基于虚拟仿真技术的计算机网络实验室的构建

齐心，史旅华，杨亚会，徐洪胜

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰442002）

基于虚拟仿真技术的计算机网络实验室的构建

齐心，史旅华，杨亚会，徐洪胜

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰442002）

分析了高校计算机网络实验教学的现状，结合我校实际情况，构建了基于虚拟仿真技术的计算机网络实验室。详细探讨了实验室软硬件条件和教学内容的建设，进一步完善了实验教学体系。

计算机网络；虚拟仿真；实验室

计算机网络课程是计算机科学领域中重要的主干课程，而计算机网络技术是当今世界高新技术潮流中的主流技术之一，它的发展对其它技术学科的发展具有极为重要的意义。目前我国信息技术与信息产业快速发展，需要大批掌握计算机网络与通信技术人才，这对培养21世纪高素质创新型计算机专业人才提出了迫切的要求。

建设一个功能完善的计算机网络实验室需要学校投入大量的资金，且很难满足大批量的学生同时进行实验，实验开出率较低，同时硬件损耗较大，不利于实验的开展。随着虚拟仿真软件技术的成熟和大量成功应用，可以将虚拟仿真软件技术融入到计算机网络课程当中，对计算机网络实验课程建设起到了很好的推动作用［1-3］。

1 计算机网络实验教学的现状

随着计算机网络技术的发展，对现阶段的计算机网络实践教学提出了更高的要求，现存的实验教学环节只是停留在验证性实验阶段，实验教学内容不够系统、不明确、形式松散，学生只是被动的接受抽象的网络知识，实验教学环节中没有合适的教学工具和教学资源来加深学生对所学理论知识的理解，普遍存在着理论与实践脱节，导致学习兴趣下降、被动式学习、知识理解片面，不够深入［4］。

产生此现象的主要原因在于：1）缺乏适应各自学校特点的计算机网络实验教学资源，实验教学内容、教学方法和教学手段较为落后，只是停留在早期计算机网络技术层面，无法进行高层次的理论和实践研究；2）建设一个专业的计算机网络实验室硬件设备费投入较大，如交换机、路由器等硬件设备的购置，学生单纯通过硬件设备来做实验，势必对硬件设备损耗较大，而且计算机硬件设备的更新换代速度太快，高校很难跟上设备的发展速度，无法大批量的组织学生开展实验［5］。

2 虚拟仿真实验室的构建

计算机网络教学在高等院校的计算机课程中占有重要地位，但是在高校的授课过程中，普遍存在着重理论、轻实践的倾向。

针对目前计算机网络实验教学中出现的实验教学内容不系统、实验硬件设备缺乏等问题，结合学院实验室自身情况，构建了基于虚拟仿真技术的计算机网络实验室。实验室的构建内容包括虚拟仿真实验室软硬件建设、虚拟仿真教学资源的建设和虚拟仿真实验教学共享平台的建设3个部分。

基于虚拟仿真技术的计算机网络实验室结合高校教育的实际情况，将网络方面的理论知识通过软件模拟来实现，让学生在实践的过程中更深入地掌握网络方面的基础理论知识，使学生能清楚地理解和掌握网络的内部结构和协议，通过编辑各种协议的数据包深入学习计算机网络的内部原理。

2.1 虚拟仿真实验室软硬件建设

学院计算机网络实验室与吉林中软吉大信息技术有限公司合作，将网络协议仿真教学系统引入到计算机网络实验教学当中，为计算机网络实验教学提供了新的教学方法和手段。

虚拟仿真实验室硬件部分由主控中心平台、智能网络设备和组控设备构成，用于搭建实验所需的网络环境，可以灵活实现多种网络拓扑结构，设备硬件连接图如图1所示。

主控中心平台是本系统的硬件核心，由专用高性能服务器和中心设备构成，为实验环境提供各种系统服务，保障网络数据流量，确保实验结构完整和实验用户数的有效扩展，为计算机网络实验提供FTP、DNS、DHCP等服务、实验室管理服务。

图1 硬件结构图

智能网络设备用于构建网络硬件结构，提供网络拓扑结构的自动化管理。通过按动智能网络设备上的“Topology”按钮，就可以在所有网络拓扑结构中循环切换，从而有效避免更改网络结构时频繁插拔网线的问题，同时通过集联控制按钮“Team”设置智能网络设备的集联控制模式，可以实现对实验室内所有实验组网络结构的一键式切换。

组控设备是系统专用硬件。每个组控设备由6个共享模块构成，配合智能网络设备实现多种网络结构；具有数据采集、动态缓冲区分配、均衡网络负载等功能。每台组控设备连接6台学生实验机器，其角色分别定义为A、B、C、D、E、F。根据实验不同，每个角色有不同的分工。

目前该系统支持5种网络拓扑结构图，根据实验项目内容的不同，切换到不同的网络拓扑结构图，例如网络结构一效果图如图2所示。

图2 网络结构一效果图

虚拟仿真实验室软件部分由协议仿真编辑器、协议分析器和其它工具软件构成。仿真编辑器可以模拟TCP/IP协议族中多种协议的数据包；协议分析器可以捕获仿真编辑器发送的数据包，以及网络上传输的数据包，并将常用协议的通讯过程以会话图解的形式直观展示出来；工具软件包括UDP工具、组播工具等辅助教学的专用软件。

目前，实验室的网络协议仿真教学系统拥有7组组控设备，每组6台机器，可以同时容纳42名学生进行仿真实验，每组同学需要相互协作进行实验，加强了学生之间的学习交流能力，充分锻炼了学生团队协作的能力。网络协议仿真教学系统作为一门独立的课程体系，以实验为主，强调学生的主动性和设计能力，能够拓宽学生的思路，达到真正的教学互动。同时利用Boson NetSim for CCNP和思科模拟器Cisco Packet Tracer仿真实验教学软件，可以模拟搭建局域网和广域网运行环境，在仿真软件中进行模拟网络实验。

另外，虚拟仿真实验室前期购买了多台Cisco交换机、Cisco路由器、网络防火墙和多路模拟电话交换机等网络设备，能够模拟局域网和广域网的运行环境，用于学生在开放性实验项目中使用。

2.2 虚拟仿真教学资源的建设

计算机网络是综合性很强的学科，既有硬件实验又有软件实验，两者密切结合，不可分割，先实物再理论后应用的教学模式，更有利于学生的理解。教学资源的建设应该加强实验教学环节的力度，深入理解课程核心知识内容，认真选择实验内容，制定详细的实验计划，选择数据链路层、网络层、传输层和应用层等重点教学内容来设计实验的内容。把实验分为操作性、设计性、分析性和创新性等类型，着力构建“厚基础、重应用”的人才培养模式。

通过对理论课程教学知识体系结构的分析，结合学院计算机网络实验室自身软硬件条件，对计算机专业计算机网络课程实验大纲进行了修订，部分实验项目内容进行了更新，有选择地加入了CCNA课程实验项目和网络协议仿真教学系统的实验项目，实验项目的设置如表1所示。

表1 计算机网络实验项目列表

各实验项目设置及内容说明如下：

实验1：带领学生参观网络实验室，建立起计算机网络初步的概念，了解该网络由哪些硬件设备构成（设备名称、功能、主要技术指标）；掌握局域网中电缆线的作用及使用双绞线作为传输介质实现以太网连接的方法。学会制作2种类型的RJ-45接头。掌握在Windows系统中进行网络配置及在Windows系统中进行TCP/IP协议配置。熟悉使用ping、ipconfig、tracert等命令工具来进行测试。

实验2：学生在网络协议仿真教学系统环境中进行仿真实验，通过实验使学生理解以太网MAC帧格式的2种标准，掌握以太网的报文格式、MAC地址的作用、MAC广播地址的作用、掌握LLC帧报文格式和仿真编辑器和协议分析器的使用方法。

实验3：学生通过虚拟仿真软件自行设计并模拟搭建局域网运行环境，掌握局域网中交换机的基本配置方法，能够对交换机进行VLAN（虚拟局域网）的划分。使学生能够掌握局域网运行特点及搭建过程，掌握交换机VLAN的作用和划分方法。

实验4：学生在网络协议仿真教学系统环境中进行仿真实验，通过实验使学生掌握ARP协议的报文格式和工作原理，理解ARP高速缓存的作用和缓存表的维护过程。

实验5：学生在网络协议仿真教学系统环境中进行仿真实验，通过实验使学生理解特殊IP地址的含义和IP分片过程；掌握IP数据报的报文格式、IP校验和计算方法、子网掩码和路由转发。

实验6：学生通过虚拟仿真软件自行设计并模拟搭建广域网运行环境，掌握广域网运行特点、路由器的配置方法、路由选择协议的工作原理和设置方法，使学生综合学习路由器操作系统IOS操作、路由选择协议、路由配置方法、子网划分、超网构造、网络诊断及路由器操作命令等知识。

实验7：学生在网络协议仿真教学系统环境中进行仿真实验，通过实验使学生掌握TCP协议的报文格式、TCP连接的建立和释放过程、TCP数据传输中编号与确认的过程、TCP协议校验和的计算方法、理解TCP重传机制的工作原理。

实验8：理解Socket的基本概念和原理，掌握Socket的建立、监听、连接、发送和接收数据。实验综合了高级语言程序设计、点对点通信协议、运输层相关原理及Socket编程思想、方法等知识［6-8］。

学生在实验教学环节后，需进行计划内课程设计环节。课程设计教学是在学完计算机网络课程之后综合利用所学知识，完成一个具有一定难度的综合设计题目。通过课程设计训练，培养和锻炼学生的分析问题能力、软件总体结构设计能力、用户界面的设计能力、程序设计的基本技能和技巧。

在计划内的实验教学任务外，学生还可以选做实验室提供的开放性实验项目。之前在Bonson NetSim和Cisco Packet Tracer虚拟仿真软件环境中进行的实验，可以用交换机、路由器等硬件设备搭建网络实验环境进行真实实验，进一步加强实践操作技能。同时，网络协议仿真教学系统中除了实验教学环节中开设的计划实验项目外，还提供了应用层协议、网络攻防、网络故障分析和网络应用程序设计等方面的开放性实验项目，从全方位、多角度对学生计算机网络知识技能进行训练，将理论与实践相结合，大大提高了学生的学习兴趣，锻炼了学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。

通过多层次，全方位的计算机网络基础和工程训练，学生可以更好的学习和掌握计算机网络的内部原理，实践教学课程体系层次结构如图3所示。

图3 实践教学课程体系层次结构

2.3 虚拟仿真实验教学共享平台建设

虚拟仿真实验教学共享平台依托于网络协议仿真教学系统，平台包括计算机网络管理信息系统和计算机网络实验教学平台两部分。

管理信息系统安装于主控中心平台，教师通过教师机以Web页面形式访问管理信息系统，能够辅助教师更好的进行实验教学管理。通过该系统，教师可以进行实验报告管理、实验结构管理、实验信息管理、实验方案管理、实验设备管理和实验公告信息管理。

实验教学平台安装于学生客户端，学生上机时可以将教师在管理信息系统中安排的实验教学内容和实验公告等信息同步下载到学生客户端，能够辅助学生进行实验，提供实验操作环境的软支撑。该平台是指导学生实验的教学平台，辅助教师授课，并将实验过程中所需要的各种辅助工具、实验知识点讲解、实验过程指南、实验思考问题等内容集成在平台中，为学习者提供便捷的实验环境，从而提高学习效率。

3 网络实验室对理论教学的影响

实验教学与理论教学是平行而又相互协调、相辅相成的，具有相等重要地位，是培养学生分析问题和解决问题的能力基础。实验课程是理论课程的延伸，对于培养学生综合运用所学知识、解决实际问题、加深对网络理论知识的理解和应用起着非常重要的作用。

新建设的虚拟仿真网络实验室有先进的实验设备、完善的实验教学大纲、完整的实验内容教学体系，对计算机网络课程理论教学有较大影响。

1）虚拟仿真网络实验室给网络课程提供了实验操作的物质基础，实验教学方式促进了学生对理论知识的理解。计算机网络课程跟其他专业的课程有所不同，它需要系统掌握一套理论，然后进行实践验证和思考，如果只讲理论，没有配套的实验课程，教学效果会不理想。

2）虚拟仿真网络实验室的建设可以提高教师教学水平。当代社会电子产品淘汰非常快，包括计算机网络实验设备，但理论基础却长期不变。如果没有实验室，教师也只能一再重复教学理论，不了解最新设备特点，知识不能及时更新，教师能力成长速度缓慢。

3）实验室的建设有利于提升学校科研能力。计算机网络的科学研究很多都是在理论创新的基础上进行实验验证，没有实验室就无法验证，理论创新就无说服力，科研能力就得不到提高。

由于现代社会对人才的需求越来越高，不但要求学生具备一定的知识，更要求学生具备一定的能力。需要把理论教学转换为实际动手能力，只有在不断的实验中尝试、摸索、更正后才能具备敏锐的观察力和敏捷的判断能力。

4 结束语

通过计算机网络虚拟仿真实验室的建设，构建了一个高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，将网络方面的理论知识通过软件模拟来实现，将虚拟仿真软件技术融入到计算机网络实验课程当中，对计算机网络实验课程建设起到了很好的推动作用，逐步形成完善的实验教学体系，真正把理论转化为实践，把知识转化成能力，从而满足现代社会的需求，促进学生的就业，提升教师的科研能力。

［1］王春枝，李红，欧阳勇.计算机网络课程实验教学研究［C］//全国计算机实践教学学术研讨会论文集，2007.

［2］肖涛,程东,何怀文.计算机网络实验研究与探索［J］.实验科学与技术，2010，8（2）：81-82.

［3］付雪峰，刘有珠，徐文飞，等.计算机网络课程实验教学探讨［J］.南昌工程学院学报，2008，27（2）：59-60.

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［6］黄声烈，邢磊，等.网络协议仿真教学系统平台的构建［J］.实验技术与管理，2005，22（11）：83-86.

［7］黄声烈，黄毅.构建“网络协议仿真教学系统”平台的研究［J］.实验室研究与探索，2006，25（2）：187-188.

［8］谢慧，聂峰.基于Boson Netsim的计算机网络仿真实验教学研究［J］.实验技术与管理.2007，24（5）：89-91.

图8 改善后D310流水制造周期

参考文献：

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［4］白东哲.生产系统现场工作研究［M］.北京：机械工业出版社2004.

［5］李峰.空压机装配生产线平衡的研究的改善［J］.湖北汽车工业学院学报，2012，26（3）：36-39.

Construction of Computer Network Laboratory Based on Virtual Simulation Technology

Qi Xin,Shi Lühua,Yang Yahui,Xu Hongsheng
（School of Electrical&Information Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

The current status of computer networks experimental teaching in colleges and universities was analyzed.According to the actual situation of Hubei University of Automotive Technology,a computer network laboratory was built based on virtual simulation technology.The construction of laboratory hardware condition and the teaching content was discussed in detail.The experimental teaching system was improved.

computer network;virtual simulation technology;laboratory

TP393

A

1008-5483（2015）01-0068-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2015.01.015

2014-11-09

湖北省重点实验室开放基金项目（ZDK2201404）；湖北汽车工业学院本科教学工程基金项目（SJ201415）

齐心（1977-），男，湖北十堰人，硕士，主要从事计算机应用实践教学研究。E-mail：qixin622@163.com