仿真實驗在計算機網絡教學中的應用研究

摘要:計算機網絡是計算機及相關專業的一門重要課程，而計算機網絡的教學具有很強的實踐性，需要有大量的網絡設備進行實驗實訓教學。該文分析了目前計算機網絡教學中遇到的常見問題，探討了使用模擬機軟件和交換路由模擬軟件進行仿真實驗在計算機網絡教學中的應用。

關鍵詞:計算機網絡;實驗教學;仿真實驗;虛擬機;Boson NetSim

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-10396-03

Simulation Experiments in Computer Network Teaching Research

ZHANG Zhi-xiang

(Zilang Vocational Technology College， Nantong 226002， China)

Abstract: Computer network is an important course of computer science and relevant field. Considering the strong necessity of practice， a large amount of network equipment is needed to achieve the practical teaching. This thesis analyzes the common problems presenting in current computer network teaching and discusses the application of simulator software and exchange routing simulation software in computer network teaching.

Key words: computer network; experiment teaching; simulation experiment; virtual machine; boson netSim

計算機網絡是計算機及相關專業的一門重要課程。通過這門課程的學習，要讓學生不僅僅是熟悉網絡的基礎理論知識，更重要的是掌握實際的應用技能。要達到這樣的目的，在教學過程中就要將計算機網絡的各項知識點融入實訓項目中去，實現理實一體，提高學生的學習興趣，強化學生操作技能的訓練，增強學生對知識的理解和運用能力，培養出符合社會需求的人才。

1 計算機網絡教學的現狀及存在問題

計算機網絡課程的實踐性很強，因此許多院校都建立了專業的網絡實驗室，加大了課程中的實驗實訓環節的比例。在進行實驗實訓教學時，需要很多的網絡設備以及一些網絡環境，但是因為各種原因，在計算機網絡的教學中還存在一些問題，并影響到了教學的效果。目前存在的主要問題有:

1) 教材內容不是非常適合學生學習

現有的教材通常是以理論知識為主線進行知識闡述，配套的實驗實訓往往內容陳舊、沒有新意，或者內容與理論知識聯系不夠緊密，特別是對于高職高專的學生來說，計算機網絡實驗不是說給學生一臺聯網的計算機，讓學生照著教材的實驗內容按部就班做就可以了，這樣缺少讓學生真刀真槍動手的機會，不易使其對理論知識有深刻而系統的理解。長此以往，學生對計算機網絡課程的興趣會逐漸減退，認為這門課程很無聊，或者就是簡單的上上網，不能夠真正掌握計算機網絡的廣泛知識。

2) 實驗實訓條件達不到教學要求

一些實驗需要的設備數量多、價格高，還有的設備使用頻率低，組建實驗室的時候一般不可能設備都購置得數量很全、套數很多。因此，實驗條件不容易滿足一些實驗的要求，很多情況下一些實驗不得不被簡化、調整或者放棄。有的實驗就采取教師演示，學生觀看或者許多學生分在一組合作實驗，每個學生只能得到很少的操作練習的機會。這樣也會造成學生對知識點的理解不夠透徹，動手能力得不到應有的鍛煉，或者所學內容與實際應用脫節。

2 在教學中應用仿真實驗

通過對學生認知過程的分析可以知道，要提高教學的質量和效果，就要更多的讓學生在動手操作的過程中學習知識、理解知識和掌握知識，將理論環節和實踐環節有機融合。因此，要根據學生的學習和接受能力，編制符合學生認知和學習規律的實驗實訓內容，讓學生在學習理論知識的同時掌握操作技能，通過操作實踐進一步強化對理論知識的理解。

實驗實訓的安排要穿插、融合在理論教學過程中。有的實驗比較簡單，容易實現，但也有一些實驗實訓對硬件設備的要求較高，或者對實驗環境改變很大，不便于實驗室的維護和管理，往往被簡化或省去。例如Linux系統的安裝與使用，網絡的配置、交換機、路由器的管理等。對此，可以利用一些軟件在一臺普通PC機上通過仿真實驗實現教學設計，達到教學目的。下面就以兩個主要教學內容來說明仿真實驗在教學中的重要應用。

2.1 系統安裝與聯網

現在流行的PC機操作系統多是Windows操作系統，它的安裝與使用大家也都比較熟悉，但是網絡服務器操作系統應用較多的卻是UNIX和Linux，這些學生平時接觸得較少。學習網絡技術，就應該熟悉多個操作系統及其之間的聯網設置。一般學校的實驗環境都對計算機系統進行了保護，不可以隨意安裝軟件或者修改設置，那學生要學習系統安裝、網絡設置怎么辦呢?對此，在教學過程中可以采用VMware、Virtual PC等虛擬機軟件在一臺計算機上模擬出多個虛擬機，這些虛擬機的使用和真正的物理主機沒有多大區別，也需要經過BIOS設置、分區、格式化、系統安裝、軟件安裝等過程。例如，可以在Windows系統里通過VMware模擬一臺安裝Linux系統的虛擬機(如圖1所示)，同時還可以在虛擬機和實際的物理主機之間進行切換，并實現兩個系統的聯網，就如同每個人都有一個小型的計算機網絡一樣。這樣既可以讓學生學到Linux系統的安裝、配置與使用，還可以進行各臺主機之間的聯網設置等練習。

與真實PC機相比，虛擬機具有這些優點:

1) 可以在一臺PC機上模擬出多臺PC機，并都能運行獨立的操作系統互不干擾(完全不同于安裝多系統的PC機)，可以放心地在虛擬機中使用各種操作系統和應用軟件。在虛擬機中做實驗，效果與在真正的計算機上是一樣的。

2) PC機與多個虛擬機之間可以方便切換，在進行聯網設置后，可以做各種網絡實驗與網絡測試，如同具有一個真實的網絡環境。

2.2 網絡配置與管理

在計算機網絡中，局域網的組建相對比較簡單，實驗也容易實現。但如果牽涉到網絡的配置與管理的實驗，就需要有大量的交換機、路由器等各種網絡設備供學生去連接配置。一般的實驗室很難給學生提供很多網絡設備進行練習，對此，可以使用Boson NetSim來解決這個問題。

Boson NetSim是Boson公司推出的一款Cisco路由器、交換機的模擬軟件，它主要由兩部分組成:實驗拓撲圖設計軟件(Boson Network Designer)和實驗環境模擬器(Boson NetSim)。Boson Network Designer用于繪制網絡拓撲圖，Boson NetSim則是用來進行設備的配置練習。Boson NetSim提供了一個能夠輸入配置命令、驗證理論和實例的環境，可以完成絕大多數的網絡管理實驗。

下面舉一個教學常見的使用Boson NetSim實現VLAN配置的例子。如圖2所示，設計一個使用路由器的VLAN通信網絡。所需主要設備有:Cisco2621路由器1臺(帶有1個快速以太網端口)、Cisco catalyst2950交換機2臺、PC機4臺以及連接線若干。

Router1通過F0/0端口和交換機Switch1的F0/12端口相連，交換機Switch1的F0/11端口和交換機Switch2的F0/12端口相連，Switch1的F0/1、F0/2分別和PC1、PC2相連，Switch2的F0/3、F0/4分別和PC3、PC4相連。

實驗中首先將PC1、PC3劃分到VLAN1，PC2、PC4劃分到VLAN2，測試VLAN內和VLAN間PC機的通信情況，然后對路由器Router1進行配置，使VLAN1和VLAN2之間的PC機實現相互通信。

簡單實驗步驟如下(網絡配置的詳細命令略):

1) 按照要求使用Boson Network Designer設計出網絡拓撲圖，并將該拓撲圖保存為文件rvlan.top;

2) 打開Boson NetSim，載入rvlan.top，出現如圖3所示路由器Router1的配置界面。接下來就可以在該窗口中分別選擇交換機、路由器或PC機進行相應的配置;

3) 配置過程中，按步驗證實驗結果，如結果與實驗設計相符，說明實驗成功;若結果與實驗設計有出入，則要根據故障現象，判斷配置過程中可能出錯的地方，對設備連接或配置信息進行檢查，排除錯誤，得出正確的實驗結果;

4) 若實驗未完成，可以將所有設備的配置信息保存為rvlan.nwc，以便下次實驗繼續使用。

在整個實驗過程中，每個學生都擁有一套模擬的網絡實驗環境，操作過程也與真實的設備基本相同，而且可以反復演練實驗，也不用擔心實驗過程中犯錯誤，這樣對學生掌握網絡的建設、設備的連接與配置以及網絡管理等是大有裨益的。

通過對Boson NetSim或類似軟件的使用可以看出，使用Boson NetSim進行仿真實驗，對計算機網絡教學方面的幫助主要體現在以下幾點:

1) 模擬實驗環境，進行各類網絡管理實驗。Boson NetSim可以模擬Cisco多種型號的交換機、路由器，模擬出各種實驗環境。這樣只要有一臺計算機安裝了模擬軟件，就相當于擁有一套網絡實驗設備，按照設計要求進行各種實驗，在單機上構建各種局域網和廣域網的實驗環境，而且這種環境就與真實環境幾乎相同。實驗的拓撲圖和配置結果都可以保存，以供檢查或下次繼續配置。

2) 網絡搭建靈活、方便，提高了學習的效率。使用虛擬設備搭建網絡，只需要考慮網絡的設計要求，不必顧慮實驗室有沒有該設備，減少了設備等待、搬運、連接等環節，增加了配置、測試時間，明顯提高了學習的效率。Boson NetSim中的Lab Navigator預設了許多實驗，可供大家學習使用。

3) 減少實驗設備投資和維護工作量。仿真實驗是在一種虛擬的實驗環境中進行的實驗，實驗設備也都是虛擬的，這樣就減少了實驗室建設的設備投資，也不存在硬件設備的拆裝、連接、復原等過程，減輕了實驗室的維護工作量。

但模擬實驗環境畢竟還是和真實的環境是有一定區別的，軟件中不可避免會存在少量的BUG，有時可能會影響到實驗得出正確的結果。一旦遇到這種情況，就需要教師仔細分析實驗過程，確定配置正確，然后給予學生適當的提示和說明。

3 小結

在計算機網絡的教學中應用仿真實驗是學習掌握計算機及網絡相關知識的一個好的方法，能更好地把理論教學與實踐環節結合起來，在實際教學過程中也取得了很好的教學效果。學生在動手實踐的過程中，可以對實驗內容進行改進創新，思考探索，培養和發揮他們的創造性思維，鍛煉解決實際問題的能力。但是，仿真環境畢竟不能完全代替真實實驗環境，如果有條件的話，還是盡量讓學生首先在真實網絡環境中學習和練習，同時在模擬環境中練習鞏固和加強，將現代化的教學手段和先進的教學設備結合，優勢互補，共同促進學生實踐能力的培養，以期取得更好的教學效果，培養出合格的應用技術人才。

參考文獻:

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