虛擬仿真技術在計算機專業網絡基礎課程教學中的應用

徐海霞 李森

【摘要】本文以新疆石河子職業技術學院計算機專業網絡基礎課程的教學改革為切入點，以怎樣改革現有的網絡基礎課程教學、以提升學生的學習與應用能力為根本目標，利用虛擬仿真技術手段提高網絡基礎課程的教學質量，將虛擬仿真技術融合在計算機專業網絡基礎課的教學中。

【關鍵詞】虛擬仿真；網絡基礎課；實踐

1.引言

計算機網絡基礎課程是計算機類專業的必修課程，在計算機類專業中占有基礎性作用，隨著計算機網絡和網絡技術的進一步普及，計算機網絡基礎課程也會逐步成為非計算機類專業的課程。基于此，計算機網絡基礎課程教學也變得異乎重要。對網絡基礎課程教學來說主要體現在實驗教學環節，實驗教學尤其是課堂教學對于提高計算機網絡課程教學質量起著至關重要的作用。計算機網絡基礎課程部分實驗實訓環節需要一些昂貴的交換機、路由器等網絡節點設備，但由于學院的硬件條件欠缺，因而無法滿足計算機網絡基礎課程的實驗實訓教學環節。這就造成了實驗實訓的需要與實驗設備缺失之間的矛盾，在資金、設備不足等客觀條件下，只有選擇既能替代物理設備，又能滿足計算機網絡基礎課程實驗教學需要，虛擬仿真技術恰好能滿足。

2.計算機專業網絡基礎課程目標與要求

計算機網絡基礎計劃時數為64學時，課程所占4學分，其中實踐課時為32學時，占總學時的50%，是一門實踐性較強專業基礎課。計算機網絡基礎課程的主要任務是通過學習，能夠使學生在已有的計算機知識的基礎上，對網絡基礎有一個較全面、系統的了解，提高學生的網絡基本知識和基本理論、網絡應用和實際操作的能力。除具備網絡的基本理論知識外，還應具備互聯網服務的簡單使用和配置等網絡操作技能，如雙絞線的制作、網絡拓撲結構的設計與分析，簡單網絡設備、網絡操作系統的使用方法等應用能力。

3.虛擬仿真技術

虛擬仿真技術以多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術為基礎，將仿真技術與虛擬現實技術相結合，用來模擬一定條件下的客觀環境為典型特征的技術。由于是針對計算機網絡基礎課程中的研究，故研究內容重點在提高虛擬實驗在網絡基礎課程中的應用與效果的提高。研究中主要以虛擬仿真技術中的虛擬機軟件與cisco模擬器為實踐工具，以如何提高學生對計算機網絡基礎課的理解與運用能力。其中虛擬機技術就是在一臺主體計算機上建立與執行一個或多個虛擬化環境，使其完整地模擬真實硬件系統，在此模擬的硬件系統上可以安裝軟件、運行程序，并可作為真實主機或設備來使用[1]。模擬器軟件是指主要透過軟件模擬硬件處理器的功能和指令系統的程序，使計算機或者其他多媒體平臺能夠運行其他平臺上的軟件。

在用實際的網絡實驗條件下，如果是按8人學生為一組話，則每組需要雙絞鉗一把、路由器2臺、三層交換機2臺、二層交換機2臺、網線若干、局域網PC機若干等實驗設備。但是如果以虛擬仿真技術來進行實驗，在能夠上網的普通學生機房，并且每臺PC機均安裝虛擬軟件的情況下，計算機網絡基礎課程的實驗均可進行，大大減少了實驗性設備的投入。

4.虛擬仿真技術在網絡基礎課程中的實踐

因本課程教學與實踐學時比例為1：1，使用虛擬仿真技術教學，教學地點在普通學生機房，教學方法采用課堂講授、虛擬實驗實訓、課堂討論等形式。 將虛擬仿真技術與計算機網絡基礎教學無縫融合，虛擬化軟件實踐教學內容與理論教學內容的相互輔助嵌套，以完成明確的工作任務為目標，進行項目化教學。

4.1 課程教學學時分配

基于虛擬仿真技術的課時分配如表1。網絡硬件設備與構建網絡章節實驗學時為1，主要認識物理網絡硬件設備。網絡綜合布線實施章節實驗學時為3，實驗是直通線與交叉線的區分、使用場合，正確進行雙絞線制作，并配置兩臺計算機之間的對等網。子網劃分與交換機的使用章節實驗學時為10，實驗是在已連接入網絡的學生PC機上，使用網絡命令查看學生PC的IP地址、MAC地址、網絡出口信息交換情況數據等。采用cisco的Packet Tracer模擬器進行交換機的基本配置與管理、交換機的Telnet遠程登陸配置、交換機劃分Vlan配置等實驗項目。網絡互連與系統調試章節實驗學時6，實驗是利用Ethereal網絡協議分析器對TCP、UDP、ICMP協議分析，采用Packet Tracer模擬器進行靜態路由配置等實驗。網絡操作系統選擇與網絡配置章節實驗學時6，實驗是利用VMware公司的VMware Workstation虛擬機軟件進行網絡操作系統的安裝、模擬組建對等局域網、模擬組建客戶機/服務器網絡等實驗。網絡安全章節實驗學時2，實驗是利用流行防病毒軟件對電腦進行查殺實驗，利用冰河等軟件，進行遠距離監控等。網絡管理與維護章節實驗學時2，利用美萍網管大師、天易成網管軟件在VMware Workstation虛擬機軟件平臺上運行實驗。

4.2 虛擬仿真技術實驗具體實例

利用虛擬仿真技術中cisco的Packet Tracer模擬器進行虛擬局域網絡的劃分實驗項目：交換機劃分Vlan配置。

實驗目標：能夠進行虛擬Vlan基本配置、一般交換機按端口劃分Vlan的配置方法、掌握TagVlan配置方法。

實驗背景：某一公司內財務部、銷售部的PC通過2臺交換機實現通信；要求財務部和銷售部的PC可以互通，但為了數據安全起見，銷售部和財務部需要進行互相隔離，現要在交換機上做適當配置來實現這一目標。

技術原理：（1）Vlan是指在一個物理網段內進行邏輯的劃分，劃分成若干個虛擬局域網，Vlan的特性不受物理位置的限制，可靈活劃分。Vlan具備了一個物理網段所具備的特性。相同Vlan內的主機可以相互直接通信，不同Vlan間的主機之間互相訪問必須經路由設備進行轉發，廣播數據包只可以在本Vlan內進行廣播，不能傳輸到其Vlan中。（2）PortVlan是實現Vlan的方式之一，它利用交換機的端口進行Vlan的劃分，一個端口只能屬于一個Vlan。（3）TagVlan是基于交換機端口的另一種類型，主要用于是交換機的相同Vlan內的主機之間可以直接訪問，同時對不同Vlan的主機進行隔離。

實驗步驟：

完本次實驗后，學生基本掌握虛擬局域網的基本概念，在物理PC機、交換機上進行虛擬局域網絡的劃分等操作。

4.3 虛擬仿真技術進行教學注意的問題

建立虛擬機時，應注意虛擬計算機系統的網絡互聯模式，要根據實驗要求來選擇虛擬計算機橋接、NAT或僅主機模式。另外虛擬機的主要缺點是對物理PC機的資源消耗過大，需要主頻速度較快的CPU，容量較大內存和大硬盤空間，這就要求安裝虛擬機軟件的主體計算機具有較高的硬件配置，才能夠滿足實驗運行需要[2]。

Packet Tracer模擬器可用簡單的拖放和放至連線的方式模擬組建仿真網絡系統，交換機或路由器等設備的設置可通過CLI界面進行配置，軟件中模擬計算機支持基本的網絡參數設置和網絡命令，有利于初學者從總體結構上把握理解網絡，學習網絡基礎課程。但對于高級別的網絡學習者來說，在不具備網絡實驗是的條件下，可選用高級別的Cisco公司的模擬路由器Dynamips GUI軟件[3]，在此模擬環境下網絡設備的IOS，可直接用于配置真實的網絡節點設備。

5.結論

雖然利用虛擬仿真技術教學還不能完全取代真實的實訓教學，但虛擬仿真軟件的低成本、安全性、可重復性、高可靠性和完美的虛擬環境，非常適合當前的實踐教學。將虛擬仿真技術引人到實踐教學中，可實現先進性與典型性相結合，知識性與趣味性相結合，交互性與智能性相結合。特別是基于虛擬環境下的學習是學生自主探究、合作學習和快樂體驗的一種新型教學模式，有助于培養學生的動手實踐能力、創新思維能力、綜合應用能力和團結協作能力，有助于提高學生的科學素質和創新精神。

參考文獻

[1]肖碧波.虛擬化技術在《計算機網絡基礎》教學中的應用[J].華章.2011，14：173-174.

[2]付平武，幸筱流.VMware虛擬化技術在教學機房的應用[J].電腦知識與技術.2013（9）：30.

[3]鮑洪生.虛擬機和模擬器在網絡教學中的應用[J].中國校外教育，2011，2：137-138.

課題項目：本文是2012-2014年新疆維吾爾自治區高等職業學校專業基礎課改革研究項目“虛擬仿真技術在計算機專業網絡基礎課程教學中的研究與應用” 的階段性成果（課題編號：ZJ12-011）。

作者簡介：徐海霞（1979—），女，石河子職業技術學院講師，研究方向：職業教育與計算機技術應用。