基于Packet Tracer仿真平台的计算机组网教学研究

段国云 唐亚纯

(湖南科技学院 网络中心，湖南 永州 425199)

基于Packet Tracer仿真平台的计算机组网教学研究

段国云 唐亚纯

(湖南科技学院 网络中心，湖南 永州 425199)

文章根据目前高校计算机组网课程理论课时过多实践课时少的问题，提出调整课时结构，加强实践教学的课程改革思路；利用Packet Tracer仿真平台结合任务驱动教学法进行实践教学，在教学过程中取得了良好的教学效果。该实践教学过程以实际的网络工程项目背景为例，详细地描述了网络工程项目分析、设计、实施的过程，采用仿真软件将复杂的工程项目引入到教学过程中并以学生为主体加以实现，有效地培养了学生的实践操作能力和创造力，加深了学生对项目所用知识的掌握和理解。

Packet Tracer；教学改革；计算机组网；仿真实验；任务驱动法

引言

《计算机组网技术》课程是计算机、通信技术等专业必修课程，其培养目标是培养应用型人才；学生通过本课程的学习，对网络协议和运行原理有一定程度的了解，并具有独立对中小型计算机网络组建和维护的能力。课程的教学过程中，学生学习的重点是网络设备的运行原理和网络协议的工作原理；教师授课的重点是结合生活中实际的工程项目和书本知识点设计教学实践任务，通过任务的实施培养学习者规划、分析、设计和维护中小型网络的能力。目前多数高校开课的特点是理论课时比例远大于实验课，以教师讲授理论课为重点，存在重理论轻实践的弊端，忽略了学生创造力和主观能动性，不利于应用型人才的培养。

很多教学工作者为了解决以上问题，提出了多种教学改革方案；如文献[1]提出以学生自主学习为中心的实践教学法，文献[2]中提到了采用任务驱动法进行教学，对理论和实践课时结构比例进行了调整，取得了一定的成效。采用任务驱动法教学的过程中，任务的来源均是结合实际的项目需求而设计的，任务对实验设备要求比较高、网络设备的更新速度极快，目前高校难以满足实物设备的需求；由此，文中采用 Packet Tracer模拟仿真平台辅助任务驱动和实例教学法[2]对计算机组网技术实验课程进行实践教学。

1 Packet Tracer概述

Packet Tracer是一款非常优秀的网络模拟仿真软件，由思科公司开发，为网络初学者学习网络的设计、配置、故障排除提供良好网络环境的辅助学习工具[3]。平台可模拟思科路由器、交换机、无线设备、服务器、终端和各类链路，支持广域网仿真和VPN(Virtual Private Network)、AAA认证等高级配置，支持设备多种业务模块选配与组装。其最大的优点是为用户提供了良好的可交互、可视化图形界面，在平台工作区窗口中采用对设备直接拖曳的方式搭建网络拓扑进行组网，所有的操作与真实的物理设备几乎相同[4]；在验证网络实验项目正确性的测试过程中，可通过数据包传输的详细过程实时观察网络的运行情况。平台对 IOS(Internetwork Operating System)系统进行模拟，集成了相应的命令子集，允许学习者使用各种命令通过CLI(Command-Line Interface)模式对设备进行配置，模拟过程基本上接近实物设备操作。该仿真平台因其方便性和真实性而被学习者广泛接受，也被广泛应用于网络工程实践教学中。

2 教学过程及实验构建

在计算机组网技术实验课程中，我们开设了15个实验项目，其中有虚拟局域网的组建、Vlan(Virtual Local Area Network)间通信、静态路由和默认路由、RIP(Routing Information Protocol)动态路由等10个课内实践项目，有策略路由、STP(Spanning Tree Protocol)协议的应用和OSPF(Open Shortest Path First)路由协议等5个课外实践项目，所有实践项目均根据真实网络需求进行任务设计。文中以企业网的组建综合设计项目的实现过程来讲解利用Packet Tracer平台辅助计算机组网课程教学。

2.1 项目需求描述

某企业打算组建内部局域网并接入互联网，根据实地调研与各部门需求汇总，项目背景如下：(1)公司有6个部门，共有职员60人，人员结构及场地分布情况如表1所示，其中生产区和研发楼距离较近。(2)上班时间所有部门均能上公司内网，除市场部、办公室可上互联网，其它部门办公室均不能接入互联网。(3)员工宿舍上班时间不能上网，下班时间可上互联网和访问公司内网的 OA(Office Automation)系统。(4)公司各部门用户之间不能相互访问，共享数据仅通过内网收发电子邮件完成。(5)公司对外为用户提供 Web服务，对员工提供Email(Electronic mail)、OA和FTP(File Transfer Protocol)等网络服务。(6)设计网络时不但保证信息安全还需为公司节约开支，从ISP(Internet Service Provider)运营商申请公网IP(Internet Protocol)地址2个，所有的网络服务器安置在公司内网中。网络采用两层网络结构按以太网标准进行组网，要求千兆主干，百兆桌面接入，选用相应的路由器或防火墙为出口设备；所有PC的IP地址采用自动配置模式。(7)所有网络设备均要求支持 SNMP(Simple Network Management Protocol)管理，交换设备要求采用相关技术控制广播风暴的产生。

表1 用户分布情况

2.2 理论知识教学

文中所构建的项目为综合设计项目，之前开设的课内实验均为此项目打下了良好的基础。根据项目需求，安排4-8个课时进行实践教学，细化知识点并对项目中的知识点进行要点式复习，对大多数学生有疑虑的要点，采用仿真平台模拟实验辅助理论知识的讲解。上课时，将上述项目分解出来，有网络结构和拓扑分析、Vlan技术、网络服务器的架设、ACL(Access Control List)技术、NAT(Network Address Translation)技术、IP规划和路由等知识点。在复习并掌握分解的知识点后，要求学生更要注重的是网络设计及IP规划技术的学习。教师重点传授的是怎样根据实际环境下的网络需求进行设计，再将逻辑设计转化为Packet Tracer平台下的组网模型并进行仿真及通信情况的监测，检测所设计的网络方案是否能用于真实的环境。

3 项目实施

3.1 项目分析与设计

在仿真平台中仿真项目所有成员并不现实，我们根据网络拓扑图的设计方法[5]，按项目需求建立仿真模型；将项目中用户进行分类，每个类别的用户在拓扑结构中用一个用户来替代。教学过程中带领学生分析项目，将用户分成9种类型，其中上网用户8类和DMZ(Demilitarized Zone)专区1类；按项目节约成本的要求，核心层采用高性能可网管的二层交换设备，接入层采用中低端的可网管二层交换设备，所有交换设备开启STP(Spanning Tree Protocol)防止链路环；上网时间及各网络服务的访问权限在出口网关上采用ACL技术进行控制；内网用户各类端口的安全过滤采用扩展ACL在网关和接入层交换设备上进行控制；出口选用路由器，Vlan之间的通信问题采用单臂路由技术解决，网络拓扑如图 1所示。

图1 仿真项目网络拓扑图

网络拓扑图是根据项目需求对网络设计的逻辑结构，能很好的反映网络结构情况。按需求各部门用户间不能互相访问，在办公用户群和生产研发用户群中，每个部门设计 1个虚拟局域网，服务器群和员工宿舍区单独划分虚拟局域网，所有用户的 IP地址均采用 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)进行配置，有上互联网需求的用户群，采用NAT转发技术接入互联网。在网络设计时根据用户数量和路由的合理性，选用192.168.0.0/23为内网IP地址，要求学生根据设备要求及用户数量对子网进行划分，在此需考虑公司的发展，为近期可能大幅度增加人员的部门预留 1倍数量的IP地址，各子网IP地址及子网结构如表2所示。

表2 子网及IP地址规划

3.2 项目实施

项目实施主要完成将设计的网络逻辑结构搬到 Packet Tracer仿真平台中，再对设备配置并进行测试的过程。教学过程中需引导学生将网络拓扑转化到仿真平台。

(1)Packet Tracer实验仿真。在仿真实验中采用100Mbps骨干，100Mbps到桌面的带宽结构进行搭建，根据图1的拓扑结构在 Packet Tracer的工作区域中选用相应设备进行网络环境的搭建和配置[6]。路由器选用Cisco2621XM，核心层交换选用Cisco2960，接入层交换选用Cisco2950；每个虚拟局域网选用一台PC机为代表进行访问控制测试，在仿真过程中选用两台Web服务器为服务器代表，在路由器中配置DHCP服务。采用Web服务器模拟公网访问，内网用户以访问WAN-Web(仿真公网)服务器的成功与否确认访问公网的情况；路由器 Cisco2621XM 标配的以太网接口数量不够 ，实验中需增加模块，文中选用NM-2FE2W模块扩展其接口。所有设备均采用 CLI模式进行配置，Packet Tracer仿真结果如图2所示。

图2 Packet Tracer仿真网络结构

(2)设备配置。在文中实践教学项目中，大部分知识点和设备的配置在前面的实验中已进行了实践操作讲解，如虚拟局域网、IP地址和子网划分等知识点的基本配置在此不再讲解，应该为学生必须掌握的知识。文中设计的教学任务中，设备配置的关键点是单臂路由的实现过程、ACL的设计和路由器中 DHCP服务配置多作用域的配置。根据项目要求，需根据时间控制用户的访问范围；配置过程中涉及到扩展ACL和时间ACL的配置，实施前需提醒学生考虑全网时间的一致性，建立NTP(Network Time Protocol)服务器。

3.3 实验测试

测试是验证网络设计模型科学性、正确性的唯一方法，实验过程中主要从以下三个方面进行验证。(1)连通性。按项目需求及设计要求配置好各设备，验证每个Vlan中测试PC自动获取IP地址与设计要求的一致性；采用Ping命令测试PC机与其它Vlan内用户通信情况；在测试PC中，访问Web服务器，验证其可用性。(2)ACL控制。调整时间服务器时间，验证网络需求的可控时间内，用户对网络的访问情况。(3)模拟数据通信。Packet Tracer本身有模拟数据通信的功能模块，可在工作界面的右下角选择“模拟模式”界面进入；在模拟模式下，Packet Tracer可按测试人员需求对测试数据进行传输模拟，也可根据测试人员要求选择只模拟如DHCP、ICMP(Internet Control Message Protocol)、OSPF(Open Shortest Path First)等几十种网络协议的数据传输过程，模拟过程如图3所示；此功能对学生学习、了解网络数据的传输原理和计算机组网实践教学发挥了巨大的作用。

3.4 学习效果评价

在本课程教学中我们连续三届学生都用 Packet Tracer模拟器和任务驱动教学方法进行实践教学。实验教学过程中，我们按学生人数进行分组实验；因为实验项目比较复杂，教学过程中按4人标准进行分组。要求同学们在实验实施的过程中有需求分析、网络拓扑、IP地址规划和配置规划等文档，培养学生按分析问、制定方案、方案实施、总结文档编写的工作顺序和项目实施习惯。全班分成了12个组，其中能完全做成功的组只有3个，基本能做成功的组有7个，有 2个组在实践过程中存在一些问题，在指导老师的帮助下，基本能完成项目任务。实验后老师对实践过程中存的问题进行汇总并讲解，使学习者更进一步掌握项目中相关的知识点；通过综合设计项目的实践，同学们对课程设计的课内实践项目进行了复习和整体掌握，对本门课程知识结构的构筑起到了关键性的作用，在教学过程中，收到了一定的教学效果。

图3 Packet Tracer模拟数据传输

结束语

文中介绍了 Packet Tracer仿真平台的功能和计算机组网技术的实践教学内容，以真实的网络需求为背景，讲解网络工程项目设计的详细过程并采用 Packet Tracer仿真网络模型。通过仿真实践教学，将计算机组网中抽象的知识，不容易见到的网络设备在仿真平台中进行模拟，学习其工作原理并学会在实际项目需求中的应用；将理论教学和实践教学作了进一步的融合。此类实践教学方法的推行，对提高学生学习兴趣和培养学生实践动手能力、创造力发挥了一定的作用，为学习者处理将来工作中所碰到的实际问题积累了一定的经验。

[1]赵丹.以学生自主学习为中心的任务驱动教学模式探讨[J].教育与职业,2013,(12):98-99.

[2]段国云.任务驱动法在《计算机组网》课程教学中的探索与实践[J].现代计算机(专业版),2014,(5):53-55.

[3]崔北亮.CCNA认证指南[M].北京:电子工业出版社, 2009:82-83.

[4]唐灯平.基于Packet Tracer的帧中继仿真实验[J].实验室研究与探索,2011,(5):192-195,210.

[5]李亚玲.自动绘制网络拓扑技术[J].湘潭师范学院学报(自然科学版),2007,(4):35-36.

[6]王晓红.思科Packet Tracer仿真软件在网络工程教学中的应用[J].电脑开发与应用,2012,(5):61-63.

TP393

A

1673-2219（2014）05-0132-03

2013-12-11

湖南省教育厅项目(11C0600)；湖南科技学院计算机应用技术重点学科资助。

段国云(1982－)，男，湖南永州人，硕士，讲师，工程师，CCF会员，研究方向为网络与信息安全、Web技术、课程教学方法。唐亚纯(1980－)，男，湖南永州人，硕士，实验师。

(责任编校：何俊华)