基于Packet Tracer的現(xiàn)代交換原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李紅巖，樊 超

基于Packet Tracer的現(xiàn)代交換原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李紅巖，樊 超

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

以實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目“ADSL撥號(hào)上網(wǎng)”為例，具體闡述了基于項(xiàng)目教學(xué)法和Packet Tracer模擬軟件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)。教學(xué)實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有效彌補(bǔ)了現(xiàn)代交換原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、實(shí)踐深度不夠、實(shí)踐范圍狹窄等不足，促進(jìn)了學(xué)生從系統(tǒng)角度理解、掌握理論知識(shí)點(diǎn)，提高了學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力。

現(xiàn)代交換原理；Packet Tracer；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)代交換原理是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程[1-2]，其教學(xué)目標(biāo)包括：了解網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的發(fā)展演變過(guò)程；掌握有代表性的交換技術(shù)原理；熟悉典型交換設(shè)備的軟硬件配置和管理；獲得利用交換技術(shù)原理分析、解決通信網(wǎng)絡(luò)工程問(wèn)題的能力。為了實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，除了在課堂上對(duì)交換技術(shù)的原理進(jìn)行講授以外，更需要精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，將理論知識(shí)內(nèi)化成解決網(wǎng)絡(luò)工程問(wèn)題的能力。

1 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題分析

當(dāng)前，現(xiàn)代交換原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在以下突出 問(wèn)題：

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備為程控交換實(shí)驗(yàn)箱。隨著交換技術(shù)的飛速發(fā)展，交換設(shè)備更新?lián)Q代很快，傳統(tǒng)的電路交換已經(jīng)從程控交換演進(jìn)到軟交換、IMS交換，其核心交換單元也從單一的交換機(jī)發(fā)展成分布式的交換單元組合。為了跟上技術(shù)的發(fā)展，需要定期更新實(shí)驗(yàn)箱或購(gòu)買交換設(shè)備真機(jī)，而這需要很大的經(jīng)費(fèi)投入，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)很難滿足。

（2）實(shí)驗(yàn)范圍狹窄。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)側(cè)重于程控交換機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)，利用程控交換實(shí)驗(yàn)箱，進(jìn)行時(shí)分交換、空分交換、信令傳輸?shù)冉粨Q技術(shù)的模擬和觀測(cè)。雖然程控交換實(shí)驗(yàn)箱有助于學(xué)生深入理解電路交換原理，但實(shí)驗(yàn)范圍過(guò)于狹窄，更重要的分組交換、幀中繼、ATM交換、IP網(wǎng)交換等現(xiàn)代交換技術(shù)應(yīng)納入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

（3）實(shí)踐深度不足。在當(dāng)前利用程控交換實(shí)驗(yàn)箱開(kāi)展的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，側(cè)重于交換信號(hào)的觀測(cè)和電路交換過(guò)程的理解，實(shí)踐深度不足，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和分析解決網(wǎng)絡(luò)工程問(wèn)題的能力。

鑒于虛擬仿真可以有效彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足[3-5]，本文提出一種基于Packet Tracer網(wǎng)絡(luò)模擬器的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。基本思路是：基于具體的網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目背景，利用虛擬仿真平臺(tái)提供的模擬機(jī)搭建滿足需求的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，在理解交換技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的配置，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的連通性并排查故障。通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，促使學(xué)生理解交換設(shè)備在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的地位和作用，理解交換設(shè)備之間的配合與協(xié)調(diào)，進(jìn)而加深對(duì)交換技術(shù)的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，啟發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用交換原理解決實(shí)際網(wǎng)絡(luò)工程問(wèn)題的能力提升。

2 Packet Tracer虛擬仿真軟件特點(diǎn)

Packet Tracer是Cisco公司開(kāi)發(fā)的一款網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真軟件，該軟件提供了各種類型的仿真網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。應(yīng)用該軟件可以直觀地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置操作，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性并排除網(wǎng)絡(luò)故障。在仿真模式下，還可以觀察網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)過(guò)程，并根據(jù)需要抓取數(shù)據(jù)包、查看相應(yīng)協(xié)議包的格式，從而加深學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解。因其在網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真方面的優(yōu)勢(shì)，Packet Tracer已在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中得到了應(yīng)用[6-12]，但尚未見(jiàn)其在現(xiàn)代交換原理課程中的應(yīng)用研究。

本文將Packet Tracer軟件應(yīng)用于現(xiàn)代交換原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)虛擬的仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)交換原理，理解復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換行為，促進(jìn)學(xué)生更加準(zhǔn)確地理解理論知識(shí)。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，結(jié)合了項(xiàng)目教學(xué)法，即將實(shí)驗(yàn)任務(wù)融入一個(gè)貼近實(shí)際生活的工程項(xiàng)目中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。下面以實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目“ADSL撥號(hào)上網(wǎng)”為例，介紹基于Packet Tracer軟件和項(xiàng)目教學(xué)法的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3 虛擬仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例：“ADSL撥號(hào)上網(wǎng)”

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）考查學(xué)生對(duì)ADSL原理的掌握情況。

（2）通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和連接線纜的觀察，建立對(duì)ADSL寬帶接入的感性認(rèn)識(shí)。

（3）了解ADSL上網(wǎng)方式所需要的網(wǎng)絡(luò)單元組成，掌握網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互通所需的基本配置，熟悉路由器PPPoE（point-to-point protocol over ethernet）基于以太網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議的基本配置命令。

（4）掌握PPPoE協(xié)議報(bào)文的基本傳輸過(guò)程，幫助學(xué)生直觀理解ADSL上網(wǎng)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

3.2 項(xiàng)目背景

假設(shè)學(xué)生是電信公司的技術(shù)人員，負(fù)責(zé)ADSL寬帶入戶安裝和ADSL交換設(shè)備的配置及維護(hù)。現(xiàn)要求針對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)或小型辦公網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)正確地連接、配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為用戶提供ADSL撥號(hào)上網(wǎng)服務(wù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)原理

3.3.1 ADSL技術(shù)原理

ADSL是一種常用的寬帶接入技術(shù)，它利用已有的電話線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因其僅占用信道的高頻部分，所以與傳統(tǒng)的低頻電話業(yè)務(wù)互不沖突，能夠共享同一條線路。ADSL數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)經(jīng)電話線接入后，在局端通過(guò)分離器分離后直接進(jìn)入數(shù)據(jù)網(wǎng)，而不占用電話網(wǎng)程控交換機(jī)的資源。因此，ADSL傳輸屬于分組交換，而不是電路交換。

ADSL用戶端接入設(shè)備有2種：橋接式接入設(shè)備和路由式接入設(shè)備。橋接式ADSL接入控制采用 PPPoE協(xié)議；ADSL接入用戶需要運(yùn)行 PPPoE 客戶軟件進(jìn)行撥號(hào)，由RADIUS 服務(wù)器對(duì)用戶進(jìn)行認(rèn)證。每個(gè) ADSL 用戶賬戶通過(guò)認(rèn)證后，由PPPoE服務(wù)器分配 IP 地址上網(wǎng)。

路由式接入設(shè)備同時(shí)具有ADSL接入和路由功能，也被稱為ADSL路由器。在其上運(yùn)行PPPoE客戶端軟件時(shí)，首先輸入身份信息進(jìn)行虛擬撥號(hào)，然后由 PPPoE服務(wù)器認(rèn)證通過(guò)后為其分配一個(gè)公有IP地址。家庭或公司局域網(wǎng)內(nèi)接入主機(jī)的IP地址，由ADSL 路由器通過(guò)DHCP分配私有IP，并通過(guò)ADSL路由器的NAT協(xié)議轉(zhuǎn)換成已分配的公有IP，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)用戶共享同一個(gè)賬號(hào)上網(wǎng)。

3.3.2 PPPoE協(xié)議原理及配置

PPPoE是在以太網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)播PPP幀信息的技術(shù)，特別適用于ADSL方式的網(wǎng)絡(luò)傳輸。該協(xié)議的運(yùn)行主要包括發(fā)現(xiàn)階段和會(huì)話階段。在發(fā)現(xiàn)階段，選擇接入服務(wù)器，確定所要建立的PPP會(huì)話標(biāo)識(shí)符Session-ID，同時(shí)獲得對(duì)方點(diǎn)到點(diǎn)的連接信息。發(fā)現(xiàn)階段結(jié)束后，進(jìn)入會(huì)話階段，此時(shí)將運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的PPP會(huì)話協(xié)議。

本實(shí)驗(yàn)中，PPPoE的基本配置包括：在電信局方，配置ADSL云，開(kāi)啟DSL端口，建立 modem 和以太口的對(duì)應(yīng)關(guān)系；在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商方，在ADSL_ Server路由器上配置PPPoE協(xié)議。配置命令如下：

（1）開(kāi)啟PPPoE功能

ADSL_Server(config)#int FastEthernet1/0

ADSL_Server(config-if)#pppoe enable //開(kāi)啟FastEthernet1/0接口的PPPoE撥號(hào)功能

ADSL_Server(config-if)#no shutdown

（2）啟用AAA作為ADSL撥號(hào)用戶的身份驗(yàn)證服務(wù)器

ADSL_Server#aaa new-model //開(kāi)啟AAA服務(wù)器

ADSL_Server(config)#aaa authentication login internet group radius //啟用AAA身份驗(yàn)證服務(wù)器

ADSL_Server(config)#radius-server host {hostname| ip-address} [auth-port port-number] [acct-port port- number][key text-string]//分配AAA身份驗(yàn)證服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)和密鑰

（3）為ADSL用戶創(chuàng)建地址池

ADSL_Server(config)#ip local pool adslpool ip-address-1 ip-address-2//為ADSL用戶創(chuàng)建地址池

（4）開(kāi)啟VPDN（Virtual Private Dial-up Networks）功能，并配置PPPoE協(xié)議

ADSL_Server(config)#vpdn enable //開(kāi)啟VPDN功能

ADSL_Server(config)#vpdn-group adsl //創(chuàng)建VPDN組

ADSL_Server(config-vpdn-acc-in)#protocol pppoe //配置VPDN協(xié)議為PPPoE

ADSL_Server(config-vpdn-acc-in)#virtual-template 1//指定虛擬撥號(hào)模板1

ADSL_Server(config)#int virtual-Template 1 //進(jìn)入虛擬撥號(hào)模板1

ADSL_Server(config-if)#ip unnumbered FastEthernet1/ 0//配置無(wú)IP地址編號(hào)，使用FastEthernet1/0地址表示

ADSL_Server(config-if)#peer default ip address pool adslpool //配置ADSL撥號(hào)用戶使用adslpool地 址池

3.4 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

（1）針對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)或小型辦公網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在仿真環(huán)境中規(guī)劃設(shè)計(jì)ADSL橋接方式的網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)鋱D；

（2）配置拓?fù)鋱D中各設(shè)備連通所需的參數(shù)，要求用戶端連接方式為PPPoE撥號(hào)方式，服務(wù)器端通過(guò)RADIUS認(rèn)證服務(wù)進(jìn)行用戶管理；

（3）測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性并進(jìn)行故障排查；

（4）在模擬模式下進(jìn)行包傳輸路徑跟蹤測(cè)試，并查看協(xié)議包報(bào)文格式。

3.5 實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)。打開(kāi)Packet Tracer 軟件，根據(jù)任務(wù)需求自行設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。ADSL寬帶接入網(wǎng)主要由ADSL路由器、ADSL服務(wù)器、ADSL橋接設(shè)備、PC機(jī)等設(shè)備組成。本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的家庭或小型辦公網(wǎng)，對(duì)應(yīng)一個(gè)家庭或辦公室內(nèi)PC機(jī)、打印機(jī)、無(wú)線路由器等設(shè)備的組網(wǎng)。按照所設(shè)計(jì)的拓?fù)鋱D進(jìn)行設(shè)備之間的連接，應(yīng)注意接口的選擇以及連線所使用的線纜類型，還應(yīng)注意用戶端ADSL設(shè)備接入到電信局ADSL云的modem接口，以及電信局ADSL云的ethernet接口接入到ADSL_Server路由器的FastEthernet1/0接口等。

步驟2：設(shè)備的配置。根據(jù)如表1所示參數(shù)配置表，完成局域網(wǎng)中各主機(jī)、服務(wù)器、路由器的配置。注意在ADSL_Server路由器的FastEthernet1/0接口上配置PPPoE協(xié)議。

表1 參數(shù)配置表

步驟3：打開(kāi)終端主機(jī)桌面，點(diǎn)擊PPPoE Dialer，輸入帳號(hào)密碼，進(jìn)行入網(wǎng)身份認(rèn)證。認(rèn)證通過(guò)后在命令行窗口鍵入ping命令，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性。

步驟4：在仿真環(huán)境中Simulation 模式下對(duì)包傳輸路徑進(jìn)行跟蹤測(cè)試。

3.6 思考與創(chuàng)新

完成本次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)ADSL寬帶上網(wǎng)所涉及到的理論知識(shí)有了更深入的理解。為進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后思考以下問(wèn)題：

（1）ADSL接入方式應(yīng)用的是電路交換技術(shù)還是分組交換技術(shù)，并說(shuō)明理由；

（2）為什么ADSL接入在使用電話線傳輸?shù)耐瑫r(shí)不會(huì)影響打電話；

（3）查閱資料，了解ADSL橋接設(shè)備和路由設(shè)備的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)；

（4）如果該項(xiàng)目中用戶端的接入設(shè)備由ADSL橋接設(shè)備換成ADSL路由設(shè)備，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和配置操作應(yīng)如何修改，試重新搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫瓿蓪?shí)驗(yàn)。

通過(guò)認(rèn)真思考以上問(wèn)題學(xué)生將認(rèn)識(shí)到，ADSL接入雖然采用電話線傳輸，但并未使用電路交換技術(shù)，交換技術(shù)體現(xiàn)在交換設(shè)備應(yīng)用的協(xié)議上，而非傳輸線路上。如果學(xué)生嘗試將用戶端的ADSL橋接設(shè)備換成ADSL路由設(shè)備，則需要自主查閱文獻(xiàn)，了解2種ADSL接入設(shè)備的異同點(diǎn)，掌握用戶端ADSL路由設(shè)備的配置命令，進(jìn)一步鍛煉自學(xué)能力和創(chuàng)新意識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的現(xiàn)代交換原理課程多采用實(shí)驗(yàn)箱、交換機(jī)等硬件設(shè)備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，但由于硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新?lián)Q代慢，無(wú)法適應(yīng)交換技術(shù)的飛速發(fā)展。本文對(duì)現(xiàn)代交換原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了探索，利用Packet Tracer網(wǎng)絡(luò)模擬器設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了在虛擬環(huán)境中完成預(yù)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的，彌補(bǔ)了現(xiàn)代交換原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、實(shí)踐深度不夠、實(shí)踐范圍狹窄等不足，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)了學(xué)生從系統(tǒng)角度理解、掌握理論知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，結(jié)合項(xiàng)目教學(xué)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。教學(xué)實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)有硬件實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，有助于課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

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Design of virtual simulation experiment for modern exchange principle based on Packet Tracer

LI Hongyan, FAN Chao

(School of Information Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

By taking the training project “ADSL Dial-up Internet” as an example, the content design of virtual simulation experiment based on project teaching method and Packetet Tracer simulation software is elaborated in detail. The teaching practice shows that the virtual simulation experiment effectively remedies the shortcomings of outdated experimental equipment, inadequate depth of practice and narrow scope of practice in the experiment teaching of modern exchange principle, promotes students to understand and master theoretical knowledge points from a systematic perspective and improves their ability to analyze and solve problems.

modern exchange principle; Packet Tracer; virtual simulation experiment

TP393.4；G434

A

1002-4956(2019)10-0167-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.040

2019-02-09

2018年度河南省示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（教高[2018]991號(hào)）；河南省高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀基層教學(xué)組織建設(shè)項(xiàng)目（教高[2018]1058號(hào)）；河南工業(yè)大學(xué) 2018 年本科教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐專項(xiàng)項(xiàng)目（GJYJ-ZX16）

李紅巖（1977—），女，河南商丘，博士，副教授，研究方向?yàn)樾滦吐酚山粨Q技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。E-mail: lihyky@126.com