基于网络协议仿真平台的计算机网络实验课程探索*

马 丽，于合龙，邓蕾蕾，王靖会

（吉林农业大学 信息技术学院，吉林 长春130118）

基于网络协议仿真平台的计算机网络实验课程探索*

马 丽，于合龙，邓蕾蕾，王靖会

（吉林农业大学 信息技术学院，吉林 长春130118）

计算机网络协议复杂，理解困难，本文针对实验教学中对网络协议关注较少的问题，将协议仿真技术引入到计算机网络的实验教学当中，并进行了实践探索，获得了较好的效果。实践证明，学生对网络协议中抽象的概念和理论从感性认识到理性认识，对培养学生的研究能力和实践能力起到了重要的作用。

计算机网络；协议；仿真；实验

一、引言

经过短短几十年的发展，计算机网络已经深入到人们生活的各个方面，影响着人们的生产、生活和学习。已成为计算机学科中一个重要的研究领域，“计算机网络”课程是高等学校计算机科学与技术专业普遍开设的核心专业课程。在计算机网络课程中，涉及大量的协议，贯穿着计算机网络体系结构的各个层次。协议内容抽象、复杂，仅通过理论教学很难让学生理解和掌握这些内容。

如何完善计算机网络实验教学体系，搭建网络协议仿真平台进行网络协议实验教学，增强学生对网络协议的感性认识，使学生更加深入地理解、验证和巩固课堂教学内容，培养学生理论与实践相结合的能力，是我们亟需解决的课题。

二、网络协议实验课程的重要性

计算机网络协议是网络软、硬件运行时实现的规则集，是计算机网络实现其功能的最基本机制。网络协议存在于网络体系结构的各个层次，相互协调工作，是一个复杂的系统，完成着计算机网络的服务功能。计算机网络的每一个功能层面，都有专门的协议负责在该层次的数据传输，并为其上面的层次提供服务功能接口。网络协议必须与网络资源的特点相适应，以发挥各自的特点，更好地提供网络服务。网络层次的相互制约和协同关系，使得不同网络运行的网络协议也会具有各自不同的特点。网络硬件技术水平飞速提高，要求软件技术和网络协议不断与其相适应。

在本课程的实验中，引入了吉大中软计算机协议仿真平台，加强了计算机网络协议方面的实验，采用“教师指导下的以学生为中心”的教学模式，增强学生对计算机网络协议的感性认识，培养学生理论与实践相结合的能力，以及分析问题和解决问题的能力。

三、网络协议实验教学设置

协议仿真平台包括两个功能模块：会话分析和协议解析。会话分析功能将网络通讯过程中捕获到的数据帧加入到会话列表，并且将会话次序和数据传输方向以图示形式显示完整的会话过程。通过对完整会话的分析，使学生加深理解协议的原理及工作过程。协议解析模块包括概要代码显示、详细解码和原始数据显示等功能，能够详细地解释和说明协议，并且可以根据选择实现动态跟踪显示方便对数据的分析。

在本课程的实验教学中，根据TCP/IP体系结构，共设置了四个计算机网络协议实验，包括：UDP协议仿真实验、TCP协议仿真实验、IP协议仿真实验和以太网帧结构实验。实验采用分组进行的方式，每组6台机器，标示为A、B、C、D、E、F。 实验采用 2种拓扑结构进行环境配置。拓扑结构如图1和图2所示。

1.UDP协议仿真实验

该实验采用结构一进行，通过UDP单播通信和广播通信，分析和理解UDP协议原理及工作过程。

实验步骤为：（1）UDP单播通信过程。在协议仿真平台上，设置该组的端口，主机A作为客户端，分别以主机B、C和D的IP地址为目的IP地址，填写数据并发送，观察其他主机捕获的报文情况。（2）UDP广播通信过程。主机A作为客户端，以255.255.255.255为目的地址，编辑数据并发送，观察其他主机捕获的报文情况。

实验完成后，分析报文中目的IP地址和MAC地址的含义，讨论UDP协议能否确保数据报的发送和接收顺序，查看UDP会话过程，理解UDP协议并掌握UDP的工作原理。

2.TCP协议仿真实验

该实验采用结构一进行，通过TCP连接的建立和释放、编辑发送TCP数据包和TCP重传机制，深入理解TCP协议。

实验步骤：（1）TCP连接过程。主机A在 “服务器信息/IP地址”中填入主机C的IP地址；使用“端口扫描”功能获取主机C的TCP端口列表，在“服务器信息/端口”中填入主机C的一个TCP端口，并进行TCP连接。查看主机 B、C、D捕获的数据，分析不同报文中 Sequence Number、ACK和SYN的值。（2）利用仿真编辑器编辑并发送TCP数据包。选择服务器主机上的一个进程作服务器进程，并发送一个建立连接请求的报文，对应答的确认报文和断开连接的报文也编辑发送。填写TCP协议信息，包括源端口、目的端口、序列号、确认号等。（3）TCP的重传机制。在主机A向主机B发送数据时，主机B使用仿真平台的屏蔽功能，过滤掉接收到的TCP数据。主机A向主机B再发送一条信息。主机B刷新捕获显示，恢复正常网络功能，分析主机B捕获的数据情况。

在该实验中，帮助学生理解TCP的三次握手建立连接和四次握手的释放连接过程，TCP协议格式和TCP的重传机制。

3.IP协议仿真实验

IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议，所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输。该实验采用结构二进行。

具体实验内容为：（1）编辑并发送IP数据报。主机A启动仿真编辑器，编辑一个IP数据报，其中：MAC层包括目的主机B的MAC地址，源主机A的MAC地址，协议类型或数据长度。IP层：总长度、生存时间、源主机A的IP地址、目的主机E的IP地址、校验和。在主机B、E捕获数据。在捕获到的数据中查找主机A所发送的数据报并分析。（2）IP数据报分片。在主机B上设置以太网端口的MTU为800字节（两个端口都设置）。主机A、B、E启动协议分析器，打开捕获窗口进行数据捕获并设置过滤条件（提取ICMP协议）。主机E恢复默认过滤器。主机A、E重新开始捕获数据。主机A、E停止捕获数据。察看主机A、E捕获到的数据，比较两者的差异，体会两次分片过程。（3）子网掩码和路由转发。所有主机取消网关。主机A、C、E设置子网掩码为255.255.255.224,主机B、D、F设置子网掩码为255.255.255.240。主机A ping主机B，主机C ping主机D，主机E ping主机F。记录实验结果。

通过本实验，可以更好地理解和掌握IP数据报的报文格式、IP分片过程、子网掩码和路由转发。

4.以太网帧结构实验

该实验采用结构一进行，主要是分析以太网报文格式。实验步骤：主机B启动协议分析器，新建捕获窗口进行数据捕获并设置过滤条件 （提取ICMP协议）。主机A ping主机B，查看主机B协议分析器捕获的数据包，分析MAC帧格式。

本实验的目的是使学生掌握以太网的报文格式、MAC地址的作用。

四、结束语

实验教学在高校教学体系中占有十分重要的地位，进行实验教学的改革与探索可以提高实验教学质量。经过近三年的教学实践证明，利用协议仿真工具不仅可以使学生通过实验对计算机网络协议的原理有更深入的理解，而且可以清楚看到网络协议的工作流程，对网络协议中抽象的概念和理论有了感性认识。通过实验的比较分析和学习，学生可以得到启发，能激发学生学习的积极性和主动性，对培养学生的研究能力和实践操作能力起到了重要的作用。

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[3]周敏,肖德琴.计算机网络课程实验教学探讨[J].实验室研究与探索，2007(12)：254-256.

[4]游胜.网络协议仿真方法及软件实现关键技术的研究[D].湖南大学,2008.

[5]刘兵.《计算机网络》课程实验教学探讨[J].计算机教育,2007(1):240,264.

（编辑：隗爽）

TP393

A

1673-8454（2010）23-0076-02

吉林农业大学质量工程项目“计算机网络双语教学示范课程”及“计算机网络教学方法改革示范课程”，教育教学研究课题“网络环境下计算机网络课程交互式教学模式及其教育资源平台构建研究”。