多維計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建

嚴(yán)燕

摘要： 為提高“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)效果和學(xué)生實(shí)踐能力，將課程的實(shí)踐分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、配置型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)四個層次；分別采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件、神州數(shù)碼路由器和交換機(jī)、Packet Tracer 軟件以及NS2等仿真軟件，構(gòu)建多維的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)。此手段能夠由淺入深，從簡單到復(fù)雜，引導(dǎo)和幫助學(xué)生進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的課程實(shí)踐，并達(dá)到了提高教學(xué)效果的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)； 實(shí)踐教學(xué)； 多維； 仿真軟件

中圖分類號：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1006-8228（2012）11-39-03

Construction of multi-dimensional network practice teaching system

Yan Yan

（School of Computer Sci. &Tech， Nantong University， Nantong， Jiangsu 2260019， China）

Abstract： In order to improve the "computer network" course teaching effect and the students' practical ability， the practice of the course is divided into four levels： verification type experiment， configuration type experiment， the design type experiment and innovative type experiment. Network protocol analysis software， digital China routers and switches， Packet Tracer software， the NS2 simulation software and so on are utilized respectively to build multi-dimensional computer network practice teaching system. It can guide and help the students with the computer network practice from the simpleness to the complexity， and achieve the goal of improving the teaching effect.

Key words： computer network； practice teaching； multi-dimension； simulation software

0 引言

“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程是目前國內(nèi)外高等院校計算機(jī)專業(yè)及相關(guān)IT專業(yè)本科生和研究生必修課程，是計算機(jī)專業(yè)課程的核心課程之一。該課程具有學(xué)科交叉、理論知識抽象和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，歷來是學(xué)生比較難學(xué)的一門課程。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有著自己非常明確的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合ISO/OSI-RM和TCP/IP協(xié)議族， 很多教材將其分成五個層次來講述，在每個層次上的不同的協(xié)議以及數(shù)據(jù)包的格式都是課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何理清并讓學(xué)生熟練掌握，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)歷來探討和研究的問題[1，2]。筆者建議通過多維的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建，通過驗(yàn)證型、配置型、設(shè)計型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的多維手段，讓學(xué)生加強(qiáng)對理論知識的理解，強(qiáng)化理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高網(wǎng)絡(luò)配置動手能力，最終能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計，達(dá)到創(chuàng)新的目的。

1 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐系統(tǒng)的劃分

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的惟一標(biāo)準(zhǔn)，同時，實(shí)踐對于學(xué)生來說，是鞏固理論基礎(chǔ)，獲得真知的主要過程。本系統(tǒng)將實(shí)踐過程劃分為四個模塊，如圖1所示，這四個模塊既可各自獨(dú)立，又相輔相成。

[驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

采用協(xié)議分析軟件對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各個層次的協(xié)議進(jìn)行分析和驗(yàn)證][配置型實(shí)驗(yàn)

采用神州數(shù)碼公司的交換機(jī)和路由器實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)和路由器的基本配置][設(shè)計型實(shí)驗(yàn)

采用Packet Tracer模擬軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和配置

][創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

采用NS2模擬軟件模擬已有協(xié)議的實(shí)現(xiàn)或?qū)f(xié)議改進(jìn)驗(yàn)證]

圖1實(shí)踐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是一種最為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)手段，針對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容的特點(diǎn)，在大多數(shù)教材中采用的是結(jié)合開放系統(tǒng)互連參考模型的七層結(jié)構(gòu)和TCP/IP協(xié)議體系族的四層結(jié)構(gòu)，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分為五層，分別是物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層和應(yīng)用層。目前我們采用的是西普數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件，該軟件有兩大主要部件，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編輯軟件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編輯軟件的主要功能是數(shù)據(jù)包的生成和發(fā)送。它有四大功能區(qū)：數(shù)據(jù)包列表區(qū)、數(shù)據(jù)包編輯區(qū)、協(xié)議層結(jié)構(gòu)和十六進(jìn)制顯示區(qū)。在數(shù)據(jù)包列表區(qū)可以通過選擇各種協(xié)議的模板，建立各種類型的數(shù)據(jù)包，同時也可以在數(shù)據(jù)包編輯區(qū)來根據(jù)自己的需求重新編輯數(shù)據(jù)包的各個字段來產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)包；協(xié)議層結(jié)構(gòu)以圖形的形式顯示所編輯數(shù)據(jù)包的分層信息；十六進(jìn)制顯示區(qū)能按照用戶的操作實(shí)時刷新顯示用戶編輯數(shù)據(jù)包的十六進(jìn)制數(shù)值。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件主要功能是數(shù)據(jù)包的捕獲和分析。主要包含兩大功能模塊：協(xié)議視圖和交互序列圖。協(xié)議視圖能夠查看捕獲到的數(shù)據(jù)包，并查看協(xié)議數(shù)據(jù)包的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和協(xié)議交互內(nèi)容；交互序列圖可以清晰地查看捕獲到的協(xié)議的一次完整的會話過程，并且有tcp標(biāo)志位、數(shù)據(jù)報傳輸方向的圖示。協(xié)議視圖主要按時序排列接收到的數(shù)據(jù)包，并詳細(xì)顯示數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)和16進(jìn)制數(shù)值。

西普的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件可以進(jìn)行各個層次的協(xié)議數(shù)據(jù)包的編輯、發(fā)送、捕獲和分析。按照五層體系結(jié)構(gòu)，基本的協(xié)議有：鏈路層的以太網(wǎng)MAC幀的802.3協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議，ARP協(xié)議，ICMP和IGMP；傳輸層的UDP和TCP；應(yīng)用層的TELNET，SMTP，POP，F(xiàn)TP，HTTP等。除此以外，還可以進(jìn)行一些復(fù)雜的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如ARP地址欺騙，路由RIP協(xié)議和OSPF協(xié)議等等。通過這些驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以加深對基礎(chǔ)知識的理解，同時也是對所學(xué)知識的鞏固，化理論知識為感性認(rèn)識，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。

通過驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各個層次的協(xié)議的工作原理，各個層次的數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收時各個字段的設(shè)置和變化。比如最重要的IP協(xié)議，通過設(shè)置IP數(shù)據(jù)包中幾個重要的字段，如源IP地址、目的IP地址，總長度、標(biāo)志、標(biāo)示、片偏移等，觀察它們在發(fā)送前，發(fā)送過程中以及接收時的變化，學(xué)生還可以自己手算檢驗(yàn)和字段。再比如TCP的三次握手協(xié)議，利用該軟件，學(xué)生可以清晰地了解在TCP建立連接的三次握手過程中，SYN、ACK、序號和確認(rèn)號字段等的設(shè)置：三次報文的重要區(qū)別在于標(biāo)識位的不同，第一個報文，SYN位置1；第二個報文是對第一個報文的確認(rèn)，SYN位置1，ACK位置1；第三個報文是確認(rèn)報文，ACK位置1。

1.2 配置型實(shí)驗(yàn)

配置型實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生能夠熟練掌握交換機(jī)和路由器的基本配置，掌握網(wǎng)絡(luò)管理的基本功能。目前學(xué)院已經(jīng)建立了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，購置了神州數(shù)碼公司的12組設(shè)備，每組設(shè)備由2臺二層交換機(jī)，2臺三層交換機(jī)，4臺路由器和1臺防火墻設(shè)備組成。在實(shí)體設(shè)備上完成設(shè)備的連線和初始化，以及配置等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以提高學(xué)生的實(shí)際動手能力，近距離地觀察設(shè)備，認(rèn)識設(shè)備，從而熟悉設(shè)備。這對于網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的畢業(yè)生來說，能夠使他們以極快的速度適應(yīng)工作，操作設(shè)備。

配置型實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也是比較豐富的，重點(diǎn)在于對交換機(jī)和路由器的配置。對交換機(jī)的實(shí)驗(yàn)，如交換機(jī)的類型，端口，速度等；交換機(jī)的恢復(fù)出廠配置；單交換機(jī)VLAN的劃分；跨交換機(jī)VLAN的劃分等等。路由實(shí)驗(yàn)包含路由器的基本配置；靜態(tài)路由；RIP路由協(xié)議，OSPF路由協(xié)議等等。通過配置型實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠加深對教材中重點(diǎn)章節(jié)數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層基本概念的理解，由理論轉(zhuǎn)為實(shí)踐，對相應(yīng)層次的實(shí)現(xiàn)設(shè)備交換機(jī)和路由器有了感性的認(rèn)識，從而提高了學(xué)生了實(shí)際動手能力，為以后的工作積累經(jīng)驗(yàn)。

1.3 設(shè)計型實(shí)驗(yàn)

設(shè)計型實(shí)驗(yàn)的目的是利用所學(xué)知識，來解決一些綜合性的問題。解決綜合性問題是學(xué)習(xí)一門課程的最重要的目的，同時也是檢驗(yàn)學(xué)生是否真正地消化和吸收知識的方法和手段。對所學(xué)知識徹底理解，融會貫通，才有能力去進(jìn)行設(shè)計型實(shí)驗(yàn)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)計型實(shí)驗(yàn)，就是檢驗(yàn)學(xué)生對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各個層次協(xié)議的理解。

在通過對前面的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和配置型實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生將綜合運(yùn)用所學(xué)知識，進(jìn)行設(shè)計型實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時內(nèi)每個學(xué)生都能親自動手利用現(xiàn)有的實(shí)際設(shè)備進(jìn)行操作顯然是不太可能的，所以我們在這個環(huán)節(jié)考慮使用思科的模擬軟件Packet Tracer來完成。

Packet Tracer是由Cisco公司發(fā)布的一個輔助學(xué)習(xí)工具，用戶可以在軟件的圖形用戶界面上直接使用拖曳方法建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒖商峁?shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中行進(jìn)的詳細(xì)處理過程，觀察網(wǎng)絡(luò)實(shí)時運(yùn)行情況?？梢詫W(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的配置、鍛煉故障排查能力。Packet Tracer提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模擬設(shè)備，有：路由器、交換機(jī)、集線器、無線設(shè)備、線纜、服務(wù)器、仿真局域網(wǎng)以及各種網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備等。在網(wǎng)絡(luò)模擬時，用戶可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選項中選取所需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。在對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置時，只需要單擊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，然后選擇進(jìn)入命令行，并輸入思科網(wǎng)絡(luò)配置命令，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的命令配置。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D構(gòu)建完成以及配置命令輸入完成后，我們可以利用網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，檢查網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及命令配置是否正確。

利用模擬器，學(xué)生可以設(shè)計建立簡單的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，如校園網(wǎng)或公司網(wǎng)絡(luò)，能夠綜合運(yùn)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各個層次的基本知識，包括物理層下的線纜的選擇；物理層的接口選擇；數(shù)據(jù)鏈路層的交換機(jī)的選擇和配置，VLAN的劃分；網(wǎng)絡(luò)層的IP地址的分配以及路由器的選擇和配置，路由協(xié)議的配置以及訪問控制等；應(yīng)用層的各種應(yīng)用協(xié)議的應(yīng)用，如HTTP，F(xiàn)TP，郵件協(xié)議，DNS等。

1.4 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新型實(shí)踐是指能夠激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐活動。培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的有較高綜合素質(zhì)的人才是當(dāng)代教育的目標(biāo)，也是學(xué)校教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿[3]。現(xiàn)在的中國教育從學(xué)前教育開始就要求進(jìn)行素質(zhì)教育，這也是為培養(yǎng)創(chuàng)新型的人才奠定基礎(chǔ)。一味地模仿已不再適應(yīng)這個社會的要求，只有創(chuàng)新，才能夠出成績，出成果。所以在此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，我們考慮使用目前主流和成熟的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件之一——NS（Network Simulator）。

NS是由UC Berkeley大學(xué)開發(fā)的，其開源、免費(fèi)和易于擴(kuò)展的特性使得全世界的研究者不斷對其完善，成為了一個涉及網(wǎng)絡(luò)各個方面的優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件[4]。研究者大都采用NS作為網(wǎng)絡(luò)仿真的手段模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)表學(xué)術(shù)論文，受到了業(yè)界的普遍認(rèn)可。此外，很多大學(xué)也將NS作為一種輔助教學(xué)的工具，廣泛地應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的相關(guān)教學(xué)中。利用NS可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)和完善，并對其進(jìn)行驗(yàn)證和性能測試。這些在實(shí)體硬件系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)。

NS可以完成的實(shí)驗(yàn)是非常多的[5]，如對UDP數(shù)據(jù)流端到端的延遲、抖動率、封包遺失率、吞吐量進(jìn)行測量與分析；對以TCP為傳輸協(xié)議的應(yīng)用程序的吞吐量進(jìn)行測量；學(xué)習(xí)采用距離向量算法的動態(tài)路由；學(xué)習(xí)TCP的擁塞控制機(jī)制并了解TCP不同版本；無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸和效果分析等?？梢钥闯?，這些實(shí)驗(yàn)基本上是對網(wǎng)絡(luò)所學(xué)知識的測量和分析，或自己搭建網(wǎng)絡(luò)平臺，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)施

2.1 課堂演示

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的課堂教學(xué)相對于其他課程而言是稍顯枯燥的，各個層次的協(xié)議和工作原理僅靠講授或者即使用PPT動畫演示，也不能到達(dá)很好的教學(xué)效果。這時，教師可以使用相應(yīng)的課堂演示的實(shí)踐方法來進(jìn)行教學(xué)，既能在課堂上教授實(shí)驗(yàn)軟件和仿真軟件的使用，又能夠讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的動態(tài)變化過程中理解原理和概念，可謂一舉兩得。

2.2 實(shí)驗(yàn)課

實(shí)驗(yàn)課是讓學(xué)生親自動手，通過實(shí)驗(yàn)來理解和驗(yàn)證所學(xué)知識，它是課堂教學(xué)最強(qiáng)有力的補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)課一般安排總學(xué)時的三分之一或四分之一左右。對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)課，可以安排前面介紹的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和配置型實(shí)驗(yàn)。

2.3 課程設(shè)計

課程設(shè)計是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)，是將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中所學(xué)的知識全面地融會貫通起來，也是檢驗(yàn)學(xué)生對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程理論知識掌握程度的一種手段。一般來說，課程設(shè)計安排一周左右的時間，來進(jìn)行設(shè)計型實(shí)驗(yàn)。其實(shí)踐教學(xué)目的是讓學(xué)生全面掌握計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析和設(shè)計的基本方法。通過分析具體需求，進(jìn)行任務(wù)設(shè)計，確定方案，畫出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并能進(jìn)行相關(guān)的配置。

2.4 科研活動

科研活動是學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐的一種途徑。主要針對學(xué)有余力或?qū)τ嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)課程非常感興趣的學(xué)生，通過讓他們參加一些不同形式的科研活動，來提高他們的動手能力和科研能力，同時也能為積極考研做好準(zhǔn)備。參與科研活動的形式非常多，如參加教師的科研項目，參加社會實(shí)踐，輔助參與校園網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與維護(hù)，或者是參加一些與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的科技競賽項目等等。在科研活動中，主要實(shí)踐的是設(shè)計型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，也適用于一部分的配置型實(shí)驗(yàn)。

2.5 畢業(yè)設(shè)計

到了畢業(yè)設(shè)計階段，對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)的學(xué)生來說，他們已經(jīng)學(xué)完了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)安全，無線網(wǎng)絡(luò)等一系列的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的空間進(jìn)一步得到了擴(kuò)大。我們安排學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的時間是16周，在這段時間中，學(xué)生可以選擇到自己感興趣的網(wǎng)絡(luò)方面的課題，在老師的指導(dǎo)下完成畢業(yè)設(shè)計。畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)所學(xué)專業(yè)的綜合運(yùn)用，是提升自己專業(yè)能力最強(qiáng)有力的實(shí)踐活動。

3 結(jié)束語

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐教學(xué)是學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的重要組成部分，我們根據(jù)教學(xué)的需求以及對各種計算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的需求，建立了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)的多維系統(tǒng)，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐分為驗(yàn)證型、配置型、設(shè)計型和創(chuàng)新型四種，這四種網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐既相互獨(dú)立，又相輔相成，適用于不同專業(yè)，不同需求的學(xué)生。經(jīng)過對本院學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，取得了一定的教學(xué)效果。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐教學(xué)的研究是一個長期而且需要不斷改進(jìn)的過程，必須與時俱進(jìn)，充分利用新的技術(shù)和新的手段，從而培養(yǎng)出具有超強(qiáng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的學(xué)生。

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