仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，需要有大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。該文分析了目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中遇到的常見(jiàn)問(wèn)題，探討了使用模擬機(jī)軟件和交換路由模擬軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);實(shí)驗(yàn)教學(xué);仿真實(shí)驗(yàn);虛擬機(jī);Boson NetSim

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)35-10396-03

Simulation Experiments in Computer Network Teaching Research

ZHANG Zhi-xiang

(Zilang Vocational Technology College， Nantong 226002， China)

Abstract: Computer network is an important course of computer science and relevant field. Considering the strong necessity of practice， a large amount of network equipment is needed to achieve the practical teaching. This thesis analyzes the common problems presenting in current computer network teaching and discusses the application of simulator software and exchange routing simulation software in computer network teaching.

Key words: computer network; experiment teaching; simulation experiment; virtual machine; boson netSim

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的一門重要課程。通過(guò)這門課程的學(xué)習(xí)，要讓學(xué)生不僅僅是熟悉網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，更重要的是掌握實(shí)際的應(yīng)用技能。要達(dá)到這樣的目的，在教學(xué)過(guò)程中就要將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)融入實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中去，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生操作技能的訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用能力，培養(yǎng)出符合社會(huì)需求的人才。

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，因此許多院校都建立了專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，加大了課程中的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的比例。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，需要很多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及一些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但是因?yàn)楦鞣N原因，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)中還存在一些問(wèn)題，并影響到了教學(xué)的效果。目前存在的主要問(wèn)題有:

1) 教材內(nèi)容不是非常適合學(xué)生學(xué)習(xí)

現(xiàn)有的教材通常是以理論知識(shí)為主線進(jìn)行知識(shí)闡述，配套的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)往往內(nèi)容陳舊、沒(méi)有新意，或者內(nèi)容與理論知識(shí)聯(lián)系不夠緊密，特別是對(duì)于高職高專的學(xué)生來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)不是說(shuō)給學(xué)生一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，讓學(xué)生照著教材的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按部就班做就可以了，這樣缺少讓學(xué)生真刀真槍動(dòng)手的機(jī)會(huì)，不易使其對(duì)理論知識(shí)有深刻而系統(tǒng)的理解。長(zhǎng)此以往，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的興趣會(huì)逐漸減退，認(rèn)為這門課程很無(wú)聊，或者就是簡(jiǎn)單的上上網(wǎng)，不能夠真正掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛知識(shí)。

2) 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件達(dá)不到教學(xué)要求

一些實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備數(shù)量多、價(jià)格高，還有的設(shè)備使用頻率低，組建實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候一般不可能設(shè)備都購(gòu)置得數(shù)量很全、套數(shù)很多。因此，實(shí)驗(yàn)條件不容易滿足一些實(shí)驗(yàn)的要求，很多情況下一些實(shí)驗(yàn)不得不被簡(jiǎn)化、調(diào)整或者放棄。有的實(shí)驗(yàn)就采取教師演示，學(xué)生觀看或者許多學(xué)生分在一組合作實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生只能得到很少的操作練習(xí)的機(jī)會(huì)。這樣也會(huì)造成學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解不夠透徹，動(dòng)手能力得不到應(yīng)有的鍛煉，或者所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。

2 在教學(xué)中應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)學(xué)生認(rèn)知過(guò)程的分析可以知道，要提高教學(xué)的質(zhì)量和效果，就要更多的讓學(xué)生在動(dòng)手操作的過(guò)程中學(xué)習(xí)知識(shí)、理解知識(shí)和掌握知識(shí)，將理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)融合。因此，要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)和接受能力，編制符合學(xué)生認(rèn)知和學(xué)習(xí)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)掌握操作技能，通過(guò)操作實(shí)踐進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的理解。

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的安排要穿插、融合在理論教學(xué)過(guò)程中。有的實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但也有一些實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)對(duì)硬件設(shè)備的要求較高，或者對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境改變很大，不便于實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)和管理，往往被簡(jiǎn)化或省去。例如Linux系統(tǒng)的安裝與使用，網(wǎng)絡(luò)的配置、交換機(jī)、路由器的管理等。對(duì)此，可以利用一些軟件在一臺(tái)普通PC機(jī)上通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到教學(xué)目的。下面就以兩個(gè)主要教學(xué)內(nèi)容來(lái)說(shuō)明仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)安裝與聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)在流行的PC機(jī)操作系統(tǒng)多是Windows操作系統(tǒng)，它的安裝與使用大家也都比較熟悉，但是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器操作系統(tǒng)應(yīng)用較多的卻是UNIX和Linux，這些學(xué)生平時(shí)接觸得較少。學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就應(yīng)該熟悉多個(gè)操作系統(tǒng)及其之間的聯(lián)網(wǎng)設(shè)置。一般學(xué)校的實(shí)驗(yàn)環(huán)境都對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了保護(hù)，不可以隨意安裝軟件或者修改設(shè)置，那學(xué)生要學(xué)習(xí)系統(tǒng)安裝、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置怎么辦呢?對(duì)此，在教學(xué)過(guò)程中可以采用VMware、Virtual PC等虛擬機(jī)軟件在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬出多個(gè)虛擬機(jī)，這些虛擬機(jī)的使用和真正的物理主機(jī)沒(méi)有多大區(qū)別，也需要經(jīng)過(guò)BIOS設(shè)置、分區(qū)、格式化、系統(tǒng)安裝、軟件安裝等過(guò)程。例如，可以在Windows系統(tǒng)里通過(guò)VMware模擬一臺(tái)安裝Linux系統(tǒng)的虛擬機(jī)(如圖1所示)，同時(shí)還可以在虛擬機(jī)和實(shí)際的物理主機(jī)之間進(jìn)行切換，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，就如同每個(gè)人都有一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一樣。這樣既可以讓學(xué)生學(xué)到Linux系統(tǒng)的安裝、配置與使用，還可以進(jìn)行各臺(tái)主機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)設(shè)置等練習(xí)。

與真實(shí)PC機(jī)相比，虛擬機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn):

1) 可以在一臺(tái)PC機(jī)上模擬出多臺(tái)PC機(jī)，并都能運(yùn)行獨(dú)立的操作系統(tǒng)互不干擾(完全不同于安裝多系統(tǒng)的PC機(jī))，可以放心地在虛擬機(jī)中使用各種操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。在虛擬機(jī)中做實(shí)驗(yàn)，效果與在真正的計(jì)算機(jī)上是一樣的。

2) PC機(jī)與多個(gè)虛擬機(jī)之間可以方便切換，在進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)置后，可以做各種網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，如同具有一個(gè)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.2 網(wǎng)絡(luò)配置與管理

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，局域網(wǎng)的組建相對(duì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)也容易實(shí)現(xiàn)。但如果牽涉到網(wǎng)絡(luò)的配置與管理的實(shí)驗(yàn)，就需要有大量的交換機(jī)、路由器等各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供學(xué)生去連接配置。一般的實(shí)驗(yàn)室很難給學(xué)生提供很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行練習(xí)，對(duì)此，可以使用Boson NetSim來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

Boson NetSim是Boson公司推出的一款Cisco路由器、交換機(jī)的模擬軟件，它主要由兩部分組成:實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)軟件(Boson Network Designer)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬器(Boson NetSim)。Boson Network Designer用于繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，Boson NetSim則是用來(lái)進(jìn)行設(shè)備的配置練習(xí)。Boson NetSim提供了一個(gè)能夠輸入配置命令、驗(yàn)證理論和實(shí)例的環(huán)境，可以完成絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)驗(yàn)。

下面舉一個(gè)教學(xué)常見(jiàn)的使用Boson NetSim實(shí)現(xiàn)VLAN配置的例子。如圖2所示，設(shè)計(jì)一個(gè)使用路由器的VLAN通信網(wǎng)絡(luò)。所需主要設(shè)備有:Cisco2621路由器1臺(tái)(帶有1個(gè)快速以太網(wǎng)端口)、Cisco catalyst2950交換機(jī)2臺(tái)、PC機(jī)4臺(tái)以及連接線若干。

Router1通過(guò)F0/0端口和交換機(jī)Switch1的F0/12端口相連，交換機(jī)Switch1的F0/11端口和交換機(jī)Switch2的F0/12端口相連，Switch1的F0/1、F0/2分別和PC1、PC2相連，Switch2的F0/3、F0/4分別和PC3、PC4相連。

實(shí)驗(yàn)中首先將PC1、PC3劃分到VLAN1，PC2、PC4劃分到VLAN2，測(cè)試VLAN內(nèi)和VLAN間PC機(jī)的通信情況，然后對(duì)路由器Router1進(jìn)行配置，使VLAN1和VLAN2之間的PC機(jī)實(shí)現(xiàn)相互通信。

簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)步驟如下(網(wǎng)絡(luò)配置的詳細(xì)命令略):

1) 按照要求使用Boson Network Designer設(shè)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并將該拓?fù)鋱D保存為文件rvlan.top;

2) 打開(kāi)Boson NetSim，載入rvlan.top，出現(xiàn)如圖3所示路由器Router1的配置界面。接下來(lái)就可以在該窗口中分別選擇交換機(jī)、路由器或PC機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的配置;

3) 配置過(guò)程中，按步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如結(jié)果與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相符，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)成功;若結(jié)果與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有出入，則要根據(jù)故障現(xiàn)象，判斷配置過(guò)程中可能出錯(cuò)的地方，對(duì)設(shè)備連接或配置信息進(jìn)行檢查，排除錯(cuò)誤，得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;

4) 若實(shí)驗(yàn)未完成，可以將所有設(shè)備的配置信息保存為rvlan.nwc，以便下次實(shí)驗(yàn)繼續(xù)使用。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)學(xué)生都擁有一套模擬的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，操作過(guò)程也與真實(shí)的設(shè)備基本相同，而且可以反復(fù)演練實(shí)驗(yàn)，也不用擔(dān)心實(shí)驗(yàn)過(guò)程中犯錯(cuò)誤，這樣對(duì)學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、設(shè)備的連接與配置以及網(wǎng)絡(luò)管理等是大有裨益的。

通過(guò)對(duì)Boson NetSim或類似軟件的使用可以看出，使用Boson NetSim進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方面的幫助主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

1) 模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行各類網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)驗(yàn)。Boson NetSim可以模擬Cisco多種型號(hào)的交換機(jī)、路由器，模擬出各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境。這樣只要有一臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝了模擬軟件，就相當(dāng)于擁有一套網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，在單機(jī)上構(gòu)建各種局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而且這種環(huán)境就與真實(shí)環(huán)境幾乎相同。實(shí)驗(yàn)的拓?fù)鋱D和配置結(jié)果都可以保存，以供檢查或下次繼續(xù)配置。

2) 網(wǎng)絡(luò)搭建靈活、方便，提高了學(xué)習(xí)的效率。使用虛擬設(shè)備搭建網(wǎng)絡(luò)，只需要考慮網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求，不必顧慮實(shí)驗(yàn)室有沒(méi)有該設(shè)備，減少了設(shè)備等待、搬運(yùn)、連接等環(huán)節(jié)，增加了配置、測(cè)試時(shí)間，明顯提高了學(xué)習(xí)的效率。Boson NetSim中的Lab Navigator預(yù)設(shè)了許多實(shí)驗(yàn)，可供大家學(xué)習(xí)使用。

3) 減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資和維護(hù)工作量。仿真實(shí)驗(yàn)是在一種虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也都是虛擬的，這樣就減少了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的設(shè)備投資，也不存在硬件設(shè)備的拆裝、連接、復(fù)原等過(guò)程，減輕了實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)工作量。

但模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境畢竟還是和真實(shí)的環(huán)境是有一定區(qū)別的，軟件中不可避免會(huì)存在少量的BUG，有時(shí)可能會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)得出正確的結(jié)果。一旦遇到這種情況，就需要教師仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程，確定配置正確，然后給予學(xué)生適當(dāng)?shù)奶崾竞驼f(shuō)明。

3 小結(jié)

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)中應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)掌握計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)的一個(gè)好的方法，能更好地把理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)合起來(lái)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中也取得了很好的教學(xué)效果。學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程中，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，思考探索，培養(yǎng)和發(fā)揮他們的創(chuàng)造性思維，鍛煉解決實(shí)際問(wèn)題的能力。但是，仿真環(huán)境畢竟不能完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如果有條件的話，還是盡量讓學(xué)生首先在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中學(xué)習(xí)和練習(xí)，同時(shí)在模擬環(huán)境中練習(xí)鞏固和加強(qiáng)，將現(xiàn)代化的教學(xué)手段和先進(jìn)的教學(xué)設(shè)備結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，以期取得更好的教學(xué)效果，培養(yǎng)出合格的應(yīng)用技術(shù)人才。

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