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《湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)》2015年第一期
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在高等院校的計(jì)算機(jī)課程中占有重要地位,但是在高校的授課過(guò)程中,普遍存在著重理論、輕實(shí)踐的傾向。針對(duì)目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備缺乏等問(wèn)題,結(jié)合學(xué)院實(shí)驗(yàn)室自身情況,構(gòu)建了基于虛擬仿真技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建內(nèi)容包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室軟硬件建設(shè)、虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)的建設(shè)3個(gè)部分。基于虛擬仿真技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合高校教育的實(shí)際情況,將網(wǎng)絡(luò)方面的理論知識(shí)通過(guò)軟件模擬來(lái)實(shí)現(xiàn),讓學(xué)生在實(shí)踐的過(guò)程中更深入地掌握網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)理論知識(shí),使學(xué)生能清楚地理解和掌握網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和協(xié)議,通過(guò)編輯各種協(xié)議的數(shù)據(jù)包深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部原理。
1.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室軟硬件建設(shè)學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室與吉林中軟吉大信息技術(shù)有限公司合作,將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)引入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中,為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的教學(xué)方法和手段。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室硬件部分由主控中心平臺(tái)、智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和組控設(shè)備構(gòu)成,用于搭建實(shí)驗(yàn)所需的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,可以靈活實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)備硬件連接圖如圖1所示。主控中心平臺(tái)是本系統(tǒng)的硬件核心,由專(zhuān)用高性能服務(wù)器和中心設(shè)備構(gòu)成,為實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供各種系統(tǒng)服務(wù),保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量,確保實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)完整和實(shí)驗(yàn)用戶(hù)數(shù)的有效擴(kuò)展,為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)提供FTP、DNS、DHCP等服務(wù)、實(shí)驗(yàn)室管理服務(wù)。智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu),提供網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)化管理。通過(guò)按動(dòng)智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的“Topology”按鈕,就可以在所有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中循環(huán)切換,從而有效避免更改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)頻繁插拔網(wǎng)線的問(wèn)題,同時(shí)通過(guò)集聯(lián)控制按鈕“Team”設(shè)置智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集聯(lián)控制模式,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有實(shí)驗(yàn)組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一鍵式切換。組控設(shè)備是系統(tǒng)專(zhuān)用硬件。每個(gè)組控設(shè)備由6個(gè)共享模塊構(gòu)成,配合智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);具有數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)分配、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等功能。每臺(tái)組控設(shè)備連接6臺(tái)學(xué)生實(shí)驗(yàn)機(jī)器,其角色分別定義為A、B、C、D、E、F。根據(jù)實(shí)驗(yàn)不同,每個(gè)角色有不同的分工。目前該系統(tǒng)支持5種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的不同,切換到不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,例如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一效果圖如圖2所示。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室軟件部分由協(xié)議仿真編輯器、協(xié)議分析器和其它工具軟件構(gòu)成。仿真編輯器可以模擬TCP/IP協(xié)議族中多種協(xié)議的數(shù)據(jù)包;協(xié)議分析器可以捕獲仿真編輯器發(fā)送的數(shù)據(jù)包,以及網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包,并將常用協(xié)議的通訊過(guò)程以會(huì)話(huà)圖解的形式直觀展示出來(lái);工具軟件包括UDP工具、組播工具等輔助教學(xué)的專(zhuān)用軟件。目前,實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)擁有7組組控設(shè)備,每組6臺(tái)機(jī)器,可以同時(shí)容納42名學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),每組同學(xué)需要相互協(xié)作進(jìn)行實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)了學(xué)生之間的學(xué)習(xí)交流能力,充分鍛煉了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)作為一門(mén)獨(dú)立的課程體系,以實(shí)驗(yàn)為主,強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)性和設(shè)計(jì)能力,能夠拓寬學(xué)生的思路,達(dá)到真正的教學(xué)互動(dòng)。同時(shí)利用BosonNetSimforCCNP和思科模擬器CiscoPacketTracer仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件,可以模擬搭建局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境,在仿真軟件中進(jìn)行模擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。另外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室前期購(gòu)買(mǎi)了多臺(tái)Cisco交換機(jī)、Cisco路由器、網(wǎng)絡(luò)防火墻和多路模擬電話(huà)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,能夠模擬局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境,用于學(xué)生在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中使用。
1.2虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是綜合性很強(qiáng)的學(xué)科,既有硬件實(shí)驗(yàn)又有軟件實(shí)驗(yàn),兩者密切結(jié)合,不可分割,先實(shí)物再理論后應(yīng)用的教學(xué)模式,更有利于學(xué)生的理解。教學(xué)資源的建設(shè)應(yīng)該加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的力度,深入理解課程核心知識(shí)內(nèi)容,認(rèn)真選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃,選擇數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。把實(shí)驗(yàn)分為操作性、設(shè)計(jì)性、分析性和創(chuàng)新性等類(lèi)型,著力構(gòu)建“厚基礎(chǔ)、重應(yīng)用”的人才培養(yǎng)模式。通過(guò)對(duì)理論課程教學(xué)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)的分析,結(jié)合學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室自身軟硬件條件,對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)大綱進(jìn)行了修訂,部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行了更新,有選擇地加入了CCNA課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置如表1所示。各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置及內(nèi)容說(shuō)明如下:實(shí)驗(yàn)1:帶領(lǐng)學(xué)生參觀網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室,建立起計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初步的概念,了解該網(wǎng)絡(luò)由哪些硬件設(shè)備構(gòu)成(設(shè)備名稱(chēng)、功能、主要技術(shù)指標(biāo));掌握局域網(wǎng)中電纜線的作用及使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接的方法。學(xué)會(huì)制作2種類(lèi)型的RJ-45接頭。掌握在Windows系統(tǒng)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置及在Windows系統(tǒng)中進(jìn)行TCP/IP協(xié)議配置。熟悉使用ping、ipconfig、tracert等命令工具來(lái)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)2:學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)環(huán)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解以太網(wǎng)MAC幀格式的2種標(biāo)準(zhǔn),掌握以太網(wǎng)的報(bào)文格式、MAC地址的作用、MAC廣播地址的作用、掌握LLC幀報(bào)文格式和仿真編輯器和協(xié)議分析器的使用方法。實(shí)驗(yàn)3:學(xué)生通過(guò)虛擬仿真軟件自行設(shè)計(jì)并模擬搭建局域網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境,掌握局域網(wǎng)中交換機(jī)的基本配置方法,能夠?qū)粨Q機(jī)進(jìn)行VLAN(虛擬局域網(wǎng))的劃分。使學(xué)生能夠掌握局域網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)及搭建過(guò)程,掌握交換機(jī)VLAN的作用和劃分方法。實(shí)驗(yàn)4:學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握ARP協(xié)議的報(bào)文格式和工作原理,理解ARP高速緩存的作用和緩存表的維護(hù)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)5:學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解特殊IP地址的含義和IP分片過(guò)程;掌握IP數(shù)據(jù)報(bào)的報(bào)文格式、IP校驗(yàn)和計(jì)算方法、子網(wǎng)掩碼和路由轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)驗(yàn)6:學(xué)生通過(guò)虛擬仿真軟件自行設(shè)計(jì)并模擬搭建廣域網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境,掌握廣域網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)、路由器的配置方法、路由選擇協(xié)議的工作原理和設(shè)置方法,使學(xué)生綜合學(xué)習(xí)路由器操作系統(tǒng)IOS操作、路由選擇協(xié)議、路由配置方法、子網(wǎng)劃分、超網(wǎng)構(gòu)造、網(wǎng)絡(luò)診斷及路由器操作命令等知識(shí)。實(shí)驗(yàn)7:學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握TCP協(xié)議的報(bào)文格式、TCP連接的建立和釋放過(guò)程、TCP數(shù)據(jù)傳輸中編號(hào)與確認(rèn)的過(guò)程、TCP協(xié)議校驗(yàn)和的計(jì)算方法、理解TCP重傳機(jī)制的工作原理。實(shí)驗(yàn)8:理解Socket的基本概念和原理,掌握Socket的建立、監(jiān)聽(tīng)、連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)綜合了高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議、運(yùn)輸層相關(guān)原理及Socket編程思想、方法等知識(shí)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)后,需進(jìn)行計(jì)劃內(nèi)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計(jì)教學(xué)是在學(xué)完計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程之后綜合利用所學(xué)知識(shí),完成一個(gè)具有一定難度的綜合設(shè)計(jì)題目。通過(guò)課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練,培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的分析問(wèn)題能力、軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力、用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)能力、程序設(shè)計(jì)的基本技能和技巧。在計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)外,學(xué)生還可以選做實(shí)驗(yàn)室提供的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。之前在BonsonNetSim和CiscoPacketTracer虛擬仿真軟件環(huán)境中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),可以用交換機(jī)、路由器等硬件設(shè)備搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐操作技能。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)中除了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中開(kāi)設(shè)的計(jì)劃實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外,還提供了應(yīng)用層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)攻防、網(wǎng)絡(luò)故障分析和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)等方面的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,從全方位、多角度對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)技能進(jìn)行訓(xùn)練,將理論與實(shí)踐相結(jié)合,大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)多層次,全方位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和工程訓(xùn)練,學(xué)生可以更好的學(xué)習(xí)和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部原理,實(shí)踐教學(xué)課程體系層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
1.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)依托于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng),平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)兩部分。管理信息系統(tǒng)安裝于主控中心平臺(tái),教師通過(guò)教師機(jī)以Web頁(yè)面形式訪問(wèn)管理信息系統(tǒng),能夠輔助教師更好的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。通過(guò)該系統(tǒng),教師可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)管理、實(shí)驗(yàn)信息管理、實(shí)驗(yàn)方案管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理和實(shí)驗(yàn)公告信息管理。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)安裝于學(xué)生客戶(hù)端,學(xué)生上機(jī)時(shí)可以將教師在管理信息系統(tǒng)中安排的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)公告等信息同步下載到學(xué)生客戶(hù)端,能夠輔助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn),提供實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境的軟支撐。該平臺(tái)是指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái),輔助教師授課,并將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需要的各種輔助工具、實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)驗(yàn)過(guò)程指南、實(shí)驗(yàn)思考問(wèn)題等內(nèi)容集成在平臺(tái)中,為學(xué)習(xí)者提供便捷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,從而提高學(xué)習(xí)效率。
2網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)理論教學(xué)的影響
實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)是平行而又相互協(xié)調(diào)、相輔相成的,具有相等重要地位,是培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)課程是理論課程的延伸,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、解決實(shí)際問(wèn)題、加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用起著非常重要的作用。新建設(shè)的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教學(xué)體系,對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程理論教學(xué)有較大影響。1)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室給網(wǎng)絡(luò)課程提供了實(shí)驗(yàn)操作的物質(zhì)基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式促進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程跟其他專(zhuān)業(yè)的課程有所不同,它需要系統(tǒng)掌握一套理論,然后進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證和思考,如果只講理論,沒(méi)有配套的實(shí)驗(yàn)課程,教學(xué)效果會(huì)不理想。2)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)可以提高教師教學(xué)水平。當(dāng)代社會(huì)電子產(chǎn)品淘汰非常快,包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,但理論基礎(chǔ)卻長(zhǎng)期不變。如果沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室,教師也只能一再重復(fù)教學(xué)理論,不了解最新設(shè)備特點(diǎn),知識(shí)不能及時(shí)更新,教師能力成長(zhǎng)速度緩慢。3)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)有利于提升學(xué)校科研能力。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)研究很多都是在理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室就無(wú)法驗(yàn)證,理論創(chuàng)新就無(wú)說(shuō)服力,科研能力就得不到提高。由于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才的需求越來(lái)越高,不但要求學(xué)生具備一定的知識(shí),更要求學(xué)生具備一定的能力。需要把理論教學(xué)轉(zhuǎn)換為實(shí)際動(dòng)手能力,只有在不斷的實(shí)驗(yàn)中嘗試、摸索、更正后才能具備敏銳的觀察力和敏捷的判斷能力。
3結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),構(gòu)建了一個(gè)高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,將網(wǎng)絡(luò)方面的理論知識(shí)通過(guò)軟件模擬來(lái)實(shí)現(xiàn),將虛擬仿真軟件技術(shù)融入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程當(dāng)中,對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)起到了很好的推動(dòng)作用,逐步形成完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,真正把理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐,把知識(shí)轉(zhuǎn)化成能力,從而滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)的需求,促進(jìn)學(xué)生的就業(yè),提升教師的科研能力。
作者:齊心史旅華楊亞會(huì)徐洪勝單位:湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院