基于虚拟环境的网络工程实验教学研究

陈晓文 熊曾刚 徐方

摘要：由于网络工程的实验教学对网络硬件的要求较高，为了有效解决地方高校实验设备不足的问题，在深入研究网络工程专业与思科Packet Tracer虚拟软件各自的特点后，提出了基于虚拟环境的网络工程实验平台。在此虚拟平台上，可以完成网络工程专业对网络硬件实验考核的需求，并有利于提高学生的创新能力和技术技能。通过实际的实验教学实践，证明了此虚拟平台的可用性与灵活性并不亚于网络硬件环境。

关键词：虚拟环境；网络工程；实验教学；实验考核；包跟踪

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0148-02

Abstract： Due to the experimental teaching network engineering higher requirements for network hardware，In order to effectively solve the problem of lack of laboratory equipment in local colleges and universities， after in-depth study of the respective characteristics of network engineering and Cisco Packet Tracer virtual software， a network engineering experiment platform Based on virtual environment is proposed. In this virtual platform， you can complete network engineering professional network hardware experiment assessment needs， and help to improve students' innovative ability and technical skills. The actual experimental teaching practice proves that the availability and flexibility of this virtual platform is as good as the network hardware environment.

Key words： virtual environment； network engineering； experimental teaching； experimental evaluation； packet tracer

随着互联网技术的快速发展，各种新的网络技术及相关网络设备层出不穷，网络工程专业对这些网络硬件的实验需求也在不断提升。但由于高校实验室建设经费的不足，很多实验设备无法跟上技术发展的脚步，落后、陈旧的实验设备极大影响了实验的先进性。利用虚拟软件模拟的虚拟环境进行网络工程专业实验教学，不仅可以有效改善实验室设备的现状，而且更有利于通过虚拟环境对学生的学习结果展开综合性考核。

1 传统实验教学存在的问题

网络工程专业的实验均需要使用具有配置功能的高端设备，这些设备的价格相比普通网络设备更高，而且这个设备随时面临升级换代的问题。因此高校在建设网络工程实验室时，往往需要投入大量资金，并不断追加，这些资金问题对于“985”等一本高校来说，可能不是太大的问题。但是对于国内的很多地方二本院校而言，资金的持续投入是很难做到的。

由于实验室场地及设备安装的原因，网络设备往往以机柜形式进行安装，而这些实验的机柜往往又相对独立，因此在传统实验教学时，学生的实验只能按照教师提前针对机柜固有设备而设计的网络拓扑图进行实验，学生实验时往往不能自由搭建网络拓扑图，这个问题极大地限制了网络工程专业对网络整体设计能力的训练要求，无法满足学生的创新设计，限制了学生的创新能力。

2 基于虚拟环境的实验教学

网络工程专业属于网络技术专业中实验性较强的一门课，为了解决上述提到的问题并完成专业的实验目标，目前地方高校在网络工程实验教学过程中，已经在传统实验教学环境的基础上广泛开展了虚拟实验。虚拟实验环境的建设有多种形式，目前使用较多的虚拟软件是来自思科的PT（Packet Tracer）软件。

2.1 PT软件的介绍

PT是由思科针对思科网络学院发布的一个虚拟学习软件，该软件为学习思科网络课程的初学者去设计、配置、排除网络故障提供了一个非常真实的网络模拟环境。用户可以在该软件的图形用户界面上直接使用拖放的方法建立各种网络拓扑，并可在此拓扑上提供数据包在网络中行进的详细处理过程，用户可以观察网络实时运行情况。同时用户还可以练习思科交换机与路由器中IOS（Internetwork Operating System）的配置、鍛炼故障排查能力。该软件可以充分弥补网络物理设备不足的尴尬，让任何感兴趣的用户都可以无限制的进行网络的创建、实践，并学会思科网络设备的使用与故障的排除。

2.2 网络工程实验教学的目标

在传统实验教学环境中，网络工程专业涉及的实验教学目标主要集中在交换机与路由器的相关技术上。由于前面提到的问题，在传统实验教学中，实验任务主要围绕交换机与路由器两类设备展开。在交换机上进行的实验教学主要有交换机端口配置、VLAN（Virtual Local Area Network）划分、VLAN互访等；在路由器上进行的实验教学主要有路由器端口配置、静态路由配置、动态路由RIP（Routing Information Protocol）与OSPF（Open Shortest Path First）配置、NAT（Network Address Translation）配置等。这些传统实验在教学过程中，由于机柜与网络设备位置固定等原因，一般只能独立进行这些实验。这个独立的实验项目很难融合在一起进行综合组网的实验教学。

在传统教学环境中扩展使用PT之后，目前的实验教学目标更加全面且灵活。新的教学目标围绕PT虚拟平台，对网络工程的相关能力要求进行了全面的扩展。目前的实验教学目标除了可以完成传统实验教学的任务，还可以通过PT提供的虚拟环境，在交换机上实现STP（Spanning Tree Protocol）配置、以太端口聚合、VoIP（Voice over Internet Protocol）应用等实验教学；在路由器上实现HSRP（Hot Standby Router Protocol）应用、VPN（Virtual Private Network）应用等实验教学。

3 实验教学平台的设计

3.1 实验目的

通过基于PT的虚拟环境实现综合性更强、更实用的实验教学平台，通过这个虚拟的平台可以训练学生对交换机与路由器的综合应用能力，并能通过此平台最终考核学生对网络工程相关应用技术的掌握水平。

3.2 实验模拟的设备

在PT环境中，可以模拟网络工程应用中使用的各类设备，本实验教学主要使用的路由器型号为2811、二层交换机型号为2960、三层交换机型号为3560。

3.3 虚拟实验的拓扑设计

3.3.1 核心层与汇聚层拓扑结构

核心层与汇聚层的拓扑结构是整个虚拟环境的基础，为了充分发挥PT软件虚拟的功能，并满足网络工程实验的需求，在经过大量实践与不断改进后，目前我校网络工程实验教学所采用的拓扑图如图1所示。

图1中分部1与分部2的路由器用于模拟企业网的两个分部，位于互联网的不同地方，这两个路由器上可以考核学生对VPN应用的掌握情况；Internet路由器模拟互联网，用于网络功能及应用的测试，例如检测NAT、路由配置结果等；三层交换机A、B、C分别是分部1的核心层交换机，其中A与B、B与C分别通过冗余线路连接，用于考核学生对以太端口聚合应用的掌握情况；三层交换机C用于模拟宿舍区的核心网络；三层交换机D用于模拟分部2的核心网络；部门1到部门5使用二层交换机2960，用以汇聚接入层的信息节点，这些信息节点不仅包括各类计算机、笔记本、移动设备，还包括各类语音设备，例如思科的语音电话7960及模拟语音电话；服务器集群区域的交换机用于连接模拟的各类服务器，例如DNS、Web、FTP、DHCP等服务器，这部分模拟可以考核学生对服务器关键参数配置的能力，其中连接的Call Manager路由器使用2811型号，用于进行VoIP的管理，这部分可以考核学生对VoIP的综合应用能力；这些核心层与汇聚层设备通过多条冗余线路构成了各种网状拓扑结构，这些冗余线路可以考核学生对STP、HSRP、VLAN负载均衡等应用的综合能力。

3.3.2 接入层网络拓扑结构

接入层拓扑结构主要指是汇聚层的部门交换机下的拓扑结构，其拓扑图如图2所示。

在图2中，各部门交换机下面可以根据需要接入各类网络设备，例如PC机、笔记本、移动设备、语音电话、模拟电话、无线接入点、无线路由器等。此图只是众多实验方案中的一种，学生在实验过程中可以自己的设计想法，加入其他网络设备，例如使用二层交换机拓展网络、使用光纤延伸网络距离等。此拓扑结构主要用于考核学生对接入层设备的应用能力，例如IP地址分配、VLAN划分、VLAN互访、VoIP应用、无线网络等，也可以考核学生对网络设计的创新能力。

3.3.3 服务器集群区域的拓扑结构

服务器集群区域的模拟拓扑结构如图3所示，此图中模拟了三类常见的服务器：WEB、DNS、DHCP。学生在实验过程中可以根据需要扩展其他类型的服务器，通过这些模拟的服务器，可以考核学生对服务器核心参数的配置能力；服务器集群区域的交换机通过冗余线路与核心层交换机A、B构成了网状拓扑结构，这种结构可以进一步考核学生对IP地址分配、路由设计、VLAN划分、负载均衡等技术的综合能力。

4 结束语

通过长期的实验教学研究，并结合PT模拟软件的功能及地方高校硬件条件不足的情况，本文摸索出了一个基于虚拟环境的网络工程实验教学平台。通过这个平台的应用，目前我校可以在硬件实验条件不完善的条件下，圆满完成网络工程专业的实验教学任务，并能通过这个虚拟平台，较为全面的检验学生实际掌握的能力及水平，充分发挥了学生的动手能力及创新思维。由于PT软件功能的局限，目前防火墙设备的模拟还不能够完全实现，此虚拟平台还不能够完全实现防火墙功能的考核任务，这部分技能的考核仍将使用网络硬件实验室的防火墙设备进行。

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