模擬軟件Packet Tracer在計算機網絡教學中的應用

曾宇胸北京師范大學珠海分校　廣東珠海　519087

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模擬軟件Packet Tracer在計算機網絡教學中的應用

曾宇胸
北京師范大學珠海分校廣東珠海519087

摘要：網絡模擬軟件為計算機網絡課程教學提供了很大的方便，分析了模擬軟件PacketTracer的特點和局限性，并通過實例說明了其在教學中的具體應用。

關鍵詞：PacketTracer；網絡模擬；教學應用

實驗教學是計算機網絡課程教學的重要組成部分，但由于實驗環境通常要涉及多種網絡設備，且設備價格不菲，因此學生想在課后自主進行計算機網絡實驗相對比較困難。然而網絡模擬軟件地出現在一定程度上解決了這一問題，它可以在PC上搭建虛擬的網絡環境，大大方便了學生課后進行實驗，也為教師的課堂演示提供了很好的工具。

PacketTracer是思科公司針對思科網絡技術學院教學開發的一款網絡模擬軟件，用戶可以在普通PC中通過可視化的操作模擬出各種復雜的網絡場景，同時還能對網絡的運行進行觀察和驗證。它除了能模擬思科公司生產的多種路由器、交換機、防火墻等網絡設備外，還能模擬大量的端設備(如臺式機、服務器、筆記本、IP電話等)以及各種常見的傳輸介質。不同軟件版本可用的設備類型、功能會有所不同，本文中使用的軟件版本號為6.2.0.0052。

1　PacketTracer的特點

1.1 簡單易用

該軟件界面設計非常友好，完全采用直觀的圖形化操作和顯示方式，初學者可以在很短的時間內上手。根據筆者的經驗，首次使用該軟件的學生，一般經過10～15分鐘的練習就能掌握基本操作。

1.2 手動控制網絡運行

PacketTracer有兩種工作模式——實時模式和模擬模式。當進入到模擬模式，可以用手動方式逐幀地控制網絡的運行，同時也能直觀地看到數據包傳輸經過的路徑(如圖1所示)。這種操控網絡運行的方式，與視頻播放器播放視頻文件非常類似，可以前進、暫停、后退，便于觀察網絡運行的細節，這一特性是真實的實驗環境無法提供的。

圖1　模擬模式下的工作界面

1.3 自動測評功能

教師事先制作好測評文件，學生根據測評文件完成相應的網絡設計和配置后，只需執行一個測評命令，系統便可以對學生完成情況進行自動評分。

1.4 局限性

雖然PacketTracer可以模擬眾多的網絡設備，但模擬的真實度都較低。例如在模擬的PC機中可以使用命令主要是一些常用的網絡命令，且這些命令可用的參數種類也非常有限。其中netstat命令只有1個 -r參數可用。另外有些模擬的結果與實際情況有明顯的出入，例如在1臺PC中ping本機環回地址的RTT要比ping 另1 臺PC的長。

2　PacketTracer教學應用實例

2.1 觀察TCP連接管理

TCP的原理是計算機網絡課程教學中的重點和難點，通過實驗能有效加深對該協議原理的理解。例如在學習TCP通過三次握手建立連接時，可以通過一個簡單的例子來演示。如圖2所示，1臺客戶機和1臺服務器通過一條交叉線直連，客戶機使用瀏覽器訪問服務器的Web應用。由于Web應用運輸層使用的是TCP協議，因此在傳輸應用數據之前必須要先經過三次握手。

圖2　觀察TCP連接管理拓撲圖

觀察3次握手過程的主要操作步驟如下。

(1)添加2個端設備并連接，然后為其配置IP地址。

(2)將工作模式切換到Simulation Mode(模擬模式)。

(3)打開客戶機中瀏覽器工具，在地址欄中輸入服務器的IP地址后按回車。

(4)在主工作區的Simulation Panel(模擬控制面板)窗口中單擊Capture/Forward按鈕3次。

圖3　客戶機發起第一次握手

這樣可以清楚地觀察到信封狀的數據包在兩個端設備間傳遞了3次。當用鼠標單擊數據包圖標時，就可以對其作詳細的協議分析。

在學習網絡協議(如ARP，TCP)的工作原理和具體步驟時，在以往通常使用事先制作好的動畫來輔助教學，而使用PacketTracer則可使演示環境更加貼近真實狀況，效果更逼真。

2.2 觀察無線網絡的特性

由于無線網絡傳輸介質的不可見性，因此在介紹無線網絡的特性時，相對于有線網絡會更加抽象。但在PacketTracer中無線傳輸的狀態被形象地表現出來了，例如在Logical Workspace(邏輯視圖工作區)，當無線站點與無線AP連接上后，可以看到兩者之間通過波紋線相連；而在Physical Workspace(物理視圖工作區)則可看到無線AP信號的傳播范圍。圖4為無線信號傳輸示意。

圖4　無線信號傳輸示意

在講解無線信號傳輸衰減的特性時，可以在物理視圖中通過改變無線站點與無線AP的距離，再通過測試無線站點中無線信號的強度來對比。如圖5所示，兩種情況下無線站點信號強度分別為93% 和3%。

圖5　無線信號傳輸衰減對比

在講解無線信號同頻相互干擾的特性時，可以采用圖6所示拓撲設計。

圖6　同頻無線信號相互干擾演示拓撲

首先將無線AP1和AP2的傳輸頻道設置為6和1，測得無線站點信號強度為94%；然后將無線AP1和AP2的傳輸頻道設置為6和6，無線AP和無線站點距離保持不變，測得無線站點信號強度為82%(如圖7所示)。

圖7　同頻無線信號相互干擾的比較

教學中搭建真實的無線網絡實驗環境是比較煩瑣的，而PacketTracer獨特的無線信號的表現形式以及豐富、仿真的無線配置工具，為教學提供了極大的方便。

2.3 制作評估文件

評估文件就是在普通PacketTracer文件的基礎上增加了可以自動評分的功能。它的制作是通過運行菜單命令Extensions | Activity Wizard(活動向導)，然后在Activity Wizard窗口中逐步完成。如圖8所示，在窗口左側列出了制作一個評估文件可能要用到的所有功能模塊。

圖8　Activity Wizard窗口

以下通過一個實例說明制作評估文件的基本步驟。

(1)生成Initial Network(初始網絡)。運行上圖中Initial Network命令，在工作區完成原始網絡拓撲及配置(即素材)。如圖9所示，本例初始網絡只有兩臺主機和一臺路由器。

圖9　Initial Network設計區

(2)生成Instructions(指導)。運行Instructions命令，在窗口中編輯評估要求完成的網絡配置的具體說明，即實驗指導。在本例中填寫的指導如下：1. PC0和Server0通過交叉線分別與路由器的G0/0和G0/1接口相連；

最終生成的實驗指導如圖10所示。

圖10　實驗指導效果圖

(3)生成Answer network(答案網絡)。運行Answer Network命令，根據實驗指導在工作區完成最終的網絡拓撲及所有配置(即標準答案)，如圖11所示。

圖11　Answer network設計區

然后在Activity Wizard窗口中添加Assessment Items(即考核點)，將需要考核的知識點作勾選。圖12 是Router0部分的考核點，勾選項主要包括接口IP參數設置、傳輸介質類型等。每個考核點默認分值(Points)都是1 分，但也可根據需要自行修改。

圖12　Assessment Items選擇窗口

PC0和Server0也要作相應的勾選，這里就不再贅述。

(4)保存。運行Save as命令，將制作完成的評估文件保存。

自動測評功能可以大大減少教師批改實驗結果的工作量，提高工作效率，也便于學生課后自我測試。據筆者了解，PacketTracer此項功能在同類軟件中屬獨創，非常適用于教學。

3　結束語

PacketTracer具有學習門檻低、操作簡單、強大的可視化功能、自動評估等優點，為計算機網絡初學者提供了一個優秀的模擬實驗平臺，也為教師提供了一個優秀的演示、測評工具；但它不是高保真模擬軟件，而且還存在著一定的缺陷。因此PacketTracer用于網絡基本原理驗證性的實驗或教學演示時可以完全勝任，但如果要進行關于分組緩存和調度策略、TCP擁塞控制等研究性的實驗就無能為力了，這時我們可以考慮使用ns-3，omnet++，mininet等高保真模擬或仿真軟件。

參考文獻

[1] James F.Kurose Keith W.Ross.計算機網絡:自頂向下方法[M].原書第6版.陳鳴,譯. 北京:機械工業出版社,2014.

[2] 謝希仁. 計算機網絡[M].第6版.北京:人民郵電出版社版社,2013.

[3] Jesin A. Packet Tracer Network Simulator[M]. Birmingham: Packt Publishing, 2014.

[4] 鄭洪濤.基于PacketTracer的“計算機網絡組建”虛擬實驗室建設的研究與探討[ J ] .計算機光盤軟件與應用,2012(20):149-150.

[5] Packet Tracer[DB/OL]. 2015-7-1. https://en.wikipedia. org/wiki/Packet_Tracer.

[6] Packet Tracer 6.2 features[DB/OL]. 2015-7-1.http://www. packettracernetwork.com/.

Application ofPacket Tracer Simulation Software in Computer Network Teaching

Zeng Yuxiong
Beijing Normal University, Zhuhai Campus, Zhuhai, 519087, China

Abstract:Network simulation software provides a great convenience for the computer network curriculum teaching, this paper analyzes the features and limitations of Packet Tracer simulation software, and illustrats its application in teaching by examples .

Key words:Packet Tracer; network simulation; teaching application

基金項目：北京師范大珠海分校質量工程項目——“計算機網絡”精品資源共享課(編號：201426)。

作者簡介：曾宇胸，碩士，實驗師。

收稿日期：2015-08-03