基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器的實(shí)驗(yàn)方式探討

桂學(xué)勤

(湖北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器的實(shí)驗(yàn)方式探討

桂學(xué)勤

(湖北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

針對網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀，分析了網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢和能夠開展的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)類型，給出了合理的基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方式。

模擬器;實(shí)驗(yàn)方式;GNS3;Packet Tracer

目前，許多高校都建立了自己的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室，為培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)工程人才奠定了基礎(chǔ)。但硬件條件的具備并不意味著教學(xué)效果的提升，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還存在許多不盡人意的地方，如實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員相互影響，實(shí)驗(yàn)成功率低，學(xué)生走出實(shí)驗(yàn)室就不能繼續(xù)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)等等。這些問題影響了網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

一、基于硬件設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)過程存在的問題

高等學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)從起步到現(xiàn)在，大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一階段為離散式的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室，第二階段為集中管理式的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室，第三階段為綜合開放式的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室，每一次的變化，網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室在功能、管理等方面都有不同程度的改善。

離散式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室是高校初期建設(shè)網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室采取的方案，隨著集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室和綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室方案的產(chǎn)生，已經(jīng)沒有了市場。早期建設(shè)網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室一般采用集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室方案?，F(xiàn)在建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室一般采用的都是綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室方案。

綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室具有統(tǒng)一的設(shè)備管理，統(tǒng)一的用戶管理、統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)過程管理、統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)行為管理、統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)資料管理等。并通過配備多媒體輔助教學(xué)軟件可以提供廣播教學(xué)、學(xué)生演示等功能，使教學(xué)過程更加有效，實(shí)驗(yàn)室管理功能得到很大提高。

但是，綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室方案卻失去了集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室方案中一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)操作的簡單性。實(shí)驗(yàn)過程還存在以下問題。

(1)用戶要完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，一組用戶必須都登錄后，才能開始實(shí)驗(yàn)，效率低；

(2)實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)用戶只能使用申請到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，單個(gè)學(xué)生使用設(shè)備少；

(3)個(gè)別學(xué)生對設(shè)備配置不熟悉或配置錯(cuò)誤，影響全組實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，實(shí)驗(yàn)成功率極低。

這些問題極大的影響了網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)效果，使得網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室成為投資大，設(shè)備先進(jìn)，但實(shí)驗(yàn)效果低的現(xiàn)狀。

二、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器的種類很多，適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器主要有Packet Tracer和GNS3兩種軟件。

Packet Tracer是Cisco公司開發(fā)并推出的Cisco設(shè)備模擬器，Packet Tracer具有許多優(yōu)點(diǎn)。較為突出的是，(1)支持的設(shè)備類型多，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括路由器、交換機(jī)、集線器、無線AP和無線路由器等；終端設(shè)備有筆記本電腦、服務(wù)器、IP電話機(jī)、模擬電話機(jī)、電視機(jī)、Tablet PC、PDA等；廣域網(wǎng)連接設(shè)備有DSL Modem、Cable Modem以及Cloud設(shè)備等，能夠完成多種類型的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。(2)支持多用戶協(xié)作實(shí)驗(yàn)，利用多用戶連接設(shè)備(Multiuser)可以將網(wǎng)絡(luò)中多臺(tái)計(jì)算機(jī)連接起來協(xié)作完成大型網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。(3)支持活動(dòng)向?qū)?Activity Wizard)的制作，活動(dòng)向?qū)Э捎糜诮處熤谱骶W(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，學(xué)生根據(jù)活動(dòng)向?qū)б徊揭徊酵瓿蓪?shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)效果。

GNS3是由Jeremy Grossmann在集成Dynamips、qemu模擬器軟件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一款優(yōu)秀軟件，它提供了圖形化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)界面和方便的設(shè)備配置方法。Dynamips是一款Cisco路由器模擬器，可以模擬Cisco的1700、2600、3600、3700和7200路由器硬件平臺(tái)，通過在路由器中插入交換模塊，能夠模擬Cisco交換機(jī)。Qemu模擬器可以模擬Cisco ASA、Cisco PIX、Cisco IDS/IPS等安全設(shè)備。GNS3使用真實(shí)設(shè)備的IOS進(jìn)行設(shè)備模擬，配置操作與真實(shí)設(shè)備一樣。

利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)。一是學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中不受設(shè)備數(shù)量的限制；二是學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程互不影響，實(shí)驗(yàn)效率、成功率高。

引入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器構(gòu)建模擬網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不需要大量網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，就能開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)；不存在損壞問題，避免了設(shè)備損耗；走出網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生也能利用模擬設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，等等。因此高校在組建物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器構(gòu)建輔助模擬的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)環(huán)境。充分利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所起的作用，構(gòu)建合理的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，可以極大的提高網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)效果,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用。

三、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器支持的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)類型

Packet Tracer 所模擬的設(shè)備的功能和命令并不全面，主要支持CCNA層面的功能和命令。利用Packet Tracer模擬器能夠完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始配置實(shí)驗(yàn)、Vlan實(shí)驗(yàn)、生成樹實(shí)驗(yàn)、三層交換實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)路由實(shí)驗(yàn)、RIP和OSPF動(dòng)態(tài)路由實(shí)驗(yàn)、NAT實(shí)驗(yàn)、訪問控制列表實(shí)驗(yàn)等基本的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)。還能完成PSTN、DSL、Cable Modem接入實(shí)驗(yàn)，無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、VoIP實(shí)驗(yàn)、Cisco IOS防火墻實(shí)驗(yàn)、服務(wù)器實(shí)驗(yàn)等。(注意：新版Packet Tracer 6.0還能完成HSRP熱備份路由協(xié)議實(shí)驗(yàn)、Ipv6實(shí)驗(yàn)等)。

GNS3模擬器是使用Cisco設(shè)備的IOS進(jìn)行設(shè)備模擬，能夠模擬Cisco路由器、交換機(jī)、PIX防火墻、ASA防火墻、IDS入侵檢測系統(tǒng)等設(shè)備，實(shí)驗(yàn)操作與真是設(shè)備完全一樣，不僅能夠完成交換、路由實(shí)驗(yàn)，而且能夠完成防火墻、入侵檢測等網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)。而且GNS3還提供了網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)捕獲功能，對于捕獲的網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)，利用Wiresshark協(xié)議分析軟件，可以進(jìn)行協(xié)議分析實(shí)驗(yàn)。

同樣的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，Packet Tracer軟件使用更加簡單，對計(jì)算機(jī)設(shè)備檔次要求不高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存方便，不存在變換計(jì)算機(jī)后的實(shí)驗(yàn)移植問題。GNS3模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)要求計(jì)算機(jī)檔次較高，同時(shí)啟動(dòng)的模擬設(shè)備越多，計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率越低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然能夠保存，但變換計(jì)算機(jī)后，實(shí)驗(yàn)移植效果不好，可能出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。因此，教師采用Packet Tracer和GNS3軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對于網(wǎng)絡(luò)工程師級別的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，建議采用Packet Tracer模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對于網(wǎng)絡(luò)高級工程師級別的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，建議采用GNS3模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

四、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器實(shí)驗(yàn)方式推薦

對于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程相關(guān)課程，它的實(shí)驗(yàn)體系可能包含初始網(wǎng)絡(luò)設(shè)備認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以及在掌握網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)性網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，對于這一實(shí)驗(yàn)體系，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器可以采用如下實(shí)驗(yàn)方式。

1.對于初始網(wǎng)絡(luò)設(shè)備認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，教師可以同時(shí)采用真實(shí)設(shè)備與模擬器進(jìn)行初始設(shè)備認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，通過演示和講解，比較真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)環(huán)境與模擬設(shè)備實(shí)驗(yàn)環(huán)境的相同點(diǎn)和差別，使學(xué)生了解采用模擬器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)也能達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何連接計(jì)算機(jī)、如何通過計(jì)算機(jī)對設(shè)備進(jìn)行配置，這些基本的知識(shí)是學(xué)生開始網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)必學(xué)了解和掌握的，如果直接通過模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無法讓學(xué)生獲得基本的感性認(rèn)識(shí)。因此，教師可以利用真實(shí)設(shè)備完整演示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，演示講解如何通過控制線連接計(jì)算機(jī)、如何通過計(jì)算機(jī)對設(shè)備進(jìn)行初始配置，使學(xué)生對真實(shí)設(shè)備通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行配置的方法有一個(gè)真實(shí)的了解和掌握。然后教師再使用模擬器完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的演示和講解，比較真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)環(huán)境和模擬設(shè)備實(shí)驗(yàn)環(huán)境的操作方式的相同點(diǎn)和差別，使學(xué)生掌握雖然是用模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果和真實(shí)設(shè)備是完全一樣的。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)實(shí)驗(yàn)可以采用模擬器完成。

2.對于課程涉及的驗(yàn)證性網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，教師可以利用Packet Tracer軟件提供的活動(dòng)向?qū)?Activity Wizard)工具制作活動(dòng)向?qū)?，指?dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。活動(dòng)向?qū)菫榉奖憬虒W(xué)活動(dòng)而特意為教師和學(xué)生添加的一個(gè)有用的工具，通過活動(dòng)向?qū)Ы處熆梢苑奖愕臑閷W(xué)生創(chuàng)建一個(gè)具體的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，給出實(shí)驗(yàn)過程的指導(dǎo)，并可以通過“網(wǎng)絡(luò)答案(Answer Network)”事先設(shè)定實(shí)驗(yàn)配置的最終結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程需要考核的知識(shí)點(diǎn)和分值，以及實(shí)驗(yàn)過程配置錯(cuò)誤后的提示信息等。實(shí)驗(yàn)完成后，活動(dòng)向?qū)?huì)根據(jù)考核知識(shí)點(diǎn)配置的正誤給出相應(yīng)的評分。利用活動(dòng)向?qū)е笇?dǎo)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)可以極大的提高實(shí)驗(yàn)效果。

3.對于課程涉及的設(shè)計(jì)性網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，建議采用GNS3模擬器完成網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目。GNS3能夠模擬路由器、交換機(jī)、防火墻、入侵檢測設(shè)備，基本包含組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的所有設(shè)備類型，而且使用Cisco設(shè)備的IOS進(jìn)行設(shè)備模擬，與真實(shí)設(shè)備配置操作完全一樣。利用GNS3進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間的限制，學(xué)生有更多的實(shí)踐進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施，項(xiàng)目完成的成功率得到提高。

另外，對于利用真實(shí)設(shè)備構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室，也能同時(shí)構(gòu)建模擬器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。這種情況，教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以采用如下方式。教師利用一組實(shí)驗(yàn)設(shè)備，結(jié)合多媒體輔助教學(xué)軟件，邊演示實(shí)驗(yàn)邊講解，學(xué)生觀摩實(shí)驗(yàn)。演示完成后，每組設(shè)備讓1-2名學(xué)生使用真實(shí)設(shè)備協(xié)同完成實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)真實(shí)設(shè)備。其他學(xué)生利用模擬器獨(dú)立和協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)。同一班級下一次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生輪換使用真實(shí)設(shè)備，體驗(yàn)真實(shí)設(shè)備的操作。注意：一組設(shè)備每次1-2人使用真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)，既能體驗(yàn)真實(shí)設(shè)備的配置效果，同時(shí)提高使用真實(shí)設(shè)備的效率，提高實(shí)驗(yàn)完成率，避免因每組實(shí)驗(yàn)人員過多，而造成的互相干擾，經(jīng)常完不成實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀。

采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，支持的實(shí)驗(yàn)類型多，實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以保存，一次實(shí)驗(yàn)課不能完成的操作可以保存并在下次實(shí)驗(yàn)課或課后完成。實(shí)驗(yàn)的連貫性好，成功率高。因此，推薦使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器配合真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室并設(shè)計(jì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。

五、結(jié)語

目前，我校的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室是按照完整的綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室方案建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室通過安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器軟件，構(gòu)建模擬器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)過程中采用了基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器的實(shí)驗(yàn)方式。簡化了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)操作，提高了利用真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)成功率，實(shí)驗(yàn)效果好。

[1]銳捷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室解決方案綜述.銳捷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室解決方案綜述-網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)專家[EB/OL].[2012-07-08].http://www.ruijie.com.cn/plan/solution_one.aspx?uniid=af03f8d9-ff2a-4a5c-826b-4bc5e0c876cd.

[2]神州數(shù)碼網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室之高校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室白皮書.網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室專業(yè)的服務(wù)[EB/OL].[2007-07-18].http://dcnetworks.blog.51cto.com/87695/34477.

[3]蔣吉頻,高東發(fā),陽愛民,等. 我國網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)建設(shè)的研究現(xiàn)狀述評[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2010,(12):29～31.

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