基于网络设备模拟器的实验方式探讨

桂学勤

(湖北科技学院 计算机科学与技术学院，湖北 咸宁 437100)

基于网络设备模拟器的实验方式探讨

桂学勤

(湖北科技学院 计算机科学与技术学院，湖北 咸宁 437100)

针对网络工程实验室的现状，分析了网络工程实验过程中存在的问题，结合网络设备模拟器进行实验的优势和能够开展的网络实验类型，给出了合理的基于网络设备模拟器的网络实验的实验方式。

模拟器;实验方式;GNS3;Packet Tracer

目前，许多高校都建立了自己的网络工程实验室，为培养网络工程人才奠定了基础。但硬件条件的具备并不意味着教学效果的提升，在实际的网络工程实验教学中还存在许多不尽人意的地方，如实验过程中实验人员相互影响，实验成功率低，学生走出实验室就不能继续通过实验进行学习等等。这些问题影响了网络工程实验室的实验教学效果。

一、基于硬件设备的网络实验过程存在的问题

高等学校网络工程实验室建设从起步到现在，大致经历了三个阶段，第一阶段为离散式的网络工程实验室，第二阶段为集中管理式的网络工程实验室，第三阶段为综合开放式的网络工程实验室，每一次的变化，网络工程实验室在功能、管理等方面都有不同程度的改善。

离散式网络工程实验室是高校初期建设网络工程实验室采取的方案，随着集中管理式网络工程实验室和综合开放式网络工程实验室方案的产生，已经没有了市场。早期建设网络工程实验室一般采用集中管理式网络工程实验室方案。现在建设的网络工程实验室一般采用的都是综合开放式网络工程实验室方案。

综合开放式网络工程实验室具有统一的设备管理，统一的用户管理、统一的实验过程管理、统一的实验行为管理、统一的实验资料管理等。并通过配备多媒体辅助教学软件可以提供广播教学、学生演示等功能，使教学过程更加有效，实验室管理功能得到很大提高。

但是，综合开放式网络工程实验室方案却失去了集中管理式网络工程实验室方案中一个非常重要的优点，实验操作的简单性。实验过程还存在以下问题。

(1)用户要完成一个实验，一组用户必须都登录后，才能开始实验，效率低；

(2)实验过程中每个用户只能使用申请到的网络设备，单个学生使用设备少；

(3)个别学生对设备配置不熟悉或配置错误，影响全组实验的进度，实验成功率极低。

这些问题极大的影响了网络工程实验室的实验效果，使得网络工程实验室成为投资大，设备先进，但实验效果低的现状。

二、网络设备模拟器进行实验的优势

网络设备模拟器的种类很多，适合实验教学用的网络设备模拟器主要有Packet Tracer和GNS3两种软件。

Packet Tracer是Cisco公司开发并推出的Cisco设备模拟器，Packet Tracer具有许多优点。较为突出的是，(1)支持的设备类型多，网络设备包括路由器、交换机、集线器、无线AP和无线路由器等；终端设备有笔记本电脑、服务器、IP电话机、模拟电话机、电视机、Tablet PC、PDA等；广域网连接设备有DSL Modem、Cable Modem以及Cloud设备等，能够完成多种类型的网络实验。(2)支持多用户协作实验，利用多用户连接设备(Multiuser)可以将网络中多台计算机连接起来协作完成大型网络项目实验。(3)支持活动向导(Activity Wizard)的制作，活动向导可用于教师制作网络实验指导，学生根据活动向导一步一步完成实验，提高实验效果。

GNS3是由Jeremy Grossmann在集成Dynamips、qemu模拟器软件基础上设计的一款优秀软件，它提供了图形化的网络拓扑设计界面和方便的设备配置方法。Dynamips是一款Cisco路由器模拟器，可以模拟Cisco的1700、2600、3600、3700和7200路由器硬件平台，通过在路由器中插入交换模块，能够模拟Cisco交换机。Qemu模拟器可以模拟Cisco ASA、Cisco PIX、Cisco IDS/IPS等安全设备。GNS3使用真实设备的IOS进行设备模拟，配置操作与真实设备一样。

利用网络设备模拟器进行实验具有两个显著特点。一是学生实验过程中不受设备数量的限制；二是学生实验过程互不影响，实验效率、成功率高。

引入网络设备模拟器构建模拟网络工程实验环境，不需要大量网络硬件设备，就能开展实验教学；不存在损坏问题，避免了设备损耗；走出网络工程实验室，学生也能利用模拟设备进行网络实验，等等。因此高校在组建物理网络实验环境的同时，通过网络设备模拟器构建辅助模拟的网络工程实验环境。充分利用网络设备模拟器在网络实验教学中所起的作用，构建合理的计算网络工程实验教学环境，可以极大的提高网络工程实验效果,节省网络工程实验室建设费用。

三、网络设备模拟器支持的网络实验类型

Packet Tracer 所模拟的设备的功能和命令并不全面，主要支持CCNA层面的功能和命令。利用Packet Tracer模拟器能够完成网络设备初始配置实验、Vlan实验、生成树实验、三层交换实验、静态路由实验、RIP和OSPF动态路由实验、NAT实验、访问控制列表实验等基本的网络工程实验。还能完成PSTN、DSL、Cable Modem接入实验，无线网络实验、VoIP实验、Cisco IOS防火墙实验、服务器实验等。(注意：新版Packet Tracer 6.0还能完成HSRP热备份路由协议实验、Ipv6实验等)。

GNS3模拟器是使用Cisco设备的IOS进行设备模拟，能够模拟Cisco路由器、交换机、PIX防火墙、ASA防火墙、IDS入侵检测系统等设备，实验操作与真是设备完全一样，不仅能够完成交换、路由实验，而且能够完成防火墙、入侵检测等网络安全实验。而且GNS3还提供了网络通信数据捕获功能，对于捕获的网络通讯数据，利用Wiresshark协议分析软件，可以进行协议分析实验。

同样的网络实验，Packet Tracer软件使用更加简单，对计算机设备档次要求不高，实验数据保存方便，不存在变换计算机后的实验移植问题。GNS3模拟器进行实验要求计算机档次较高，同时启动的模拟设备越多，计算机运行效率越低。实验数据虽然能够保存，但变换计算机后，实验移植效果不好，可能出现实验数据丢失的情况。因此，教师采用Packet Tracer和GNS3软件进行实验教学时，可以根据实验内容选择实验环境，对于网络工程师级别的网络实验，建议采用Packet Tracer模拟器进行实验，对于网络高级工程师级别的网络实验，建议采用GNS3模拟器进行实验。

四、网络设备模拟器实验方式推荐

对于计算机网络工程相关课程，它的实验体系可能包含初始网络设备认知实验，相关网络技术的验证性实验，以及在掌握网络技术基础上的设计性网络工程项目实训，对于这一实验体系，网络设备模拟器可以采用如下实验方式。

1.对于初始网络设备认知实验，教师可以同时采用真实设备与模拟器进行初始设备认知实验，通过演示和讲解，比较真实设备实验环境与模拟设备实验环境的相同点和差别，使学生了解采用模拟器进行网络实验也能达到实验的目的。对于网络设备如何连接计算机、如何通过计算机对设备进行配置，这些基本的知识是学生开始网络实验必学了解和掌握的，如果直接通过模拟器进行实验，无法让学生获得基本的感性认识。因此，教师可以利用真实设备完整演示网络设备初始认知实验，演示讲解如何通过控制线连接计算机、如何通过计算机对设备进行初始配置，使学生对真实设备通过计算机进行配置的方法有一个真实的了解和掌握。然后教师再使用模拟器完成网络设备初始认知实验的演示和讲解，比较真实设备实验环境和模拟设备实验环境的操作方式的相同点和差别，使学生掌握虽然是用模拟器进行实验，实验效果和真实设备是完全一样的。在此基础上，后续实验可以采用模拟器完成。

2.对于课程涉及的验证性网络实验，教师可以利用Packet Tracer软件提供的活动向导(Activity Wizard)工具制作活动向导，指导学生完成实验。活动向导是为方便教学活动而特意为教师和学生添加的一个有用的工具，通过活动向导教师可以方便的为学生创建一个具体的网络实验环境，给出实验过程的指导，并可以通过“网络答案(Answer Network)”事先设定实验配置的最终结果，实验过程需要考核的知识点和分值，以及实验过程配置错误后的提示信息等。实验完成后，活动向导会根据考核知识点配置的正误给出相应的评分。利用活动向导指导网络实验可以极大的提高实验效果。

3.对于课程涉及的设计性网络工程项目实训，建议采用GNS3模拟器完成网络工程项目。GNS3能够模拟路由器、交换机、防火墙、入侵检测设备，基本包含组建一个网络工程项目的所有设备类型，而且使用Cisco设备的IOS进行设备模拟，与真实设备配置操作完全一样。利用GNS3进行设计性实验不受实验室开放时间的限制，学生有更多的实践进行项目设计实施，项目完成的成功率得到提高。

另外，对于利用真实设备构建的网络工程实验室，也能同时构建模拟器网络实验环境。这种情况，教师进行实验教学，可以采用如下方式。教师利用一组实验设备，结合多媒体辅助教学软件，边演示实验边讲解，学生观摩实验。演示完成后，每组设备让1-2名学生使用真实设备协同完成实验，体验真实设备。其他学生利用模拟器独立和协作完成实验。同一班级下一次实验，学生轮换使用真实设备，体验真实设备的操作。注意：一组设备每次1-2人使用真实设备实验，既能体验真实设备的配置效果，同时提高使用真实设备的效率，提高实验完成率，避免因每组实验人员过多，而造成的互相干扰，经常完不成实验的现状。

采用网络设备模拟器进行实验，支持的实验类型多，实验过程中设备数量不受限制，实验数据可以保存，一次实验课不能完成的操作可以保存并在下次实验课或课后完成。实验的连贯性好，成功率高。因此，推荐使用网络设备模拟器配合真实网络设备构建网络工程实验室并设计相应的网络实验。

五、结语

目前，我校的网络工程实验室是按照完整的综合开放式网络工程实验室方案建设，实验室通过安装网络设备模拟器软件，构建模拟器网络实验环境。在实验过程中采用了基于网络设备模拟器的实验方式。简化了网络实验操作，提高了利用真实设备实验的实验成功率，实验效果好。

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