虚拟化技术在网络互联课程教学中的应用

李安邦

摘要：武汉软件工程职业学院网络技术专业开设了较多的网络互联技术课程，课程中涉及的网络设备、网络协议通过传统教学手段或使用真实设备来完成教学都存在一定缺陷，故而在教学中引入虚拟化软件Packet tracer。该文通过分析其功能作用，研究其在教学中如何实施，并通过具体实例说明了应用过程。

关键字：教学;虚拟化;packet tracer

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）15-0171-03

网络互联技术是我校网络技术专业重要的核心课程，由于教学内容涉及知识点多，安排了四个学期来完成教学。在这些课程的教学实施过程中，不可避免地涉及各种网络协议，这些网络协议的通信时间短、过程不可见，单靠语言文字、图片动画这些传统信息载体，无法做到将其直观地呈现在学生面前。此外在实践环节中，需要安排大量的实验来巩固所学知识及操作技能，这些实验如何组织设计也是教学过程中重要一环。由于本课程强调培养学生的动手实操能力，在课程考核方面，如何做到从传统的理论考核转变为实操考核，并且在出卷、考试、阅卷这些考核环节中，在保证可控和公正的前提下尽可能简化。

在学校的大力支持下，本专业已配备了各类品牌的网络设备，让所学能贴近真实工程应用，但这样仍不能很好地解决以上问题，故而在实际教学环节中仍然引入虚拟化技术。目前使用的虚拟软件主要有思科系列的packet tracer和GNS3以及华为系列的eNSP。这几款虚拟化软件相比，Packet tracer更简单、直观，适合网络技术初学者使用。本文以packet tracer为例，分享在教学中使用的经验。

1 分析协议通信过程

目前思科官网发布了支持Windows 32/64位及Linux的7.2.1版本和支持iOS的3.0版本，通过Packet Tracer可以任意搭建网络场景。这里以ARP为例，介绍使用Packet Tracer讲述其工作流程。图1为课前已准备好的实验场景，重要信息已在图中标出，通过在模拟计算机中使用ipconfig /all命令可以查看其MAC地址。

Packet tracer设计了两种工作模式，一种是实时模式（realtime），此种模式拓扑中发生的网络事件按照正常时间进行，也是默认模式;另一种是模拟模式（simulation），主要用来对通信过程的分析。在教学设计时，首先将实验环境做整体介绍，将其标注在拓扑中，介绍实验的过程是在PC1上使用PING命令访问PC3，分析此时PC1需要完成PING，源目IP和源MAC都是已知的，但目的MAC是未知的。在发出PING命令访问前切换成模拟模式，观察ARP在其中发挥的作用。为了实验的简洁，可在过滤器中关闭掉与实验无关的网络协议，只保留ARP和ICMP。

此时网络中发生的事件都变为可控（时间静止或时间前移后移），并可对设备发出的报文进行分析：此时以太网二层封装为何目的MAC为FFFF.FFFF.FFFF，源MAC为何为0006.2A32.AAED;ARP封装中TARGET MAC为何为0000.0000.0000。如果此前学习了交换机数据帧转发原理，还可分析数据帧在进入交换机前后，交换机MAC映射表发生了哪些变化，并通过数据帧在拓扑中的传播路径进行解释，这样可以和其他知识点结合。模拟器是模拟真实网络发生的网络事件的，在模拟模式对话框中点击“capture/forward”一步步对通信流程分解、分析，直至整个ARP工作过程结束，在PC1通过查看到ARP映射表得到PC3的MAC地址。

通过虚拟化软件packet tracer进行操作演示和分析讲解，将原本枯燥的协议字段作用、工作原理和流程以直观的方式呈现在学生面前，并且将相关命令和操作结果穿插在教学过程中。这样可以激发学生的学习兴趣，降低课程的学习难度。

2 实践环节设计

上文提到的课堂演示案例，其特点是搭建起来简便，可以根据教学需要任意组织教学场景并且可随时保存，便于在课前备课在课堂上调用。通过类似的方式，根据实际教学需要布置课上或课下实验。在实验拓扑中注明需要完成的练习内容，学生完成后保存文件提交，文件的后缀名为pkt。但在练习的检查环节中，需要教师对操作的结果在每台虚拟设备上一一查看，从而掌握学生实验的完成情况。这对查看者的专业水平和时间精力都提出了较高的要求。

思科官网提供了大量后缀名为pka的实验文件，以《网络互联路由交换基础》为例，从第一章到第十章已设计共计51个实验。打开作业文件后，实验完成情况一目了然，图3中椭圆标记处显示当前完成度，并可通过检查结果查看哪些步骤正确或错误。为了避免学生在提交练习时直接复制文件，要求学生在实验前将用户信息修改为本人姓名（图3中方框标记处）。这样，如果通过复制完成作业，打开用户信息即可查看到非本人完成;如果将其信息修改为本人姓名，则原有操作全部重置，即实验得分为0分。

pkt文件的实验方式为实验提供了便捷的组织方式，并且灵活度极高，甚至可以让学生按要求自主完成网络设计并对网络进行细化配置。但该方式的缺点就是实驗过程不可控，后期检查量大。通过下发pka文件安排课内或课下实验，学生完成后保存后再提交。这样，学生在完成练习时就得知是否按题目要求正确完成，方便学生检查纠错;作业内改名的要求也杜绝了学生通过复制方式敷衍交差的念想;打开文件查看完成度可精简教师作业的批改过程，只需要比对姓名即可。这种设计使得整个实践环节处于设计控制中，并且无论是对学生而言还是对教师而言，提供了质量保证和便利。

3 教学质量考核系统

在网络互联课程考核中，对设备的操作熟练程度是衡量教学效果的重要指标。如果考核以笔试的形式进行，体现不了学生的设备操作水平。如果以真实设备进行考核操作，由于在考核时会要求同步进行，学校无法提供如此多的设备和场地。另一方面，在实物设备操作时，由于学生误操作或设备、线缆等诸多方面原因，以及考核后的检查工作需要大量的人员和时间来完成，这些都为整个考核过程带来不确定性，从而影响考核的公平公正。

Packet tracer提供了活动向导（Activity wizard）来完成操作考核的设计。进入到考核文件编辑模式后，可以为编辑模式加密码，因为该模式下可以看到考试答案。进入到说明（Instructions）选项使用html语言编辑考试说明，告知考生考试信息和操作要求，并可以网页模式预览，如图5所示。

进入Initial Network模式处理初始化界面，可以从pkt文件导入，也可自行编辑。出题者可根据考核内容和考核要求进行调整：如对网络拓扑的划分以及说明、设备的接口使用線缆连接、对running-config中的配置等等，甚至可以故意安排错误配置让学生完成排错。设计完成后，学生考核时打开文件看到的就是已设计规划好的网络现场。为了避免考核过程中学生的误操作使考试不能继续，可以选择在接口、拓扑、模拟模式的相应选项加锁，以此来保证考核顺利进行。

进入Answer Network编辑考试答案，按照考试要求对设备操作后，并保留现场。同Initial Network模式一样，也可从pkt文件直接导入。这里需要注意的是，这两种模式下，设备的型号和拓扑中的名称应保持一致，否则评分系统不能识别。为了保持初始界面和答案界面的一致性，通常的做法是在编辑完初始界面后保存，然后在此基础上按考试要求进行操作另存为答案文件。

编辑完答案文件后，进入Assessment tree对评分点进行编辑，根据所涉及知识点的难易、重要程度，对答案操作分配合适的得分并标注考核知识点（图7方框部分）。为了保障考核顺利进行，可根据实际需要设置是否为倒计时方式、是否显示操作反馈、操作反馈显示模式、禁用默认账户登录、锁定用户信息等功能。

通过对考核文件的编辑生成pka文件，考生打开文件进入类似图3的操作页面。在考核过程中考生只能完成出题者允许进行的操作，避免各种误操作中断考试;考核结束后，阅卷老师进入类似图4的阅卷页面，可轻松统计考生操作成绩，并通过操作涉及知识点分析教学质量。

4 结语

本文介绍了如何利用虚拟化软件Packet tracer提供的功能，以ARP单元教学为案例完成教学设计，使用pka及pkt文件安排教学实践环节，使用Activity wizard完成考核系统设计。通过对该软件设计的功能熟悉和掌握，帮助学生和教师更好地完成网络互联技术课程教学。

参考文献：

[1] 王海凤，刘志强.基于Packet Tracer的计算机网络类课程实验测评系统的研究与实现[J].内蒙古工业大学学报（自然科学版），2015（2）.

[2] 李智.基于PacKetTracer虚拟仿真软件的网络设计实践[J].信息通信，2018（10）.

【通联编辑：朱宝贵】