通信與計算機網絡實驗的創新研究

韓方珍，曹詠，俞守華，熊俊濤

（華南農業大學數學與信息學院，廣州510642）

1 計算機網絡實驗教學現狀

《通信與計算機網絡實驗》是信息管理與信息系統本科專業基礎課程中的必選課，是一門實踐性較強的獨立實驗課程，對于本科生網絡技能的培養起決定性的作用[1]。但現有計算機網絡課程的實驗教學內容過于陳舊，實驗項目大多是操作性、驗證性的基礎型實驗，實驗環境受限，實驗教學方式單一，已經無法滿足新工科建設的要求。對計算機網絡實驗教學方法與實驗內容進行創新研究，是《通信與計算機網絡實驗》教學改革的必然趨勢。

另外在實驗教學中，大部分組網實驗項目需要用到多臺計算機、多種設備和多個操作系統，如局域網的組建、網絡配置與管理、DNS、DHCP 等各種網絡服務的配置、遠程訪問和路由的設置等，而現有的實驗機房設備不足、計算機安裝保護卡等教學條件限制，導致實驗無法順利開出。針對諸如此類問題，使用VMware 虛擬機技術在一臺物理機上虛擬出多個操作系統[2]，可同時運行且不會相互干擾，來解決實驗環境受限的問題。

2 基于VMware Workstation的實驗設計

考慮到實驗室的計算機數量龐大，虛擬機架構采用的做法是：先將一臺計算機作為宿主機并安裝VM?ware Workstation 軟件，再安裝通信與計算機網絡實驗需要的虛擬操作系統，然后利用計算機上的硬盤保護卡的網絡同傳功能將宿主機的系統封裝好[3]，克隆到其他的計算機上。這樣的做法方便快速部署。網絡同傳完成后，實驗室每臺計算機上都有了虛擬機系統。

2.1 虛擬機實驗環境架構

本虛擬實驗環境中，實驗室的宿主機采用Win?dows 10 操作系統，并安裝好VMware Workstation 10 軟件，同時準備好安裝有服務器版本Windows Server 2003 和客戶端版Windows 8.0 操作系統的虛擬機鏡像，以便快速搭建虛擬實驗環境。運行時，虛擬機鏡像文件放置在非保護分區中，避免宿主機重啟導致上次實驗結果丟失[4]。虛擬機實驗環境架構如圖1 所示。

圖1 虛擬機實驗環境架構

2.2 創新多層次模塊實驗項目設計

以新工科建設為目標，創新設計多層次模塊的實驗項目，讓學生可以從中靈活的組建網絡、學習和掌握網絡操作知識[5]。基于VMware Workstation 虛擬機的實驗環境，主要分網絡基礎實驗、網絡互連實驗、服務器配置實驗和綜合設計性實驗4 個模塊，每個模塊下又具體設計2-3 個實驗項目。具體如表1 所示。

表1 基于VMware Workstation 的實驗項目設計

（1）網絡基礎的實驗。實驗包含3 個項目。其中對等網的安裝實驗，學生實驗分4 人一組，每個學生使用1臺物理主機，其上2 個虛擬機中，1 臺安裝Windows Server 2003 作為服務器，另外1 臺安裝Windows 8.0 操作系統作為客戶機。學生可通過配置客戶機的參數，進行對等網的安裝及測試。

（2）網絡互連實驗。實驗包含3 個項目，其中小型C/S 局域網的組建及管理實驗內容包括：域環境的建立、用戶及組管理，以及組策略管理[6]。

在該類實驗中，學生實驗分4 人一組，每個學生使用1 臺物理主機，其上2 個虛擬機中，2 臺安裝Win?dows Server 2003，采用NTFS 文件系統，其中1 臺作為域控制器，另1 臺作為文件服務器，其他的虛擬機安裝Windows 8.0 系統作為客戶機。學生先配置域控制器，在1 臺服務器上添加“域及活動目錄”角色，使其成為域控制器，另外2 臺客戶機加入到域，并通過域控制器上的“Active Directory 用戶和計算機”工具查看并管理域中的計算機，組建一個C/S 結構的小型局域網。

（3）服務器配置實驗。實驗包含3 個項目。該實驗是在虛擬機局域網環境下進行的，所需硬件及軟件設備如下：運行Windows Server 2003 操作系統的服務器2 臺，運行Windows 8.0 操作系統的客戶機3 臺；MDaemon 郵件服務器軟件。

安裝Windows Server 2003 操作系統的虛擬機能夠充當DNS 服務器（一般由域控制器擔當這一角色）。DHCP 服務器必須運行于Windows Server 2003 的虛擬機上，并且已配置好TCP/IP 協議。選擇“控制面板/添加刪除Windows 組件/網絡服務/詳細信息/域名系統（DNS）/動態主機配置協議（DHCP）”，安裝DNS 和DHCP 系統。重新引導Windows Server 2003 之后，DNS服務、DHCP 服務器開始生效[7]。

配置郵件服務器實驗，先在虛擬機Windows Server 2003 服務器安裝MDaemon 軟件，安裝結束后，默認彈出MDaemon Server 域設置窗口，輸入設置的郵件服務器域名，新建賬戶；郵件客戶端軟件可以選擇Windows自帶的Outlook Express，也可以選擇其他常用的郵件客戶端軟件Foxmail 等[8]。

（4）綜合設計性實驗。實驗包含3 個項目，其中有2 項是學生可根據自身能力和愛好，自行選做的。綜合設計性實驗的主要目的是將整個課程所包含的獨立的知識點融會到綜合性實驗中，通過系列綜合性實驗，達到對組建局域網、交換機配置、虛擬局域網、IP 地址等知識點的綜合理解和掌握[9]。

其一校園網的設計實驗，要求學生熟悉DHCP、DNS、Web、VLAN 等服務的配置方法，鍛煉學生設計網絡、組網和網絡配置的能力。學生需要根據實驗要求，考慮校園網應該使用什么設備，設備需要配置什么協議來支持需求。學生在實驗過程中，需要考慮內網IP和外網主機通信要使用NAT，3 層交換機中需要配置VLAN。在進行網絡層協議的學習過程中，這樣的綜合實驗，可以把理論和實際問題有機結合起來[10]。

其二小型企業局域網的構建與管理實驗，需要在虛擬機上配置服務器和設置客戶端，在服務器上建立私有空間（只能允許各部門內部人員使用）和公有空間（允許公司內部所有部門人員使用），為不同部門指定不同的權限；配置郵件服務器，并進行設置和管理郵件服務，實現各部門間郵件收發；各實驗小組可根據實驗目的自行設計實驗內容。

3 問題分析：解決虛擬網卡的MAC地址重復問題

在實驗中，測試虛擬機和虛擬機之間的連通情況時，出現了一個大問題：很多虛擬機之間不能相互通信，而一部分虛擬機之間卻又是能夠通信的狀況。幾經摸索，終于發現：原來不能相互通信的那些虛擬機中，它們的虛擬網卡的MAC 地址是相同的，導致了虛擬機系統盡管設置IP 地址不沖突也無法通信的現象，這就是問題癥結所在了。網絡同傳只是將物理機的系統封裝了再克隆，卻沒有能夠把虛擬機里的系統封裝[11]，所以出現了很多虛擬機系統的MAC 地址重復的現象。

解決以上問題的方法，需要在虛擬機軟件設置里更改MAC 地址[12]。

首先打開虛擬機軟件，不進入任何操作系統，在VM 下選擇“Setting”，然后選中虛擬機網卡，在配置選項里點擊“Advanced”，操作如圖2 所示。點擊“Ad?vanced”后，出現如圖3 所示。

圖2 高級設置

圖3 MAC地址設置

點擊“Generate”后，虛擬機軟件會自動分配一個新的MAC 地址給虛擬系統[13]。通過這種方法解決了虛擬系統之間MAC 地址重復的問題，從而保證了虛擬系統之間的正常通信，《通信與計算機網絡》實驗課程得以順利開展。

4 結語

針對《通信與計算機網絡實驗》教學中存在的問題，以新工科建設為目標，利用VMware 虛擬機技術改革創新實驗教學，對實驗內容進行了重新的規劃設計，提出了多層次模塊化的實驗項目改革，并加入可選擇型綜合設計性實驗項目。注重基礎實驗的同時，強化綜合性實驗重要性[14]，培養學生的工科思維、創新能力。

利用虛擬機技術能夠方便、快捷地構建虛擬的網絡實驗環境[15]，順利完成實驗教學，學生可反復在安全的虛擬實驗環境上進行操作，對計算機系統和設備硬件上不會造成破壞。這既緩解了當前實驗室設備不足的問題，又降低了實驗室的管理難度，因此，在計算機網絡實驗教學中推廣虛擬機技術具有非常積極的教學意義，對提高實驗教學質量有著重要的意義。