計算機網(wǎng)絡實驗室建設與實驗教學改革

邊勝琴, 王建萍, 崔曉龍

(北京科技大學 計算機與通信工程學院， 北京 100083)

·實驗室建設與科學管理·

計算機網(wǎng)絡實驗室建設與實驗教學改革

邊勝琴, 王建萍, 崔曉龍

(北京科技大學 計算機與通信工程學院， 北京 100083)

高校實驗室是學生進行工程素質教育和實踐能力培養(yǎng)的重要基地，在人才培養(yǎng)過程中占有重要地位。計算機網(wǎng)絡實驗室的建設從專業(yè)建設、實際需求和技術發(fā)展的角度出發(fā)，合理安排，全方位考慮，兼顧實用性和先進性，穩(wěn)定性和開放性，既保證了日常教學的正常進行，又延緩了設備的更換周期。實驗教學內(nèi)容和教學方法也隨著實驗室的建設不斷改進，展現(xiàn)技術發(fā)展方向，開發(fā)新的實驗項目，提高學生學習興趣，增加學生動手機會，提高設備使用率，在實踐應用中取得了良好的效果。實驗室建設和開放式教學模式的探索，將理論教學和實踐應用相結合，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的高素質人才奠定了基礎。

計算機網(wǎng)絡； 實驗室建設； 實驗教學； 創(chuàng)新能力

0 引 言

《計算機網(wǎng)絡》是高校計算機相關專業(yè)的主干課程之一，理論性強、知識面寬、應用廣泛，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術的出現(xiàn)，知識點不斷增加，內(nèi)容抽象，理論教學面臨很大的難度。

計算機網(wǎng)絡專業(yè)實驗室的建設，可以為學生提供真實的網(wǎng)絡環(huán)境，讓學生認識和了解相關的網(wǎng)絡設備及其應用環(huán)境，配置和調試設備，搭建各種網(wǎng)絡環(huán)境，培養(yǎng)學生的分析、設計、管理與應用實驗技能，加深對網(wǎng)絡理論知識的理解與應用，從而達到對計算機網(wǎng)絡懂、建、管、用的教學目標[1]。

我校計算機網(wǎng)絡實驗室成立于2006年，能滿足1個自然班的實驗教學，由于網(wǎng)絡技術的發(fā)展，以及實驗人數(shù)和實驗學時的增加，在2015年本科實驗教學設備修購任務中，添加一個實驗室的網(wǎng)絡設備，與原有設備一起使用，能同時滿足2個自然班的實驗教學。新舊實驗設備的使用，管理平臺的擴充，以及與其他實驗設備的兼容，使得實驗室的建設和規(guī)劃變得尤其重要。

1 實驗室建設目標

1.1 因地制宜規(guī)劃實驗環(huán)境

網(wǎng)絡設備資源不足曾是制約課程建設的最大障礙，① 網(wǎng)絡設備價格昂貴，資金受限；② 實驗室面積有限，需要合理規(guī)劃，才能既滿足教師授課需求，有利于學生分組動手操作。由于計算機專業(yè)轉入的學生人數(shù)較多，轉出的人數(shù)較少，班級容量逐漸增大，原有實驗室容量已經(jīng)不滿足實際需求，這次實驗室建設對臺式機容量進行了擴充，每個實驗室后面放置6組機柜，計算機的“校園網(wǎng)”網(wǎng)卡與相應機柜的管理設備綁定，計算機的“網(wǎng)絡實驗”網(wǎng)卡延伸到機柜的網(wǎng)絡配線架上。

1.2 實驗室建設的實用性和先進性

設備選型前與任課教師進行了商討，根據(jù)我校計算機專業(yè)的人才培養(yǎng)目標和發(fā)展方向，任課教師提出新設備需要滿足邊界路由協(xié)議BGP和下一代互聯(lián)網(wǎng)IPV6協(xié)議的開展，所以每組機柜增設了RSR3044型號路由器2臺；同時在設備廠商的聯(lián)系下，參觀了北京語言大學的網(wǎng)絡實驗室，就實際建設中的一些問題請教了相關的負責教師。根據(jù)以往經(jīng)驗，實驗教學中學生都是零基礎對設備進行操作，為了避免學生無意操作，引起設備端口的損害，實驗機柜繼續(xù)采用配線架接線，將網(wǎng)絡設備的部分端口，引到配線架上，學生采用跳線在配線架上組建實驗環(huán)境，節(jié)省了設備維護成本。

1.3 實驗室建設的穩(wěn)定性和開放性

由于實驗課程安排緊密，學生誤操作較多，為了保證實驗教學正常運行，要求實驗室環(huán)境穩(wěn)定可靠，盡可能采用主流的產(chǎn)品和主流方案[2-7]，減少故障發(fā)生頻率和處理的時間；同時，系統(tǒng)具有開放性，能夠兼容其他品牌的設備，易于和各種公用網(wǎng)絡連接，支持的協(xié)議類型豐富、配置靈活，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展能夠不斷升級。實驗室主要采用的是銳捷網(wǎng)絡實驗設備，還有部分思科的交換機和防火墻，這兩種設備的配置命令十分相似，能夠代表先進網(wǎng)絡技術，也是工業(yè)界的主流產(chǎn)品，并且能夠在一個管理機架下正常工作不產(chǎn)生干擾。

1.4 實驗室建設的多樣性和完備性

計算機網(wǎng)絡實驗室的建設要立足現(xiàn)在，放眼未來，滿足社會對信息技術發(fā)展的需求，既可以模擬寬帶數(shù)據(jù)城域網(wǎng)，以及大型園區(qū)的組網(wǎng)方式，又可以構建各種類型的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；還要考慮不同廠家，不同技術的融合，實驗室建設具有復雜性和多樣性的特點[3-10]。

同時，實驗設備應該具有完備性，覆蓋網(wǎng)絡體系結構的各個層面，給學生提供真實的數(shù)據(jù)環(huán)境；滿足各類課程的驗證性、綜合性、和設計性實驗的開展。實驗設備包含接入層路由器、核心路由器、二層交換機、三層交換機、防火墻、VPN、無線網(wǎng)卡等，學生在實驗室內(nèi)可以進行各種實驗項目，接觸多種網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡技術。

2 實驗室建設實施方案

計算機網(wǎng)絡實驗室以小組為單位，成立了12個實驗臺。每組實驗臺由1臺設備控制服務器(簡稱RCMS)、4～6臺路由器、2臺二層交換機、2臺三層交換機和6臺雙網(wǎng)卡計算機組成，功能型實驗臺添加了無線、安全、語音等模塊，可以完成相應的擴充實驗。設備控制服務器(簡稱RCMS)通過八爪線連接8～10臺網(wǎng)絡設備的配置端口，能實現(xiàn)實驗室設備集中管理，以及設備的初始化操作，方便老師對實驗過程進行管理、監(jiān)督和檢驗。

每組實驗臺相對獨立，組與組之間的成員不會互相干擾，避免了組成員之間誤操作帶來的傷害[8-11]。組內(nèi)實驗設備可以任意組合，既可以單獨使用，也可以組建小型網(wǎng)絡結構；如果模擬大型網(wǎng)絡實驗環(huán)境，還可以解除組與組的訪問控制，實現(xiàn)不同實驗臺之間設備的組合。

交換機能夠模擬構建三層模式網(wǎng)絡，滿足VLAN、RSTP、ACL、VRRP等實驗的需求。

路由器的功能要求，含2個同步串行接口，支持以太口或串口兩種連接方式，能模擬FrameRelay、VPN、NAT、QoS等廣域網(wǎng)實驗環(huán)境。圖1為實驗室拓撲。

按照功能劃分成學生區(qū)、教師區(qū)、服務器區(qū)、出口區(qū)和實驗教學區(qū)等部分，教師區(qū)是管理整個網(wǎng)絡實驗室的教師用機，通過一套教學管理軟件可以實現(xiàn)排課、監(jiān)控學生實驗過程等功能；服務器區(qū)由Web服務器、FTP服務器等組成，為學生提供一個平臺，可以通過校園網(wǎng)訪問網(wǎng)路實驗室；出口區(qū)通過防火墻和校園網(wǎng)連接，學生在宿舍區(qū)也可以遠程配置網(wǎng)絡設備；實驗教學區(qū)是網(wǎng)絡設備集中存放的區(qū)域，一共12組，是網(wǎng)絡實驗教學的核心區(qū)域。學生區(qū)按照網(wǎng)絡布線也分成12組，每組6臺電腦，每臺電腦配有兩塊網(wǎng)卡：網(wǎng)卡1命名為校園網(wǎng)，網(wǎng)卡2 命名為網(wǎng)絡實驗。通過校園網(wǎng)這塊網(wǎng)卡，可以連接相應的訪問控制服務器(RCMS)，進而對網(wǎng)絡設備進行操作；通過網(wǎng)絡實驗這塊網(wǎng)卡，設置成實驗項目所需地址，可以完成實驗的驗證，如圖2所示，實線代表校園網(wǎng)環(huán)境，虛線代表實驗拓撲圖。

圖1 計算機網(wǎng)絡實驗室拓撲圖

圖2 學生區(qū)電腦的雙網(wǎng)卡連接方式

3 實驗內(nèi)容設計

實驗內(nèi)容通常分為：① 網(wǎng)絡設備的工作原理、性能參數(shù)、選擇方法；② IP地址的分配與聚合設計控制網(wǎng)絡環(huán)境中的廣播流量；③ 交換機的性能提升技術(堆疊、鏈路聚合)；④ 交換網(wǎng)絡中的冗余鏈路；⑤ IP子網(wǎng)間的理由技術(靜態(tài)路由、默認理由、動態(tài)路由)；⑥ 網(wǎng)絡訪問安全性技術(交換機端口安全、訪問控制列表、加密傳輸、鏈路管理認證技術)；⑦ 常見網(wǎng)絡故障分析與處理[12-13]。

結合實驗室的環(huán)境和開放實驗平臺，將一些簡單的不用連線的實驗，作為預習實驗，在開放實驗平臺下完成，比如：路由器、交換機的基本操作，單個交換機劃分虛擬局域網(wǎng)，常用網(wǎng)絡命令的熟悉和抓包軟件的使用等；課內(nèi)必修實驗主要有8個實驗內(nèi)容，涉及交換機組網(wǎng)、路由技術、常用報文分析、傳輸層協(xié)議機制分析等部分，要求在課內(nèi)實驗設備上完成，并完成實驗報告，對實驗過程中遇到的問題和解決辦法進行總結，教師和實驗室老師在實驗室進行指導并現(xiàn)場驗收，結合實驗報告給出實驗成績；一些擴展性實驗項目，比如IPV6、負載均衡、VPN設置、無線網(wǎng)絡等，為對網(wǎng)路感興趣的同學提供，他們既可通過開放實驗平臺實踐，也可到實驗室預約，進行自主實驗。實驗內(nèi)容見表1。

4 開放實驗平臺建設

由于實驗設備匱乏、場地有限、實驗項目單一等因素，實驗室設置了Web和FTP服務器，教師定期更新和管理網(wǎng)站內(nèi)容，進行信息發(fā)布，并提供相關課件和軟件的下載；在Web網(wǎng)頁上有實驗室遠程登錄的連接，方便學生遠程訪問實驗平臺，開放實驗項目也會不斷調整和更新。每個實驗室都配置了無線路由，方便學生使用筆記本的連接網(wǎng)路。

開放性實驗的開展在一定程度上解決了實驗資源緊張的問題，進一步提高了實驗室資源的使用效率，增加了學生實踐的機會，大大提高了學生的動手能力，而且方便學生社團和興趣小組活動。另外，實驗室開放，為學生提供了一個自主學習的寬松環(huán)境，使學生能夠根據(jù)自身的興趣和愛好，最大限度地挖掘自身潛能，不斷提高實踐能力；任課教師可以方便地熟悉實驗室的設備，進行備課或者課堂演示。

在學生對真實網(wǎng)絡設備的熟悉和熟練應用的基礎上，實驗室的FTP服務器提供多種網(wǎng)絡模擬軟件的下載，借助網(wǎng)絡仿真軟件Cisco Packet Tracer、NetRiver、NS2(Network Simulator)等學生可以進行復雜網(wǎng)絡的搭建和學習。校園網(wǎng)、銀行、醫(yī)院、電子商務等部門，不同需求其解決的方案也不同，反映到網(wǎng)絡拓撲結構圖中，設備的選型和線路的配置也不同，學生根據(jù)自己的興趣或特長，針對具體安全的需求，自主設計實施方案，在仿真軟件上模擬真實網(wǎng)絡環(huán)境，完成設備選型、配置、測試等操作，有助于培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

表1 實驗內(nèi)容設計

5 結 語

計算機網(wǎng)絡實驗室利用暑假一個月的時間完成建設目標，并于2015～2016學年第一學期投入正常使用，實現(xiàn)了2個自然班同時進行實驗教學的實際需求，開放式實驗平臺的應用和教學內(nèi)容的調整，調動了學生學習的積極性，基礎性實驗教學質量大大提高，但是教學內(nèi)容和教學方式還需不斷改進、不斷完善，在實踐教學中不斷積累經(jīng)驗，通過設計性和綜合性實驗提高學生解決問題的能力。

計算機網(wǎng)絡實驗又有其獨特的方法，與其他學科既有聯(lián)系又有區(qū)別，包括觀察、實驗、實施、測試、查錯和對比，以及理論分析、設計實現(xiàn)、測試分析，綜合驗證等，在實驗教學中注意教學方法的總結和改進，才能有效地提高教學效果。實驗室建設和管理逐漸信息化、網(wǎng)絡化和開放化，最大限度地實現(xiàn)優(yōu)質資源共享，才能實現(xiàn)高等教育和教學的人性化、定制化，才能培養(yǎng)學生的自主學習能力，激發(fā)學習興趣和潛能，真正實現(xiàn)素質教育，提高人才的培養(yǎng)質量和核心競爭力。

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Construction of Computer Network Laboratory and Reform of Experimental Teaching

BIANShengqin,WANGJianping,CUIXiaolong

(School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

University laboratory is an important base for students to carry out engineering quality education and practical ability training, and plays an important role in the process of personnel training. The construction of computer network laboratory should start with the perspective of professional construction, actual demand and technology development, should reasonably arrange and fully consider the practical requirement and advanced instrument, stability and openness. It should ensure the normal teaching and delay the replacement cycle of equipment. Experimental teaching content and teaching methods also should be improved with the construction of laboratory, showing the technology development and the direction of new experimental projects, improving students' learning interest and increasing the students' mobile. It was also important to increase the utilization rate of equipment. Good results have been achieved in practice. The exploration of laboratory construction and open teaching mode should combine theory teaching with practice application, and training high quality talents with innovative consciousness and innovative ability.

computer network; laboratory construction; experimental teaching; innovation ability

2016-08-15

2015年北京科技大學教改項目(JG2015M29)

邊勝琴(1977-)，女，河北保定人，博士，工程師，主要研究方向：計算機網(wǎng)絡。Tel.：010-62334983；E-mail：xiaobian@ustb.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2017)02-0259-04