劉進(jìn) 楊力 王宗武 孫翠娟

關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)；虛擬仿真實驗系統(tǒng)；自主創(chuàng)新；綜合實踐能力

計算機網(wǎng)絡(luò)作為高等院校信息類專業(yè)本科生的必修課程，是一門理論性、綜合性和實踐性都很強的學(xué)科。計算機網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容包括抽象的概念和繁多的協(xié)議，很難僅僅通過理論教學(xué)來引導(dǎo)學(xué)生理解并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)體系模型，從而導(dǎo)致學(xué)生無法靈活運用所學(xué)理論知識來解決實際的網(wǎng)絡(luò)工程問題。因此，該課程對學(xué)生的實踐能力提出了較高的要求[1-2]。目前，計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)普遍采用線下教學(xué)方式開展。由于線下實驗時間和場地固定，導(dǎo)致學(xué)生在完成網(wǎng)絡(luò)理論知識學(xué)習(xí)后無法及時進(jìn)行實驗驗證，理論學(xué)習(xí)與實踐環(huán)節(jié)之間產(chǎn)生嚴(yán)重脫節(jié)。此外，由于線下實驗設(shè)備型號和數(shù)量受限，導(dǎo)致部分實驗內(nèi)容只能通過分組方式開展，部分學(xué)生無法實際操作設(shè)備完成實驗[3-4]。

計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真是計算機網(wǎng)絡(luò)學(xué)科與信息技術(shù)深度結(jié)合的產(chǎn)品，通常采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬實際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具備將抽象的網(wǎng)絡(luò)概念具體化、形象化的特點。開展計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗，可以有效解決線下實驗教學(xué)中存在的時間、空間和設(shè)備受限的問題，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)理論學(xué)習(xí)與實驗驗證的緊密結(jié)合，幫助學(xué)生深刻理解計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論知識，在計算機網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)中具有非常積極的作用[5-9]。然而，目前計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗普遍采用思科的Cisco Packet Tracer 仿真軟件來實現(xiàn)[10-13]。這種實現(xiàn)方式面臨的主要問題有：1）考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的國產(chǎn)化和安全性需求，目前國內(nèi)政府、高校、企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中多采用華三和華為的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品；2）在網(wǎng)絡(luò)工程師認(rèn)證考試中，多數(shù)學(xué)生會選擇參加華為網(wǎng)絡(luò)工程師（HCIA）或者華三網(wǎng)絡(luò)工程師（H3CNE）認(rèn)證考試；3）目前各大高校計算機網(wǎng)絡(luò)線下實驗教學(xué)中使用較多的也是華三和華為公司的交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。因此，一些研究學(xué)者基于華三云實驗平臺HCL （H3C Cloud Lab）和華為企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)仿真平臺eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）開展了部分計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗內(nèi)容的初步研究和探索[14-15]。

基于以上分析，本文對計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)的構(gòu)建和相關(guān)實驗內(nèi)容的設(shè)計進(jìn)行了進(jìn)一步深入的研究與探索。首先，通過分析華三HCL、華為eNSP 等仿真軟件的特點以及適合開展的實驗內(nèi)容，構(gòu)建了合理的計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)；其次，對計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗內(nèi)容以及開展方式進(jìn)行了研究；最后，從計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)預(yù)期應(yīng)用效果和學(xué)生從中受益等方面進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1 計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 虛擬仿真軟件分析

1）華三HCL仿真軟件

HCL仿真軟件是新華三（H3C）公司研發(fā)的一款圖形化的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，該軟件包含H3C公司多種型號的虛擬交換機和路由器，適合于開展基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和虛擬主機配置與測試實驗。該軟件的缺點是設(shè)備類型較少，不利于開展復(fù)雜性和綜合性強的網(wǎng)絡(luò)實驗。

2）華為eNSP仿真軟件

eNSP仿真軟件是由華為公司提供的是一款圖形化操作、可擴展的網(wǎng)絡(luò)仿真工具平臺，主要對企業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機、路由器等進(jìn)行軟件仿真，支持較為復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)模擬實驗。其優(yōu)點是虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較為齊全，可以作為華三HCL仿真軟件的有效補充和擴展，利用其提供的各類模擬服務(wù)器，便于開展較為復(fù)雜的運輸層（TCP、UDP）協(xié)議、應(yīng)用層（DHCP、DNS、WEB、FTP）協(xié)議分析實驗。

3）安裝Windows Server版本操作系統(tǒng)的虛擬機

利用安裝Windows Server 版本操作系統(tǒng)的虛擬機，適合于在線上、線下混合式網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中，為學(xué)生在線上開展各類網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)（IIS）相關(guān)的服務(wù)器配置與管理實驗。

1.2 計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于HCL 仿真軟件、eNSP 仿真軟件、安裝Win?dows Server版本操作系統(tǒng)的虛擬機的特點及應(yīng)用分析，計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計思路如下：

1）采用華三HCL仿真軟件與安裝Windows Server 版本操作系統(tǒng)的虛擬機完成計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)類實驗，主要包括交換機與路由器配置、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)相關(guān)的服務(wù)器配置與管理等實驗內(nèi)容；

2）采用華三HCL仿真軟件、華為eNSP仿真軟件、Wireshark網(wǎng)絡(luò)嗅探器軟件完成計算機網(wǎng)絡(luò)原理類實驗，實驗內(nèi)容涵蓋數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運輸層以及應(yīng)用層等各層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析實驗；

3）采用華三HCL仿真軟件完成計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類實驗，內(nèi)容包括ACL（Access Control List）訪問控制列表、NAT（Network Address Translation）網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、ARP攻擊與防范、采用智能彈性架構(gòu)IRF（Intelli?gent Resilient Framework）的虛擬化技術(shù)實驗。

2 計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗內(nèi)容與開展形式

在計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了依托此架構(gòu)開展的虛擬仿真實驗內(nèi)容，本文簡單列舉了具有一定通用性和代表性的實驗內(nèi)容，實際應(yīng)用過程中可以根據(jù)各大高校對學(xué)生網(wǎng)絡(luò)工程能力的培養(yǎng)需求，靈活地調(diào)整和擴展實驗內(nèi)容。計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗內(nèi)容設(shè)計思路如下：

1）計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)類實驗：采用華三HCL仿真軟件，完成交換機VLAN、跨交換機VLAN等數(shù)據(jù)鏈路層實驗，路由器配置與子網(wǎng)交換、單臂路由、靜態(tài)路由、動態(tài)路由以及三層交換機等網(wǎng)絡(luò)層實驗。采用安裝Windows Server版本操作系統(tǒng)的虛擬機，完成DHCP、DNS、FTP、Web服務(wù)器配置和管理等應(yīng)用層實驗。計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)實驗內(nèi)容采用線上、線下與課內(nèi)、課外相結(jié)合的形式開展，旨在鞏固和加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論知識的理解。

2）計算機網(wǎng)絡(luò)原理類實驗：采用華三HCL仿真軟件，完成以太網(wǎng)協(xié)議、VLAN協(xié)議、VLAN tag標(biāo)記、PP?Poe協(xié)議等數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分析實驗內(nèi)容，以及IP協(xié)議、ICMP 協(xié)議、ARP 協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分析實驗內(nèi)容。采用華為eNSP仿真軟件和Wireshark網(wǎng)絡(luò)嗅探器軟件，完成TCP協(xié)議、UDP協(xié)議等運輸層協(xié)議分析以及HTTP協(xié)議、DHCP協(xié)議等應(yīng)用層協(xié)議分析實驗內(nèi)容。充分考慮線下實驗時間、實驗場地和實驗設(shè)備的限制，計算機網(wǎng)絡(luò)原理類實驗采用線上實驗的方式開展。

3）計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類實驗：采用華三HCL仿真軟件，完成ACL訪問控制列表、NAT網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、ARP 攻擊與防范、IRF虛擬化技術(shù)等實驗內(nèi)容。其中，IRF 是H3C公司專有的、能夠?qū)⒍鄠€設(shè)備虛擬為單一設(shè)備使用的通用虛擬化技術(shù)，通過IRF技術(shù)形成的虛擬設(shè)備具有更高的擴展性、可靠性及設(shè)備性能。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類實驗作為基礎(chǔ)類實驗內(nèi)容的擴展，采用線上實驗的方式開展。

3 預(yù)期應(yīng)用效果與學(xué)生受益分析

基于計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)、實驗內(nèi)容以及開展形式，通過課內(nèi)、課外和線上、線下相結(jié)合的方式，保障學(xué)生在學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論知識后能夠及時在線上虛擬仿真實驗平臺獨立開展實驗，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)理論學(xué)習(xí)和實驗驗證環(huán)節(jié)的緊密結(jié)合，進(jìn)一步加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論知識的理解。此外，學(xué)生利用課外時間在線上開展計算機原理類和技術(shù)類實驗，可以擺脫線下實驗時間和空間固定的約束，學(xué)生可以自由靈活地投入更多的時間，更加深入地理解和掌握抽象的網(wǎng)絡(luò)概念、繁多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和綜合性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)體系模型，從而達(dá)到靈活運用所學(xué)理論知識來解決實際問題的目的。

計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化，本著以學(xué)生為主體的思路，鼓勵學(xué)生在使用系統(tǒng)功能的過程中及時反饋使用意見和建議，以便不斷完善系統(tǒng)功能。同時，以虛擬仿真實驗系統(tǒng)中提供的實驗內(nèi)容和案例作為引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計綜合性和創(chuàng)新性的實驗案例，作為虛擬仿真實驗系統(tǒng)實驗內(nèi)容和實驗案例的有效補充，同時進(jìn)一步增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識。

綜合性網(wǎng)絡(luò)實驗需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類和數(shù)量龐大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，借助虛擬仿真實驗平臺良好的可視化效果以及靈活的拓?fù)湔{(diào)整和控制功能，能夠支撐學(xué)生完成綜合性強、復(fù)雜度高的網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)計與測試驗證，從而使得學(xué)生的綜合實踐能力和解決復(fù)雜工程問題的能力得到有效提升。本科生《計算機通信與網(wǎng)絡(luò)》《組網(wǎng)與運維》《網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析》等課程實驗中，通過不斷迭代和完善系統(tǒng)功能、實驗內(nèi)容和實驗案例，逐步打造功能完善、內(nèi)容豐富的校內(nèi)外開放共享的計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

針對計算機網(wǎng)絡(luò)課程線上、線下混合式實驗教學(xué)以及實驗課程的開放共享需求，開展了計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)、實驗內(nèi)容與開展形式、預(yù)期應(yīng)用效果與學(xué)生受益等內(nèi)容的研究與探索。旨在擺脫線下實驗教學(xué)中時間、空間以及設(shè)備方面的限制，實現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與實驗驗證環(huán)節(jié)的緊密結(jié)合，及時鞏固和加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論知識的理解。通過綜合性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容的學(xué)習(xí)與自主設(shè)計，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐和解決復(fù)雜工程問題的能力，從而更好地促成工程教育專業(yè)認(rèn)證要求下學(xué)生實踐能力目標(biāo)的達(dá)成。