计算机网络虚拟仿真实验系统研究与探索

刘进 杨力 王宗武 孙翠娟

关键词：计算机网络；虚拟仿真实验系统；自主创新；综合实践能力

计算机网络作为高等院校信息类专业本科生的必修课程，是一门理论性、综合性和实践性都很强的学科。计算机网络课程内容包括抽象的概念和繁多的协议，很难仅仅通过理论教学来引导学生理解并构建网络体系模型，从而导致学生无法灵活运用所学理论知识来解决实际的网络工程问题。因此，该课程对学生的实践能力提出了较高的要求[1-2]。目前，计算机网络实验教学普遍采用线下教学方式开展。由于线下实验时间和场地固定，导致学生在完成网络理论知识学习后无法及时进行实验验证，理论学习与实践环节之间产生严重脱节。此外，由于线下实验设备型号和数量受限，导致部分实验内容只能通过分组方式开展，部分学生无法实际操作设备完成实验[3-4]。

计算机网络虚拟仿真是计算机网络学科与信息技术深度结合的产品，通常采用虚拟现实技术模拟实际的网络设备，具备将抽象的网络概念具体化、形象化的特点。开展计算机网络虚拟仿真实验，可以有效解决线下实验教学中存在的时间、空间和设备受限的问题，实现计算机网络理论学习与实验验证的紧密结合，帮助学生深刻理解计算机网络相关理论知识，在计算机网络课程建设中具有非常积极的作用[5-9]。然而，目前计算机网络虚拟仿真实验普遍采用思科的Cisco Packet Tracer 仿真软件来实现[10-13]。这种实现方式面临的主要问题有：1）考虑网络设备的国产化和安全性需求，目前国内政府、高校、企业级网络建设中多采用华三和华为的网络设备产品；2）在网络工程师认证考试中，多数学生会选择参加华为网络工程师（HCIA）或者华三网络工程师（H3CNE）认证考试；3）目前各大高校计算机网络线下实验教学中使用较多的也是华三和华为公司的交换机、路由器等网络设备。因此，一些研究学者基于华三云实验平台HCL （H3C Cloud Lab）和华为企业级网络仿真平台eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）开展了部分计算机网络虚拟仿真实验内容的初步研究和探索[14-15]。

基于以上分析，本文对计算机网络虚拟仿真实验系统架构的构建和相关实验内容的设计进行了进一步深入的研究与探索。首先，通过分析华三HCL、华为eNSP 等仿真软件的特点以及适合开展的实验内容，构建了合理的计算机网络虚拟仿真实验系统架构；其次，对计算机网络虚拟仿真实验内容以及开展方式进行了研究；最后，从计算机网络虚拟仿真实验系统预期应用效果和学生从中受益等方面进行了归纳和总结。

1 计算机网络虚拟仿真实验系统架构

1.1 虚拟仿真软件分析

1）华三HCL仿真软件

HCL仿真软件是新华三（H3C）公司研发的一款图形化的网络模拟软件，该软件包含H3C公司多种型号的虚拟交换机和路由器，适合于开展基础的网络拓扑设计、虚拟网络设备和虚拟主机配置与测试实验。该软件的缺点是设备类型较少，不利于开展复杂性和综合性强的网络实验。

2）华为eNSP仿真软件

eNSP仿真软件是由华为公司提供的是一款图形化操作、可扩展的网络仿真工具平台，主要对企业网络交换机、路由器等进行软件仿真，支持较为复杂的大型网络模拟实验。其优点是虚拟网络设备较为齐全，可以作为华三HCL仿真软件的有效补充和扩展，利用其提供的各类模拟服务器，便于开展较为复杂的运输层（TCP、UDP）协议、应用层（DHCP、DNS、WEB、FTP）协议分析实验。

3）安装Windows Server版本操作系统的虚拟机

利用安装Windows Server 版本操作系統的虚拟机，适合于在线上、线下混合式网络实验教学中，为学生在线上开展各类网络服务和互联网信息服务（IIS）相关的服务器配置与管理实验。

1.2 计算机网络虚拟仿真实验系统架构设计

基于HCL 仿真软件、eNSP 仿真软件、安装Win?dows Server版本操作系统的虚拟机的特点及应用分析，计算机网络虚拟仿真实验系统架构的设计思路如下：

1）采用华三HCL仿真软件与安装Windows Server 版本操作系统的虚拟机完成计算机网络基础类实验，主要包括交换机与路由器配置、网络服务与互联网信息服务相关的服务器配置与管理等实验内容；

2）采用华三HCL仿真软件、华为eNSP仿真软件、Wireshark网络嗅探器软件完成计算机网络原理类实验，实验内容涵盖数据链路层、网络层、运输层以及应用层等各层的网络协议分析实验；

3）采用华三HCL仿真软件完成计算机网络技术类实验，内容包括ACL（Access Control List）访问控制列表、NAT（Network Address Translation）网络地址转换、ARP攻击与防范、采用智能弹性架构IRF（Intelli?gent Resilient Framework）的虚拟化技术实验。

2 计算机网络虚拟仿真实验内容与开展形式

在计算机网络虚拟仿真实验系统架构基础上，进一步研究了依托此架构开展的虚拟仿真实验内容，本文简单列举了具有一定通用性和代表性的实验内容，实际应用过程中可以根据各大高校对学生网络工程能力的培养需求，灵活地调整和扩展实验内容。计算机网络虚拟仿真实验内容设计思路如下：

1）计算机网络基础类实验：采用华三HCL仿真软件，完成交换机VLAN、跨交换机VLAN等数据链路层实验，路由器配置与子网交换、单臂路由、静态路由、动态路由以及三层交换机等网络层实验。采用安装Windows Server版本操作系统的虚拟机，完成DHCP、DNS、FTP、Web服务器配置和管理等应用层实验。计算机网络基础实验内容采用线上、线下与课内、课外相结合的形式开展，旨在巩固和加深学生对网络基础理论知识的理解。

2）计算机网络原理类实验：采用华三HCL仿真软件，完成以太网协议、VLAN协议、VLAN tag标记、PP?Poe协议等数据链路层协议分析实验内容，以及IP协议、ICMP 协议、ARP 协议等网络层协议分析实验内容。采用华为eNSP仿真软件和Wireshark网络嗅探器软件，完成TCP协议、UDP协议等运输层协议分析以及HTTP协议、DHCP协议等应用层协议分析实验内容。充分考虑线下实验时间、实验场地和实验设备的限制，计算机网络原理类实验采用线上实验的方式开展。

3）计算机网络技术类实验：采用华三HCL仿真软件，完成ACL访问控制列表、NAT网络地址转换、ARP 攻击与防范、IRF虚拟化技术等实验内容。其中，IRF 是H3C公司专有的、能够将多个设备虚拟为单一设备使用的通用虚拟化技术，通过IRF技术形成的虚拟设备具有更高的扩展性、可靠性及设备性能。计算机网络技术类实验作为基础类实验内容的扩展，采用线上实验的方式开展。

3 预期应用效果与学生受益分析

基于计算机网络虚拟仿真实验系统架构、实验内容以及开展形式，通过课内、课外和线上、线下相结合的方式，保障学生在学习网络基础理论知识后能够及时在线上虚拟仿真实验平台独立开展实验，实现计算机网络理论学习和实验验证环节的紧密结合，进一步加深学生对网络基础理论知识的理解。此外，学生利用课外时间在线上开展计算机原理类和技术类实验，可以摆脱线下实验时间和空间固定的约束，学生可以自由灵活地投入更多的时间，更加深入地理解和掌握抽象的网络概念、繁多的网络协议和综合性的网络技术，构建完整的网络体系模型，从而达到灵活运用所学理论知识来解决实际问题的目的。

计算机网络虚拟仿真实验系统的应用与优化，本着以学生为主体的思路，鼓励学生在使用系统功能的过程中及时反馈使用意见和建议，以便不断完善系统功能。同时，以虚拟仿真实验系统中提供的实验内容和案例作为引导，鼓励学生自主设计综合性和创新性的实验案例，作为虚拟仿真实验系统实验内容和實验案例的有效补充，同时进一步增强学生的自主学习和创新意识。

综合性网络实验需要的网络设备种类和数量庞大、拓扑结构复杂多样，借助虚拟仿真实验平台良好的可视化效果以及灵活的拓扑调整和控制功能，能够支撑学生完成综合性强、复杂度高的网络实验设计与测试验证，从而使得学生的综合实践能力和解决复杂工程问题的能力得到有效提升。本科生《计算机通信与网络》《组网与运维》《网络协议分析》等课程实验中，通过不断迭代和完善系统功能、实验内容和实验案例，逐步打造功能完善、内容丰富的校内外开放共享的计算机网络虚拟仿真实验系统。

4 结束语

针对计算机网络课程线上、线下混合式实验教学以及实验课程的开放共享需求，开展了计算机网络虚拟仿真实验系统架构、实验内容与开展形式、预期应用效果与学生受益等内容的研究与探索。旨在摆脱线下实验教学中时间、空间以及设备方面的限制，实现理论学习与实验验证环节的紧密结合，及时巩固和加深学生对网络基础理论知识的理解。通过综合性、创新性实验内容的学习与自主设计，提高学生的自主学习与创新意识，培养学生的综合实践和解决复杂工程问题的能力，从而更好地促成工程教育专业认证要求下学生实践能力目标的达成。