仿真软件在计算机网络教学中的应用

周彬 陆军 宿敬肖 伊瑞敏 侯乐乐

（河北工程技术学院网络与通信学院，河北 石家庄 050091）

当前热门的技术包括云计算、大数据、物联网与人工智能等都是以计算机网络技术为基础的，因此计算机网络的重要性是显而易见的。计算机网络是我校电子信息工程专业群重要的专业课，目的是让学生对计算机网络知识有一个较为全面、系统、扎实地掌握，为学习其他课程以及从事计算机网络的研究、开发、管理和使用打下坚实的基础。但是这门课程本身理论较为抽象、综合性强同时对实践要求高，但网络实验涉及多种昂贵、维护成本较高并且更新换代速度快的设备，这使得学校需要投入大量的资金建设网络设备实验室，即使如此也不可能每个学生都充分完成实验的要求，并且网络实验室的管理也较为困难。而采用仿真软件，学生可以在高仿真环境中学习网络设备的管理、调试以及网络的组建与维护等实验，并且可以反复练习不受到时间地点的限制，一方面大大降低了网络实验设备的投入和网络实验室管理的难度，另一方面 有助于学生理解书本中的理论知识和培养其分析问题解决问题的能力，同时提高了课堂教学的效果。

一、仿真软件简介

（一）Packet Tracer

Packet Tracer是Cisco公司主要针对CCNA和CCNP认证考试开发的一款强大的网络模拟软件。其提供集线器、交换机、路由、PC机等虚拟网络设备，使得使用者无须购买真实的昂贵的网络硬件设备，便可在图形化的界面上，采用直接拖曳的方式构建网络拓扑，进而模拟搭建计算机网络，并且通过计算机程序模仿网络的通信过程。Packet Tracer可以采用实时（Real-time）或者模拟（Simulation）两种模式观察数据包在网络中的传输和处理过程。支持使用者自主搭建网络模型，为设置、配置与排除网络故障提供实验平台，有助于使用者掌握网络的复杂技术概念，锻炼使用者的网络架设以及网络排错的能力[1]。

（二）eNSP

企业仿真网络平台（enterprise Network Simulation Platform， eNSP）是由华为公司推出的一款免费的网络仿真工具平台，并且提供便捷的图形化操作界面，让用户能够更加简单地进行操作。主要对华为网络路由器、交换机、防火墙、无线网络设备进行软件仿真，可以实现对真实网络场景的仿真和模拟，使众多华为数通技术的初学者有机会在没有真实设备的情况下能够模拟演练，学习网络技术。此外，该软件自带丰富的使用教程，通过该软件可完成华为网络工程师初级（HCNA）、中级（HCNP）、高级（HCIE）的绝大部分实验，是国产网络仿真软件的佼佼者。

（三）GNS3

GNS3是一款具有图形化的网络仿真软件，可以运行在多平台（包括Windows， Linux， MacOS等）上，能够仿真模拟出复杂的网络，为从事网络技术工作以及想通过CCNA， CCNP，CCE等Cisco认证考试的人员提供模拟度较高的实验操作。同时GNS3是开源的，能够进行全真模拟实验，也可以虚拟体验Cisco网络操作系统IOS或者是检验将要在真实的路由器上部署实施的相关配置。

二、仿真软件在计算机网络教学中的应用及意义

（一）利用仿真软件实现实验与理论的有机结合

计算机网络课程的理论知识抽象，同时应用性又非常强，为了使学生能够有效地进行实验学习，教师应该充分利用课堂教学实践，将抽象晦涩难懂的理论知识转化成简单易懂的想象知识呈现出来。教学实践结果表明，Flash动画能够实现较好的教学效果，也有助于提升计算机网络课程的理论教学水平，然而一方面Flash动画的制作需要教师投入更多的时间和精力，另一方面也不是每个教师都能够制作出完美的动画课件，而Packet Tracer工作方式中的模拟方式可以很好地解决这个问题。比如在解释动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol， DHCP） 时，在Packet Tracer搭建相应的实验拓扑，并应用其模拟方式，用来直观展示计算机网络设施数据信息的发送和接收的整个环节。再比如在讲解地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）时也可以运用Packet Tracer仿真软件轻松直观地看到数据传输过程。

（二）充分发挥仿真软件的整合功能

通过仿真软件既可以整合一个学校机房的相关资源，又可以使得学生打破时间和地域的限制，在一定的范围内进行设计型、创新型、不易实施的实验。比如在讲解路由选择协议时，开放式最短路径优先协议（Open Shortest Path First，OSPF）是一种基于链路状态的分布式路由协议，属于内部网关协议。在学习了关于OSFP的理论知识之后学生还是一头雾水，可以通过实验来理解OSPF协议。但是要完成OSPF实验，至少需要4台路由器，2台交换机，4台终端主机。对于学校来说这样的硬件需要是比较高的，尤其是想让每一位学生都能够做实验更是远远不够的，然而通过仿真软件则在一台主机上就可以实现这一要求，在学校的机房学生每人一台计算机，运行仿真软件就可以独立地完成相应的拓扑搭建和组网配置，验证OSPF路由协议报文，并可以分析结果。

通过仿真软件，既能够满足实验的灵活性和有效性的要求，又可节约实验成本和资源消耗。通过仿真软件既可以省去线缆接续问题或硬件设备稳定性问题带来的教学进度的影响，又可以提高学生的学习效率和教师的教学效率。

三、实验项目设计

为了让学生能更好地理解理论知识，根据我校计算机网络教学大纲和实验课程的学时安排，可以设计包括OSFP实验在内的4个实验。

设备管理实验：本实验是基础，为后续的实验操作做铺垫。其目的是对网络设备交换机和路由器进行基础调试包括操作模式、初始管理、接口管理、配置管理等，通过仿真实验了解常用的操作命令，掌握接口的IP地址的配置方法。

RIP实验：本实验的目的是配置路由信息协议（Routing Information Protocol， RIP），并分析它的特性。在本次实验中，学生将建立一个网络（使用RIP的）拓扑，查看任意一个路由器产生的路由表；使用分组网间探测PING（Packet InterNet Groper）来测试两个路由器之间的连通性；观察网络故障对RIP协议的影响。

TCP实验：本实验的目的是演示TCP的连接管理。实验中学生将搭建实验拓扑，其中R1模拟客户端，R2模拟服务器。通过抓包，分析TCP报文头部和三次握手连接建立原理；当连接建立后，可以进一步验证TCP的可靠传输功能；对分组中收到FIN结束位以及ACK确认位分析四次挥手拆除连接的过程。

VLAN实验：本实验的目的是让学生灵活掌握VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）的相关知识点，掌握VLAN技术配置，理解VLAN的功能。在本实验中，学生创建实验拓扑，模拟基于跨交换机VLAN的划分。进一步分析得出在不同交换机的相同VLAN之间能够相互进行通信，而不同的VLAN处于不同的广播域，相互隔离，不能通信。

这4个实验能够总体上涵盖计算机网络课堂教学的重点，激发学生的学习兴趣，加深学生对网络的协议和原理的理解，并且锻炼了学生的实践能力。

四、结束语

近年来，随着科学技术的不断发展，各种仿真软件不断运用于计算机网络教学中，大大提高了教学水平和教学成效。众所周知，计算机网络是数字化、网络化和信息化的基础，相比于其他课程，它要求教师在讲授理论知识的前提下，注重培养学生的实践能力和动手能力，进一步提高学生的创新能力，这样才能更有效地提高教学效果，进而为培养高素质的应用型专业型人才奠定坚实的基础。