基于Packet Tracer仿真平臺的計算機組網(wǎng)教學(xué)研究

段國云 唐亞純

(湖南科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)中心，湖南 永州 425199)

基于Packet Tracer仿真平臺的計算機組網(wǎng)教學(xué)研究

段國云 唐亞純

(湖南科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)中心，湖南 永州 425199)

文章根據(jù)目前高校計算機組網(wǎng)課程理論課時過多實踐課時少的問題，提出調(diào)整課時結(jié)構(gòu)，加強實踐教學(xué)的課程改革思路；利用Packet Tracer仿真平臺結(jié)合任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法進行實踐教學(xué)，在教學(xué)過程中取得了良好的教學(xué)效果。該實踐教學(xué)過程以實際的網(wǎng)絡(luò)工程項目背景為例，詳細(xì)地描述了網(wǎng)絡(luò)工程項目分析、設(shè)計、實施的過程，采用仿真軟件將復(fù)雜的工程項目引入到教學(xué)過程中并以學(xué)生為主體加以實現(xiàn)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的實踐操作能力和創(chuàng)造力，加深了學(xué)生對項目所用知識的掌握和理解。

Packet Tracer；教學(xué)改革；計算機組網(wǎng)；仿真實驗；任務(wù)驅(qū)動法

引言

《計算機組網(wǎng)技術(shù)》課程是計算機、通信技術(shù)等專業(yè)必修課程，其培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才；學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和運行原理有一定程度的了解，并具有獨立對中小型計算機網(wǎng)絡(luò)組建和維護的能力。課程的教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)的重點是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行原理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理；教師授課的重點是結(jié)合生活中實際的工程項目和書本知識點設(shè)計教學(xué)實踐任務(wù)，通過任務(wù)的實施培養(yǎng)學(xué)習(xí)者規(guī)劃、分析、設(shè)計和維護中小型網(wǎng)絡(luò)的能力。目前多數(shù)高校開課的特點是理論課時比例遠(yuǎn)大于實驗課，以教師講授理論課為重點，存在重理論輕實踐的弊端，忽略了學(xué)生創(chuàng)造力和主觀能動性，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

很多教學(xué)工作者為了解決以上問題，提出了多種教學(xué)改革方案；如文獻[1]提出以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心的實踐教學(xué)法，文獻[2]中提到了采用任務(wù)驅(qū)動法進行教學(xué)，對理論和實踐課時結(jié)構(gòu)比例進行了調(diào)整，取得了一定的成效。采用任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)的過程中，任務(wù)的來源均是結(jié)合實際的項目需求而設(shè)計的，任務(wù)對實驗設(shè)備要求比較高、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更新速度極快，目前高校難以滿足實物設(shè)備的需求；由此，文中采用 Packet Tracer模擬仿真平臺輔助任務(wù)驅(qū)動和實例教學(xué)法[2]對計算機組網(wǎng)技術(shù)實驗課程進行實踐教學(xué)。

1 Packet Tracer概述

Packet Tracer是一款非常優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件，由思科公司開發(fā)，為網(wǎng)絡(luò)初學(xué)者學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、配置、故障排除提供良好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的輔助學(xué)習(xí)工具[3]。平臺可模擬思科路由器、交換機、無線設(shè)備、服務(wù)器、終端和各類鏈路，支持廣域網(wǎng)仿真和VPN(Virtual Private Network)、AAA認(rèn)證等高級配置，支持設(shè)備多種業(yè)務(wù)模塊選配與組裝。其最大的優(yōu)點是為用戶提供了良好的可交互、可視化圖形界面，在平臺工作區(qū)窗口中采用對設(shè)備直接拖曳的方式搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M行組網(wǎng)，所有的操作與真實的物理設(shè)備幾乎相同[4]；在驗證網(wǎng)絡(luò)實驗項目正確性的測試過程中，可通過數(shù)據(jù)包傳輸?shù)脑敿?xì)過程實時觀察網(wǎng)絡(luò)的運行情況。平臺對 IOS(Internetwork Operating System)系統(tǒng)進行模擬，集成了相應(yīng)的命令子集，允許學(xué)習(xí)者使用各種命令通過CLI(Command-Line Interface)模式對設(shè)備進行配置，模擬過程基本上接近實物設(shè)備操作。該仿真平臺因其方便性和真實性而被學(xué)習(xí)者廣泛接受，也被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)工程實踐教學(xué)中。

2 教學(xué)過程及實驗構(gòu)建

在計算機組網(wǎng)技術(shù)實驗課程中，我們開設(shè)了15個實驗項目，其中有虛擬局域網(wǎng)的組建、Vlan(Virtual Local Area Network)間通信、靜態(tài)路由和默認(rèn)路由、RIP(Routing Information Protocol)動態(tài)路由等10個課內(nèi)實踐項目，有策略路由、STP(Spanning Tree Protocol)協(xié)議的應(yīng)用和OSPF(Open Shortest Path First)路由協(xié)議等5個課外實踐項目，所有實踐項目均根據(jù)真實網(wǎng)絡(luò)需求進行任務(wù)設(shè)計。文中以企業(yè)網(wǎng)的組建綜合設(shè)計項目的實現(xiàn)過程來講解利用Packet Tracer平臺輔助計算機組網(wǎng)課程教學(xué)。

2.1 項目需求描述

某企業(yè)打算組建內(nèi)部局域網(wǎng)并接入互聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)實地調(diào)研與各部門需求匯總，項目背景如下：(1)公司有6個部門，共有職員60人，人員結(jié)構(gòu)及場地分布情況如表1所示，其中生產(chǎn)區(qū)和研發(fā)樓距離較近。(2)上班時間所有部門均能上公司內(nèi)網(wǎng)，除市場部、辦公室可上互聯(lián)網(wǎng)，其它部門辦公室均不能接入互聯(lián)網(wǎng)。(3)員工宿舍上班時間不能上網(wǎng)，下班時間可上互聯(lián)網(wǎng)和訪問公司內(nèi)網(wǎng)的 OA(Office Automation)系統(tǒng)。(4)公司各部門用戶之間不能相互訪問，共享數(shù)據(jù)僅通過內(nèi)網(wǎng)收發(fā)電子郵件完成。(5)公司對外為用戶提供 Web服務(wù)，對員工提供Email(Electronic mail)、OA和FTP(File Transfer Protocol)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。(6)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時不但保證信息安全還需為公司節(jié)約開支，從ISP(Internet Service Provider)運營商申請公網(wǎng)IP(Internet Protocol)地址2個，所有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器安置在公司內(nèi)網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)采用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進行組網(wǎng)，要求千兆主干，百兆桌面接入，選用相應(yīng)的路由器或防火墻為出口設(shè)備；所有PC的IP地址采用自動配置模式。(7)所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均要求支持 SNMP(Simple Network Management Protocol)管理，交換設(shè)備要求采用相關(guān)技術(shù)控制廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。

表1 用戶分布情況

2.2 理論知識教學(xué)

文中所構(gòu)建的項目為綜合設(shè)計項目，之前開設(shè)的課內(nèi)實驗均為此項目打下了良好的基礎(chǔ)。根據(jù)項目需求，安排4-8個課時進行實踐教學(xué)，細(xì)化知識點并對項目中的知識點進行要點式復(fù)習(xí)，對大多數(shù)學(xué)生有疑慮的要點，采用仿真平臺模擬實驗輔助理論知識的講解。上課時，將上述項目分解出來，有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和拓?fù)浞治?、Vlan技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的架設(shè)、ACL(Access Control List)技術(shù)、NAT(Network Address Translation)技術(shù)、IP規(guī)劃和路由等知識點。在復(fù)習(xí)并掌握分解的知識點后，要求學(xué)生更要注重的是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及IP規(guī)劃技術(shù)的學(xué)習(xí)。教師重點傳授的是怎樣根據(jù)實際環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)需求進行設(shè)計，再將邏輯設(shè)計轉(zhuǎn)化為Packet Tracer平臺下的組網(wǎng)模型并進行仿真及通信情況的監(jiān)測，檢測所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)方案是否能用于真實的環(huán)境。

3 項目實施

3.1 項目分析與設(shè)計

在仿真平臺中仿真項目所有成員并不現(xiàn)實，我們根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的設(shè)計方法[5]，按項目需求建立仿真模型；將項目中用戶進行分類，每個類別的用戶在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中用一個用戶來替代。教學(xué)過程中帶領(lǐng)學(xué)生分析項目，將用戶分成9種類型，其中上網(wǎng)用戶8類和DMZ(Demilitarized Zone)專區(qū)1類；按項目節(jié)約成本的要求，核心層采用高性能可網(wǎng)管的二層交換設(shè)備，接入層采用中低端的可網(wǎng)管二層交換設(shè)備，所有交換設(shè)備開啟STP(Spanning Tree Protocol)防止鏈路環(huán)；上網(wǎng)時間及各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的訪問權(quán)限在出口網(wǎng)關(guān)上采用ACL技術(shù)進行控制；內(nèi)網(wǎng)用戶各類端口的安全過濾采用擴展ACL在網(wǎng)關(guān)和接入層交換設(shè)備上進行控制；出口選用路由器，Vlan之間的通信問題采用單臂路由技術(shù)解決，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D 1所示。

圖1 仿真項目網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D是根據(jù)項目需求對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的邏輯結(jié)構(gòu)，能很好的反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況。按需求各部門用戶間不能互相訪問，在辦公用戶群和生產(chǎn)研發(fā)用戶群中，每個部門設(shè)計 1個虛擬局域網(wǎng)，服務(wù)器群和員工宿舍區(qū)單獨劃分虛擬局域網(wǎng)，所有用戶的 IP地址均采用 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)進行配置，有上互聯(lián)網(wǎng)需求的用戶群，采用NAT轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時根據(jù)用戶數(shù)量和路由的合理性，選用192.168.0.0/23為內(nèi)網(wǎng)IP地址，要求學(xué)生根據(jù)設(shè)備要求及用戶數(shù)量對子網(wǎng)進行劃分，在此需考慮公司的發(fā)展，為近期可能大幅度增加人員的部門預(yù)留 1倍數(shù)量的IP地址，各子網(wǎng)IP地址及子網(wǎng)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 子網(wǎng)及IP地址規(guī)劃

3.2 項目實施

項目實施主要完成將設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)搬到 Packet Tracer仿真平臺中，再對設(shè)備配置并進行測試的過程。教學(xué)過程中需引導(dǎo)學(xué)生將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滢D(zhuǎn)化到仿真平臺。

(1)Packet Tracer實驗仿真。在仿真實驗中采用100Mbps骨干，100Mbps到桌面的帶寬結(jié)構(gòu)進行搭建，根據(jù)圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在 Packet Tracer的工作區(qū)域中選用相應(yīng)設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建和配置[6]。路由器選用Cisco2621XM，核心層交換選用Cisco2960，接入層交換選用Cisco2950；每個虛擬局域網(wǎng)選用一臺PC機為代表進行訪問控制測試，在仿真過程中選用兩臺Web服務(wù)器為服務(wù)器代表，在路由器中配置DHCP服務(wù)。采用Web服務(wù)器模擬公網(wǎng)訪問，內(nèi)網(wǎng)用戶以訪問WAN-Web(仿真公網(wǎng))服務(wù)器的成功與否確認(rèn)訪問公網(wǎng)的情況；路由器 Cisco2621XM 標(biāo)配的以太網(wǎng)接口數(shù)量不夠 ，實驗中需增加模塊，文中選用NM-2FE2W模塊擴展其接口。所有設(shè)備均采用 CLI模式進行配置，Packet Tracer仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 Packet Tracer仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(2)設(shè)備配置。在文中實踐教學(xué)項目中，大部分知識點和設(shè)備的配置在前面的實驗中已進行了實踐操作講解，如虛擬局域網(wǎng)、IP地址和子網(wǎng)劃分等知識點的基本配置在此不再講解，應(yīng)該為學(xué)生必須掌握的知識。文中設(shè)計的教學(xué)任務(wù)中，設(shè)備配置的關(guān)鍵點是單臂路由的實現(xiàn)過程、ACL的設(shè)計和路由器中 DHCP服務(wù)配置多作用域的配置。根據(jù)項目要求，需根據(jù)時間控制用戶的訪問范圍；配置過程中涉及到擴展ACL和時間ACL的配置，實施前需提醒學(xué)生考慮全網(wǎng)時間的一致性，建立NTP(Network Time Protocol)服務(wù)器。

3.3 實驗測試

測試是驗證網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型科學(xué)性、正確性的唯一方法，實驗過程中主要從以下三個方面進行驗證。(1)連通性。按項目需求及設(shè)計要求配置好各設(shè)備，驗證每個Vlan中測試PC自動獲取IP地址與設(shè)計要求的一致性；采用Ping命令測試PC機與其它Vlan內(nèi)用戶通信情況；在測試PC中，訪問Web服務(wù)器，驗證其可用性。(2)ACL控制。調(diào)整時間服務(wù)器時間，驗證網(wǎng)絡(luò)需求的可控時間內(nèi)，用戶對網(wǎng)絡(luò)的訪問情況。(3)模擬數(shù)據(jù)通信。Packet Tracer本身有模擬數(shù)據(jù)通信的功能模塊，可在工作界面的右下角選擇“模擬模式”界面進入；在模擬模式下，Packet Tracer可按測試人員需求對測試數(shù)據(jù)進行傳輸模擬，也可根據(jù)測試人員要求選擇只模擬如DHCP、ICMP(Internet Control Message Protocol)、OSPF(Open Shortest Path First)等幾十種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程，模擬過程如圖3所示；此功能對學(xué)生學(xué)習(xí)、了解網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸原理和計算機組網(wǎng)實踐教學(xué)發(fā)揮了巨大的作用。

3.4 學(xué)習(xí)效果評價

在本課程教學(xué)中我們連續(xù)三屆學(xué)生都用 Packet Tracer模擬器和任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法進行實踐教學(xué)。實驗教學(xué)過程中，我們按學(xué)生人數(shù)進行分組實驗；因為實驗項目比較復(fù)雜，教學(xué)過程中按4人標(biāo)準(zhǔn)進行分組。要求同學(xué)們在實驗實施的過程中有需求分析、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、IP地址規(guī)劃和配置規(guī)劃等文檔，培養(yǎng)學(xué)生按分析問、制定方案、方案實施、總結(jié)文檔編寫的工作順序和項目實施習(xí)慣。全班分成了12個組，其中能完全做成功的組只有3個，基本能做成功的組有7個，有 2個組在實踐過程中存在一些問題，在指導(dǎo)老師的幫助下，基本能完成項目任務(wù)。實驗后老師對實踐過程中存的問題進行匯總并講解，使學(xué)習(xí)者更進一步掌握項目中相關(guān)的知識點；通過綜合設(shè)計項目的實踐，同學(xué)們對課程設(shè)計的課內(nèi)實踐項目進行了復(fù)習(xí)和整體掌握，對本門課程知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑起到了關(guān)鍵性的作用，在教學(xué)過程中，收到了一定的教學(xué)效果。

圖3 Packet Tracer模擬數(shù)據(jù)傳輸

結(jié)束語

文中介紹了 Packet Tracer仿真平臺的功能和計算機組網(wǎng)技術(shù)的實踐教學(xué)內(nèi)容，以真實的網(wǎng)絡(luò)需求為背景，講解網(wǎng)絡(luò)工程項目設(shè)計的詳細(xì)過程并采用 Packet Tracer仿真網(wǎng)絡(luò)模型。通過仿真實踐教學(xué)，將計算機組網(wǎng)中抽象的知識，不容易見到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在仿真平臺中進行模擬，學(xué)習(xí)其工作原理并學(xué)會在實際項目需求中的應(yīng)用；將理論教學(xué)和實踐教學(xué)作了進一步的融合。此類實踐教學(xué)方法的推行，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力、創(chuàng)造力發(fā)揮了一定的作用，為學(xué)習(xí)者處理將來工作中所碰到的實際問題積累了一定的經(jīng)驗。

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[2]段國云.任務(wù)驅(qū)動法在《計算機組網(wǎng)》課程教學(xué)中的探索與實踐[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版),2014,(5):53-55.

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TP393

A

1673-2219（2014）05-0132-03

2013-12-11

湖南省教育廳項目(11C0600)；湖南科技學(xué)院計算機應(yīng)用技術(shù)重點學(xué)科資助。

段國云(1982－)，男，湖南永州人，碩士，講師，工程師，CCF會員，研究方向為網(wǎng)絡(luò)與信息安全、Web技術(shù)、課程教學(xué)方法。唐亞純(1980－)，男，湖南永州人，碩士，實驗師。

(責(zé)任編校：何俊華)