计算机网络实验教学的探索与实践
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摘要:针对许多高校缺乏网络实验室的现状,通过在普通计算机机房中引入虚拟仿真软件,改善了网络实验环境,实现了预定内容的实验,为网络实验课的开展提供了一套可供借鉴的方法。
中图分类号:TP311文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)18-5002-02
The Explore and Practice of the Teaching of Computer Network Experiment Course
FENG Yong-li
(China Maritime Police Academy, Ningbo 315901, China)
Abstract: A way out of the present situation in which many colleges are short of specific laboratories for computer network experiments can be found by introducing virtual simulation software into ordinary laboratory so that all scheduled experiments can be conducted. It can be a reference for the teaching of computer network course.
Key words: computer networks; experiment teaching; teaching reform
计算机网络是一门计算机技术和通信技术相互渗透、密切结合而形成的综合性的交叉学科。与其它课程不同的是,计算机网络需要软件和硬件的结合,需要理论知识和设备操作的结合,它涉及的专业知识多,对实验环境要求特殊,一般需要专门的网络实验室才能完成实验任务。但是由于网络实验室投资较大,因此许多院校并没有建立专门的网络实验室,网络实验像其它计算机课程一样安排在普通计算机机房中。实验环境的缺失,致使大量网络实验无法正常开展。在这种环境中培养的学生,相应地动手能力欠缺,网络实验教学很难达到预期的效果。如何立足现有条件,提高网络实验教学质量,是一个非常现实的重要课题。
1 实验内容的选择
网络实验内容的选择非常关键,通过精心选择实验内容,不仅可以使学生加深对理论知识的理解,而且解决了理论在实践中如何运用的问题。许多院校的网络实验课与理论课交叉安排,这样可以保持实验课与理论课的进度一致,教学能够相互促进、相得益彰。网络实验内容的选择,通常与理论教材相匹配。笔者在教学中采用了陈鸣教授翻译的经典教材《计算机网络―自顶向下方法和因特网特色》(机械工业出版社),并编写了与教材相配套的《计算机网络实验指导书》。理论教材主要章节及配套的实验如下:
1)网络概述实验。为了便于实验的后续开展,在第一章教学中,安排了双绞线的制作、TCP/IP协议的基本配置、网络协议分析软件的安装与使用、网络常用测试命令等实验。
2)应用层实验,主要设置了Linux、Windows Server 2003应用服务器(WEB、FTP、DNS、EMAIL)的安装与配置、网络应用编程,以及应用层协议分析等实验。
3)传输层实验,主要设置了传输层协议分析和套接字编程实验。
4)网络层实验,主要设置了网络层协议分析、路由器的基本配置、路由协议加载(RIP、OSPF、EIGRP)、NAT路由器配置、IPv6,以及帧中继组网等复杂组网实验。
5)链路层和局域网实验,主要设置了链路层协议分析、交换机基本配置、VLAN、三层交换机、单臂路由、DHCP服务器配置等实验。
6)无线网络实验,主要设置了无线局域网组网实验。
7)多媒体网络实验,主要设置了流媒体服务器配置、视频直播、视频监控、视频会议等实验。
8)网络安全实验,主要设置了网络攻防、木马、VPN、包过滤防火墙、安全网站配置等实验。
9)网络管理实验,主要设置了网络管理软件的应用、应用服务器的管理,以及网络常见故障的检测与排除等。
2 实验环境的设置
网络实验需要特定的实验环境。目前,各院校的计算机机房,普遍安装的操作系统为Windows XP,并且大多采用了硬盘还原卡,以对操作系统和所安装的应用软件进行保护。这种实验环境无法进行网络服务器的安装与配置,既便安装了双系统,但由于还原卡的存在,只要计算机一重启,就还原到初始状态。此外,由于计算机机房的布线是固定的,大都铺设于防静电地板之下,因此不能灵活地进行组网操作,也无法完成网络交换机、路由器等设备的接入与维护。为此,笔者在普通计算机机房中引入了虚拟仿真软件,通过精心设计,课程选定的网络实验几乎都可以完成。
2.1 VMware虚拟机
在当前计算机性能比较好的情况下,通过安装VMware虚拟机,可以把一台电脑虚拟成多台电脑。在虚拟机上,可以任意选择安装Windows和Linux等网络操作系统。这样就可以将虚拟机配置成应用服务器,而真实机则作为客户机进行访问与测试。为了便于服务器的安装配置,可以将系统安装光盘做成镜像,存放于每一台计算机上。安装完虚拟机后,默认情况下真实机会出现三个网卡,一个为物理网卡,另两个为VMnet1和VMnet8虚拟网卡。而每台虚拟机与真实机主要有Bridged、NAT和host-only三种连接模式。根据实验的需要,可以灵活进行选择。
如果采用Bridged模式,相当于虚拟机与真实机通过一个外部的交换设备连在一起,此时真实机的物理网卡必须接入一个交换设备,如图1所示。这样,每名学生可同时控制多台服务器与客户机,能够进行复杂的网络环境测试,完成网络客户端维护、网络服务器的安装与配置等实验。为了解决计算机机房中计算机的IP地址冲突问题,可以在机房局域网中接入一台宽带路由器,并开通DHCP功能,以给机房中的计算机提供IP地址。
为了避免服务器配置时,人为指定服务器地址而造成的IP地址冲突,也可以选择host-only连接方式,此时虚拟机与真实机的VMnet1网卡相连,形成了一个私有网络。这个私有网络是完全封闭的,与物理网卡的IP地址配置无关,如图2所示。因此,对于一个独立的计算机,即使它没有接入局域网,也能够进行相应的网络实验。由于每台电脑就是一个网络,因而学生的动手机会大大提高,也便于教员对学生进行统一考核。同时,这种环境也有利于学生在个人计算机上自主完成老师布置的网络实验。
如果虚机所在的私有网络要联入外网,可以采用NAT模式。此时虚拟机与真实机的VMnet8网卡相连构成私有网络,然后通过真实机的物理网卡接入外网,此时真实机实际上变成了一台虚拟NAT服务器,如图3所示。
如果想进行个性化设置,可以通过真实机开始菜单的“Manage Virtual Networks”选项进行设置。
2.2 网络设备仿真软件
在缺乏网络交换设备的情况下,可以通过各种专业仿真软件,进行组网实验。在教学中,笔者主要采用的软件有Boson、DynamipsSee和Packet Tracer。这三个软件各有自己的优点。
1)Boson软件,内置有许多典型实验,每个实验有具体想定和详细拓扑结构,并且给出了具体的配置命令,非常方便学生自学和练习。通过该软件及相应说明,学生能够快速熟悉交换机和路由器的运行环境及配置命令,在较短时间内掌握网络的搭建及配置。
2)Packet Tracer软件,最主要的优点是可视化。系统内置的网络设备都有逼真的视图和可选的插拔模块,从开关机按钮到模块的更换,仿真软件都做得特别逼真。对于复杂组网,有许多设备和连接线缆可供选用,网络连接简单,配置方便,非常适合初学者使用。
3) DynamipsSee,又称真机模拟器,该软件与真实设备的操作界面完全是一样的。只要有网络设备的操作系统镜像,就可以对该型号设备进行仿真操作,大大增强了网络实验的灵活性,特别适合于缺乏高端网络设备的实验室环境。该仿真软件的虚拟设备还可以与真实机和虚拟机相连,进行各种复杂的组网和网络安全实验,比如帧中继组网和包过滤防火墙实验等。该软件功能强大,但相比前两款软件,网络拓扑结构是一个配置文件,相对抽象一些,适合有一定基础的学生进行实验。
2.3 其它实验工具
为了完成课程设定的实验任务,除了虚拟机和网络设备仿真软件提供的实验平台外,还需要其它的一些软硬件工具。
2.3.1 软件方面
1)网络协议分析软件。主要采用了Ethereal分组嗅探器。
2)套接字编程工具。主要安装了软件开发工具Java和.Net开发环境等。
3)多媒体网络实验。主要采用了视频编解码工具wmencoder,视频会议软件Netmeeting等。
4)网络安全实验。主要使用了扫瞄软件SuperScan、x-scan,冰河木马,蜜罐系统Honeyd,入侵检测软件KFSensor等。
5)网络管理实验。主要使用了Sniffer Pro、Opnet等工具。
2.3.2 硬件方面
1)网线制作需要网线、水晶头、网线钳、测试仪等工具。
2)无线组网实验需要无线网卡、无线宽带路由器等设备。
3)多媒体网络实验需要摄像头、监控摄像机、视频服务器等。
3 结束语
在普通计算机机房中采用虚拟仿真软件解决了许多网络实验不能做的问题,一定程度上提高了计算机网络课程的教学质量。但是由于虚拟仿真软件相对实物来说比较抽象,对于一部分抽象思维较差的学生,进入情况比较慢。有条件的院校,最好建立专门的网络实验室,以便在实验中给学生留下整体、直观的印象。在学生入门后,可主要采用虚拟仿真软件进行操作练习,以避免对实验室设备的损耗。这种实验组织模式能够最大程度发挥各自的优势。计算机网络是实践性很强的课程,如何提高网络实验课的教学质量,还有待于不断探索。
参考文献:
[1] 方芸,高仲合,等.计算机网络实验教学改革[J].实验室研究与探索,2008(6).
[2] 杨毅,杨新伦.用虚拟仿真软件构建计算机网络实验环境[J].广西工学院学报,2006(6).
[3] 陈鸣.实用计算机网络实验教程[M].北京:机械工业出版社,2007.
[4] 陈鸣译.计算机网络―自顶向下方法和因特网特色[M].北京:机械工业出版社,2005.