通信與計算機網(wǎng)絡(luò)實驗的創(chuàng)新研究

韓方珍，曹詠，俞守華，熊俊濤

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州510642）

1 計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

《通信與計算機網(wǎng)絡(luò)實驗》是信息管理與信息系統(tǒng)本科專業(yè)基礎(chǔ)課程中的必選課，是一門實踐性較強的獨立實驗課程，對于本科生網(wǎng)絡(luò)技能的培養(yǎng)起決定性的作用[1]。但現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，實驗項目大多是操作性、驗證性的基礎(chǔ)型實驗，實驗環(huán)境受限，實驗教學(xué)方式單一，已經(jīng)無法滿足新工科建設(shè)的要求。對計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)方法與實驗內(nèi)容進行創(chuàng)新研究，是《通信與計算機網(wǎng)絡(luò)實驗》教學(xué)改革的必然趨勢。

另外在實驗教學(xué)中，大部分組網(wǎng)實驗項目需要用到多臺計算機、多種設(shè)備和多個操作系統(tǒng)，如局域網(wǎng)的組建、網(wǎng)絡(luò)配置與管理、DNS、DHCP 等各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的配置、遠程訪問和路由的設(shè)置等，而現(xiàn)有的實驗機房設(shè)備不足、計算機安裝保護卡等教學(xué)條件限制，導(dǎo)致實驗無法順利開出。針對諸如此類問題，使用VMware 虛擬機技術(shù)在一臺物理機上虛擬出多個操作系統(tǒng)[2]，可同時運行且不會相互干擾，來解決實驗環(huán)境受限的問題。

2 基于VMware Workstation的實驗設(shè)計

考慮到實驗室的計算機數(shù)量龐大，虛擬機架構(gòu)采用的做法是：先將一臺計算機作為宿主機并安裝VM?ware Workstation 軟件，再安裝通信與計算機網(wǎng)絡(luò)實驗需要的虛擬操作系統(tǒng)，然后利用計算機上的硬盤保護卡的網(wǎng)絡(luò)同傳功能將宿主機的系統(tǒng)封裝好[3]，克隆到其他的計算機上。這樣的做法方便快速部署。網(wǎng)絡(luò)同傳完成后，實驗室每臺計算機上都有了虛擬機系統(tǒng)。

2.1 虛擬機實驗環(huán)境架構(gòu)

本虛擬實驗環(huán)境中，實驗室的宿主機采用Win?dows 10 操作系統(tǒng)，并安裝好VMware Workstation 10 軟件，同時準(zhǔn)備好安裝有服務(wù)器版本W(wǎng)indows Server 2003 和客戶端版Windows 8.0 操作系統(tǒng)的虛擬機鏡像，以便快速搭建虛擬實驗環(huán)境。運行時，虛擬機鏡像文件放置在非保護分區(qū)中，避免宿主機重啟導(dǎo)致上次實驗結(jié)果丟失[4]。虛擬機實驗環(huán)境架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 虛擬機實驗環(huán)境架構(gòu)

2.2 創(chuàng)新多層次模塊實驗項目設(shè)計

以新工科建設(shè)為目標(biāo)，創(chuàng)新設(shè)計多層次模塊的實驗項目，讓學(xué)生可以從中靈活的組建網(wǎng)絡(luò)、學(xué)習(xí)和掌握網(wǎng)絡(luò)操作知識[5]?；赩Mware Workstation 虛擬機的實驗環(huán)境，主要分網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)實驗、網(wǎng)絡(luò)互連實驗、服務(wù)器配置實驗和綜合設(shè)計性實驗4 個模塊，每個模塊下又具體設(shè)計2-3 個實驗項目。具體如表1 所示。

表1 基于VMware Workstation 的實驗項目設(shè)計

（1）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的實驗。實驗包含3 個項目。其中對等網(wǎng)的安裝實驗，學(xué)生實驗分4 人一組，每個學(xué)生使用1臺物理主機，其上2 個虛擬機中，1 臺安裝Windows Server 2003 作為服務(wù)器，另外1 臺安裝Windows 8.0 操作系統(tǒng)作為客戶機。學(xué)生可通過配置客戶機的參數(shù)，進行對等網(wǎng)的安裝及測試。

（2）網(wǎng)絡(luò)互連實驗。實驗包含3 個項目，其中小型C/S 局域網(wǎng)的組建及管理實驗內(nèi)容包括：域環(huán)境的建立、用戶及組管理，以及組策略管理[6]。

在該類實驗中，學(xué)生實驗分4 人一組，每個學(xué)生使用1 臺物理主機，其上2 個虛擬機中，2 臺安裝Win?dows Server 2003，采用NTFS 文件系統(tǒng)，其中1 臺作為域控制器，另1 臺作為文件服務(wù)器，其他的虛擬機安裝Windows 8.0 系統(tǒng)作為客戶機。學(xué)生先配置域控制器，在1 臺服務(wù)器上添加“域及活動目錄”角色，使其成為域控制器，另外2 臺客戶機加入到域，并通過域控制器上的“Active Directory 用戶和計算機”工具查看并管理域中的計算機，組建一個C/S 結(jié)構(gòu)的小型局域網(wǎng)。

（3）服務(wù)器配置實驗。實驗包含3 個項目。該實驗是在虛擬機局域網(wǎng)環(huán)境下進行的，所需硬件及軟件設(shè)備如下：運行Windows Server 2003 操作系統(tǒng)的服務(wù)器2 臺，運行Windows 8.0 操作系統(tǒng)的客戶機3 臺；MDaemon 郵件服務(wù)器軟件。

安裝Windows Server 2003 操作系統(tǒng)的虛擬機能夠充當(dāng)DNS 服務(wù)器（一般由域控制器擔(dān)當(dāng)這一角色）。DHCP 服務(wù)器必須運行于Windows Server 2003 的虛擬機上，并且已配置好TCP/IP 協(xié)議。選擇“控制面板/添加刪除Windows 組件/網(wǎng)絡(luò)服務(wù)/詳細(xì)信息/域名系統(tǒng)（DNS）/動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）”，安裝DNS 和DHCP 系統(tǒng)。重新引導(dǎo)Windows Server 2003 之后，DNS服務(wù)、DHCP 服務(wù)器開始生效[7]。

配置郵件服務(wù)器實驗，先在虛擬機Windows Server 2003 服務(wù)器安裝MDaemon 軟件，安裝結(jié)束后，默認(rèn)彈出MDaemon Server 域設(shè)置窗口，輸入設(shè)置的郵件服務(wù)器域名，新建賬戶；郵件客戶端軟件可以選擇Windows自帶的Outlook Express，也可以選擇其他常用的郵件客戶端軟件Foxmail 等[8]。

（4）綜合設(shè)計性實驗。實驗包含3 個項目，其中有2 項是學(xué)生可根據(jù)自身能力和愛好，自行選做的。綜合設(shè)計性實驗的主要目的是將整個課程所包含的獨立的知識點融會到綜合性實驗中，通過系列綜合性實驗，達到對組建局域網(wǎng)、交換機配置、虛擬局域網(wǎng)、IP 地址等知識點的綜合理解和掌握[9]。

其一校園網(wǎng)的設(shè)計實驗，要求學(xué)生熟悉DHCP、DNS、Web、VLAN 等服務(wù)的配置方法，鍛煉學(xué)生設(shè)計網(wǎng)絡(luò)、組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)配置的能力。學(xué)生需要根據(jù)實驗要求，考慮校園網(wǎng)應(yīng)該使用什么設(shè)備，設(shè)備需要配置什么協(xié)議來支持需求。學(xué)生在實驗過程中，需要考慮內(nèi)網(wǎng)IP和外網(wǎng)主機通信要使用NAT，3 層交換機中需要配置VLAN。在進行網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的學(xué)習(xí)過程中，這樣的綜合實驗，可以把理論和實際問題有機結(jié)合起來[10]。

其二小型企業(yè)局域網(wǎng)的構(gòu)建與管理實驗，需要在虛擬機上配置服務(wù)器和設(shè)置客戶端，在服務(wù)器上建立私有空間（只能允許各部門內(nèi)部人員使用）和公有空間（允許公司內(nèi)部所有部門人員使用），為不同部門指定不同的權(quán)限；配置郵件服務(wù)器，并進行設(shè)置和管理郵件服務(wù)，實現(xiàn)各部門間郵件收發(fā)；各實驗小組可根據(jù)實驗?zāi)康淖孕性O(shè)計實驗內(nèi)容。

3 問題分析：解決虛擬網(wǎng)卡的MAC地址重復(fù)問題

在實驗中，測試虛擬機和虛擬機之間的連通情況時，出現(xiàn)了一個大問題：很多虛擬機之間不能相互通信，而一部分虛擬機之間卻又是能夠通信的狀況。幾經(jīng)摸索，終于發(fā)現(xiàn)：原來不能相互通信的那些虛擬機中，它們的虛擬網(wǎng)卡的MAC 地址是相同的，導(dǎo)致了虛擬機系統(tǒng)盡管設(shè)置IP 地址不沖突也無法通信的現(xiàn)象，這就是問題癥結(jié)所在了。網(wǎng)絡(luò)同傳只是將物理機的系統(tǒng)封裝了再克隆，卻沒有能夠把虛擬機里的系統(tǒng)封裝[11]，所以出現(xiàn)了很多虛擬機系統(tǒng)的MAC 地址重復(fù)的現(xiàn)象。

解決以上問題的方法，需要在虛擬機軟件設(shè)置里更改MAC 地址[12]。

首先打開虛擬機軟件，不進入任何操作系統(tǒng)，在VM 下選擇“Setting”，然后選中虛擬機網(wǎng)卡，在配置選項里點擊“Advanced”，操作如圖2 所示。點擊“Ad?vanced”后，出現(xiàn)如圖3 所示。

圖2 高級設(shè)置

圖3 MAC地址設(shè)置

點擊“Generate”后，虛擬機軟件會自動分配一個新的MAC 地址給虛擬系統(tǒng)[13]。通過這種方法解決了虛擬系統(tǒng)之間MAC 地址重復(fù)的問題，從而保證了虛擬系統(tǒng)之間的正常通信，《通信與計算機網(wǎng)絡(luò)》實驗課程得以順利開展。

4 結(jié)語

針對《通信與計算機網(wǎng)絡(luò)實驗》教學(xué)中存在的問題，以新工科建設(shè)為目標(biāo)，利用VMware 虛擬機技術(shù)改革創(chuàng)新實驗教學(xué)，對實驗內(nèi)容進行了重新的規(guī)劃設(shè)計，提出了多層次模塊化的實驗項目改革，并加入可選擇型綜合設(shè)計性實驗項目。注重基礎(chǔ)實驗的同時，強化綜合性實驗重要性[14]，培養(yǎng)學(xué)生的工科思維、創(chuàng)新能力。

利用虛擬機技術(shù)能夠方便、快捷地構(gòu)建虛擬的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境[15]，順利完成實驗教學(xué)，學(xué)生可反復(fù)在安全的虛擬實驗環(huán)境上進行操作，對計算機系統(tǒng)和設(shè)備硬件上不會造成破壞。這既緩解了當(dāng)前實驗室設(shè)備不足的問題，又降低了實驗室的管理難度，因此，在計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中推廣虛擬機技術(shù)具有非常積極的教學(xué)意義，對提高實驗教學(xué)質(zhì)量有著重要的意義。