想讓每一位學(xué)生都能夠做實驗更是遠遠不夠的，然而通過仿真軟件則在一臺主機上就可以實現(xiàn)這一要求，在學(xué)校的機房學(xué)生每人一臺計算機，運行仿真軟件就可以獨立地完成相應(yīng)的拓撲搭建和組網(wǎng)配置，驗證OSPF路由協(xié)議報文，并可以分析結(jié)果。

通過仿真軟件，既能夠滿足實驗的靈活性和有效性的要求，又可節(jié)約實驗成本和資源消耗。通過仿真軟件既可以省去線纜接續(xù)問題或硬件設(shè)備穩(wěn)定性問題帶來的教學(xué)進度的影響，又可以提高學(xué)生的學(xué)習效率和教師的教學(xué)效率。

三、實驗項目設(shè)計

為了讓學(xué)生能更好地理解理論知識，根據(jù)我校計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)大綱和實驗課程的學(xué)時安排，可以設(shè)計包括OSFP實驗在內(nèi)的4個實驗。

設(shè)備管理實驗：本實驗是基礎(chǔ)，為后續(xù)的實驗操作做鋪墊。其目的是對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換機和路由器進行基礎(chǔ)調(diào)試包括操作模式、初始管理、接口管理、配置管理等，通過仿真實驗了解常用的操作命令，掌握接口的IP地址的配置方法。

RIP實驗：本實驗的目的是配置路由信息協(xié)議（Routing Information Protocol， RIP），并分析它的特性。在本次實驗中，學(xué)生將建立一個網(wǎng)絡(luò)（使用RIP的）拓撲，查看任意一個路由器產(chǎn)生的路由表；使用分組網(wǎng)間探測PING（Packet InterNet Groper）來測試兩個路由器之間的連通性；觀察網(wǎng)絡(luò)故障對RIP協(xié)議的影響。

TCP實驗：本實驗的目的是演示TCP的連接管理。實驗中學(xué)生將搭建實驗拓撲，其中R1模擬客戶端，R2模擬服務(wù)器。通過抓包，分析TCP報文頭部和三次握手連接建立原理；當連接建立后，可以進一步驗證TCP的可靠傳輸功能；對分組中收到FIN結(jié)束位以及ACK確認位分析四次揮手拆除連接的過程。

VLAN實驗：本實驗的目的是讓學(xué)生靈活掌握VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng)）的相關(guān)知識點，掌握VLAN技術(shù)配置，理解VLAN的功能。在本實驗中，學(xué)生創(chuàng)建實驗拓撲，模擬基于跨交換機VLAN的劃分。進一步分析得出在不同交換機的相同VLAN之間能夠相互進行通信，而不同的VLAN處于不同的廣播域，相互隔離，不能通信。

這4個實驗?zāi)軌蚩傮w上涵蓋計算機網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)的重點，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和原理的理解，并且鍛煉了學(xué)生的實踐能力。

四、結(jié)束語

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種仿真軟件不斷運用于計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，大大提高了教學(xué)水平和教學(xué)成效。眾所周知，計算機網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的基礎(chǔ)，相比于其他課程，它要求教師在講授理論知識的前提下，注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和動手能力，進一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，這樣才能更有效地提高教學(xué)效果，進而為培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型專業(yè)型人才奠定堅實的基礎(chǔ)。