本站原创摘 要：计算机网络课程需要理论和实践紧密结合.随着网络信息化的发展,对网络实验教学提出了更高的要求.学生在了解基本概念和基本理论的基础之上,需要学会自己动手组建计算机网络,较为深入地理解在网络组建过程中的各项工作,并能理论联系实际,进一步使用和维护管理计算机网络系统.但由于学校教学实践条件有限,因而构建一个突破传统局限的、不受时间和地域限制的网络化虚拟仿真实验环境成为迫切需要解决的重要课题.详细介绍了虚拟实验环境的需求、功能、组成及特点,借助于软件平台进行了虚拟仿真实验和远程实验的系统设计.
关 键 词关 键 词：虚拟仿真实验；远程实验；虚拟实验软件平台
中图分类号：G434文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2013）008018703
作者简介作者简介：于斌（1970-）,女,硕士,武汉科技大学城市学院信息工程学部计算机科学与技术系工程师,研究方向为高性能网络和软件开发；余红珍（1970-）,女,硕士,武汉科技大学城市学院信息工程学部计算机科学与技术系副教授,研究方向为计算机控制技术及应用.
1构建虚拟网络实验室
网络实验室是计算机网络教学的实践场所,目前城市学院实验中心还没有建成专门的网络实验室.网络实验室建设投入较大,建设周期长,在目前教学任务紧迫的情况下,唯有加强网络虚拟平台建设.虚拟实验平台主要依赖于软件和较少的配套硬件,使实验室的维护费用和工作量大大降低.
虚拟实验是通过虚拟实验室进行的.虚拟实验室一般是指在不具备真实实验环境的情况下,在网络环境下用软件平台模拟真实实验环境,利用虚拟现实技术生成进行虚拟实验的实验系统,包括相应实验环境、相关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等.网络虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现,也可以是虚拟构成的实验室.与现实的实验室相比,虚拟实验室的特点如下：①仿真性.在虚拟现实技术支持下,虚拟实验室与真正的实验室同等完美,虚拟仪器与实际仪器功能相同,操作方法也一样,实验者在虚拟实验室里做实验、训练技能和汲取知识,与在现实实验室里同样方便；②开放性.虚拟实验室可以给任何实验者在任何地点任何时间广泛地提供赖以学习、工作和研究的实验场所；③超时空性.利用网络虚拟实验室,可以彻底打破空间的限制；④可操作性.实验者可以通过使用专门设备,用人类的自然技能实验对虚拟实验室的物体或事件进行操作.
利用计算机相关软件,在现有对等网基础上构建虚拟实验室,就可以充分完成计算机网络课程的实践教学目标.虚拟实验室环境需求：①硬件需求：51台计算机（50台学生机,1台教师机,1G以上内存,CPU速度1GHz以上）,4台交换机.为教学方便,教师机安装多媒体电子教室怎么写作端,建议计算机安装WindowsServer2003标准版（或WindowsXP双系统）,构建常规教学所用的对等网；②软件需求：WindowsServer2003标准版系统光盘、WindowsXP（sp3）系统光盘、Linux系统光盘、MicrosoftVirtualPC2007、BosonNetSimforCCNA（v6.0）、SmartSniff数据包捕获软件,以及光盘工具软件、克隆软件等.虚拟实验室虚拟目标硬件：利用MicrosoftVirtualPC2007虚拟PC机或怎么写作器,利用BosonNetSimforCCNA软件虚拟路由器、交换机和PC机.
在虚拟实验平台上可以开展丰富的模拟实验,包括计算机网络拓扑结构设计、子网划分、网络设备的选型配置、网络设备物理连接和连通测试、网络的综合管理和维护等.
2选择网络虚拟实验平台
网络虚拟实验平台是在能够进行网络通信的基础之上将计算机网络上虚拟的各种计算机、通信设备按实验要求组建成一个完整的虚拟实验网络,模拟实现各种计算机网络试验和测试,并能重复演示实验过程.需要选择合适的网络虚拟平台,进行优化和合理的实验设计,达到提高学生实践动手能力的目的.Labview、PacketTracer、VirtualMachine、VirtualPC、BosonNetSim都是构建虚拟实验室的软件平台和网络学习辅助工具.
Labview是美国仪器公司推出的一种基于图形方式的集成化程序开发环境,由前面板和流程图两部分构成.用于《数字信号处理》、《信号与系统》有关信号检测与分析的一系列实验仿真特别合适.PacketTracer是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具,为学习思科网络课程的初学者设计、配置、排除网络故障提供网络模拟环境.虚拟机（VirtualMachine、VirtualPC）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统.PacketTracer和VirtualMachine两款虚拟网络平台的功能相互补充.PacketTracer主要模拟网络的拓扑图、交换、路由和网络测试.而VirtualMachine主要用来模拟网络怎么写作、通信和测试.如按照OSI七层模型来划分,则PacketTracer模拟网络层的工作,VirtualMachine模拟主机层工作.BosonNetSim是目前最流行的、操作最接近真实环境的模拟工具.与真实实验相比,它省去了制作网线连接设备、频繁变换CONSOLE线、不停地往返于设备之间的环节.同时,它的命令也和Cisco最新的IOS保持一致,它可以模拟出Cisco的中端产品35系列交换机和45系列路由器.它还具备一项非常强大的功能,那就是自定义网络拓扑结构及连接.通过BosonNetSim,我们可以随意构建网络,PC、交换机、路由器都可被模拟出来,而且它还能模拟出多种连接方式（如PSTN、ISDN、PPP等）.BosonNetSim带有中文使用手册,可用于局域网组网技术、计算机网络基础知识及交换机和路由器技术等课程的实验教学,不过Boson是一款付费软件.3改进实验教学模式
计算机网络传统实验内容大多局限于实验环境,脱离工程实际,实验效果不好,起不到对学生创新能力的培养,导致学生毕业后从事工程实践时,很难将实验功底转化为从业能力.在我们传统的教学过程中,虽然在实验环节也采用了分组进行模式,但在具体的操作过程中,由于学生水平参差不齐,有部分学生并没有真正参与,也就谈不上团队意识和协作学习.网络虚拟实验平台,可以拓展和改善学习环境和氛围.
教学方法的改革,其唯一目的是使学生在实际应用时能够灵活地将理论与实践相结合,培养学生运用知识分析问题解决问题的能力.除了传统的行之有效的教学方法之外,还应该采用一些有专业特色的教学方法,与时俱进.
（1）在网络虚拟平台上,将传统的实验题目改编为自主型实验题目.针对设计型实验的实验内容和具体要求,根据机房环境和网络虚拟平台精心设计相关题目和题目的梯度任务或将原有实验题目进行改造,形成与实验要求相对应的自主型实验题目系列.将实验教学中传统的特定环境实验题目改为以问题为主线的任务情境,使学生自主选择合理的任务并进行自主设计,培养学生创新能力.
对于怎么写作器的配置和使用维护、网络设备的物理连接和连通测试以及网络设备选型配置和维护,设定任务情境,对实验任务的选择可以具有梯度,更贴近工程应用.教师制定学习目标,学生可以自己设定任务情境,根据实际情况完成.例如,在网络设备的选型配置试验中,学生可以自主设计网络拓扑结构,进行设备选型,进行模拟设备配置,以提高学生兴趣和实践动手能力为导向,鼓励学生自主学习.
图1用BosonNetSim构建的网络拓扑图
下面是一个虚拟实验案例：实验室有多台高性能PC机,能同时供多名学生和教师使用.这些PC机通过高速交换机相互连接,每台都装有WindowsServer2003标准版和WindowsXP双系统,BosonNetSim和VirtualMachine网络虚拟平台,都配置相同网段的IP地址、相同的子网掩码、默认网关和DNS,构成了一个小型的局域网络并且和因特网相连.实验的拓扑图（图1）是使用BosonNetSim构建的网络拓扑图.图中有3个不同的网络或子网.PC1和PC2在左边的子网中,通过交换机Switch0和路由器Router0连接,PC3和P位于右边的子网中,通过交换机Switch1和路由器Router1连接.两个子网通过Router0和Router1连接.实际上,学生可以自主设计自己的网络拓扑图,进行设备选型,进行模拟设备配置.
这个实验的主要目的是教会学生如何构造一个小型局域网络,理解局域网通信的过程和原理.主要教学内容和目标有：①对网络进行规划,会选择合适的终端和网络设备以及线缆构建网络；②配置终端接口、路由器接口以及怎么写作器接口的IP地址和子网掩码；③配置路由表,使整个网络达到连通状态；④使用Ping命令测试网络；⑤理解局域网通信的过程；⑥理解ARP、ICMP、CA/CD以及网关在网络通信中的作用；⑦理解交换机和路由器的工作原理以及在网络通信中的作用.
实验的组织和管理：在实验开始时,教师介绍实验的要求和目的,以及实验使用的工具、方法和命令,然后由学生自己动手来完成实验.学生可以独自完成实验也可以结对完成实验.为了防止网络上IP地址发生冲突,学生实验所采用的IP地址可规定为192.168.X.0/24的形式,X为每个学生的学号.这样不仅解决了IP地址的冲突问题,也能很容易知道是谁的IP地址,方便学生查找错误,使实验能顺利进行.
实验的数据分析和原理讲解：实验不仅要求学生掌握局域网的规划、组建和配置,更重要的是让学生理解局域网的通信原理,相同网段主机之间和不同网段主机之间通信的过程,网关、交换机和路由器的工作原理和作用,局域网通信的相关协议等概念知识.如果仅凭教师讲解,学生则很难理解这些概念知识.
但虚拟和现实是有差距的,同学们可以尝试使用各种型号的设备,但同时告诉学生“够用为度”的原则.通过调查发现,虚拟实验激发了学生学习计算机网络的热情,他们比以往更加喜爱这门课程了.
（2）实验教学增强了学生团队意识.利用网络虚拟实验平台拓展和改善学习环境和氛围.在传统的分组模式基础上,根据学生水平结合自愿原则分组,鼓励学生制定不同梯度的任务作为目标,适时引导和有效监督,让学生体会到团队合作的重要性,培养竭诚合作的精神.此时,教师的引导作用很重要.
（3）利用网络虚拟实验平台,改革实践课程考核.引入网络管理员考试和相关网络培训内容,精心组织学生进行专项训练.实验考核中,学生要在规定时间内独立解决问题,确保实践考核的实时性、公开性和准确性.这样的学习考核方式,使学生学习有目标、有压力,因此使学生在课前能认真做好准备,课后强化相关考试和培训内容,调动学生的学习兴趣,从而达到提高学生解决实践问题能力的教学目的.
（4）积极寻求校企合作,鼓励学生参加相关网络实践.让学生了解网络管理员考试、网络工程师考试和CCNA等相关网络培训的情况,树立参加这类考试的信心,鼓励学生参加相关考试和CCNA等相关网络培训.在学校有限的实验条件下,积极寻求校企合作,鼓励学生参加相关实习实践培训,为毕业生顺利就业和后续扩大专业招生打下良好的基础.
4对虚拟实验教学的再思考
目前,虚拟仿真技术在教学中得到了广泛运用.虚拟实验和物理实验各自有自己的优缺点.除去经济因素,在讲授计算机网络课程的过程中笔者深深感受到虚拟实验最大的好处是方便、灵活、安全、容易实施和扩展.学生只要有一台笔记本电脑并且安装了这些虚拟软件,无论在什么地方都可以进行学习和实验,从而摆脱了真实实验环境的束缚,学习效果得到了极大提高.但是,在教学过程中也发现,采用虚拟实验讲授计算机网络课程,最关键的一点是要让学生快速理解“机器中的机器、网络中的网络”这一概念,让学生具备虚拟学习的思维.学生完成虚拟实验一般用两种方式：①每个学生在一台物理机上打开多个虚拟软件独立完成网络实验,这种实验方式是通过一台物理机来完成的,这种方式学生比较容易理解；②把一个实验划分为多个模块,这些模块分布在不同的物理机上,学生通过协同方式来完成实验,这种实验方式是通过多台物理机和真实的网络平台来实现的.只要物理网络连通,学生就可以在物理网络里随意组建虚拟网络,学生对这种实验方式通常理解得会慢一些.另外,学生最终要工作在一个真实的环境中,因此,还需在一个真实网络环境中来验证学生在虚拟环境中学到的知识.
综上,这套虚拟实验用在计算机网络课堂教学和学生的课后学习中,学生对这些实验的评价令人鼓舞,这些评价表明该实验方便、好用,能帮助学生更好地理解计算机网络.在今后的教学中,将开发出更多的虚拟实验并完善相应的验证体系,并将这种教学方法应用在其他课程的教学之中.