計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)研究與探索

劉進 楊力 王宗武 孫翠娟

關鍵詞：計算機網(wǎng)絡；虛擬仿真實驗系統(tǒng)；自主創(chuàng)新；綜合實踐能力

計算機網(wǎng)絡作為高等院校信息類專業(yè)本科生的必修課程，是一門理論性、綜合性和實踐性都很強的學科。計算機網(wǎng)絡課程內(nèi)容包括抽象的概念和繁多的協(xié)議，很難僅僅通過理論教學來引導學生理解并構建網(wǎng)絡體系模型，從而導致學生無法靈活運用所學理論知識來解決實際的網(wǎng)絡工程問題。因此，該課程對學生的實踐能力提出了較高的要求[1-2]。目前，計算機網(wǎng)絡實驗教學普遍采用線下教學方式開展。由于線下實驗時間和場地固定，導致學生在完成網(wǎng)絡理論知識學習后無法及時進行實驗驗證，理論學習與實踐環(huán)節(jié)之間產(chǎn)生嚴重脫節(jié)。此外，由于線下實驗設備型號和數(shù)量受限，導致部分實驗內(nèi)容只能通過分組方式開展，部分學生無法實際操作設備完成實驗[3-4]。

計算機網(wǎng)絡虛擬仿真是計算機網(wǎng)絡學科與信息技術深度結合的產(chǎn)品，通常采用虛擬現(xiàn)實技術模擬實際的網(wǎng)絡設備，具備將抽象的網(wǎng)絡概念具體化、形象化的特點。開展計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗，可以有效解決線下實驗教學中存在的時間、空間和設備受限的問題，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡理論學習與實驗驗證的緊密結合，幫助學生深刻理解計算機網(wǎng)絡相關理論知識，在計算機網(wǎng)絡課程建設中具有非常積極的作用[5-9]。然而，目前計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗普遍采用思科的Cisco Packet Tracer 仿真軟件來實現(xiàn)[10-13]。這種實現(xiàn)方式面臨的主要問題有：1）考慮網(wǎng)絡設備的國產(chǎn)化和安全性需求，目前國內(nèi)政府、高校、企業(yè)級網(wǎng)絡建設中多采用華三和華為的網(wǎng)絡設備產(chǎn)品；2）在網(wǎng)絡工程師認證考試中，多數(shù)學生會選擇參加華為網(wǎng)絡工程師（HCIA）或者華三網(wǎng)絡工程師（H3CNE）認證考試；3）目前各大高校計算機網(wǎng)絡線下實驗教學中使用較多的也是華三和華為公司的交換機、路由器等網(wǎng)絡設備。因此，一些研究學者基于華三云實驗平臺HCL （H3C Cloud Lab）和華為企業(yè)級網(wǎng)絡仿真平臺eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）開展了部分計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗內(nèi)容的初步研究和探索[14-15]。

基于以上分析，本文對計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構的構建和相關實驗內(nèi)容的設計進行了進一步深入的研究與探索。首先，通過分析華三HCL、華為eNSP 等仿真軟件的特點以及適合開展的實驗內(nèi)容，構建了合理的計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構；其次，對計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗內(nèi)容以及開展方式進行了研究；最后，從計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)預期應用效果和學生從中受益等方面進行了歸納和總結。

1 計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構

1.1 虛擬仿真軟件分析

1）華三HCL仿真軟件

HCL仿真軟件是新華三（H3C）公司研發(fā)的一款圖形化的網(wǎng)絡模擬軟件，該軟件包含H3C公司多種型號的虛擬交換機和路由器，適合于開展基礎的網(wǎng)絡拓撲設計、虛擬網(wǎng)絡設備和虛擬主機配置與測試實驗。該軟件的缺點是設備類型較少，不利于開展復雜性和綜合性強的網(wǎng)絡實驗。

2）華為eNSP仿真軟件

eNSP仿真軟件是由華為公司提供的是一款圖形化操作、可擴展的網(wǎng)絡仿真工具平臺，主要對企業(yè)網(wǎng)絡交換機、路由器等進行軟件仿真，支持較為復雜的大型網(wǎng)絡模擬實驗。其優(yōu)點是虛擬網(wǎng)絡設備較為齊全，可以作為華三HCL仿真軟件的有效補充和擴展，利用其提供的各類模擬服務器，便于開展較為復雜的運輸層（TCP、UDP）協(xié)議、應用層（DHCP、DNS、WEB、FTP）協(xié)議分析實驗。

3）安裝Windows Server版本操作系統(tǒng)的虛擬機

利用安裝Windows Server 版本操作系統(tǒng)的虛擬機，適合于在線上、線下混合式網(wǎng)絡實驗教學中，為學生在線上開展各類網(wǎng)絡服務和互聯(lián)網(wǎng)信息服務（IIS）相關的服務器配置與管理實驗。

1.2 計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構設計

基于HCL 仿真軟件、eNSP 仿真軟件、安裝Win?dows Server版本操作系統(tǒng)的虛擬機的特點及應用分析，計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構的設計思路如下：

1）采用華三HCL仿真軟件與安裝Windows Server 版本操作系統(tǒng)的虛擬機完成計算機網(wǎng)絡基礎類實驗，主要包括交換機與路由器配置、網(wǎng)絡服務與互聯(lián)網(wǎng)信息服務相關的服務器配置與管理等實驗內(nèi)容；

2）采用華三HCL仿真軟件、華為eNSP仿真軟件、Wireshark網(wǎng)絡嗅探器軟件完成計算機網(wǎng)絡原理類實驗，實驗內(nèi)容涵蓋數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層以及應用層等各層的網(wǎng)絡協(xié)議分析實驗；

3）采用華三HCL仿真軟件完成計算機網(wǎng)絡技術類實驗，內(nèi)容包括ACL（Access Control List）訪問控制列表、NAT（Network Address Translation）網(wǎng)絡地址轉換、ARP攻擊與防范、采用智能彈性架構IRF（Intelli?gent Resilient Framework）的虛擬化技術實驗。

2 計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗內(nèi)容與開展形式

在計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構基礎上，進一步研究了依托此架構開展的虛擬仿真實驗內(nèi)容，本文簡單列舉了具有一定通用性和代表性的實驗內(nèi)容，實際應用過程中可以根據(jù)各大高校對學生網(wǎng)絡工程能力的培養(yǎng)需求，靈活地調(diào)整和擴展實驗內(nèi)容。計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗內(nèi)容設計思路如下：

1）計算機網(wǎng)絡基礎類實驗：采用華三HCL仿真軟件，完成交換機VLAN、跨交換機VLAN等數(shù)據(jù)鏈路層實驗，路由器配置與子網(wǎng)交換、單臂路由、靜態(tài)路由、動態(tài)路由以及三層交換機等網(wǎng)絡層實驗。采用安裝Windows Server版本操作系統(tǒng)的虛擬機，完成DHCP、DNS、FTP、Web服務器配置和管理等應用層實驗。計算機網(wǎng)絡基礎實驗內(nèi)容采用線上、線下與課內(nèi)、課外相結合的形式開展，旨在鞏固和加深學生對網(wǎng)絡基礎理論知識的理解。

2）計算機網(wǎng)絡原理類實驗：采用華三HCL仿真軟件，完成以太網(wǎng)協(xié)議、VLAN協(xié)議、VLAN tag標記、PP?Poe協(xié)議等數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分析實驗內(nèi)容，以及IP協(xié)議、ICMP 協(xié)議、ARP 協(xié)議等網(wǎng)絡層協(xié)議分析實驗內(nèi)容。采用華為eNSP仿真軟件和Wireshark網(wǎng)絡嗅探器軟件，完成TCP協(xié)議、UDP協(xié)議等運輸層協(xié)議分析以及HTTP協(xié)議、DHCP協(xié)議等應用層協(xié)議分析實驗內(nèi)容。充分考慮線下實驗時間、實驗場地和實驗設備的限制，計算機網(wǎng)絡原理類實驗采用線上實驗的方式開展。

3）計算機網(wǎng)絡技術類實驗：采用華三HCL仿真軟件，完成ACL訪問控制列表、NAT網(wǎng)絡地址轉換、ARP 攻擊與防范、IRF虛擬化技術等實驗內(nèi)容。其中，IRF 是H3C公司專有的、能夠將多個設備虛擬為單一設備使用的通用虛擬化技術，通過IRF技術形成的虛擬設備具有更高的擴展性、可靠性及設備性能。計算機網(wǎng)絡技術類實驗作為基礎類實驗內(nèi)容的擴展，采用線上實驗的方式開展。

3 預期應用效果與學生受益分析

基于計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構、實驗內(nèi)容以及開展形式，通過課內(nèi)、課外和線上、線下相結合的方式，保障學生在學習網(wǎng)絡基礎理論知識后能夠及時在線上虛擬仿真實驗平臺獨立開展實驗，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡理論學習和實驗驗證環(huán)節(jié)的緊密結合，進一步加深學生對網(wǎng)絡基礎理論知識的理解。此外，學生利用課外時間在線上開展計算機原理類和技術類實驗，可以擺脫線下實驗時間和空間固定的約束，學生可以自由靈活地投入更多的時間，更加深入地理解和掌握抽象的網(wǎng)絡概念、繁多的網(wǎng)絡協(xié)議和綜合性的網(wǎng)絡技術，構建完整的網(wǎng)絡體系模型，從而達到靈活運用所學理論知識來解決實際問題的目的。

計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)的應用與優(yōu)化，本著以學生為主體的思路，鼓勵學生在使用系統(tǒng)功能的過程中及時反饋使用意見和建議，以便不斷完善系統(tǒng)功能。同時，以虛擬仿真實驗系統(tǒng)中提供的實驗內(nèi)容和案例作為引導，鼓勵學生自主設計綜合性和創(chuàng)新性的實驗案例，作為虛擬仿真實驗系統(tǒng)實驗內(nèi)容和實驗案例的有效補充，同時進一步增強學生的自主學習和創(chuàng)新意識。

綜合性網(wǎng)絡實驗需要的網(wǎng)絡設備種類和數(shù)量龐大、拓撲結構復雜多樣，借助虛擬仿真實驗平臺良好的可視化效果以及靈活的拓撲調(diào)整和控制功能，能夠支撐學生完成綜合性強、復雜度高的網(wǎng)絡實驗設計與測試驗證，從而使得學生的綜合實踐能力和解決復雜工程問題的能力得到有效提升。本科生《計算機通信與網(wǎng)絡》《組網(wǎng)與運維》《網(wǎng)絡協(xié)議分析》等課程實驗中，通過不斷迭代和完善系統(tǒng)功能、實驗內(nèi)容和實驗案例，逐步打造功能完善、內(nèi)容豐富的校內(nèi)外開放共享的計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

4 結束語

針對計算機網(wǎng)絡課程線上、線下混合式實驗教學以及實驗課程的開放共享需求，開展了計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構、實驗內(nèi)容與開展形式、預期應用效果與學生受益等內(nèi)容的研究與探索。旨在擺脫線下實驗教學中時間、空間以及設備方面的限制，實現(xiàn)理論學習與實驗驗證環(huán)節(jié)的緊密結合，及時鞏固和加深學生對網(wǎng)絡基礎理論知識的理解。通過綜合性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容的學習與自主設計，提高學生的自主學習與創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的綜合實踐和解決復雜工程問題的能力，從而更好地促成工程教育專業(yè)認證要求下學生實踐能力目標的達成。