思科模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新教學中的探究與實踐

【摘 要】本文首先介紹了思科網(wǎng)絡(luò)模擬器的特點；其次，歸納了思科網(wǎng)絡(luò)模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)教學中的具體應(yīng)用，對思科模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新教學中的應(yīng)用與實踐效果進行了調(diào)查分析；最后，總結(jié)分析了思科網(wǎng)絡(luò)模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新教學中的重要意義，并給出了計算機網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新教學的后續(xù)研究計劃。

【關(guān)鍵詞】計算機網(wǎng)絡(luò) 創(chuàng)新教學 思科模擬器

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）17-0048-03

計算機網(wǎng)絡(luò)課程不僅是計算機類專業(yè)的必修課程，也是信息類、電子類、通信類專業(yè)學生必須學習的課程。對計算機網(wǎng)絡(luò)課程的學習，多數(shù)老師和學生普遍認為面授不可或缺，但實踐操作更為重要，對于服務(wù)器配置、組網(wǎng)、安全技術(shù)等部分一定要通過現(xiàn)實操作、實踐動手才能真正掌握，學生必須從實踐操作中才能真正掌握網(wǎng)絡(luò)技能，并在今后的工作中學以致用。但目前的教學情況多數(shù)是以課本的理論知識為主，實驗實踐課時數(shù)較少。究其原因，主要是很多院校由于資金支持不足，沒有建設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備先進的實驗室，或是設(shè)備的數(shù)量達不到教學需求，導致現(xiàn)有的實驗教學環(huán)節(jié)沒能起到應(yīng)有的作用。學生不能掌握實際操作能力，在創(chuàng)新探索上就不能有好的建樹。對于計算機網(wǎng)絡(luò)這種有著廣泛應(yīng)用、具有很強實用性、知識理論復雜、實踐性很強的課程，研究出一套理論知識與實踐教學相輔相成的教學方法，具有重要的意義。為此，本文擬對思科模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)新教學中的作用及實踐進行深入探究。

一 思科網(wǎng)絡(luò)模擬器

思科網(wǎng)絡(luò)模擬器（Cisco Packet Tracer）是由Cisco公司開發(fā)的一款網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。它通過全新的圖形化用戶界面和多媒體的Flash動畫，為教師提供了多樣化、個性化的授課支持，也為學生學習網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識、設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、排除網(wǎng)絡(luò)故障提供了網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，有利于鼓勵開放性操作，提高學生發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力。學生可以享受到豐富和高度互動的學習體驗，提高學生對網(wǎng)絡(luò)課程的學習興趣，有效解決網(wǎng)絡(luò)實驗室不足、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備嚴重缺乏帶來的不利影響。

思科網(wǎng)絡(luò)模擬器具有以下幾方面的特點：

1.提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計構(gòu)件

思科網(wǎng)絡(luò)模擬器提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件，比如各種型號的交換機、路由器、主機、無線AP及通信媒介等。用戶只需點擊鼠標，即可輕松地將所需網(wǎng)絡(luò)設(shè)備添加到所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)中，并且可通過圖形用戶界面或文本界面對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行基本參數(shù)配置。此外，用戶可以根據(jù)需要對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模塊或接口進行添加。

2.支持大部分常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

思科網(wǎng)絡(luò)模擬器支持計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，比如應(yīng)用層的HTTP、DNS、TFTP、Telnet等協(xié)議，傳輸層的TCP、UDP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層的IP、OSPF、ARP、ICMP等協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層的PPP、HDLC等協(xié)議，能夠滿足大多數(shù)情況下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需求，并支持用戶在仿真設(shè)計過程中對協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的各字段進行查看，有利于深刻理解各層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及分組格式。

3.提供邏輯空間和物理空間兩種設(shè)計模式

思科網(wǎng)絡(luò)模擬器提供邏輯空間和物理空間兩種設(shè)計模式。邏輯空間模式用于進行邏輯拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)，對現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的各種因素不予考慮；物理空間模式支持構(gòu)建城市、樓宇、辦公室、配線間等虛擬設(shè)置，涵蓋了真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計產(chǎn)生的影響。

4.提供實時跟蹤功能

思科網(wǎng)絡(luò)模擬器提供實時（Real）及模擬（Simula -tion）兩種不同的仿真模式，用戶可以方便地在兩種仿真模式下進行切換。用戶可以在實時模式下設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并對各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行配置，使其迅速進入工作狀態(tài)；在具體仿真過程中，用戶可以切換到模擬模式以

南京郵電大學教改項目（編號：JG01614JX27、JG01614JX26）、江蘇省自然科學基金青年項目（編號：BK2014 0883）

觀察協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）在網(wǎng)絡(luò)中的傳送過程，查看交換機的交換表及路由器的路由表，實時跟蹤PDU在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的詳細處理過程，觀察網(wǎng)絡(luò)實時運行情況。為學生快速、生動地理解抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了可能。

5.支持性能分析

在仿真的過程中，只要網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的參數(shù)和使用的協(xié)議等不改變，仿真結(jié)果就不會發(fā)生改變。用戶可重復再現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)。此外，用戶修改其中的網(wǎng)絡(luò)拓撲、實體參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，靈活地設(shè)置網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中每個實體的參數(shù)，可以只獲取自己感興趣的網(wǎng)絡(luò)運行細節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過這種設(shè)置方式，學生可以有針對性地更改網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，從不同的角度獲取有用數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)性能，全面理解網(wǎng)絡(luò)運行過程。

二 教學應(yīng)用實踐

為了探究思科網(wǎng)絡(luò)模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)教學中的應(yīng)用方法及價值，在教學過程中初步在講述網(wǎng)際控制報文協(xié)議、地址解析協(xié)議和虛擬局域網(wǎng)的劃分三個知識點的過程中使用思科網(wǎng)絡(luò)模擬器進行了講解，并對實踐的效果進行了簡單的評估。

圖1 ARP協(xié)議講解示意圖

教學應(yīng)用實例。以地址解析協(xié)議為例，使用思科網(wǎng)絡(luò)模擬器講解的過程如下：

第一，構(gòu)建如上圖1工作區(qū)所示的網(wǎng)絡(luò)拓撲，并分別配置4臺終端電腦PC0-PC3的IP地址為192.168.0.1-

192.168.0.4，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。

該過程中，可使用圖1右側(cè)拓撲圖工作工具中的Inspect按鈕分別查看PC0-PC3的ARP Table。可以看出，4臺終端的ARP Table均為空，也就是說PC0的ARP高速緩存無法實現(xiàn)PC3的IP地址到MAC地址的映射。提出以下問題：PC0向PC2發(fā)送分組時，封裝的幀的目的地址如何獲得呢？通過該問題，引出ARP協(xié)議，并對ARP協(xié)議進行初步的理論講解。

第二，設(shè)置仿真模式為Simulation模式，點擊圖1右側(cè)拓撲圖工作工具中的Add Simple PDU按鈕后，分別點擊PC0和PC2，使該簡單分組（ICMP分組）從PC0轉(zhuǎn)發(fā)到PC2。此時，PC0會產(chǎn)生兩個分組，分別為ICMP分組和ARP分組。ARP分組的格式如下圖2所示，其中SOURCE IP字段為192.168.0.1，TARGET IP字段為192.168.0.3，SOURCE MAC字段為0060.47B0.062E，TARGET MAC字段為全0。該ARP分組的含義是本終端的IP地址是192.168.0.1，MAC地址是0060.47B0.062E，我想知道主機192.168.0.3的MAC地址。該ARP分組將封裝到Ethernet VⅡ格式的幀中進行傳輸，并且該幀的DEST MAC為全1，表明該ARP分組是以廣播的方式發(fā)送的。

圖2 分組格式示意圖

第三，點擊仿真控制面板（Simulation Panel）中的Capture/Forward按鈕，ARP分組會到達交換機。當交換機收到該廣播ARP分組后，由于交換機不能隔離廣播域，因此會將該ARP分組從其它所有端口進行轉(zhuǎn)發(fā)。（此時，

可以查看該交換機的MAC Table，回顧自學習算法。）

第四，點擊Capture/Forward按鈕，ARP分組分別到達PC1-PC3，此時PC1和PC3對該ARP分組不進行響應(yīng)。PC2由于IP地址和該ARP分組中的TARGET IP字段匹配，因此將PC0的IP地址和MAC地址寫入ARP Table。此外，PC2還將其IP地址和MAC地址分別作為SOURCE IP和SOURCE MAC字段寫入ARP響應(yīng)分組，并以單播方式進行傳送。分別查看PC2的ARP Table和ARP響應(yīng)分組的格式，對上述內(nèi)容進行驗證說明。

第五，點擊Capture/Forward按鈕，ARP響應(yīng)分組到達交換機，查看交換機MAC Table變化情況。

第六，點擊Capture/Forward按鈕，ARP響應(yīng)分組從交換機的接口1發(fā)送到PC0。提出以下問題：交換機為什么僅從端口1轉(zhuǎn)發(fā)ARP響應(yīng)分組？通過該問題可回顧交換機的工作原理。

第七，PC0收到ARP響應(yīng)分組后，查看PC0的ARP Table，可以看出通過上述過程，PC0獲得了PC3的IP地址所對應(yīng)的MAC地址，并將其記錄到ARP高速緩存中。接下來，簡單分組（ICMP分組）可以正常傳輸了。

三 應(yīng)用效果評估

為了對使用思科模擬器進行教學的效果與傳統(tǒng)理論教學的效果進行對比分析，并且盡可能摒棄學生的差異性對教學效果造成的影響，在網(wǎng)際控制報文協(xié)議內(nèi)容的講解過程中，A班使用思科模擬器進行教學，B班使用傳統(tǒng)理論教學的方式進行教學。在ARP協(xié)議內(nèi)容的講解過程中，B班使用思科模擬器進行教學，A班使用傳統(tǒng)理論教學的方式進行教學。針對網(wǎng)際控制報文協(xié)議和ARP協(xié)議的內(nèi)容，分別設(shè)置了10個題目，在A班和B班中分別選擇50人對所設(shè)置題目進行解答，答題情況如下圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，網(wǎng)際控制報文協(xié)議的題目，A班比B班答題正確率高約17.1%；ARP協(xié)議的題目B班比A班答題正確率高約13.8%?；谝陨蟽山M數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：使用思科模擬器進行計算機網(wǎng)絡(luò)教學，可以加深同學們對相關(guān)知識點的理解，提高答題的正確率。

圖3 網(wǎng)際控制報文協(xié)議教學效果分析

圖4 ARP協(xié)議教學效果分析

四 總結(jié)

基于思科網(wǎng)絡(luò)模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)教學中的實際探索及應(yīng)用效果評估，我們發(fā)現(xiàn)思科模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)教學中的進一步探究及推廣具有重要的意義。首先，思科網(wǎng)絡(luò)模擬器的使用能夠避免網(wǎng)絡(luò)教學過程中相關(guān)網(wǎng)絡(luò)概念抽象、枯燥，通信設(shè)備功能及工作原理、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等知識復雜難以理解的問題。利用思科網(wǎng)絡(luò)模擬器進行網(wǎng)絡(luò)教學，可以在教師機上模擬使用路由器、交換機、電腦等各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓撲，進行網(wǎng)絡(luò)配置，把抽象、乏味的理論知識轉(zhuǎn)化為直觀的操作實驗，使學生在觀察教師操作的過程中完成對網(wǎng)絡(luò)概念及相關(guān)協(xié)議的理解和掌握。其次，思科網(wǎng)絡(luò)模擬器是開源軟件，能夠有效緩解部分院校實驗設(shè)備經(jīng)費緊張、設(shè)備不足的問題。學生可以方便地在網(wǎng)上下載該軟件，利用課余時間進行相應(yīng)的實驗操作，這樣既能加深對課堂知識的理解，也能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和操作技能。

為了進一步推廣思科模擬器在計算機網(wǎng)絡(luò)教學中的應(yīng)用，下一步工作將把計算機網(wǎng)絡(luò)中的相應(yīng)知識點進行提取，為結(jié)合思科模擬器進行創(chuàng)新教學奠定基礎(chǔ)，并研究相關(guān)的創(chuàng)新教學方法，撰寫教學方案。

參考文獻

[1]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)（第5版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008

[2]王娟.高等院校計算機網(wǎng)絡(luò)教學存在的問題及對策[J].中國成人教育，2014（11）

[3]潘江波、鄧建高.仿真軟件在計算機網(wǎng)絡(luò)教學中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2011（7）

[4]徐巧枝.Packet Tracer軟件在計算機網(wǎng)絡(luò)教學中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古師范大學學報（教育科學版），2011（5）

[5]徐洪學、郭秀英.仿真軟件Packet Tracer在計算機網(wǎng)絡(luò)工程課程教學中的應(yīng)用[J].沈陽教育學院學報，2010（1）

[6]劉智勇、邢敏.計算機仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實驗教學中的應(yīng)用[J].吉林工程技術(shù)師范學院學報，2008（12）

〔責任編輯：龐遠燕〕