利用虚拟技术构建高职计算机网络专业课程实验教学体系

龙艳军++阳光

摘要：针对高职计算机网络实验教学过程中存在的问题，提出了利用虚拟技术进行高职计算机网络实验教学体系，主要包括网络实验室建设、实验内容设计、虚拟仿真实验应用等。实践表明，该实验教学体系能够全面提高计算机网络实验教学水平，有效促进高技能应用型人才的培养。

关键词：虚拟技术；VMware；GNS3；Packet Tracer；Wireshark

中图分类号 TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0121-03

The Construction of Computer Network Experimental Teaching System of Specialized Curriculum in Higher Vocational Colleges by Using Virtual Technology

LONG Yan-jun 1， YANG Guang 2

（1.Yongzhou Vocational Technical College， Network Information Center， Yongzhou 425000； 2. Department of Computer， Yongzhou Vocational Technical College， Yongzhou 425000， China）

Abstract： In view of the existing computer network experiment teaching in Higher Vocational Education in the process of the problem， put forward to the computer network experimentteaching system in Higher Vocational Education Based on Virtual Technology， It mainly includes network laboratory construction， experimental content design， virtual simulation experimental application. The practice shows that the experiment teaching system can comprehensively improve the level of teaching of computer network experiment， effectively promote the cultivation of high skilled applied talents.

Key words：Virtual technology； VMware； GNS3； Packet Tracer； Wireshark

随着计算机网络的迅猛发展，社会急需各类层次不同的网络技术人才。在高职计算机网络实践教学中，实验教学内容通常包括网络操作系统、网络通信设备、网络通信协议、网络安全管理等方面的知识与技能，要建设满足这些内容的实验室环境，需要投入非常昂贵的设备购置费[1]，通过研究文献发现，利用虚拟技术可以很好的满足计算机网络实验教学的需要。文献[2-3]使用VMware和GNS3技术构建虚拟网络实验室案例，文献[4]利用Packet Tracer搭建了虚拟的无线网络技术实验教学应用，文献[5]利用Boson NetSim软件提供了一个计算机网络实验教学方案等等，虽然针对虚拟技术构建计算机网络实验有许多的案例，但并没有形成一个能够满足计算机网络专业课程的实验体系，本文通过现有文献研究以及实践，结合计算机网络专业课程的特点，梳理与总结了利用虚拟技术构建计算机网络专业课程的实验教学体系。

1 虚拟技术介绍

1.1 VMware虚拟机软件

VMware虚拟机软件是一种先进软件系统，通过虚拟机软件，可以在一台普通计算机上模拟出一台或多台虚拟计算机[6]。虚拟的计算机与真实计算机一样，具备了虚拟的CPU、内存、硬盘、显卡、声卡、网卡等虚拟部件，因此可以在虚拟计算机中安装各类操作系统、安装应用软件、虚拟机之间可以通过网络进行连接并访问网络资源等。VMware虚拟机软件系列产品包括VMware Workstation、VMware GSX Server、VMware ESX Server，这些软件分别用于不同的应用场景中，如VMware Workstation主要在普通PC上使用，VMware GSX Server主要用来满足企业级的需求，VMware ESX Server则主要用于对任务执行要求非常严格的数据中心使用。本文主要使用VMware Workstation在普通计算机环境下构建虚拟的网络实验环境。

VMware Workstation虚拟的计算机与真实的主机有相同的硬件部件，而且可以在1台虚拟计算机中添加多个部件，如硬盘、网卡等，同时多台虚拟机之间可以通过虚拟交换机进行互连，通过设置桥接模式与局域网中的其他真实主机与虚拟机互连，因此，VMware Workstation让虚拟机具有普通计算机功能的同时还具有局域网的功能，可极大的节省硬件设备和物理空间，管理方便、安全性高[7]，特别适合于计算机的教学、软件开发和网络安全等实验。新版的VMware Workstation 9以上版本支持虚拟VMware ESX Server功能，因此利用VMware Workstation可以满足云计算教学与实验需要[8]。

1.2 GNS3网络模拟器

GNS3（Graphical Network Simulator，图形化网络模拟器）是一款图形化、开源、免费的网络设备仿真软件，可以在Windows、Linux、MAC等多种平台运行，GNS3由Dynamips（用以支持用户直接运行Cisco系统的模拟机）[9]、Qemu（PIX、ASA防火墙以及IDS入侵检测设备模器）、Wincap（Windows系统下公共网络访问组件）软件[10]，新版的GNS3还整合了Packet Capture（默认为Wireshark软件，网络数据包捕获与协议分析软件）、Virtual BOX（虚拟机软件）、VPCS（虚拟PC）等。GNS3通过整合上述软件，实现支持2600/3600/3700/7200系列的路由器平台、PIX/ASA防火墙平台、IDS/IPS入侵检测系统/入侵防御系统平台，通过在模拟的路由器的插槽中配置NM-16ESW模块[11]，可以模拟出该模块所支持的交换机命令。GNS3提供了非常友好的操作界面，用户只要采用拖拽设备图标的方法就能够方便的构建各种复杂的网络拓扑，加载不同的Cisco IOS（Internetwork Operating System，互联网络操作系统），仿真真实的网络环境。

1.3 Cisco Packet Tracer软件

Packet Tracer软件是由Cisco公司开发的，主要用来设计、配置和排除网络故障的模拟软件，最初针对CCNA/CCNP认证考试使用，由于软件功能强大，方便易用，提供各种不同型号的交换机、路由器、集线器以及各种传输线路，新版本支持3550型号的交换机，支持无线网络以及IPv6技术，因此被广泛应用于计算机网络实验教学。

1.4 Wireshark软件

Wireshark[12]是一款免费开源的网络协议分析软件，能够捕获出网卡以及链路间的数据包，并具有强大的协议解析能力，目前可以解析大约1300余种协议，利用Wireshark捕获并分析协议工作过程，会更形象、真实地表述出协议的工作过程和工作原理，通过将Wireshark引入网络实验教学，可以有效提高教学与实验的质量。Wireshark可运行在Windows、Linux、MAC等多种操作平台上。

2 计算机网络专业课程实验教学体系构建

2.1 计算机网络实验室建设

网络实验室建设是计算机网络实验教学体系建设的基础，是网络实验的硬件环境。由于采用虚拟技术来构建计算机网络实验室，因此只需要建设普通计算机网络实验环境，但CPU和内存需要配置较高，从2010年开始，我校投入近30万元建设了一个50台PC工作站的网络教学机房，采用联想启天M656E，计算机主要配置为：AMD Phenom（tm） II X4 830处理器、500GB硬盘、4GB内存、22寸显示器，主要运行软件为VMware Workstation 7，GNS3为0.7版本，Cisco Packet Tracer 为5.3版本，可同时满足50人进行实验，每台计算机设备利用虚拟技术即可演变成一个或多个虚拟的局域网络。随着软件版本的更新、各类新技术的出现以及学生实验时虚拟的网络规模不断扩大，对计算机的物理内存要求越来越高，在2013年10月，将计算机内存升级为8GB，软件升级为VMware Workstation 9、GNS30.8.6和Cisco Packet Tracer6.0。

2.2 实验内容设计

进行实验内容设计时一般需要综合考虑多种因素来设计适合本院计算机网络专业学生的网络实验内容，如开设理论课程、实验教学目标、实验室的设备条件等。因此根据我院的特点，我们将网络实验分为初识型实验、知识单元分类型实验、综合型实验以及创新型实验等几种实验内容。

2.2.1初识型实验

主要面向初次接触设备的学生，使学生对硬件设备有感性认识，为后续实验做好准备，主要包括：

（1）系统安装。计算机的硬件组成、分区、Windows操作系统安装、Linux操作系统安装等，教师可在课堂上拿实际的硬件设备进行演示以及利用VMware虚拟机进行演示操作，使学生在使用VMware虚拟机进行实验时能够顺利进行。

（2）网络设备与连接线路。包括集线器、路由器、交换机、防火墙、入侵检测等设备实物的认知，各类线材的认知（如光纤、光纤接头、光纤熔接、双绞线线序标准、双绞线制作等），基本的PC与网络设备互连以及远程登录等操作。

2.2.2知识单元分类型实验

根据不同课程特点，将实验内容按照知识单元进行分类，让学生逐个的完成每一个单元的训练，每一个单元还可以继续划分为更细的实验单元，所有知识单元均可通过VMware虚拟机和GNS3环境来完成，知识单元分类如表1所示：

表1 计算机网络专业课程实验体系知识单元分类

通过将知识单元分类，形成一个比较详细的实验列表，授课教师把每一个实验操作过程录制成微视频，存放于学院网络教学资源中心，学生可以从易到难的逐个进行操作实验，遇到不会操作的实验，通过反复观看教师的操作视频，反复的进行实验操作演练，直到对每个知识点掌握为止，这种方式也有利于教师掌握学生的学习情况，激发学生的学习兴趣，把握学生的学习进度，便于及时给予必要的辅导。

2.2.3综合型实验

综合型实验主要由授课教师根据典型的案例场景进行适当精简而成，如中小型校园网、政府网、企业网等，精简的主要原因是便于在虚拟的网络实验环境中进行配置与调试，授课教师根据实际案例情况，进行网络方案的讲解，同时给出网络拓扑，让学生在虚拟的网络实验环境中完成整个网络的实验配置及测试，写出完整案例的实验报告。

2.2.4创新型实验

创新型实验以3-5人为一组，以典型的中小型项目为背景，模拟实际项目工作过程，通过网络工程招投标、网络方案设计、IP地址规划、网络设备选型、交换机/路由器配置、IDS/IPS配置、服务器配置、Internet接入配置等，以培养学生的网络知识综合运用能力以及团队合作精神。

3 结束语

利用虚拟技术构建计算机网络专业课程实验体系，优势明显：

1） 学生可反复在虚拟环境下进行实验操作演练，不会造成硬件上的管理难度和破坏；

2） 改变被动学习方式为积极引导方式，重视学生的主动性和学习能力；

3） 随着新技术的出现，在应用虚拟技术的计算机网络实验室中，要增加新的有关网络实验内容，只需要更新虚拟软件或安装新的虚拟软件即可，而计算机硬件不需更新或只需少量的升级成本，这是纯硬件的网络实验室不可比拟的，可极大的减少实验室的建设成本。

通过虚拟技术可以比较全面的完成计算机网络专业课程的实验教学体系，选用与社会要求接轨的知识内容，培养出实用性、高技能、全面型人才。

参考文献：

[1]王辉，李晋光.基于网络协议仿真软件的实验教学系统的建设[J].电子设计工程，2010，18（12）：27-30.

[2]龙艳军，欧阳建权，俞佳曦.基于GNS3和VMware的虚拟网络系统集成实验室研究[J].实验技术与管理，2013.30（2）：90-93.

[3]顾春峰，李伟斌，兰秀风.基于VMware、GNS3实现虚拟网络实验室[J].实验室研究与探索，2012.31（1）：73：76.

[4]姜恩华，窦德召.Packet Tracer软件在无线网络技术实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011.29（10）：88-91.

[5]李领治，陆建德，徐建国.基于NetSim的计算机网络实验教学方案[J].实验技术与管理，2009，26（2）：150-153.

[6]吴迪，何坚，潘嵘，等.基于VMware虚拟网络的IPSec实验教学[J].实验技术与管理，2010.27（9）：158-161.

[7]韩起云，黄建中，李静.基于VMware的网络安全虚拟实验平台的构建[J].重庆教育学院学报，2011（11）：31-34.

[8]王春海.VMware虚拟化与云计算应用案例详解[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[9]Greg Anuzelli. Dynamips/Dynagen Tutorial [EB/OL].http：//dynagen.org/tutorial.htm.

[10]费绍敏，龚晓峰，李宾，等.基于Wincap的网络监控系统的设计与实现[J]通信技术，2009，42（11）：206-207，210.

[11]马素刚.VLAN技术的研究与仿真[J].制造业自动化，2011（11）：79-80.

[12]赵建立，吴聪聪.Wireshark在《计算机网络》教学中的应用研究[J].现代计算机，2013（2）：29-33.