基于虛擬仿真技術的實驗室計算機網絡的構建

范曉峰 孫殿恩 顏兵 李偉

（德州學院體育學院 山東省德州市 253023）

高新技術的發(fā)展，可為國民經濟注入持續(xù)動力，尤其是在網絡時代，更要明確其計算機網絡技術的地位，不斷完善其專業(yè)教育體系，注重高素質創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。但在國內教育環(huán)境下，計算機網絡實驗室的構建普遍面臨資金不足、實驗效果差、利用率低等問題，實驗資源是極為有限的，不利于網絡知識與實踐的融合。在二十一世紀，計算機網絡已成為主流技術，要想突破國外技術壁壘，不應仍局限于理論教學與研究，但網絡實驗室資金問題難以短時解決，虛擬仿真技術的應用，為其提供另一條教學思路，通過引進專業(yè)的網絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)，搭建起自主、靈活的網絡實驗環(huán)境，進而更好的服務于實驗教學工作，下面將就此展開詳述。

1 實驗室計算機網絡的現(xiàn)狀

當前，在實驗教學環(huán)節(jié)中，盡管與計算機網絡課程的融合度較高，改變了單一的教學模式，但受限于現(xiàn)有技術，仍舊局限于驗證性試驗的范疇，實驗教學僅起到簡單輔助作用。而且，對于計算機網絡實驗教學而言，其在內容、形式上仍有不足，知識結構缺乏系統(tǒng)性，實驗形式也趨于松散，學生作為實驗主體也基本處于被動接受的狀態(tài)，未能形成更高效的實驗教學工具，網絡環(huán)境下實驗教學資源匱乏，并不能很好地助力學生理論理解，實驗與理論聯(lián)系并不緊密，很難滿足當前實驗教學要求。

導致上述問題的具體緣由包括：

（1）網絡實驗教學資源匱乏，而且現(xiàn)有資源與學校專業(yè)特點匹配度不高，未能及時就計算機網絡實驗教學方法及內容予以更新，所用計算機網絡技術過于落后，早期投運后便不再更新，很難承擔起更深層次的實驗任務。

（2）建設成本問題，在搭建網絡實驗室過程中，不僅須有路由、交換機等硬件投入，還需斥資購買專業(yè)實驗應用軟件，而且，即使是計算機網絡實驗，也伴隨著硬件損耗問題，再加上硬件設施更新頻率高，要想維持實驗室設備先進行，必然要持續(xù)性加大投入，這對作為教育機構的高校而言，很難滿足計算機網絡實驗室發(fā)展需要。

2 虛擬仿真實驗室的構建

在高校實驗教學環(huán)境中，計算機網絡的應用正在逐步深入，然而多數(shù)實驗授課偏離了實踐教學的主線，以至于實驗教學成效不顯。而且經現(xiàn)狀分析可知，計算機網絡實驗存在硬件落后、內容單一、教學形式松散等現(xiàn)象，為改變實驗教學現(xiàn)狀，本文著重研究虛擬仿真實驗室的構建，通過發(fā)揮虛擬仿真技術優(yōu)勢，對其軟硬件進行重新開發(fā)，不斷豐富虛擬仿真實驗資源，并將其以平臺共享的方式，拓寬虛擬仿真實驗室教學范圍，更好的服務于高校實驗教學工作。

通過引進專業(yè)的虛擬仿真軟件，使常規(guī)實驗教學下的相關理論知識可在虛擬環(huán)境下進行具象化展示，既能加深對網絡知識的理解，也能提升計算機應用技能，對網絡內部結構及相關協(xié)議建立起更為形象化的理解，而且也可經仿真軟件參與協(xié)議數(shù)據(jù)包的編制，不斷強化其基礎原理認識，提升網絡實驗教學成效。為加深理解，本文以網絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)為例，對其構造加以分析，具體如下：

2.1 虛擬仿真實驗室軟硬件設施

在該系統(tǒng)中，其在實驗室硬件系統(tǒng)設計中，也采取分層結構，且能以多種網絡拓撲形式存在。實驗室硬件設施包括：

（1）主控中心平臺，這也是最為核心的硬件設施，利用其內配置的高性能服務器，可實現(xiàn)多種不同服務功能，如實驗室管理服務、各類網路協(xié)議服務等，實驗室網絡數(shù)據(jù)可得到有效控制，而且也使得實驗室計算機網絡具備拓展性，虛擬仿真實驗用戶數(shù)量可靈活調整。

（2）智能網絡設備，其在虛擬仿真系統(tǒng)的功效，是作為網絡硬件存在，同時也具備實驗室網絡的智能控制作用，在該設備硬件設計中，專門設置有具備網絡拓撲切換功能的“Topology”按鈕，極大簡化實驗室網絡結構調整操作，網線接口也無需頻繁插拔。不僅如此，還設計有級聯(lián)控制功能按鈕，通過固化特定的網絡結構，能夠在實驗課程調整時方便進行進行一鍵式切換，可提高實驗室使用效率。

（3）組控設備，也是教學系統(tǒng)的重要構成，需根據(jù)實驗室規(guī)模，配置有多個組控設備，不僅能使網絡負載更為均衡，還能有效采集網絡數(shù)據(jù)，而且組控設備通常搭配有六個共享模塊，可與六臺學生計算機實驗終端相連，可呈現(xiàn)出多種實驗室網絡結構。在該仿真教學系統(tǒng)中，其對于網絡拓撲的設置有五種方式，可結合計算機網絡實驗需要，選擇合適的拓撲結構，最為常見的便是分層式一對多的實驗室網絡拓撲結構形式。

其軟件部分，是與虛擬仿真實驗室硬件設施配套引進的，其構成包含：

（1）仿真編輯器，具有協(xié)議模擬功能，負責實驗仿真數(shù)據(jù)編輯與發(fā)送，能夠較好地適用于TCP/IP 協(xié)議網絡環(huán)境。

（2）協(xié)議分析器，主要是用于與仿真編輯器對接，并將其所接收的數(shù)據(jù)包等改造為更直觀的表現(xiàn)形式，如會話、圖解等，可提高虛擬仿真的效果。

（3）多類工具性軟件，主要發(fā)揮實驗教學輔助作用，涉及有組播、UDP 等軟件。

在虛擬仿真實驗室中，要根據(jù)學生數(shù)量，配置合適規(guī)模的仿真教學系統(tǒng)，滿足基本的仿真需求。而且同一組控設備下的多為學員，應當加強協(xié)作、交流，提升虛擬仿真實驗效果，并有效提升團隊意識。在高校課程設置中，虛擬仿真實驗應視為獨立課程，通過仿真形式參與實驗，也可使學生實驗思路得以延伸，提升其設計及實踐能力，提升實驗課堂互動性。不僅如此，仿真教學系統(tǒng)中，借助專業(yè)軟件及網絡硬件設施，能夠實現(xiàn)網絡實驗環(huán)境的準確模擬，進而使實驗本身更加靈活、開放。

2.2 虛擬仿真教學資源

在實際教學中，要結合計算機網絡的學科特點，強調實驗教學重要性，而且這其間不僅有硬件實驗，還涉及到軟件實驗的內容，再結合計算機網絡理論教學，更能提升教學成效。要想最大限度開發(fā)虛擬網絡實驗室的價值，需不斷豐富其教學資源，應當有選擇性的進行實驗設計，而且虛擬仿真實驗要有計劃性，逐步深入掌握計算機網絡課程核心內容，如數(shù)據(jù)鏈路層等專業(yè)知識。在仿真實驗教學資源創(chuàng)建中，要秉持相應原則，要夯實其專業(yè)基礎及實踐能力，并且對各實驗類型均要有所涉及，要有基礎操作型的、實踐創(chuàng)新型的、實驗分析型的、實驗設計型的等等。在虛擬仿真實驗室應用中，要這對網絡實驗課程要求，并根據(jù)實際實驗條件，合理的修訂網絡實驗計劃及內容，納入仿真教學系統(tǒng)實驗項目，并將其作為重要教學項目。

具體的虛擬仿真實驗計劃設置如下：

（1）實驗室參觀學習及基礎技能培訓，在學生初步接觸虛擬仿真實驗室時，教師需帶隊參觀，直觀的了解網絡實驗設備，對虛擬仿真網絡實驗有基礎性理解。然后，要開展基礎性實驗教學，教師示范教授RJ-45 接頭制作方法、網絡及協(xié)議配置以及常規(guī)的測試指令的應用，如tracert、ping 等，完成初級階段實驗任務。

（2）初步學習并應用網絡協(xié)議仿真教學系統(tǒng)，指導學生參與仿真實驗，借此深化學生對網絡知識理解，了解MAC 幀格式種標準，并逐步強化對MAC 地址、報文格式等專業(yè)內容的認知。同時，還要通過仿真實驗，對其系統(tǒng)重要構件，如協(xié)議分析器、仿真編輯器等，有一定的使用能力。

（3）局域網的設計、模擬，為幫助學生了解局域網的搭建，可借助于仿真教學系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境下學習如何配置交換機，以便有效實現(xiàn)網絡劃分，要求學生自主進行網絡設計，進而對局域網運行特點有更深理解，鍛煉其仿真設計能力。

（4）地址解析協(xié)議的的學習，也是利用仿真教學系統(tǒng)，通過仿真實驗的方式，增進學生對協(xié)議原理的掌控，了解其相應報文的格式，并對如何維護ARP 緩存表加以明確。

（5）IP 地址的學習，為加深學生對網絡IP 協(xié)議的理解，可在相應仿真實驗課程中，對照網絡理論課程中IP 相關知識，有效涉及IP 的基本含義、校驗方法、報文格式等內容。

（6）廣域網運行環(huán)境模擬，可利用仿真教學系統(tǒng)，預先布置實驗課題，要求自行進行設計搭建工作。在虛擬環(huán)境下，可對廣域網的運行及配置有直觀、全面了解，并且還能更進一步對子網劃分、路由配置及操作、協(xié)議選擇、超網構造等有一定掌握。

（7）傳輸控制協(xié)議的學習，在虛擬仿真實驗環(huán)境下，學生可直接參與TCP 協(xié)議的設置，以便加深對其協(xié)議連接與釋放、校驗與計算、協(xié)議數(shù)據(jù)的傳輸以及重傳機制等重點內容的理解，提高計算機網絡教學效果。

（8）實驗教學中學習Socket 編程，在掌握Socket 概念及原理的基礎上，在虛擬仿真實驗中，研究如何利用Socket 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連接、監(jiān)聽、發(fā)送等基本操作，然后再進行簡單的編程，提高學生對Socket 編程方法的掌握。

最后，在經過上述基礎實驗教學后，還應利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)，完成一項綜合設計題目，需在計算機網絡課程范疇內，并適當?shù)奶岣咴O計難度。借此可有效考驗并提高程序設計及軟件綜合設計能力，也是對計算機網絡實驗課程的最終考核。當然，除了教學計劃內容外，虛擬仿真實驗室在課余時間也可面向學生，允許其進行開放性實驗，如網絡攻防、應用程序開發(fā)等，進而建立起全方位的計算機網絡技能培養(yǎng)體系，極大提升其實踐操作能力。

2.3 虛擬仿真實驗室網絡共享平臺

共享平臺的建設，對于實驗教學資源開發(fā)很是關鍵，這也是仿真教學系統(tǒng)的功能延伸，其中，共享平臺主要涉及兩項內容：實驗教學平臺與網絡管理信息系統(tǒng)。當需要授課時，教師可利用專門的教師機經Web 接入到主控中心平臺，然后登錄管理信息系統(tǒng)來開展實驗教學，該系統(tǒng)可以提供的功能有：報告管理、方案管理、課堂信息發(fā)布與設備管理等。而學生一般使用實驗教學平臺，通過上機設備進入學生客戶端，能夠將教師發(fā)布授課內容和通知等下載下來，然后借助學生客戶端來為完成實驗部分，形成一個強有力的軟支撐。實驗教學平臺能夠起到重要的指導作用，在一定程度上可以替代老師，及時將課堂工具、實驗重點和需要學生解決的問題等發(fā)布在平臺上，為學生構造一個良好的實驗環(huán)境，便于學生開展實驗，可明顯提高計算機網絡教學效果。

3 虛擬仿真實驗室對計算機網絡帶來的影響

在具體開展計算機網絡課程時，需強調實驗與理論教學的同等地位，能夠明顯提高學生獨立思考和實踐等方面能力。網絡實驗室的構建，正是要使理論教學充分得以延伸，通過虛擬仿真實驗，可使其理解并應用網絡相關知識，從而解決實驗教學難題。虛擬仿真網絡實驗室使用的實驗設備一般比較先進，教學大綱內容充實，有一個相對合理的教學體系，優(yōu)勢顯著，可推動網絡課程理論教學工作的順利開展。

（1）借助于虛擬仿真網絡實驗室，學生可進行一定的實驗操作，對理論知識產生更加深刻的理解。相對于其他課程而言，計算機網絡課程在理論方面的要求較高，同時必須通過實踐來進一步鞏固學生基礎。沒有實驗的理論是空洞乏味的，教學效果往往不盡人意，很難提高學生解決計算機網絡應用問題的能力。

（2）通過虛擬仿真網絡實驗室教學，相應專業(yè)教師可明顯提升實驗教學能力。在技術領域迅速發(fā)展的今天，虛擬仿真實驗軟硬件設施也不斷更新?lián)Q代，然而計算機網絡理論基礎始終不變。如果教師不注重設備操作水平的提高，只是不斷講述理論知識，其職業(yè)水平很難得到有效提高，很容易被時代所淘汰。

（3）高校需正視虛擬仿真實驗室的作用，加大建設力度，促進教學水平與科研提升。當涉及到計算機網絡科學研究時，通常是指先在理論上做出改進，然后再通過實驗證明。若缺乏有效實驗，就很難保證理論創(chuàng)新的可行性，不利于在科研上取得突破。同時，社會在發(fā)展中，對計算機網絡人才的訴求，不再局限于理論基礎，更加強調實踐操作能力。在掌握理論的基礎上，學生通過虛擬仿真實驗，可及時掌控自身不足，并采取針對性提升措施，使其觀察力和實踐能力會明顯提升。

4 結束語

綜上所述，為實現(xiàn)網絡實驗教學體系的完善，補好實驗教學的短板，解決實驗資源不足、網絡實驗教學效果有限等問題，文中搭建了專業(yè)化的虛擬仿真實驗室，借助其軟硬件設施功能，在網絡環(huán)境中還原出近乎真實的試驗對象，極大提升網絡實驗教學靈活性，并且在虛擬、模擬作用下，網絡理論知識更易于被學生接納，網絡實驗課程取得良好的建設成效，使師生群體素質得以很大提升，在高校計算機網絡教學中，充分體現(xiàn)其推廣價值。