基于Packet Tracer的现代交换原理虚拟仿真实验设计

李红岩，樊 超

基于Packet Tracer的现代交换原理虚拟仿真实验设计

李红岩，樊 超

（河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

以实训项目“ADSL拨号上网”为例，具体阐述了基于项目教学法和Packet Tracer模拟软件的虚拟仿真实验内容设计。教学实践表明，虚拟仿真实验有效弥补了现代交换原理实验教学中存在的实验设备陈旧、实践深度不够、实践范围狭窄等不足，促进了学生从系统角度理解、掌握理论知识点，提高了学生分析、解决问题的能力。

现代交换原理；Packet Tracer；虚拟仿真实验

现代交换原理是一门理论与实践紧密结合的课程[1-2]，其教学目标包括：了解网络交换技术的发展演变过程；掌握有代表性的交换技术原理；熟悉典型交换设备的软硬件配置和管理；获得利用交换技术原理分析、解决通信网络工程问题的能力。为了实现上述教学目标，除了在课堂上对交换技术的原理进行讲授以外，更需要精心设计实验实训环节，让学生通过动手实践，将理论知识内化成解决网络工程问题的能力。

1 当前实验教学的问题分析

当前，现代交换原理实验教学中存在以下突出 问题：

（1）实验设备陈旧。现有实验设备为程控交换实验箱。随着交换技术的飞速发展，交换设备更新换代很快，传统的电路交换已经从程控交换演进到软交换、IMS交换，其核心交换单元也从单一的交换机发展成分布式的交换单元组合。为了跟上技术的发展，需要定期更新实验箱或购买交换设备真机，而这需要很大的经费投入，实验经费很难满足。

（2）实验范围狭窄。当前实验教学侧重于程控交换机的模拟实验，利用程控交换实验箱，进行时分交换、空分交换、信令传输等交换技术的模拟和观测。虽然程控交换实验箱有助于学生深入理解电路交换原理，但实验范围过于狭窄，更重要的分组交换、帧中继、ATM交换、IP网交换等现代交换技术应纳入到实验教学中。

（3）实践深度不足。在当前利用程控交换实验箱开展的相关实验中，多数为验证性实验，侧重于交换信号的观测和电路交换过程的理解，实践深度不足，不利于培养学生的创新意识和分析解决网络工程问题的能力。

鉴于虚拟仿真可以有效弥补硬件实验平台的不足[3-5]，本文提出一种基于Packet Tracer网络模拟器的虚拟仿真实验教学方案。基本思路是：基于具体的网络工程项目背景，利用虚拟仿真平台提供的模拟机搭建满足需求的网络场景，在理解交换技术基本原理的基础上，对网络设备进行相应的配置，测试网络的连通性并排查故障。通过虚拟仿真实践教学，促使学生理解交换设备在整个网络中的地位和作用，理解交换设备之间的配合与协调，进而加深对交换技术的理解，激发学习热情，启发创新意识，促进学生应用交换原理解决实际网络工程问题的能力提升。

2 Packet Tracer虚拟仿真软件特点

Packet Tracer是Cisco公司开发的一款网络虚拟仿真软件，该软件提供了各种类型的仿真网络设备，支持常用的网络协议。应用该软件可以直观地构建网络拓扑结构，对网络设备进行配置操作，测试网络连通性并排除网络故障。在仿真模式下，还可以观察网络中数据包传输的动态过程，并根据需要抓取数据包、查看相应协议包的格式，从而加深学生对网络协议的理解。因其在网络虚拟仿真方面的优势，Packet Tracer已在计算机网络课程中得到了应用[6-12]，但尚未见其在现代交换原理课程中的应用研究。

本文将Packet Tracer软件应用于现代交换原理课程的实验教学，通过构建一个虚拟的仿真网络环境，帮助学生更好地学习交换原理，理解复杂的网络数据交换行为，促进学生更加准确地理解理论知识。在设计实验内容时，结合了项目教学法，即将实验任务融入一个贴近实际生活的工程项目中，激发学生的学习热情。下面以实训项目“ADSL拨号上网”为例，介绍基于Packet Tracer软件和项目教学法的虚拟仿真实验设计。

3 虚拟仿真试验设计实例：“ADSL拨号上网”

3.1 实验目的

（1）考查学生对ADSL原理的掌握情况。

（2）通过对网络设备和连接线缆的观察，建立对ADSL宽带接入的感性认识。

（3）了解ADSL上网方式所需要的网络单元组成，掌握网络设备互通所需的基本配置，熟悉路由器PPPoE（point-to-point protocol over ethernet）基于以太网的点对点协议的基本配置命令。

（4）掌握PPPoE协议报文的基本传输过程，帮助学生直观理解ADSL上网时的数据传输过程。

3.2 项目背景

假设学生是电信公司的技术人员，负责ADSL宽带入户安装和ADSL交换设备的配置及维护。现要求针对家庭网络或小型办公网络，通过正确地连接、配置网络设备，为用户提供ADSL拨号上网服务。

3.3 实验原理

3.3.1 ADSL技术原理

ADSL是一种常用的宽带接入技术，它利用已有的电话线路进行数据传输，因其仅占用信道的高频部分，所以与传统的低频电话业务互不冲突，能够共享同一条线路。ADSL数据业务经电话线接入后，在局端通过分离器分离后直接进入数据网，而不占用电话网程控交换机的资源。因此，ADSL传输属于分组交换，而不是电路交换。

ADSL用户端接入设备有2种：桥接式接入设备和路由式接入设备。桥接式ADSL接入控制采用 PPPoE协议；ADSL接入用户需要运行 PPPoE 客户软件进行拨号，由RADIUS 服务器对用户进行认证。每个 ADSL 用户账户通过认证后，由PPPoE服务器分配 IP 地址上网。

路由式接入设备同时具有ADSL接入和路由功能，也被称为ADSL路由器。在其上运行PPPoE客户端软件时，首先输入身份信息进行虚拟拨号，然后由 PPPoE服务器认证通过后为其分配一个公有IP地址。家庭或公司局域网内接入主机的IP地址，由ADSL 路由器通过DHCP分配私有IP，并通过ADSL路由器的NAT协议转换成已分配的公有IP，能够实现多个用户共享同一个账号上网。

3.3.2 PPPoE协议原理及配置

PPPoE是在以太网络中转播PPP帧信息的技术，特别适用于ADSL方式的网络传输。该协议的运行主要包括发现阶段和会话阶段。在发现阶段，选择接入服务器，确定所要建立的PPP会话标识符Session-ID，同时获得对方点到点的连接信息。发现阶段结束后，进入会话阶段，此时将运行标准的PPP会话协议。

本实验中，PPPoE的基本配置包括：在电信局方，配置ADSL云，开启DSL端口，建立 modem 和以太口的对应关系；在互联网服务提供商方，在ADSL_ Server路由器上配置PPPoE协议。配置命令如下：

（1）开启PPPoE功能

ADSL_Server(config)#int FastEthernet1/0

ADSL_Server(config-if)#pppoe enable //开启FastEthernet1/0接口的PPPoE拨号功能

ADSL_Server(config-if)#no shutdown

（2）启用AAA作为ADSL拨号用户的身份验证服务器

ADSL_Server#aaa new-model //开启AAA服务器

ADSL_Server(config)#aaa authentication login internet group radius //启用AAA身份验证服务器

ADSL_Server(config)#radius-server host {hostname| ip-address} [auth-port port-number] [acct-port port- number][key text-string]//分配AAA身份验证服务器的IP地址、端口号和密钥

（3）为ADSL用户创建地址池

ADSL_Server(config)#ip local pool adslpool ip-address-1 ip-address-2//为ADSL用户创建地址池

（4）开启VPDN（Virtual Private Dial-up Networks）功能，并配置PPPoE协议

ADSL_Server(config)#vpdn enable //开启VPDN功能

ADSL_Server(config)#vpdn-group adsl //创建VPDN组

ADSL_Server(config-vpdn-acc-in)#protocol pppoe //配置VPDN协议为PPPoE

ADSL_Server(config-vpdn-acc-in)#virtual-template 1//指定虚拟拨号模板1

ADSL_Server(config)#int virtual-Template 1 //进入虚拟拨号模板1

ADSL_Server(config-if)#ip unnumbered FastEthernet1/ 0//配置无IP地址编号，使用FastEthernet1/0地址表示

ADSL_Server(config-if)#peer default ip address pool adslpool //配置ADSL拨号用户使用adslpool地 址池

3.4 实验任务

（1）针对家庭网络或小型办公网络应用，在仿真环境中规划设计ADSL桥接方式的网络逻辑拓扑图；

（2）配置拓扑图中各设备连通所需的参数，要求用户端连接方式为PPPoE拨号方式，服务器端通过RADIUS认证服务进行用户管理；

（3）测试网络连通性并进行故障排查；

（4）在模拟模式下进行包传输路径跟踪测试，并查看协议包报文格式。

3.5 实验步骤

步骤1：拓扑图设计。打开Packet Tracer 软件，根据任务需求自行设计网络拓扑图。ADSL宽带接入网主要由ADSL路由器、ADSL服务器、ADSL桥接设备、PC机等设备组成。本实验构建的家庭或小型办公网，对应一个家庭或办公室内PC机、打印机、无线路由器等设备的组网。按照所设计的拓扑图进行设备之间的连接，应注意接口的选择以及连线所使用的线缆类型，还应注意用户端ADSL设备接入到电信局ADSL云的modem接口，以及电信局ADSL云的ethernet接口接入到ADSL_Server路由器的FastEthernet1/0接口等。

步骤2：设备的配置。根据如表1所示参数配置表，完成局域网中各主机、服务器、路由器的配置。注意在ADSL_Server路由器的FastEthernet1/0接口上配置PPPoE协议。

表1 参数配置表

步骤3：打开终端主机桌面，点击PPPoE Dialer，输入帐号密码，进行入网身份认证。认证通过后在命令行窗口键入ping命令，测试网络连通性。

步骤4：在仿真环境中Simulation 模式下对包传输路径进行跟踪测试。

3.6 思考与创新

完成本次实验后，学生对ADSL宽带上网所涉及到的理论知识有了更深入的理解。为进一步启发学生的创新意识，要求学生在实验后思考以下问题：

（1）ADSL接入方式应用的是电路交换技术还是分组交换技术，并说明理由；

（2）为什么ADSL接入在使用电话线传输的同时不会影响打电话；

（3）查阅资料，了解ADSL桥接设备和路由设备的相同点和不同点；

（4）如果该项目中用户端的接入设备由ADSL桥接设备换成ADSL路由设备，现有网络拓扑图和配置操作应如何修改，试重新搭建网络拓扑完成实验。

通过认真思考以上问题学生将认识到，ADSL接入虽然采用电话线传输，但并未使用电路交换技术，交换技术体现在交换设备应用的协议上，而非传输线路上。如果学生尝试将用户端的ADSL桥接设备换成ADSL路由设备，则需要自主查阅文献，了解2种ADSL接入设备的异同点，掌握用户端ADSL路由设备的配置命令，进一步锻炼自学能力和创新意识。

4 结语

传统的现代交换原理课程多采用实验箱、交换机等硬件设备开展实验，但由于硬件实验设备更新换代慢，无法适应交换技术的飞速发展。本文对现代交换原理课程的实验教学改革进行了探索，利用Packet Tracer网络模拟器设计虚拟仿真实验，达到了在虚拟环境中完成预定实验项目的目的，弥补了现代交换原理实验教学中存在的实验设备陈旧、实践深度不够、实践范围狭窄等不足，锻炼了学生的动手能力和创新能力，促进了学生从系统角度理解、掌握理论知识点。同时，结合项目教学法进行实验设计，激发了学生的学习热情。教学实践表明，虚拟仿真实验是现有硬件实验的有益补充，有助于课程教学目标的达成。

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Design of virtual simulation experiment for modern exchange principle based on Packet Tracer

LI Hongyan, FAN Chao

(School of Information Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

By taking the training project “ADSL Dial-up Internet” as an example, the content design of virtual simulation experiment based on project teaching method and Packetet Tracer simulation software is elaborated in detail. The teaching practice shows that the virtual simulation experiment effectively remedies the shortcomings of outdated experimental equipment, inadequate depth of practice and narrow scope of practice in the experiment teaching of modern exchange principle, promotes students to understand and master theoretical knowledge points from a systematic perspective and improves their ability to analyze and solve problems.

modern exchange principle; Packet Tracer; virtual simulation experiment

TP393.4；G434

A

1002-4956(2019)10-0167-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.040

2019-02-09

2018年度河南省示范性虚拟仿真实验教学项目（教高[2018]991号）；河南省高等学校省级优秀基层教学组织建设项目（教高[2018]1058号）；河南工业大学 2018 年本科教育教学改革研究与实践专项项目（GJYJ-ZX16）

李红岩（1977—），女，河南商丘，博士，副教授，研究方向为新型路由交换技术、无线网络。E-mail: lihyky@126.com