利用虛擬技術構建高職計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程實驗教學體系

龍艷軍++陽光

摘要：針對高職計算機網(wǎng)絡實驗教學過程中存在的問題，提出了利用虛擬技術進行高職計算機網(wǎng)絡實驗教學體系，主要包括網(wǎng)絡實驗室建設、實驗內容設計、虛擬仿真實驗應用等。實踐表明，該實驗教學體系能夠全面提高計算機網(wǎng)絡實驗教學水平，有效促進高技能應用型人才的培養(yǎng)。

關鍵詞：虛擬技術；VMware；GNS3；Packet Tracer；Wireshark

中圖分類號 TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）11-0121-03

The Construction of Computer Network Experimental Teaching System of Specialized Curriculum in Higher Vocational Colleges by Using Virtual Technology

LONG Yan-jun 1， YANG Guang 2

（1.Yongzhou Vocational Technical College， Network Information Center， Yongzhou 425000； 2. Department of Computer， Yongzhou Vocational Technical College， Yongzhou 425000， China）

Abstract： In view of the existing computer network experiment teaching in Higher Vocational Education in the process of the problem， put forward to the computer network experimentteaching system in Higher Vocational Education Based on Virtual Technology， It mainly includes network laboratory construction， experimental content design， virtual simulation experimental application. The practice shows that the experiment teaching system can comprehensively improve the level of teaching of computer network experiment， effectively promote the cultivation of high skilled applied talents.

Key words：Virtual technology； VMware； GNS3； Packet Tracer； Wireshark

隨著計算機網(wǎng)絡的迅猛發(fā)展，社會急需各類層次不同的網(wǎng)絡技術人才。在高職計算機網(wǎng)絡實踐教學中，實驗教學內容通常包括網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信設備、網(wǎng)絡通信協(xié)議、網(wǎng)絡安全管理等方面的知識與技能，要建設滿足這些內容的實驗室環(huán)境，需要投入非常昂貴的設備購置費[1]，通過研究文獻發(fā)現(xiàn)，利用虛擬技術可以很好的滿足計算機網(wǎng)絡實驗教學的需要。文獻[2-3]使用VMware和GNS3技術構建虛擬網(wǎng)絡實驗室案例，文獻[4]利用Packet Tracer搭建了虛擬的無線網(wǎng)絡技術實驗教學應用，文獻[5]利用Boson NetSim軟件提供了一個計算機網(wǎng)絡實驗教學方案等等，雖然針對虛擬技術構建計算機網(wǎng)絡實驗有許多的案例，但并沒有形成一個能夠滿足計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程的實驗體系，本文通過現(xiàn)有文獻研究以及實踐，結合計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程的特點，梳理與總結了利用虛擬技術構建計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程的實驗教學體系。

1 虛擬技術介紹

1.1 VMware虛擬機軟件

VMware虛擬機軟件是一種先進軟件系統(tǒng)，通過虛擬機軟件，可以在一臺普通計算機上模擬出一臺或多臺虛擬計算機[6]。虛擬的計算機與真實計算機一樣，具備了虛擬的CPU、內存、硬盤、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等虛擬部件，因此可以在虛擬計算機中安裝各類操作系統(tǒng)、安裝應用軟件、虛擬機之間可以通過網(wǎng)絡進行連接并訪問網(wǎng)絡資源等。VMware虛擬機軟件系列產品包括VMware Workstation、VMware GSX Server、VMware ESX Server，這些軟件分別用于不同的應用場景中，如VMware Workstation主要在普通PC上使用，VMware GSX Server主要用來滿足企業(yè)級的需求，VMware ESX Server則主要用于對任務執(zhí)行要求非常嚴格的數(shù)據(jù)中心使用。本文主要使用VMware Workstation在普通計算機環(huán)境下構建虛擬的網(wǎng)絡實驗環(huán)境。

VMware Workstation虛擬的計算機與真實的主機有相同的硬件部件，而且可以在1臺虛擬計算機中添加多個部件，如硬盤、網(wǎng)卡等，同時多臺虛擬機之間可以通過虛擬交換機進行互連，通過設置橋接模式與局域網(wǎng)中的其他真實主機與虛擬機互連，因此，VMware Workstation讓虛擬機具有普通計算機功能的同時還具有局域網(wǎng)的功能，可極大的節(jié)省硬件設備和物理空間，管理方便、安全性高[7]，特別適合于計算機的教學、軟件開發(fā)和網(wǎng)絡安全等實驗。新版的VMware Workstation 9以上版本支持虛擬VMware ESX Server功能，因此利用VMware Workstation可以滿足云計算教學與實驗需要[8]。

1.2 GNS3網(wǎng)絡模擬器

GNS3（Graphical Network Simulator，圖形化網(wǎng)絡模擬器）是一款圖形化、開源、免費的網(wǎng)絡設備仿真軟件，可以在Windows、Linux、MAC等多種平臺運行，GNS3由Dynamips（用以支持用戶直接運行Cisco系統(tǒng)的模擬機）[9]、Qemu（PIX、ASA防火墻以及IDS入侵檢測設備模器）、Wincap（Windows系統(tǒng)下公共網(wǎng)絡訪問組件）軟件[10]，新版的GNS3還整合了Packet Capture（默認為Wireshark軟件，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包捕獲與協(xié)議分析軟件）、Virtual BOX（虛擬機軟件）、VPCS（虛擬PC）等。GNS3通過整合上述軟件，實現(xiàn)支持2600/3600/3700/7200系列的路由器平臺、PIX/ASA防火墻平臺、IDS/IPS入侵檢測系統(tǒng)/入侵防御系統(tǒng)平臺，通過在模擬的路由器的插槽中配置NM-16ESW模塊[11]，可以模擬出該模塊所支持的交換機命令。GNS3提供了非常友好的操作界面，用戶只要采用拖拽設備圖標的方法就能夠方便的構建各種復雜的網(wǎng)絡拓撲，加載不同的Cisco IOS（Internetwork Operating System，互聯(lián)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)），仿真真實的網(wǎng)絡環(huán)境。

1.3 Cisco Packet Tracer軟件

Packet Tracer軟件是由Cisco公司開發(fā)的，主要用來設計、配置和排除網(wǎng)絡故障的模擬軟件，最初針對CCNA/CCNP認證考試使用，由于軟件功能強大，方便易用，提供各種不同型號的交換機、路由器、集線器以及各種傳輸線路，新版本支持3550型號的交換機，支持無線網(wǎng)絡以及IPv6技術，因此被廣泛應用于計算機網(wǎng)絡實驗教學。

1.4 Wireshark軟件

Wireshark[12]是一款免費開源的網(wǎng)絡協(xié)議分析軟件，能夠捕獲出網(wǎng)卡以及鏈路間的數(shù)據(jù)包，并具有強大的協(xié)議解析能力，目前可以解析大約1300余種協(xié)議，利用Wireshark捕獲并分析協(xié)議工作過程，會更形象、真實地表述出協(xié)議的工作過程和工作原理，通過將Wireshark引入網(wǎng)絡實驗教學，可以有效提高教學與實驗的質量。Wireshark可運行在Windows、Linux、MAC等多種操作平臺上。

2 計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程實驗教學體系構建

2.1 計算機網(wǎng)絡實驗室建設

網(wǎng)絡實驗室建設是計算機網(wǎng)絡實驗教學體系建設的基礎，是網(wǎng)絡實驗的硬件環(huán)境。由于采用虛擬技術來構建計算機網(wǎng)絡實驗室，因此只需要建設普通計算機網(wǎng)絡實驗環(huán)境，但CPU和內存需要配置較高，從2010年開始，我校投入近30萬元建設了一個50臺PC工作站的網(wǎng)絡教學機房，采用聯(lián)想啟天M656E，計算機主要配置為：AMD Phenom（tm） II X4 830處理器、500GB硬盤、4GB內存、22寸顯示器，主要運行軟件為VMware Workstation 7，GNS3為0.7版本，Cisco Packet Tracer 為5.3版本，可同時滿足50人進行實驗，每臺計算機設備利用虛擬技術即可演變成一個或多個虛擬的局域網(wǎng)絡。隨著軟件版本的更新、各類新技術的出現(xiàn)以及學生實驗時虛擬的網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，對計算機的物理內存要求越來越高，在2013年10月，將計算機內存升級為8GB，軟件升級為VMware Workstation 9、GNS30.8.6和Cisco Packet Tracer6.0。

2.2 實驗內容設計

進行實驗內容設計時一般需要綜合考慮多種因素來設計適合本院計算機網(wǎng)絡專業(yè)學生的網(wǎng)絡實驗內容，如開設理論課程、實驗教學目標、實驗室的設備條件等。因此根據(jù)我院的特點，我們將網(wǎng)絡實驗分為初識型實驗、知識單元分類型實驗、綜合型實驗以及創(chuàng)新型實驗等幾種實驗內容。

2.2.1初識型實驗

主要面向初次接觸設備的學生，使學生對硬件設備有感性認識，為后續(xù)實驗做好準備，主要包括：

（1）系統(tǒng)安裝。計算機的硬件組成、分區(qū)、Windows操作系統(tǒng)安裝、Linux操作系統(tǒng)安裝等，教師可在課堂上拿實際的硬件設備進行演示以及利用VMware虛擬機進行演示操作，使學生在使用VMware虛擬機進行實驗時能夠順利進行。

（2）網(wǎng)絡設備與連接線路。包括集線器、路由器、交換機、防火墻、入侵檢測等設備實物的認知，各類線材的認知（如光纖、光纖接頭、光纖熔接、雙絞線線序標準、雙絞線制作等），基本的PC與網(wǎng)絡設備互連以及遠程登錄等操作。

2.2.2知識單元分類型實驗

根據(jù)不同課程特點，將實驗內容按照知識單元進行分類，讓學生逐個的完成每一個單元的訓練，每一個單元還可以繼續(xù)劃分為更細的實驗單元，所有知識單元均可通過VMware虛擬機和GNS3環(huán)境來完成，知識單元分類如表1所示：

表1 計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程實驗體系知識單元分類

通過將知識單元分類，形成一個比較詳細的實驗列表，授課教師把每一個實驗操作過程錄制成微視頻，存放于學院網(wǎng)絡教學資源中心，學生可以從易到難的逐個進行操作實驗，遇到不會操作的實驗，通過反復觀看教師的操作視頻，反復的進行實驗操作演練，直到對每個知識點掌握為止，這種方式也有利于教師掌握學生的學習情況，激發(fā)學生的學習興趣，把握學生的學習進度，便于及時給予必要的輔導。

2.2.3綜合型實驗

綜合型實驗主要由授課教師根據(jù)典型的案例場景進行適當精簡而成，如中小型校園網(wǎng)、政府網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等，精簡的主要原因是便于在虛擬的網(wǎng)絡實驗環(huán)境中進行配置與調試，授課教師根據(jù)實際案例情況，進行網(wǎng)絡方案的講解，同時給出網(wǎng)絡拓撲，讓學生在虛擬的網(wǎng)絡實驗環(huán)境中完成整個網(wǎng)絡的實驗配置及測試，寫出完整案例的實驗報告。

2.2.4創(chuàng)新型實驗

創(chuàng)新型實驗以3-5人為一組，以典型的中小型項目為背景，模擬實際項目工作過程，通過網(wǎng)絡工程招投標、網(wǎng)絡方案設計、IP地址規(guī)劃、網(wǎng)絡設備選型、交換機/路由器配置、IDS/IPS配置、服務器配置、Internet接入配置等，以培養(yǎng)學生的網(wǎng)絡知識綜合運用能力以及團隊合作精神。

3 結束語

利用虛擬技術構建計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程實驗體系，優(yōu)勢明顯：

1） 學生可反復在虛擬環(huán)境下進行實驗操作演練，不會造成硬件上的管理難度和破壞；

2） 改變被動學習方式為積極引導方式，重視學生的主動性和學習能力；

3） 隨著新技術的出現(xiàn)，在應用虛擬技術的計算機網(wǎng)絡實驗室中，要增加新的有關網(wǎng)絡實驗內容，只需要更新虛擬軟件或安裝新的虛擬軟件即可，而計算機硬件不需更新或只需少量的升級成本，這是純硬件的網(wǎng)絡實驗室不可比擬的，可極大的減少實驗室的建設成本。

通過虛擬技術可以比較全面的完成計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程的實驗教學體系，選用與社會要求接軌的知識內容，培養(yǎng)出實用性、高技能、全面型人才。

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