通信网络类课程虚拟仿真教学研究

2023-12-11杨健刘熹陈庆华

中国教育技术装备 2023年20期

杨健刘熹陈庆华

陆军工程大学通信工程学院南京 210007

0 引言

通信网络类课程概念多、原理多。对很多学生来说，要在较短的时间内理解和掌握较为困难。一个好的解决方法是尽量多做实验，把理论与实践结合起来。但课程涉及的网络设备、电信设备较昂贵，一般实验室较难配备，或数量不足。学生学习时也较难了解实际的网络机房、电信机房。如何运用虚拟仿真技术，构建更好的原理展现、实物展示、设备实操环境，提升这类课程的理论和实践教学效果，非常值得探索研究。

唐灯平等[1]阐述通过搭建虚拟仿真环境将实验带入课堂，对学生实践过程进行动态管理，学生从被动学习到主动学习的教学模式改变以及教师工作效率提高；重在探索虚拟仿真实验环境下的教学模式。孙良旭等[2]总结了在工程认证发展背景下，计算机网络传统实验在基础设施、网络设备方面存在的问题，分析了采用模拟器和虚拟机技术解决上述问题的可行性，对比了Cisco Packet Tracer和GNS3的软件特性，描述了计算机网络相关课程虚拟仿真实验示例和使用建议，证明了基于上述模拟器和虚拟机软件进行计算机网络虚拟仿真实验的可行性和有效性，提出了在模拟器和虚拟机软件上做计算机网络实验的方案，但该方案不能解决计算机网络理论教学中理论演示等问题。曹雪峰等[3]使用EVE-NG进行虚拟网络实践教学平台的搭建，该方法可使用浏览器以B-S方式开展网络实验，并可实现EVE-NG虚拟网络中的主机与现实因特网的通信，达到了很好的实践教学效果。夏燕[4]提出在计算机网络教学中，采用虚拟现实技术构建具有交互性、沉浸感强的网络教学环境，供教师和学生在其中设计、组建网络，提高计算机网络教学成效。李晓艳等[5]在NS2软件基础上进行扩展，设计应用性和工程性很强的虚拟仿真实验项目，使学生掌握通信网络的建模方法和仿真技能，理解网络中各层的设计机制、算法和协议。

上述文献从不同角度提出了针对计算机网络类课程虚拟仿真教学的做法与思路，而对通信网络中的其他网络如传输网、电话网的相关课程教学则较少涉及。针对通信网络相关课程教学要求和特点，综合上述研究中的做法并加以扩展，构建一个综合多种手段的通信网络类课程虚拟仿真教学环境，对改进课程教学，提升教学效果，将有重要作用。

1 通信网络相关课程体系与教学内容

通信网络相关课程包括通信网络技术、通信网基础、现代通信网、现代交换原理、计算机网络等理论课程，以及交换设备原理与组网应用等实践课程，在许多高校通信、电子以及信息等专业都有开设，其中不少是相关专业核心课程。

2 通信网络相关课程教学中存在的问题

以笔者所在学校通信工程专业通信网络技术为例，课时多、涉及网络类型多样、知识点密集，学生普遍反映内容抽象、不直观，学习难度很大。

究其原因，除课程本身的特点外，在配套的实物和实验教学上，主要存在以下几个问题。

1）缺乏实地实习条件，难以建立通信网及其设备的整体直观印象。学生学习之前大都只对通信终端稍有了解，基本没有仔细观察接触过通信网的台站、线路、设备。因此只能通过教材学习各类通信网系统组成及原理，学生学习中往往只闻其名，不见其形，感觉非常抽象，学习和理解起来往往印象不深。

2）课程中的原理性内容较多。例如，课程中各类通信协议原理占据了大量篇幅，通信协议涉及各类通信实体之间按时序协同配合的过程，这些过程也非常复杂，是学生学习的难点之一。传统上采用时序图或协作图来展示实体间的协同配合关系，尽管比仅采用文字叙述要易理解得多，但仍不够直观。

3）课程中的计算公式及需验证性内容较多。例如计算机网络涉及网络性能如时延、利用率等的计算，电话网中涉及话务量等的计算。

对这些内容的教学，若在传统的板书式教学基础上，采用实验手段，将理论融入实际实验操作，并由学生自己测试所设计网络的性能，将激发学生的主观能动性，达到较好的教学效果。

4）操作性实验缺乏实际设备，实装环境搭建困难。通信网中的各类设备，实验室中难以大量配备。特别是组网实验，需要的设备更多。面对数量、品种有限的设备，在有限的实验学时中，学员很难真正熟悉这些设备。课外时间里，往往又很少有上机的机会。

5）不便于开展线上实验教学。线上教学具有学习时空不受限制、学习资源利用最大化、学习互动形式多样化、学习过程个性化、教学管理网络化等优点。传统的基于实物展现和操作的理论教学与实验教学方式，难以在线上开展，亦不易评估教学效果。

3 通信网虚拟仿真教学分类

以上种种问题，需要在实物和实验教学方式上采取创新的教学方式予以化解。综合课程教学需求和虚拟仿真工具与技术现状，拟开展实物展现型、原理展示型、模拟仿真型、虚实结合型四类虚拟仿真实验建设。

3.1 实物展现型

运用3D建模技术对通信台站、通信设备等进行建模。利用3DSMax、Maya、Sketch Up、Blender和Auto CAD等工具设计静态模型，从视觉上模仿真实世界的实际物体，通过屏幕展现或3D头盔、3D眼镜、3D裸眼显示器等工具，为学生提供一个身临其境的展现，建立对通信网、通信台站、通信机房、通信机柜、通信车辆以及各类传输、交换通信设备外观的直观认识，实现使学生快速熟悉和了解课程工程背景，进入课程情境的效果。

3.2 原理展示型

主要是通过3D模型、2D或3D动画等方式展示设备组成及各组成部分间的相互关联、网络协议中实体间的交互过程、电话网中信令跟踪分析以及设备工作原理等内容，着重以动画方式展现时序过程，使学生能够更直观地了解通信网原理。

3.3 模拟仿真型

使用NS2、NS3、OpNet、OMNet++等通信网络仿真平台构建仿真模型，使学生大致了解网络协议的实现，或更进一步自行实现网络协议仿真模块，开展网络性能分析评估，在布鲁姆分类教育理论的分析、评价、改造层次上开展教学工作，达成对网络协议及网络工作机制更深程度的理解和掌握。

3.4 虚实结合型

虚实结合型教学，旨在模拟真实工作场景，创设教学情境，运用虚拟化、仿真技术，构建虚拟设备与真实设备协同工作、虚拟场景与真实场景有机融合的教学仿真环境，开展以设备配置、综合组网等实践教学为主的教学。在虚拟仿真实验环境构建中，虚实结合型仿真实验的重点放在虚拟部分。

虚拟化实验平台是通过虚拟化和云计算技术，模拟物理场景中不同厂商、不同型号、不同功能的组网设备，通过虚拟交换机将虚拟设备连接形成所需的网络拓扑，通过统一配置界面对设备进行配置。采用虚拟化技术的优势是可以对网络设备进行一体化管理，方便数据采集和功能性能评估。虚实结合型实验，主要利用eNSP、Packet Tracer、GNS3、EVE-NG等网络设备虚拟仿真平台提供。

4 通信网虚拟仿真教学环境设计

4.1 通信网虚拟仿真教学规划

针对上述四类虚拟仿真实验，设计如表1所示仿真实验。

表1 通信网虚拟仿真实验类型

表2 网络设备虚拟仿真软件比较

4.2 虚实结合型仿真实验平台选型

在通信网络类课程教学中，在理解设备原理的基础上，更重要的是使学生能够学会具体设备特别是网络设备的操作与使用。四种虚拟训练教学类型中，对学生实际操作能力培养最为关键的是虚实结合型虚拟仿真实验。

表1通信网虚拟仿真实验类型中虚实结合型实验列出了eNSP、Packet Tracer、GNS3、EVE-NG等平台。从实际教学出发，对各平台进行对比，如表2所示。

从上表可以看出，上述软件各有优缺点。有的简单易用便于单机使用，有的扩展性强。从大规模多类设备在线虚拟实验教学需要出发，以EVE-NG为主构建虚拟实验平台，以其他软件为辅的方案较为理想。

EVE-NG的优点在于它是一种基于云计算的虚拟化网络仿真实验平台。该平台使用了虚拟化技术，通过将各大厂商不同型号的网络设备构造为虚拟机镜像，可以很好地模拟网络设备工作，可支持思科、华为、Juniper、Check Point、Palo Alto、F5等主流厂商的设备。

此外，该平台还可以运行虚拟磁盘格式为qcow2的虚拟机，扩展性强。在虚拟仿真训练中，只要服务端正常运行，用户端就可以通过浏览器访问所有功能，这种交互模式比eNSP、GNS3等常见仿真器更具有优势。该平台还可对虚拟网络设备的配置操作过程以配置文件的形式自动保存，在教学中，便于教师对学生的操作进行复盘指导。

4.3 系统构建

针对通信网络课程虚拟仿真教学内容设计，设计如图1所示通信网络课程虚拟仿真教学环境。环境整体采用B-S架构。虚拟仿真教学素材包括视频、图像、3D模型、动画等，存储于服务端模型库，通过Web服务器以网页方式支撑实物展现与原理展示教学，或以3D模型或动画形式，通过VR眼镜为学生提供VR实景仿真展示与训练。

图1 系统拓扑图

针对虚拟设备配置操作与组网训练，在服务端配置虚拟仿真系统，调度运行通信网设备仿真模型的虚拟机群，并与实训网络设备互通，提供模拟仿真和虚实结合的仿真教学。

4.4 虚拟训练教学平台管理功能

通信网虚拟训练教学平台功能组成如图2所示。系统中有教师、学生、管理员三类用户。教师可维护教学中用到的视频、动画、图像、3D模型等素材，在课程教学中引用素材进行展示，设置实验环境、课目、网络拓扑，进行实验成绩管理、实验数据分析。学生可在教师设置的实验课目下进行虚拟仿真操作，查询实验成绩，进行个人信息管理。管理员则可以进行系统配置管理、用户管理、终端管理，以及数据备份/恢复等系统操作。