面向工程思維能力培養(yǎng)的網(wǎng)絡(luò)工程仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)

胡勝紅　胡長坤　譚生龍

摘要：針對網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中工程思維能力培養(yǎng)不足，設(shè)計(jì)方法掌握較差等問題，分析仿真項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)方法亟需解決的困難和問題，介紹培養(yǎng)工程思維能力的仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方案的構(gòu)建方法，基于仿真項(xiàng)目設(shè)計(jì)和優(yōu)化調(diào)整的新實(shí)訓(xùn)教學(xué)流程，輔以思考題激發(fā)思維訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)工程；仿真項(xiàng)目；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目是企業(yè)信息化建設(shè)的重要構(gòu)成部分，為信息系統(tǒng)集成提供可靠的運(yùn)行環(huán)境。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程課程是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，旨在通過理論和實(shí)訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合的模式培養(yǎng)學(xué)生從事網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工、運(yùn)維的工程實(shí)踐能力。其中，實(shí)訓(xùn)教學(xué)中較難把握的是如何培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力，不能僅僅讓學(xué)生被動(dòng)地參與實(shí)際（模擬）項(xiàng)目的訓(xùn)練，而是要在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中創(chuàng)造條件訓(xùn)練和引導(dǎo)學(xué)生去思考、總結(jié)和分析，形成把握網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)的思維能力，成為合格的網(wǎng)絡(luò)工程師。

日前，同內(nèi)各高校在網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中主要存在兩種模式：一種是利用已有的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備組織實(shí)訓(xùn)，另一種是與企業(yè)合作，將實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目外包給企業(yè)代為培訓(xùn)。這兩種模式都有一定弊端，依賴現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使項(xiàng)目規(guī)模受到限制，且難以跟上網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的變化；企業(yè)代培注重工程化訓(xùn)練，不善于利用新教學(xué)方法啟發(fā)學(xué)生的思維能力。而仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)能夠在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案上設(shè)想和重構(gòu)性能更佳的方案，允許學(xué)生評測和思考新舊方案之間的性能差異，且可以引入新技術(shù)、新思想，而不用估計(jì)修改拓?fù)鋷淼母鞣N施工開銷，因此，網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)訓(xùn)課迫切需要通過仿真項(xiàng)目教學(xué)培養(yǎng)工程思維能力。

1 仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)概述

網(wǎng)絡(luò)仿真是一種利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析方法模擬網(wǎng)絡(luò)的行為，建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈路和協(xié)議模型，模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取特定的網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)的技術(shù)。仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法是指在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置必要的性能指標(biāo)，根據(jù)運(yùn)行測試結(jié)果評估或驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案的教學(xué)方法。仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)可以使用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包括PacketTracer、NetSim、Opnet、NS-2等，這些軟件各有特點(diǎn)：①基于PacketTracer、NetSim等仿真軟件的教學(xué)方案易于實(shí)現(xiàn)連通性方面的測試，利于提高學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)性能的掌握和理解，常用于較低層次的網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中；②基于Opnet、NS-2等仿真軟件的仿真教學(xué)能模擬大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行場景，提供與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)的模型庫，同時(shí)使用豐富的統(tǒng)計(jì)量收集和分析工具實(shí)現(xiàn)各通信層的性能評估，既可以用作高層次實(shí)訓(xùn)教學(xué)也可以用于完成實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。近年來第①種網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法受到較大程度重視，因?yàn)镻acketTracer等軟件操作簡單、直觀，無需較高的理論知識(shí)，學(xué)生也容易掌握。而第②種方案從性能優(yōu)化的角度解決了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)高層次的問題，更利于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的難點(diǎn)是構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)模型和分析網(wǎng)絡(luò)性能，因此，正確評估這兩個(gè)步驟的難度是成功進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的關(guān)鍵。構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)模型是網(wǎng)絡(luò)邏輯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，需要理解并掌握運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)邏輯設(shè)計(jì)方法構(gòu)造符合需求的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹＞W(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的邏輯設(shè)計(jì)方法包括分層設(shè)計(jì)和組件設(shè)計(jì)，實(shí)際上這兩種設(shè)計(jì)思想是密不可分的。分層設(shè)計(jì)思想使用抽象的方法整體概括了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在接入層、匯聚層和核心層的功能需求。然而各層的內(nèi)部連接仍然不夠清晰，需要進(jìn)一步劃分為不同組件，依據(jù)一定的功能需求獨(dú)立設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)應(yīng)指導(dǎo)初學(xué)者通過一定周期的實(shí)踐教學(xué)，逐步領(lǐng)悟和掌握兩種設(shè)計(jì)方法的要領(lǐng)。網(wǎng)絡(luò)性能分析通常作為構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用新技術(shù)時(shí)預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)、提高可行性的必要措施，是高水平網(wǎng)絡(luò)工程師最重要的技術(shù)素質(zhì)。一般性能分析包括時(shí)延、吞吐量、抖動(dòng)、丟包率等，分層性能分析還包括對各層協(xié)議參數(shù)的運(yùn)行監(jiān)控?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)性能分析的模擬設(shè)計(jì)任務(wù)通常被用來評估多媒體業(yè)務(wù)、無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、IPv6新業(yè)務(wù)等的運(yùn)行性能。

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仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方案

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)訓(xùn)課教學(xué)一般采用“以項(xiàng)目為導(dǎo)向、以自主設(shè)計(jì)為主導(dǎo)、以答辯為驗(yàn)證手段”的項(xiàng)目管理思想，結(jié)合目前已有的實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)生動(dòng)手能力發(fā)布一定數(shù)量的項(xiàng)目選題，由學(xué)生根據(jù)選題要求完成“需求分析”“邏輯設(shè)計(jì)”和“測試與驗(yàn)證”等實(shí)訓(xùn)任務(wù)，最后提交實(shí)訓(xùn)報(bào)告。新的仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方案增加了“仿真設(shè)計(jì)分析”和“優(yōu)化與調(diào)整”兩個(gè)關(guān)鍵步驟，如圖1所示，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和比較，對邏輯設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)改進(jìn)和提高，直到實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，重視了工程思維能力訓(xùn)練。

1）任務(wù)發(fā)布。

實(shí)訓(xùn)課程開始前，教師將選題資料發(fā)布給學(xué)生。選題資料包括項(xiàng)目需求描述、初次仿真包、設(shè)計(jì)思考題和項(xiàng)目報(bào)告書模板等。每3位學(xué)生分為一組，每組選題都不一樣，學(xué)生需要在1周實(shí)訓(xùn)時(shí)間內(nèi)完成需求分析、邏輯設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)分析、測試與驗(yàn)證等項(xiàng)目。仿真實(shí)驗(yàn)完成配置和測試任務(wù)后，組內(nèi)開展仿真結(jié)果分析，完成思考題。最后，每位學(xué)生提交一份符合基本標(biāo)書規(guī)范的實(shí)訓(xùn)報(bào)告，特別優(yōu)秀的學(xué)生還被要求答辯，將學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)介紹給其他學(xué)生，答辯順利可以獲得小禮品。

2）需求分析。

需求分析工作留給學(xué)生自行完成，時(shí)間為一天，上午搜集資料，下午整理資料，填寫需求采集表。

3）邏輯設(shè)計(jì)。

在邏輯設(shè)計(jì)階段，學(xué)生要使用Visio 2003繪制出詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，使用PacketTracer等仿真軟件畫出實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，或在教師提供的初次設(shè)計(jì)圖上加以修改。

4）仿真設(shè)計(jì)分析。

有些仿真實(shí)訓(xùn)任務(wù)難度較小，要求所有學(xué)生必須完成；有些難度較大，屬于選做型，通常挑選少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生完成，并給予一定平時(shí)成績獎(jiǎng)勵(lì)。選做題目一旦順利完成，必須參與答辯。

（1）初次仿真包設(shè)計(jì)：為了降低學(xué)生完成仿真任務(wù)的難度，同時(shí)也讓學(xué)生對項(xiàng)目的邏輯設(shè)計(jì)結(jié)果有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，我們?yōu)閷W(xué)生提供了能夠直接測試和運(yùn)行的初次仿真包。學(xué)生在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前先觀察初次仿真包的運(yùn)行情況，對一些指標(biāo)作出合理分析。endprint

（2）二次仿真設(shè)計(jì)：二次仿真設(shè)計(jì)是指學(xué)生在教師提供的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和初次仿真包的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求進(jìn)行獨(dú)立思考，完成最終的仿真設(shè)計(jì)任務(wù)。這一步任務(wù)的成功與否取決于學(xué)生的主動(dòng)性和實(shí)驗(yàn)思考題的引導(dǎo)。例如，“多層交換設(shè)計(jì)”項(xiàng)目中，VLAN路由的問題復(fù)雜性有3個(gè)層次：單交換機(jī)不同VLAN如何路由、多交換機(jī)同一VLAN如何路由、多交換機(jī)不同VLAN如何路由，通過思考題逐步引導(dǎo)學(xué)生完成這3個(gè)層次的仿真設(shè)計(jì)。再例如“WLAN網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計(jì)”中，Cisco AP和Linksys WRT300N配置方法大同小異，但AP通常用作集中器和橋接器用，而WRT300N則是一個(gè)寬帶路由器，通過思考題也可以引導(dǎo)學(xué)生深入理解這兩類無線設(shè)備的用途差別。

5）測試與驗(yàn)證。

測試與驗(yàn)證針對不同仿真任務(wù)有所不同，有些任務(wù)需要進(jìn)行連通性測試，有些任務(wù)需要對路由協(xié)議性能進(jìn)行測試，有些任務(wù)則需要對時(shí)延、吞吐量、丟包率等進(jìn)行QoS測試。

6）優(yōu)化與調(diào)整。

學(xué)生完成仿真任務(wù)測試后，如果發(fā)現(xiàn)問題或有新的想法，可以在指導(dǎo)教師的幫助下進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。優(yōu)化與調(diào)整是通過精心設(shè)計(jì)的思考題來激發(fā)的，是鍛煉學(xué)生思維能力的關(guān)鍵步驟。

3 實(shí)訓(xùn)效果分析

筆者嘗試仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法5年有余，近年來通過總結(jié)和整理，將主要教學(xué)內(nèi)容編寫成教材并出版，得到國內(nèi)同仁廣泛支持。實(shí)際教學(xué)效果也比較大，往屆學(xué)生中有2人在畢業(yè)3年內(nèi)通過CCIE認(rèn)證，有5人通過CCNP認(rèn)證。2012年取得H3C網(wǎng)絡(luò)大賽湖北省賽區(qū)本科組第5名（三等獎(jiǎng)），Cisco網(wǎng)絡(luò)大省級(jí)一等獎(jiǎng)2人。

以2013年教學(xué)情況為例，我們對42人的?？瓢嗉?jí)統(tǒng)計(jì)了前6個(gè)任務(wù)的完成情況，對一個(gè)27人的本科班級(jí)統(tǒng)計(jì)了后6個(gè)任務(wù)的完成情況，實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果分析如表1所示。其中一般難度任務(wù)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目完成情況較好，基本上所有學(xué)生都能順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)；而較難級(jí)別任務(wù)選題學(xué)生數(shù)不多，且完成率低于選題學(xué)生的50%；最后一個(gè)“無線網(wǎng)絡(luò)仿真與分析”項(xiàng)目始終無人選擇。

4 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵是通過不同層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)幫助學(xué)生掌握系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)方法。本文結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)思想，通過在傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方案的基礎(chǔ)上增加“仿真設(shè)計(jì)分析”和“優(yōu)化與調(diào)整”兩個(gè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了切實(shí)可行的教學(xué)方案，培養(yǎng)了學(xué)生的工程化思維能力，在學(xué)生高層次就業(yè)和專業(yè)競賽中取得較好成績。未來的工作還將進(jìn)一步研究仿真項(xiàng)目的規(guī)模化和難易搭配的合理性問題，使實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的編排更合理。

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（見習(xí)編輯：劉麗麗）endprint