思科模擬器在計算機網絡創新教學中的探究與實踐

【摘 要】本文首先介紹了思科網絡模擬器的特點；其次，歸納了思科網絡模擬器在計算機網絡教學中的具體應用，對思科模擬器在計算機網絡創新教學中的應用與實踐效果進行了調查分析；最后，總結分析了思科網絡模擬器在計算機網絡創新教學中的重要意義，并給出了計算機網絡創新教學的后續研究計劃。

【關鍵詞】計算機網絡 創新教學 思科模擬器

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）17-0048-03

計算機網絡課程不僅是計算機類專業的必修課程，也是信息類、電子類、通信類專業學生必須學習的課程。對計算機網絡課程的學習，多數老師和學生普遍認為面授不可或缺，但實踐操作更為重要，對于服務器配置、組網、安全技術等部分一定要通過現實操作、實踐動手才能真正掌握，學生必須從實踐操作中才能真正掌握網絡技能，并在今后的工作中學以致用。但目前的教學情況多數是以課本的理論知識為主，實驗實踐課時數較少。究其原因，主要是很多院校由于資金支持不足，沒有建設網絡設備先進的實驗室，或是設備的數量達不到教學需求，導致現有的實驗教學環節沒能起到應有的作用。學生不能掌握實際操作能力，在創新探索上就不能有好的建樹。對于計算機網絡這種有著廣泛應用、具有很強實用性、知識理論復雜、實踐性很強的課程，研究出一套理論知識與實踐教學相輔相成的教學方法，具有重要的意義。為此，本文擬對思科模擬器在計算機網絡中創新教學中的作用及實踐進行深入探究。

一 思科網絡模擬器

思科網絡模擬器（Cisco Packet Tracer）是由Cisco公司開發的一款網絡仿真軟件。它通過全新的圖形化用戶界面和多媒體的Flash動畫，為教師提供了多樣化、個性化的授課支持，也為學生學習網絡基礎知識、設計網絡拓撲結構、配置網絡設備、排除網絡故障提供了網絡仿真環境，有利于鼓勵開放性操作，提高學生發現并解決問題的能力。學生可以享受到豐富和高度互動的學習體驗，提高學生對網絡課程的學習興趣，有效解決網絡實驗室不足、網絡設備嚴重缺乏帶來的不利影響。

思科網絡模擬器具有以下幾方面的特點：

1.提供了豐富的網絡設計構件

思科網絡模擬器提供了豐富的網絡構件，比如各種型號的交換機、路由器、主機、無線AP及通信媒介等。用戶只需點擊鼠標，即可輕松地將所需網絡設備添加到所設計的網絡中，并且可通過圖形用戶界面或文本界面對網絡設備進行基本參數配置。此外，用戶可以根據需要對網絡設備的模塊或接口進行添加。

2.支持大部分常用的網絡協議

思科網絡模擬器支持計算機網絡協議中的大多數網絡協議，比如應用層的HTTP、DNS、TFTP、Telnet等協議，傳輸層的TCP、UDP協議，網絡層的IP、OSPF、ARP、ICMP等協議，數據鏈路層的PPP、HDLC等協議，能夠滿足大多數情況下的網絡設計需求，并支持用戶在仿真設計過程中對協議數據單元中的各字段進行查看，有利于深刻理解各層的網絡協議及分組格式。

3.提供邏輯空間和物理空間兩種設計模式

思科網絡模擬器提供邏輯空間和物理空間兩種設計模式。邏輯空間模式用于進行邏輯拓撲結構的設計與實現，對現實網絡環境的各種因素不予考慮；物理空間模式支持構建城市、樓宇、辦公室、配線間等虛擬設置，涵蓋了真實網絡環境對網絡設計產生的影響。

4.提供實時跟蹤功能

思科網絡模擬器提供實時（Real）及模擬（Simula -tion）兩種不同的仿真模式，用戶可以方便地在兩種仿真模式下進行切換。用戶可以在實時模式下設計網絡拓撲結構，并對各網絡設備進行配置，使其迅速進入工作狀態；在具體仿真過程中，用戶可以切換到模擬模式以

南京郵電大學教改項目（編號：JG01614JX27、JG01614JX26）、江蘇省自然科學基金青年項目（編號：BK2014 0883）

觀察協議數據單元（PDU）在網絡中的傳送過程，查看交換機的交換表及路由器的路由表，實時跟蹤PDU在網絡各節點的詳細處理過程，觀察網絡實時運行情況。為學生快速、生動地理解抽象的網絡協議提供了可能。

5.支持性能分析

在仿真的過程中，只要網絡拓撲、網絡構件的參數和使用的協議等不改變，仿真結果就不會發生改變。用戶可重復再現網絡，獲取相關的數據。此外，用戶修改其中的網絡拓撲、實體參數、網絡協議等，靈活地設置網絡仿真環境中每個實體的參數，可以只獲取自己感興趣的網絡運行細節的相關數據。通過這種設置方式，學生可以有針對性地更改網絡仿真環境，從不同的角度獲取有用數據，分析網絡性能，全面理解網絡運行過程。

二 教學應用實踐

為了探究思科網絡模擬器在計算機網絡教學中的應用方法及價值，在教學過程中初步在講述網際控制報文協議、地址解析協議和虛擬局域網的劃分三個知識點的過程中使用思科網絡模擬器進行了講解，并對實踐的效果進行了簡單的評估。

圖1 ARP協議講解示意圖

教學應用實例。以地址解析協議為例，使用思科網絡模擬器講解的過程如下：

第一，構建如上圖1工作區所示的網絡拓撲，并分別配置4臺終端電腦PC0-PC3的IP地址為192.168.0.1-

192.168.0.4，子網掩碼為255.255.255.0。

該過程中，可使用圖1右側拓撲圖工作工具中的Inspect按鈕分別查看PC0-PC3的ARP Table。可以看出，4臺終端的ARP Table均為空，也就是說PC0的ARP高速緩存無法實現PC3的IP地址到MAC地址的映射。提出以下問題：PC0向PC2發送分組時，封裝的幀的目的地址如何獲得呢？通過該問題，引出ARP協議，并對ARP協議進行初步的理論講解。

第二，設置仿真模式為Simulation模式，點擊圖1右側拓撲圖工作工具中的Add Simple PDU按鈕后，分別點擊PC0和PC2，使該簡單分組（ICMP分組）從PC0轉發到PC2。此時，PC0會產生兩個分組，分別為ICMP分組和ARP分組。ARP分組的格式如下圖2所示，其中SOURCE IP字段為192.168.0.1，TARGET IP字段為192.168.0.3，SOURCE MAC字段為0060.47B0.062E，TARGET MAC字段為全0。該ARP分組的含義是本終端的IP地址是192.168.0.1，MAC地址是0060.47B0.062E，我想知道主機192.168.0.3的MAC地址。該ARP分組將封裝到Ethernet VⅡ格式的幀中進行傳輸，并且該幀的DEST MAC為全1，表明該ARP分組是以廣播的方式發送的。

圖2 分組格式示意圖

第三，點擊仿真控制面板（Simulation Panel）中的Capture/Forward按鈕，ARP分組會到達交換機。當交換機收到該廣播ARP分組后，由于交換機不能隔離廣播域，因此會將該ARP分組從其它所有端口進行轉發。（此時，

可以查看該交換機的MAC Table，回顧自學習算法。）

第四，點擊Capture/Forward按鈕，ARP分組分別到達PC1-PC3，此時PC1和PC3對該ARP分組不進行響應。PC2由于IP地址和該ARP分組中的TARGET IP字段匹配，因此將PC0的IP地址和MAC地址寫入ARP Table。此外，PC2還將其IP地址和MAC地址分別作為SOURCE IP和SOURCE MAC字段寫入ARP響應分組，并以單播方式進行傳送。分別查看PC2的ARP Table和ARP響應分組的格式，對上述內容進行驗證說明。

第五，點擊Capture/Forward按鈕，ARP響應分組到達交換機，查看交換機MAC Table變化情況。

第六，點擊Capture/Forward按鈕，ARP響應分組從交換機的接口1發送到PC0。提出以下問題：交換機為什么僅從端口1轉發ARP響應分組？通過該問題可回顧交換機的工作原理。

第七，PC0收到ARP響應分組后，查看PC0的ARP Table，可以看出通過上述過程，PC0獲得了PC3的IP地址所對應的MAC地址，并將其記錄到ARP高速緩存中。接下來，簡單分組（ICMP分組）可以正常傳輸了。

三 應用效果評估

為了對使用思科模擬器進行教學的效果與傳統理論教學的效果進行對比分析，并且盡可能摒棄學生的差異性對教學效果造成的影響，在網際控制報文協議內容的講解過程中，A班使用思科模擬器進行教學，B班使用傳統理論教學的方式進行教學。在ARP協議內容的講解過程中，B班使用思科模擬器進行教學，A班使用傳統理論教學的方式進行教學。針對網際控制報文協議和ARP協議的內容，分別設置了10個題目，在A班和B班中分別選擇50人對所設置題目進行解答，答題情況如下圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，網際控制報文協議的題目，A班比B班答題正確率高約17.1%；ARP協議的題目B班比A班答題正確率高約13.8%。基于以上兩組數據，可以得出結論：使用思科模擬器進行計算機網絡教學，可以加深同學們對相關知識點的理解，提高答題的正確率。

圖3 網際控制報文協議教學效果分析

圖4 ARP協議教學效果分析

四 總結

基于思科網絡模擬器在計算機網絡教學中的實際探索及應用效果評估，我們發現思科模擬器在計算機網絡教學中的進一步探究及推廣具有重要的意義。首先，思科網絡模擬器的使用能夠避免網絡教學過程中相關網絡概念抽象、枯燥，通信設備功能及工作原理、網絡通信協議等知識復雜難以理解的問題。利用思科網絡模擬器進行網絡教學，可以在教師機上模擬使用路由器、交換機、電腦等各種網絡設備，構造網絡拓撲，進行網絡配置，把抽象、乏味的理論知識轉化為直觀的操作實驗，使學生在觀察教師操作的過程中完成對網絡概念及相關協議的理解和掌握。其次，思科網絡模擬器是開源軟件，能夠有效緩解部分院校實驗設備經費緊張、設備不足的問題。學生可以方便地在網上下載該軟件，利用課余時間進行相應的實驗操作，這樣既能加深對課堂知識的理解，也能培養學生的創新意識和操作技能。

為了進一步推廣思科模擬器在計算機網絡教學中的應用，下一步工作將把計算機網絡中的相應知識點進行提取，為結合思科模擬器進行創新教學奠定基礎，并研究相關的創新教學方法，撰寫教學方案。

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〔責任編輯：龐遠燕〕