計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新

黃鎮(zhèn)建，蔡群英

（1.韓山師范學(xué)院 物理與電子工程系，廣東 潮州 521000；2.韓山師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與技術(shù)系，廣東 潮州 521000）

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”作為一門獨(dú)立的課程在國(guó)內(nèi)高等院校得到了空前的普及和應(yīng)用，但由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備價(jià)格昂貴的原因，常常難以開展行之有效的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)僅僅是理論上的有效傳遞。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程通常把重點(diǎn)放在網(wǎng)絡(luò)理論上，由于不能以實(shí)驗(yàn)為手段對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基本概念進(jìn)行實(shí)踐，學(xué)生往往會(huì)迷失在復(fù)雜枯燥的理論中，漸漸失去了學(xué)習(xí)興趣［1］。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)不同于一般的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，只需要提供一個(gè)軟件環(huán)境就能進(jìn)行編程、測(cè)試［2］。目前，很多高校在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理上主要遇到如下的一些難題：（1）網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏，造成了很多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)不能開出；（2）在開出Window或Linux等服務(wù)器的配置實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)必須安裝多操作系統(tǒng)，增加了實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作難度；（3）沒有辦法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的演示；（4）學(xué)生離開了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室就沒有了實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，而網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室要像普通的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室那樣全天候開放操作起來(lái)有一定的困難。針對(duì)這些情況，許多高校把建設(shè)高效、專用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室作為一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，投入大量的經(jīng)費(fèi)購(gòu)買交換機(jī)、路由器，但這種依靠硬件設(shè)備建成的實(shí)驗(yàn)室卻存在設(shè)備類型單一、不易管理和實(shí)驗(yàn)效果差等問(wèn)題［3］。

基于上述的原因，本文提出利用Vmware虛擬機(jī)、Packet Tracer模擬軟件、NS2仿真技術(shù)以及Apache Friends服務(wù)器套件來(lái)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的方法，利用該方法，只要有計(jì)算機(jī)就可開出網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，既可以節(jié)省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資，又大大地減輕了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作量。更為重要的是，學(xué)生通過(guò)這些項(xiàng)目的訓(xùn)練提高操作能力，加深了對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。

1 利用Vmware軟件搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)中，最大的困難在于如何構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用Vmware虛擬軟件可以輕松解決這一問(wèn)題［4］。在真實(shí)操作系統(tǒng)上安裝Vmware Workstation軟件，然后可以利用該工具在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬出若干臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)，每個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行獨(dú)立的操作系統(tǒng)而互不干擾［5］。在Vmware環(huán)境中，將真實(shí)的操作系統(tǒng)稱為主機(jī)系統(tǒng)，將虛擬的操作系統(tǒng)稱為客戶機(jī)系統(tǒng)或虛擬機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)系統(tǒng)和虛擬機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)虛擬的網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。安裝完Vmware Workstation之后，計(jì)算機(jī)會(huì)默認(rèn)給主機(jī)系統(tǒng)增加2個(gè)虛擬網(wǎng)卡：Vmware Network Adapter Vmnet8和Vmware Network Adapter Vmnet0，這2個(gè)虛擬網(wǎng)卡分別用于不同的聯(lián)網(wǎng)方式。使用Vmnet8虛擬網(wǎng)卡（NAT方式）時(shí)，虛擬機(jī)可以通過(guò)主機(jī)單向訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)上的其他工作站（包括Internet網(wǎng)絡(luò)），而其他工作站不能訪問(wèn)虛擬機(jī)；使用Vmnet0虛擬網(wǎng)卡（橋接方式，Vmnet0的作用相當(dāng)于一臺(tái)交換機(jī)）時(shí)，虛擬機(jī)相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)上的一臺(tái)獨(dú)立計(jì)算機(jī)，與主機(jī)一樣擁有一個(gè)獨(dú)立的IP地址。一般來(lái)說(shuō)，Bridged Networking（橋接網(wǎng)絡(luò)）方式最方便，因?yàn)檫@種連接方式可以將虛擬機(jī)當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)中的真實(shí)計(jì)算機(jī)使用，在完成各種網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)時(shí)效果也最接近于真實(shí)環(huán)境，此時(shí)，主機(jī)系統(tǒng)與虛擬機(jī)系統(tǒng)之間關(guān)系如圖1所示。我們可以在虛擬機(jī)系統(tǒng)上安裝Window Server 2003或Linux，將虛擬機(jī)系統(tǒng)作為服務(wù)器端，主機(jī)系統(tǒng)作為客戶端，在這種環(huán)境下我們可以輕松開出DNS、DHCP、Web、FTP服務(wù)器架設(shè)等實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)客戶／服務(wù)器的工作模式。

圖1 虛擬機(jī)的橋接模式

2 網(wǎng)絡(luò)模擬軟件的使用

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，學(xué)生肯定要接觸到交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的價(jià)格非常昂貴，如何讓學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)和配置一個(gè)中小型的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，提高他們實(shí)踐能力是我們急需解決的問(wèn)題［6］。在實(shí)踐中，我們采用思科的Packet Tracer模擬軟件來(lái)開出真正意義的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，如虛擬局域網(wǎng)的劃分，各種路由協(xié)議配置（如靜態(tài)路由、RIP協(xié)議），極大地節(jié)省了教學(xué)成本。Packet Tracer是由Cisco公司發(fā)布的一個(gè)輔助學(xué)習(xí)工具，為學(xué)習(xí)思科網(wǎng)絡(luò)課程的初學(xué)者去設(shè)計(jì)、配置、排除網(wǎng)絡(luò)故障提供了網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境。用戶可以在軟件的圖形用戶界面上直接使用拖曳方法建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒖商峁?shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)行進(jìn)中的詳細(xì)處理過(guò)程，觀察網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。可以學(xué)習(xí)IOS的配置、鍛煉故障排查能力。

例如，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，很多學(xué)生總是不明白網(wǎng)橋?yàn)槭裁从小皩W(xué)習(xí)”MAC地址的能力，覺得非常抽象［7］。為此在教學(xué)中我們利用Packet Tracer模擬軟件讓學(xué)生直觀地看到了這一問(wèn)題：使用Packet Tracer軟件構(gòu)建一個(gè)最簡(jiǎn)單的以太網(wǎng)，如圖2所示。圖2中交換機(jī)（多端口網(wǎng)橋）為Cisco2960，pc0的IP地址設(shè)置為192.168.1.10，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，pc1IP地址設(shè)置為192.168.1.20，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.255.0，此時(shí)，利用Packet Tracer的放大鏡工具，可看到交換機(jī)的MAC地址表是空的；在這之后，在pc0上ping通pc1，再觀察交換機(jī)的MAC的地址表，可看到MAC地址表已記錄了pc0和pc1的MAC地址，具體情況如圖3所示。

圖2 空白的MAC地址表

圖3 網(wǎng)橋?qū)W習(xí)到MAC地址

從上述的案例中我們不難發(fā)現(xiàn)：采用Packet Tracer模擬軟件開出交換機(jī)和路由器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以極大地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資，且計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備可根據(jù)模擬軟件的升組而升級(jí)；另外增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中一些比較抽象的概念具體化，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中取得不錯(cuò)的效果。

3 采用網(wǎng)絡(luò)仿真器NS2演示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程必須介紹大量的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在教學(xué)中一般只能從理論上進(jìn)行分析，無(wú)法使用實(shí)驗(yàn)手段讓學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，原因是構(gòu)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是非常困難的，采用模擬技術(shù)就可以解決以上問(wèn)題。NS2［8］作為目前最流行的開源模擬軟件之一，已被科研院所和各大高校用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析、研究和教學(xué)。NS2是在Unix系統(tǒng)上開發(fā)的，因此既可以在Unix和類Unix系統(tǒng)上安裝，也可以在Windows平臺(tái)上安裝。有兩種安裝辦法：一是用Windows＋Cygwin＋NS2；二是用 Window＋Vmware＋Linux虛擬主機(jī)＋NS2。NS2提供的nam工具能清楚地向?qū)W生演示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運(yùn)行過(guò)程，使學(xué)生能直觀地看到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的行為，這為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了極大的幫助［9］。例如，我們可以利用nam工具來(lái)演示動(dòng)態(tài)路由［10］。假設(shè)存在如圖4（a）的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?jié)點(diǎn)0傳送FTP分組到節(jié)點(diǎn)4，根據(jù)DV算法（最短路徑），這時(shí)網(wǎng)絡(luò)選擇的路徑應(yīng)該是0→1→3→4，而當(dāng)1→3之間的鏈路發(fā)生中斷時(shí)，網(wǎng)絡(luò)選擇的路徑是0→1→2→3→4（如圖4（b）所示）。

圖4 DV算法演示

4 使用Apache Friends服務(wù)器套件

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，常常搞不清FTP、WWW、E－mail等因特網(wǎng)應(yīng)用［11］。 安裝 Apache Friends服務(wù)器套件，能讓初學(xué)者迅速接觸常見的因特網(wǎng)應(yīng)用，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)生興趣。Apache Friends是一個(gè)以Apache web server為主的套件，它整合了MySQL server、FileZilla FTP server和 Mercury mail server和PHP、phpMyAdmin等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件，利用它用戶能快速完成網(wǎng)站的建設(shè)，同時(shí)也適合初學(xué)者構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)PHP實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

在教學(xué)實(shí)踐中，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下常用服務(wù)器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)［12］：①M(fèi)ercury郵件服務(wù)器架設(shè)和測(cè)試實(shí)驗(yàn)；②FTP文件服務(wù)器的配置以及文件的上傳和測(cè)試；③Apache web服務(wù)器靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的實(shí)驗(yàn)；④Apache認(rèn)證實(shí)驗(yàn)；⑤Apache基于域名的虛擬主機(jī)實(shí)驗(yàn)。

例如，Apache認(rèn)證實(shí)驗(yàn)以前需要在Linux環(huán)境下進(jìn)行，學(xué)生掌握起來(lái)比較難，但利用Apache Friends套件，只需幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟即可完成。教學(xué)中我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下（假設(shè)要對(duì)D：＼xampp＼htdocs＼web目錄進(jìn)行訪問(wèn)認(rèn)證）：

（1）在D：＼xampp＼htdocs＼web目錄生成htaccess文件，文件內(nèi)容：

AuthName″web″ #指定認(rèn)證區(qū)域名稱

AuthType basic #指定認(rèn)證類型

AuthUserFile／xampp／phpmyadmin #指定一個(gè)包含用

戶名和密碼的文本文件

Require valid－user #指定哪些用戶或組才能被授權(quán)訪問(wèn)

（2）利用 D：＼xampp＼apache＼bin目錄下的htpasswd.exe生成包含用戶名和密碼的doglookgate文件，注意要將生成的doglookgate文件拷貝到D：＼xampp＼htdocs＼web目錄。

（3）重新啟動(dòng)Apache服務(wù)器，在瀏覽器中訪問(wèn)Web目錄，即可看到認(rèn)證界面。

5 結(jié)論

本文根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，提出利用NS2模擬器、Packet Tracer模擬軟件、Vmware虛擬機(jī)和Apache Friends服務(wù)器套件來(lái)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的方法。采用本文提出的方案，只要有計(jì)算機(jī)就可以開出網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上，采用本文提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，不僅能節(jié)省設(shè)備的投資，也相當(dāng)于為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生在接觸、消化這些項(xiàng)目之后，可以根據(jù)自已的興趣設(shè)計(jì)一些綜合性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這有利于充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)潛能和積極性，有利于創(chuàng)新能力的陪養(yǎng)和人才的個(gè)性化發(fā)展。

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