虛擬化技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)課程教學(xué)中的應(yīng)用

李安邦

摘要：武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)開設(shè)了較多的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)課程，課程中涉及的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過(guò)傳統(tǒng)教學(xué)手段或使用真實(shí)設(shè)備來(lái)完成教學(xué)都存在一定缺陷，故而在教學(xué)中引入虛擬化軟件Packet tracer。該文通過(guò)分析其功能作用，研究其在教學(xué)中如何實(shí)施，并通過(guò)具體實(shí)例說(shuō)明了應(yīng)用過(guò)程。

關(guān)鍵字：教學(xué);虛擬化;packet tracer

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）15-0171-03

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)是我校網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)重要的核心課程，由于教學(xué)內(nèi)容涉及知識(shí)點(diǎn)多，安排了四個(gè)學(xué)期來(lái)完成教學(xué)。在這些課程的教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，不可避免地涉及各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通信時(shí)間短、過(guò)程不可見，單靠語(yǔ)言文字、圖片動(dòng)畫這些傳統(tǒng)信息載體，無(wú)法做到將其直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。此外在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，需要安排大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)鞏固所學(xué)知識(shí)及操作技能，這些實(shí)驗(yàn)如何組織設(shè)計(jì)也是教學(xué)過(guò)程中重要一環(huán)。由于本課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)操能力，在課程考核方面，如何做到從傳統(tǒng)的理論考核轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)操考核，并且在出卷、考試、閱卷這些考核環(huán)節(jié)中，在保證可控和公正的前提下盡可能簡(jiǎn)化。

在學(xué)校的大力支持下，本專業(yè)已配備了各類品牌的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，讓所學(xué)能貼近真實(shí)工程應(yīng)用，但這樣仍不能很好地解決以上問(wèn)題，故而在實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)中仍然引入虛擬化技術(shù)。目前使用的虛擬軟件主要有思科系列的packet tracer和GNS3以及華為系列的eNSP。這幾款虛擬化軟件相比，Packet tracer更簡(jiǎn)單、直觀，適合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)初學(xué)者使用。本文以packet tracer為例，分享在教學(xué)中使用的經(jīng)驗(yàn)。

1 分析協(xié)議通信過(guò)程

目前思科官網(wǎng)發(fā)布了支持Windows 32/64位及Linux的7.2.1版本和支持iOS的3.0版本，通過(guò)Packet Tracer可以任意搭建網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。這里以ARP為例，介紹使用Packet Tracer講述其工作流程。圖1為課前已準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，重要信息已在圖中標(biāo)出，通過(guò)在模擬計(jì)算機(jī)中使用ipconfig /all命令可以查看其MAC地址。

Packet tracer設(shè)計(jì)了兩種工作模式，一種是實(shí)時(shí)模式（realtime），此種模式拓?fù)渲邪l(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件按照正常時(shí)間進(jìn)行，也是默認(rèn)模式;另一種是模擬模式（simulation），主要用來(lái)對(duì)通信過(guò)程的分析。在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，首先將實(shí)驗(yàn)環(huán)境做整體介紹，將其標(biāo)注在拓?fù)渲?，介紹實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是在PC1上使用PING命令訪問(wèn)PC3，分析此時(shí)PC1需要完成PING，源目IP和源MAC都是已知的，但目的MAC是未知的。在發(fā)出PING命令訪問(wèn)前切換成模擬模式，觀察ARP在其中發(fā)揮的作用。為了實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)潔，可在過(guò)濾器中關(guān)閉掉與實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只保留ARP和ICMP。

此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的事件都變?yōu)榭煽兀〞r(shí)間靜止或時(shí)間前移后移），并可對(duì)設(shè)備發(fā)出的報(bào)文進(jìn)行分析：此時(shí)以太網(wǎng)二層封裝為何目的MAC為FFFF.FFFF.FFFF，源MAC為何為0006.2A32.AAED;ARP封裝中TARGET MAC為何為0000.0000.0000。如果此前學(xué)習(xí)了交換機(jī)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)原理，還可分析數(shù)據(jù)幀在進(jìn)入交換機(jī)前后，交換機(jī)MAC映射表發(fā)生了哪些變化，并通過(guò)數(shù)據(jù)幀在拓?fù)渲械膫鞑ヂ窂竭M(jìn)行解釋，這樣可以和其他知識(shí)點(diǎn)結(jié)合。模擬器是模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件的，在模擬模式對(duì)話框中點(diǎn)擊“capture/forward”一步步對(duì)通信流程分解、分析，直至整個(gè)ARP工作過(guò)程結(jié)束，在PC1通過(guò)查看到ARP映射表得到PC3的MAC地址。

通過(guò)虛擬化軟件packet tracer進(jìn)行操作演示和分析講解，將原本枯燥的協(xié)議字段作用、工作原理和流程以直觀的方式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，并且將相關(guān)命令和操作結(jié)果穿插在教學(xué)過(guò)程中。這樣可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低課程的學(xué)習(xí)難度。

2 實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

上文提到的課堂演示案例，其特點(diǎn)是搭建起來(lái)簡(jiǎn)便，可以根據(jù)教學(xué)需要任意組織教學(xué)場(chǎng)景并且可隨時(shí)保存，便于在課前備課在課堂上調(diào)用。通過(guò)類似的方式，根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要布置課上或課下實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)拓?fù)渲凶⒚餍枰瓿傻木毩?xí)內(nèi)容，學(xué)生完成后保存文件提交，文件的后綴名為pkt。但在練習(xí)的檢查環(huán)節(jié)中，需要教師對(duì)操作的結(jié)果在每臺(tái)虛擬設(shè)備上一一查看，從而掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)的完成情況。這對(duì)查看者的專業(yè)水平和時(shí)間精力都提出了較高的要求。

思科官網(wǎng)提供了大量后綴名為pka的實(shí)驗(yàn)文件，以《網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)路由交換基礎(chǔ)》為例，從第一章到第十章已設(shè)計(jì)共計(jì)51個(gè)實(shí)驗(yàn)。打開作業(yè)文件后，實(shí)驗(yàn)完成情況一目了然，圖3中橢圓標(biāo)記處顯示當(dāng)前完成度，并可通過(guò)檢查結(jié)果查看哪些步驟正確或錯(cuò)誤。為了避免學(xué)生在提交練習(xí)時(shí)直接復(fù)制文件，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前將用戶信息修改為本人姓名（圖3中方框標(biāo)記處）。這樣，如果通過(guò)復(fù)制完成作業(yè)，打開用戶信息即可查看到非本人完成;如果將其信息修改為本人姓名，則原有操作全部重置，即實(shí)驗(yàn)得分為0分。

pkt文件的實(shí)驗(yàn)方式為實(shí)驗(yàn)提供了便捷的組織方式，并且靈活度極高，甚至可以讓學(xué)生按要求自主完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行細(xì)化配置。但該方式的缺點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可控，后期檢查量大。通過(guò)下發(fā)pka文件安排課內(nèi)或課下實(shí)驗(yàn)，學(xué)生完成后保存后再提交。這樣，學(xué)生在完成練習(xí)時(shí)就得知是否按題目要求正確完成，方便學(xué)生檢查糾錯(cuò);作業(yè)內(nèi)改名的要求也杜絕了學(xué)生通過(guò)復(fù)制方式敷衍交差的念想;打開文件查看完成度可精簡(jiǎn)教師作業(yè)的批改過(guò)程，只需要比對(duì)姓名即可。這種設(shè)計(jì)使得整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)處于設(shè)計(jì)控制中，并且無(wú)論是對(duì)學(xué)生而言還是對(duì)教師而言，提供了質(zhì)量保證和便利。

3 教學(xué)質(zhì)量考核系統(tǒng)

在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)課程考核中，對(duì)設(shè)備的操作熟練程度是衡量教學(xué)效果的重要指標(biāo)。如果考核以筆試的形式進(jìn)行，體現(xiàn)不了學(xué)生的設(shè)備操作水平。如果以真實(shí)設(shè)備進(jìn)行考核操作，由于在考核時(shí)會(huì)要求同步進(jìn)行，學(xué)校無(wú)法提供如此多的設(shè)備和場(chǎng)地。另一方面，在實(shí)物設(shè)備操作時(shí)，由于學(xué)生誤操作或設(shè)備、線纜等諸多方面原因，以及考核后的檢查工作需要大量的人員和時(shí)間來(lái)完成，這些都為整個(gè)考核過(guò)程帶來(lái)不確定性，從而影響考核的公平公正。

Packet tracer提供了活動(dòng)向?qū)Вˋctivity wizard）來(lái)完成操作考核的設(shè)計(jì)。進(jìn)入到考核文件編輯模式后，可以為編輯模式加密碼，因?yàn)樵撃Ｊ较驴梢钥吹娇荚嚧鸢?。進(jìn)入到說(shuō)明（Instructions）選項(xiàng)使用html語(yǔ)言編輯考試說(shuō)明，告知考生考試信息和操作要求，并可以網(wǎng)頁(yè)模式預(yù)覽，如圖5所示。

進(jìn)入Initial Network模式處理初始化界面，可以從pkt文件導(dǎo)入，也可自行編輯。出題者可根據(jù)考核內(nèi)容和考核要求進(jìn)行調(diào)整：如對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭澐忠约罢f(shuō)明、設(shè)備的接口使用線纜連接、對(duì)running-config中的配置等等，甚至可以故意安排錯(cuò)誤配置讓學(xué)生完成排錯(cuò)。設(shè)計(jì)完成后，學(xué)生考核時(shí)打開文件看到的就是已設(shè)計(jì)規(guī)劃好的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)。為了避免考核過(guò)程中學(xué)生的誤操作使考試不能繼續(xù)，可以選擇在接口、拓?fù)洹⒛M模式的相應(yīng)選項(xiàng)加鎖，以此來(lái)保證考核順利進(jìn)行。

進(jìn)入Answer Network編輯考試答案，按照考試要求對(duì)設(shè)備操作后，并保留現(xiàn)場(chǎng)。同Initial Network模式一樣，也可從pkt文件直接導(dǎo)入。這里需要注意的是，這兩種模式下，設(shè)備的型號(hào)和拓?fù)渲械拿Q應(yīng)保持一致，否則評(píng)分系統(tǒng)不能識(shí)別。為了保持初始界面和答案界面的一致性，通常的做法是在編輯完初始界面后保存，然后在此基礎(chǔ)上按考試要求進(jìn)行操作另存為答案文件。

編輯完答案文件后，進(jìn)入Assessment tree對(duì)評(píng)分點(diǎn)進(jìn)行編輯，根據(jù)所涉及知識(shí)點(diǎn)的難易、重要程度，對(duì)答案操作分配合適的得分并標(biāo)注考核知識(shí)點(diǎn)（圖7方框部分）。為了保障考核順利進(jìn)行，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置是否為倒計(jì)時(shí)方式、是否顯示操作反饋、操作反饋顯示模式、禁用默認(rèn)賬戶登錄、鎖定用戶信息等功能。

通過(guò)對(duì)考核文件的編輯生成pka文件，考生打開文件進(jìn)入類似圖3的操作頁(yè)面。在考核過(guò)程中考生只能完成出題者允許進(jìn)行的操作，避免各種誤操作中斷考試;考核結(jié)束后，閱卷老師進(jìn)入類似圖4的閱卷頁(yè)面，可輕松統(tǒng)計(jì)考生操作成績(jī)，并通過(guò)操作涉及知識(shí)點(diǎn)分析教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了如何利用虛擬化軟件Packet tracer提供的功能，以ARP單元教學(xué)為案例完成教學(xué)設(shè)計(jì)，使用pka及pkt文件安排教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，使用Activity wizard完成考核系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)該軟件設(shè)計(jì)的功能熟悉和掌握，幫助學(xué)生和教師更好地完成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)課程教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王海鳳，劉志強(qiáng).基于Packet Tracer的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（2）.

[2] 李智.基于PacKetTracer虛擬仿真軟件的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)踐[J].信息通信，2018（10）.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】