多维计算机网络实践教学系统的构建

严燕

摘要： 为提高“计算机网络”课程的教学效果和学生实践能力，将课程的实践分为验证型实验、配置型实验、设计型实验、创新性实验四个层次；分别采用网络协议分析软件、神州数码路由器和交换机、Packet Tracer 软件以及NS2等仿真软件，构建多维的计算机网络实践教学系统。此手段能够由浅入深，从简单到复杂，引导和帮助学生进行计算机网络的课程实践，并达到了提高教学效果的目标。

关键词： 计算机网络； 实践教学； 多维； 仿真软件

中图分类号：G642.0文献标志码：B 文章编号：1006-8228（2012）11-39-03

Construction of multi-dimensional network practice teaching system

Yan Yan

（School of Computer Sci. &Tech， Nantong University， Nantong， Jiangsu 2260019， China）

Abstract： In order to improve the "computer network" course teaching effect and the students' practical ability， the practice of the course is divided into four levels： verification type experiment， configuration type experiment， the design type experiment and innovative type experiment. Network protocol analysis software， digital China routers and switches， Packet Tracer software， the NS2 simulation software and so on are utilized respectively to build multi-dimensional computer network practice teaching system. It can guide and help the students with the computer network practice from the simpleness to the complexity， and achieve the goal of improving the teaching effect.

Key words： computer network； practice teaching； multi-dimension； simulation software

0 引言

“计算机网络”课程是目前国内外高等院校计算机专业及相关IT专业本科生和研究生必修课程，是计算机专业课程的核心课程之一。该课程具有学科交叉、理论知识抽象和实践性强等特点，历来是学生比较难学的一门课程。

计算机网络有着自己非常明确的体系结构，结合ISO/OSI-RM和TCP/IP协议族， 很多教材将其分成五个层次来讲述，在每个层次上的不同的协议以及数据包的格式都是课程学习的重点和难点，如何理清并让学生熟练掌握，是计算机网络教学历来探讨和研究的问题[1，2]。笔者建议通过多维的计算机网络实践教学系统的构建，通过验证型、配置型、设计型和创新型实验的多维手段，让学生加强对理论知识的理解，强化理论联系实际的能力，提高网络配置动手能力，最终能够实现网络的规划和设计，达到创新的目的。

1 计算机网络实践系统的划分

实践是检验真理的惟一标准，同时，实践对于学生来说，是巩固理论基础，获得真知的主要过程。本系统将实践过程划分为四个模块，如图1所示，这四个模块既可各自独立，又相辅相成。

[验证型实验

采用协议分析软件对计算机网络各个层次的协议进行分析和验证][配置型实验

采用神州数码公司的交换机和路由器实现对交换机和路由器的基本配置][设计型实验

采用Packet Tracer模拟软件实现网络构建和配置

][创新型实验

采用NS2模拟软件模拟已有协议的实现或对协议改进验证]

图1实践系统结构图

1.1 验证型实验

验证型实验是一种最为基础的实验手段，针对计算机网络课程内容的特点，在大多数教材中采用的是结合开放系统互连参考模型的七层结构和TCP/IP协议体系族的四层结构，将计算机网络划分为五层，分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层。目前我们采用的是西普数据的网络协议分析软件，该软件有两大主要部件，网络协议编辑软件和网络协议分析软件。

网络协议编辑软件的主要功能是数据包的生成和发送。它有四大功能区：数据包列表区、数据包编辑区、协议层结构和十六进制显示区。在数据包列表区可以通过选择各种协议的模板，建立各种类型的数据包，同时也可以在数据包编辑区来根据自己的需求重新编辑数据包的各个字段来产生新的数据包；协议层结构以图形的形式显示所编辑数据包的分层信息；十六进制显示区能按照用户的操作实时刷新显示用户编辑数据包的十六进制数值。

网络协议分析软件主要功能是数据包的捕获和分析。主要包含两大功能模块：协议视图和交互序列图。协议视图能够查看捕获到的数据包，并查看协议数据包的详细结构和协议交互内容；交互序列图可以清晰地查看捕获到的协议的一次完整的会话过程，并且有tcp标志位、数据报传输方向的图示。协议视图主要按时序排列接收到的数据包，并详细显示数据包的结构和16进制数值。

西普的网络协议分析软件可以进行各个层次的协议数据包的编辑、发送、捕获和分析。按照五层体系结构，基本的协议有：链路层的以太网MAC帧的802.3协议；网络层IP协议，ARP协议，ICMP和IGMP；传输层的UDP和TCP；应用层的TELNET，SMTP，POP，FTP，HTTP等。除此以外，还可以进行一些复杂的验证实验，如ARP地址欺骗，路由RIP协议和OSPF协议等等。通过这些验证型实验，学生可以加深对基础知识的理解，同时也是对所学知识的巩固，化理论知识为感性认识，促进学生进一步的学习。

通过验证型实验，理解计算机网络各个层次的协议的工作原理，各个层次的数据包的发送和接收时各个字段的设置和变化。比如最重要的IP协议，通过设置IP数据包中几个重要的字段，如源IP地址、目的IP地址，总长度、标志、标示、片偏移等，观察它们在发送前，发送过程中以及接收时的变化，学生还可以自己手算检验和字段。再比如TCP的三次握手协议，利用该软件，学生可以清晰地了解在TCP建立连接的三次握手过程中，SYN、ACK、序号和确认号字段等的设置：三次报文的重要区别在于标识位的不同，第一个报文，SYN位置1；第二个报文是对第一个报文的确认，SYN位置1，ACK位置1；第三个报文是确认报文，ACK位置1。

1.2 配置型实验

配置型实验的目的是让学生能够熟练掌握交换机和路由器的基本配置，掌握网络管理的基本功能。目前学院已经建立了计算机网络实验室，购置了神州数码公司的12组设备，每组设备由2台二层交换机，2台三层交换机，4台路由器和1台防火墙设备组成。在实体设备上完成设备的连线和初始化，以及配置等相关实验，可以提高学生的实际动手能力，近距离地观察设备，认识设备，从而熟悉设备。这对于网络工程专业的毕业生来说，能够使他们以极快的速度适应工作，操作设备。

配置型实验的内容也是比较丰富的，重点在于对交换机和路由器的配置。对交换机的实验，如交换机的类型，端口，速度等；交换机的恢复出厂配置；单交换机VLAN的划分；跨交换机VLAN的划分等等。路由实验包含路由器的基本配置；静态路由；RIP路由协议，OSPF路由协议等等。通过配置型实验的学习，学生能够加深对教材中重点章节数据链路层和网络层基本概念的理解，由理论转为实践，对相应层次的实现设备交换机和路由器有了感性的认识，从而提高了学生了实际动手能力，为以后的工作积累经验。

1.3 设计型实验

设计型实验的目的是利用所学知识，来解决一些综合性的问题。解决综合性问题是学习一门课程的最重要的目的，同时也是检验学生是否真正地消化和吸收知识的方法和手段。对所学知识彻底理解，融会贯通，才有能力去进行设计型实验。计算机网络课程的设计型实验，就是检验学生对计算机网络各个层次协议的理解。

在通过对前面的验证型实验和配置型实验的学习，学生将综合运用所学知识，进行设计型实验。当然，由于实验环境的限制，在有限的实验学时内每个学生都能亲自动手利用现有的实际设备进行操作显然是不太可能的，所以我们在这个环节考虑使用思科的模拟软件Packet Tracer来完成。

Packet Tracer是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具，用户可以在软件的图形用户界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑，并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况。可以学习网络的配置、锻炼故障排查能力。Packet Tracer提供了强大的网络模拟设备，有：路由器、交换机、集线器、无线设备、线缆、服务器、仿真局域网以及各种网络终端设备等。在网络模拟时，用户可以在网络设备选项中选取所需要的网络设备，根据网络拓扑图构建网络。在对网络设备进行配置时，只需要单击网络设备，然后选择进入命令行，并输入思科网络配置命令，就可以实现网络设备的命令配置。在网络拓扑图构建完成以及配置命令输入完成后，我们可以利用网络终端设备进行验证，检查网络构建及命令配置是否正确。

利用模拟器，学生可以设计建立简单的局域网或广域网，如校园网或公司网络，能够综合运用计算机网络各个层次的基本知识，包括物理层下的线缆的选择；物理层的接口选择；数据链路层的交换机的选择和配置，VLAN的划分；网络层的IP地址的分配以及路由器的选择和配置，路由协议的配置以及访问控制等；应用层的各种应用协议的应用，如HTTP，FTP，邮件协议，DNS等。

1.4 创新型实验

创新型实践是指能够激发和培养学生创新能力的实践活动。培养具有创新精神和实践能力的有较高综合素质的人才是当代教育的目标，也是学校教学的出发点和归宿[3]。现在的中国教育从学前教育开始就要求进行素质教育，这也是为培养创新型的人才奠定基础。一味地模仿已不再适应这个社会的要求，只有创新，才能够出成绩，出成果。所以在此实验环节，我们考虑使用目前主流和成熟的网络模拟软件之一——NS（Network Simulator）。

NS是由UC Berkeley大学开发的，其开源、免费和易于扩展的特性使得全世界的研究者不断对其完善，成为了一个涉及网络各个方面的优秀的网络模拟软件[4]。研究者大都采用NS作为网络仿真的手段模拟实验结果，发表学术论文，受到了业界的普遍认可。此外，很多大学也将NS作为一种辅助教学的工具，广泛地应用到网络技术课程的相关教学中。利用NS可以实现网络协议的开发和完善，并对其进行验证和性能测试。这些在实体硬件系统中很难实现。

NS可以完成的实验是非常多的[5]，如对UDP数据流端到端的延迟、抖动率、封包遗失率、吞吐量进行测量与分析；对以TCP为传输协议的应用程序的吞吐量进行测量；学习采用距离向量算法的动态路由；学习TCP的拥塞控制机制并了解TCP不同版本；无线网络的传输和效果分析等。可以看出，这些实验基本上是对网络所学知识的测量和分析，或自己搭建网络平台，设计网络协议。

2 计算机网络实践教学体系的实施

2.1 课堂演示

计算机网络的课堂教学相对于其他课程而言是稍显枯燥的，各个层次的协议和工作原理仅靠讲授或者即使用PPT动画演示，也不能到达很好的教学效果。这时，教师可以使用相应的课堂演示的实践方法来进行教学，既能在课堂上教授实验软件和仿真软件的使用，又能够让学生在实验的动态变化过程中理解原理和概念，可谓一举两得。

2.2 实验课

实验课是让学生亲自动手，通过实验来理解和验证所学知识，它是课堂教学最强有力的补充。实验课一般安排总学时的三分之一或四分之一左右。对于计算机网络的实验课，可以安排前面介绍的验证型实验和配置型实验。

2.3 课程设计

课程设计是实践教学环节中重要的一环，是将计算机网络中所学的知识全面地融会贯通起来，也是检验学生对计算机网络课程理论知识掌握程度的一种手段。一般来说，课程设计安排一周左右的时间，来进行设计型实验。其实践教学目的是让学生全面掌握计算机网络分析和设计的基本方法。通过分析具体需求，进行任务设计，确定方案，画出网络拓扑结构图，并能进行相关的配置。

2.4 科研活动

科研活动是学生创新与实践的一种途径。主要针对学有余力或对计算机网络课程非常感兴趣的学生，通过让他们参加一些不同形式的科研活动，来提高他们的动手能力和科研能力，同时也能为积极考研做好准备。参与科研活动的形式非常多，如参加教师的科研项目，参加社会实践，辅助参与校园网络的建设与维护，或者是参加一些与计算机网络相关的科技竞赛项目等等。在科研活动中，主要实践的是设计型实验和创新性实验，也适用于一部分的配置型实验。

2.5 毕业设计

到了毕业设计阶段，对于计算机网络的专业的学生来说，他们已经学完了网络通信技术，网络安全，无线网络等一系列的计算机网络课程，进行创新型实验的空间进一步得到了扩大。我们安排学生毕业设计的时间是16周，在这段时间中，学生可以选择到自己感兴趣的网络方面的课题，在老师的指导下完成毕业设计。毕业设计是对大学所学专业的综合运用，是提升自己专业能力最强有力的实践活动。

3 结束语

计算机网络的实践教学是学习计算机网络课程的重要组成部分，我们根据教学的需求以及对各种计算机相关专业学生培养的需求，建立了计算机网络实践教学的多维系统，将计算机网络实践分为验证型、配置型、设计型和创新型四种，这四种网络实践既相互独立，又相辅相成，适用于不同专业，不同需求的学生。经过对本院学生的实践教学，取得了一定的教学效果。

计算机网络的实践教学的研究是一个长期而且需要不断改进的过程，必须与时俱进，充分利用新的技术和新的手段，从而培养出具有超强实践能力和创新能力的学生。

参考文献：

[1] 高茜.计算机网络课程教学中网络仿真辅助教学方法的探讨[J].计算

机教育，2010.23：70-73

[2] 周丽雅.多层次的计算机网络实验体系研究与设计[J].计算机教育，

2010.7：124-126

[3] 徐慧，郭荣祥，周建美.多维一体的“数据结构”实践教学系统的构建

[J].计算机教育，2011.10：66-70

[4] 黄化吉，冯穗力，秦丽姣，等.NS网络模拟和协议仿真[M].人民邮电出

版社，2010.

[5] 柯志亨，程荣祥，邓德隽.NS2仿真实验——多媒体和无线网络通信

[M].电子工业出版社，2009.