基于多平台融合的网络工程实验教学模式

李领治, 杨 哲, 张文哲

(苏州大学 a. 计算机科学与技术学院；b. 计算机与信息技术国家级实验教学示范中心， 江苏 苏州 215006)



基于多平台融合的网络工程实验教学模式

李领治a,b, 杨 哲a, 张文哲a

(苏州大学 a. 计算机科学与技术学院；b. 计算机与信息技术国家级实验教学示范中心， 江苏 苏州 215006)

网络技术发展迅速，IT业界对高校网络工程专业的人才培养提出了更高要求，课程的实验教学内容必须与社会应用的最新技术保持一致。论文提出了一种基于多平台融合的实验教学模式，将业界广泛使用的Packet Tracer、Dynampis和OpenWRT等平台引入到实验教学中来，与传统的实验工具相结合，共同完成课程的各个实验教学环节。实施结果表明，该模式可以提升实验教学的效果，训练学生的设备操作技能和设计开发能力，与社会需求密切关联，进一步提高网络工程人才培养的质量。

网络工程; 实验教学模式; Packet Tracer; Dynampis; OpenWRT

0 引 言

计算机网络技术发展十分迅速，信息社会对网络技术应用和网络工程人才的要求也不断发生变化，原有的教学模式、教学方法和教学内容已经很难适应人才培养的需求[1]。高校课堂教学必须与社会应用的最新技术相一致，这是IT业界对高校人才培养的共同要求，这一点对于网络工程实验教学尤为重要[2]。

然而，一般高校由于受到经费和技术的限制，不可能通过不断更新网络工程实验设备的方式构建与社会应用需求相一致的实验环境[3]。使用原有的实验设备和实验模式培养出来的人才实际上与社会需求是脱节的[4-5]。用人单位虽然可以通过短期培训的方式让网络工程毕业生尽快走上工作岗位，但是毕业生由于技术视野的狭窄，往往再也无法走出相关的小领域就业，这对他们的个人发展和社会对人才的流动性需求都是十分不利的。另外，毕业生由于受到技术视野的限制，也难以从宏观角度提出创新性的技术方案，他们对于社会的贡献程度将会大大降低[6-7]。

本文提出的网络工程多平台实验教学模式，将国内外一些高校、知名企业和培训机构所研发的开放式软件平台引入的网络工程实验教学中来。在不增加网络硬件设备的基础上，通过优势资源的引进逐步缩小人才培养与社会需求的差距。实验教学活动不同于科学研究，不强调技术的原创性、而强调人才培养的最优性。既然网络工程领域目前已经存在一些开放的优秀虚拟系统，我们就应该在实验教学中引进来为我所用。本文所要解决的问题就是研究在不违反知识产权保护的前提下，将多种最新的开放式虚拟实验平台融合到实验教学中来，以改进当前网络工程实验的教学方法和教学模式，提升人才培养的质量。

1 多平台融入网络工程实验

1.1 Packet Tracer引入实验教学

目前，许多大型网络设备生产商都开设了关于本公司产品的各类专业技术培训，并且推出了面向社会的专业认证考试，通过考试的人员可以获得不同等级的认证证书，作为从事网络工程相关工作的资质证明。一些设备商(如思科、华为等)的认证考试内容除了具有本品牌产品的操作技术外，还包含了相当一部分基本原理和实施方法等网络工程领域普遍使用的知识和技能[8]。因此，这些设备商所颁发的认证证书，也得到了业界的普遍认可。

从技术类人才训练的角度看，网络工程类课程的教学目标与设备商的培训目标有一定的相似之处。两者都是为技术人才走向工作岗位储备必要的知识和技能，其中的许多讲授要点也是相同的，一些设备商培训的基本原理部分极大地借鉴了高校相关课程的理论教学。因此，高校的网络工程类实践课程也没有必要排斥设备商的认证培训，将其中的一些内容和开放性资源适当的引进课堂是十分必要的。这样即可以减少教师备课的工作量，又可以与社会需求密切结合，消除学生对各厂商设备的陌生感。这些都有利于毕业生快速适应将来的工作岗位，在激烈的就业竞争中保持一定的优势。

在众多设备生产商的网络工程师认证中，思科网院的系列培训和认证无疑是业界影响最大、最广的。为了扩大其认证的影响面、统一各培训机构的授课内容，思科为其中低层培训设计并开发了一套功能强大的网络仿真软件Cisco Packet Tracer[9]。该软件模拟了思科多种低端路由器、交换机等网络设备，用户可以十分方便的使用这些仿真设备和链路构建各种类型的网络拓扑。拓扑结构搭建完成后，用户使用与真实设备相同的命令对各种模拟设备进行配置，并通过数据包跟踪等方式对网络的连通性进行测试，以验证设备配置的正确性。

与使用真实路由器、交换机构建网络进行网络工程实验相比，Packet Tracer除了可以节约设备经费这一突出优势外，应用也更加灵活。用户可以在Packet Tracer平台上使用网络仿真设备短时间内搭建各种网络拓扑结构，减少因为连线故障等原因所占用的时间，并且可以检测跟踪数据包的发送、路由和接收状况，以此来定位网络设置的错误和故障所在。Packet Tracer已经成为网络工程师学习和训练最常用的一种工具，它不但可以用于演示与授课，还便于学生课后练习与测试，将其作为基本工具引入实验课堂也成为网络工程类课程教学的必要手段。

1.2 Dynamips提升实验教学的质量

Dynamips是法国Christophe Fillot开发的一个基于虚拟化技术的模拟软件，与Packet Tracer直接模拟路由器的操作过程和执行结果不同，它可以在一般计算机上虚拟思科几种型号的路由器硬件平台。用户在网站获得思科路由器的操作系统IOS后，可以使用一般路由器IOS的安装方法，在Dynamips虚拟的硬件平台上安装IOS。安装完成后，再使用真实命令对这台虚拟路由器进行设置。由于用户输入命令的执行对象是真实的IOS，返回的结果也与真实的路由器完全相同。Dynamips的这种虚拟硬件平台的方式，使得用户直接面向的对象是真实的操作系统而不是虚拟设备，这样就可以最大限度的让用户在PC机上对路由器的指令与配置方法进行练习和测试。

Dynamips的出现，彻底改变了以往软件(包括Packet Tracer)仅仅模拟路由器部分操作指令执行界面和执行结果的状况，它支持所有的IOS操作命令。使用Dynamips进行实验，用户输入的命令或者配置文件被真实的IOS操作系统执行，并返回真实的执行结果，这样就可以排除由于模拟平台的原因造成的大部分实验错误。Dynamips虚拟平台可以与其他的虚拟平台甚至真实的路由器连接，便于用户完成多设备操作实验。Dynamips还可以与防火墙模拟软件PEMU等进行集成，并使用GNS3等图形界面进行控制，进一步提高了人机交互的友好性[10]。

但是，在实验教学中Dynamips并不能完全替代Packet Tracer。首先，Dynamips没有模拟交换机的硬件平台，用户无法使用它进行交换机操作的实验，在缺少交换机的情况下许多与实际密切相关的网络拓扑结构使用模拟平台无法搭建。其次，由于Dynamips模拟的硬件平台上要安装真实的IOS系统，当模拟多台设备之间的连接时，就会占用大量的资源，这就限制了虚拟网络的规模，使得结构复杂的网络难以模拟。另外，Dynamips的使用也比较复杂，初学者难以在短时间内使用该平台进行实验。因此，Packet Tracer在网络工程实验中的基础地位不会改变，使用Dynamips开展一些高级实验，成为提升学生实际操作能力的必备工具。

1.3 OpenWRT提升学生的设备开发能力

网络工程类课程的实验教学与设备商的认证培训有相似之处，但是也存在很大的差别。实验教学中引入Packet Tracer和Dynamips后，可以让学生基本了解思科认证培训的内容，掌握网络设备的基本使用方法，具备网络的设计与构建技能。但是，本科实验教学除了要让学生具备本学科的基本操作技能外，还要培养学生解决未知问题的能力。这就需要学生不但要能使用设备，还要理解设备的工作原理，能够根据实际网络的需求设计和开发设备，仅仅使用Packet Tracer和Dynamips无法满足上述本科人才培养的要求。

OpenWRT起源于思科Linksys公开的IOS源代码，它仿照WRT54G系统，从零开始编码、功能全面、容易改写，开发者每一次修改系统后不需重新编译，这就大大加快了系统开发的速度[11-13]。作为一种基于模块化嵌入式Linux的网络操作系统平台，OpenWRT在路由器、智能家居、工业控制、智能电话等许多领域应用广泛，目前许多企业开发的网关设备就是基于OpenWRT平台的[14-16]。

作为GPL许可下的一个完全自由和开放源码的项目，OpenWRT源程序在网站上免费公开，任何人都可以获得并修改系统，为它的发展做出贡献。OpenWRT系统稳定可靠、可扩展性强，提供的环境框架简单易用，最大限度地降低了嵌入式Linux系统的开发门槛。OpenWRT社区在业界影响巨大，它为开发者提供了良好的交流平台，在产品开发一线工作的资深技术人员可以解答初学者的各类技术问题。

将OpenWRT平台引入网络工程实验教学，不但可以让学生了解路由器操作系统的基本原理，掌握路由协议的基本实现方法，而且可以通过网络社区将学生直接引入系统开发群体，开阔学生的技术视野，为学生未来的就业做好准备。基于OpenWRT平台的开发实验，改变了网络工程教学中学生 “只是知其所然，而不知其所以然”的状况，可以将人才培养定位到网络设备设计与开发的层次。因此，在实验教学中引入OpenWRT是提高网络工程类人才培养质量的一个重要方法。

1.4 保留传统设备作为实验教学的必要补充

将上述几种平台融入到网络工程类课程的实验教学，并不会与传统的实验教学模式相排斥，传统实验教学是这几种教学平台的必要补充。对于网络工程类课程来说，综合布线、网络测试、网络管理等实验环节是必不可少的，但是上述几种平台并不存在相关的实验环境和实验工具。这些环节所需要的实验工具在传统的实验教学中是存在的，在新的实验教学模式中也必须保留，以防止出现知识点遗漏。

上述几种模拟软件的使用也不能完全替代真实的网络实验设备。如果在网络工程实验中过度依赖Packet Tracer、Dynamips等虚拟平台，学生就会对路由器、交换机等真实的网络设备产生隔阂与陌生感，在未来的工作中可能会主动疏远真实设备，这样就会对人才培养就会产生不利影响。因此，将部分要求不高的实验使用现有的网络设备实现，有利于拉近学生与真实设备的距离，保证网络工程实验的效果。

2 多平台融合网络工程实验教学模式

2.1 教学模式的框架

网络工程实验教学侧重于实际应用，不但要培养学生管理和配置交换机、路由器、服务器的实际操作与故障诊断的技能，还要让学生理解设备的工作原理，具备设备设计和开发的能力。网络工程实验一般包括综合布线系统的构建与测试、服务器的安装与配置、交换机的配置、路由器的配置和网络设备开发等5大类，将Packet Tracer、Dynampis、OpenWRT等融入到当前网络工程实验教学中，得到的多平台融合实验框架如图1所示。

图1 多平台融合的网络工程实验框架

在多平台融合的教学模式中，每一类实验都可以通过几种平台共同实现，各种平台之间相互结合、密切关联，共同完成理论知识的验证和实践技能的训练。但是，上述各个模拟平台又是相互独立的，不能在物理上实现真正的互通。因此，在每一类实验中，都不能只设计一个涵盖多个平台的大实验进行综合分析和测试，教师只能设计密切结合的多个实验单元，各个实验单元之间还必须能够相互验证。只有这样，才能充分发挥各个平台的优势，提升多平台融合实验的总体教学效果。下节将以网络工程教学中最重要的路由器配置类实验为例，说明多平台融合实验模式的设计方法。

2.2 路由器配置实验的设计

路由器配置占据了网络工程全部实验的超过三分之一，也是思科等设备商认证培训的主要内容。它一般包含路由器的基本配置、静态路由、动态路由、多协议路由互通、广域网接口配置、访问控制列表测试等几个必要的实验单元。为了有效的使用Packet Tracer、Dynamips和传统网络设备等几种平台，各个实验单元所用的平台要经过慎重选择，即要考虑各个平台支持的功能，又要保证实验的质量和效果。图2给出了路由配置实验各个单元所选择的平台以及相互之间的关系。

图2 多平台融合路由器配置实验

路由器基本配置实验需要学生了解路由器的物理结构，熟悉IOS操作系统的基本命令，掌握路由器密码的设置与破解方法。这些实验对路由器的硬件配置要求不高，传统网络工程实验使用的路由器就可以满足设备要求。如果路由器的数量不能满足每人一台的要求，也可以采用分批轮流的方式进行实验。该实验单元是本类实验的基础，使用真实设备进行实验可以拉近学生与产品之间的距离，它也是这类实验所必须具备的一个基本教学环节。

静态路由和动态路由实验的目标是让学生理解路由器的工作方式，掌握路由协议的原理，熟悉路由器的配置方法。这些实验需要多台网络设备构建较为复杂的拓扑结构才能够保证最终的效果，学生要能对网络的拓扑状况全局把握，并能根据要求灵活修改。传统实验模式受到资金的限制，不可能允许每人操作多台设备，实验效果不能保证。Packet Tracer界面直观，网络设备的增删和连接都很简单，学生可以在掌控整个网络拓扑的前提下对设备进行逐一配置。这样，路由协议的理解和故障诊断都会更加容易，教学效果提升明显。

多协议路由互通、广域网配置和访问控制列表测试是路由器配置类实验中比较复杂的三个部分，它们要求学生能够掌握帧中继、PPP等常用广域网协议的使用方法，并能灵活运用访问控制列表对数据包进行过滤，熟悉使用不同路由协议网络之间进行互联的方法。Packet Tracer由于支持的命令有限，难以准确的实现上述复杂的实验。Dynamips虚拟了高端路由器的硬件平台，其IOS可以实现上述各种复杂操作，对于提升学生的实际操作能力具有不可替代的作用。然而，学习这三个实验单元的前提是已经能够对路由器的基本路由协议进行熟练配置。因此，使用Packet Tracer对基本路由协议的训练是Dynamips应用的基础，两者只有相互配合使用才能够真正发挥提升人才培养质量的作用。

2.3 作用与优势

将多平台融合的实验教学模式应用于网络工程课程，可以充分扩展实验的覆盖范围，把原来课程教学中无法用实验验证的知识点纳入进新的实验体系。例如，在路由器配置实验中，使用传统方法难以进行多协议互通、帧中继等实验，设备开发类实验更是无法开设。多平台融合模式可以将这些工作中使用很多、学校又难以开设的实验使用比较直观、简便的方式实现，有效地扩充了网络工程课程实验的教学内容。

多平台融合的实验教学模式也可以充分发挥各个平台的优势，提升单个实验的教学效果。例如，使用传统方式进行静态路由或动态路由实验，课堂上不可能允许一个学生同时使用超过两台路由器进行该实验。这样网络的规模和拓扑结构就受到了很大限制，难以实现复杂网络下的多路径路由等测试。使用Packet Tacer等模拟软件，可以根据实际需要搭建各种网络拓扑，静态路由或动态路由实验所验证范围更大、性能更强，实验效果也得到了显著提升。

多平台融合的实验教学模式还可以扩展学生的知识面，提高学生的设计开发能力，使得学生在未来的就业竞争中占据有利位置。该教学模式中引入的Packet Tracer、Dynamips、OpenWRT等实验平台，都是目前网络工程、设计和开发人员的常用工具。学生在学习过程中熟悉和使用该平台，不但在毕业后能尽快适应工作环境，还有利于思维能力和创新能力的提升。这样，就可以最大限度的实现学校人才培养和社会人才需求的无缝对接。

3 结 语

网络工程人才的培养要达到与社会需求相一致的目标，就必须将IT业界更多的优质资源引入到实验教学。设备商的产品工程师认证得到了业界的普遍认可，它的培训目标与网络工程课程的教学目标有许多相似之处。将产品培训的优质资源与各类设备开发的开放平台相结合，引入到网络工程实践教学中来，已成为提升其教学质量的必由之路。

本文提出的基于多平台融合的网络工程实验教学模式，将Packet Tracer、Dynamips、OpenWRT等平台与传统的实验教学工具相融合，共同完成网络工程类课程的各个实验教学环节。实施结果表明，该模式可以扩充整个实验课程的教学内容，提升各个实验单元的教学效果，与社会对人才培养的需求密切结合，进一步提高网络工程类课程的实验教学质量。

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An Experimental Teaching Mode of Network Engineering Based on Multi-platform Integration

LILing-zhia,b,YANGZhea,ZHANGWen-zhea

(a. School of Computer Science and Technology; b. Computer and Information Technology Experimental Teaching Center, Soochow University, Suzhou 215006, China)

With the rapid development of network technology, IT industry puts forward higher requirements for network engineering personnel training in colleges and universities. The experimental teaching contents must be consistent with the latest technologies applied in the society. In this paper, an experimental teaching mode is proposed in the form of multi-platform integration. These platforms widely used for industry, such as Packet Tracer, Dynampis and OpenWRT, are introduced to experimental teaching. All aspects of the experiment course are completed by the platforms combined with the traditional experimental tools. The results of implementation show that the mode can enhance the effect of experimental teaching, and train the operating skills and the developing abilities of students. It is closely associated with social needs, and further improves the quality of personnel training on network engineering.

network engineering; experimental teaching mode; Packet Tracer; Dynampis; OpenWRT

2014-11-03

国家自然科学基金项目(61202378)；苏州大学开发性实验教学项目；江苏省成人高等教育精品课程建设项目

李领治(1977-)，男，山东德州人，博士，讲师，研究方向为计算机网络，网络编码。

Tel.：0512-65113205；E-mail：sdlilingzhi@163.com

G 642.0；TP 393

A

1006-7167(2015)10-0160-05