基于虚拟仿真技术的实验室计算机网络的构建

范晓峰 孙殿恩 颜兵 李伟

（德州学院体育学院 山东省德州市 253023）

高新技术的发展，可为国民经济注入持续动力，尤其是在网络时代，更要明确其计算机网络技术的地位，不断完善其专业教育体系，注重高素质创新型人才培养。但在国内教育环境下，计算机网络实验室的构建普遍面临资金不足、实验效果差、利用率低等问题，实验资源是极为有限的，不利于网络知识与实践的融合。在二十一世纪，计算机网络已成为主流技术，要想突破国外技术壁垒，不应仍局限于理论教学与研究，但网络实验室资金问题难以短时解决，虚拟仿真技术的应用，为其提供另一条教学思路，通过引进专业的网络协议仿真教学系统，搭建起自主、灵活的网络实验环境，进而更好的服务于实验教学工作，下面将就此展开详述。

1 实验室计算机网络的现状

当前，在实验教学环节中，尽管与计算机网络课程的融合度较高，改变了单一的教学模式，但受限于现有技术，仍旧局限于验证性试验的范畴，实验教学仅起到简单辅助作用。而且，对于计算机网络实验教学而言，其在内容、形式上仍有不足，知识结构缺乏系统性，实验形式也趋于松散，学生作为实验主体也基本处于被动接受的状态，未能形成更高效的实验教学工具，网络环境下实验教学资源匮乏，并不能很好地助力学生理论理解，实验与理论联系并不紧密，很难满足当前实验教学要求。

导致上述问题的具体缘由包括：

（1）网络实验教学资源匮乏，而且现有资源与学校专业特点匹配度不高，未能及时就计算机网络实验教学方法及内容予以更新，所用计算机网络技术过于落后，早期投运后便不再更新，很难承担起更深层次的实验任务。

（2）建设成本问题，在搭建网络实验室过程中，不仅须有路由、交换机等硬件投入，还需斥资购买专业实验应用软件，而且，即使是计算机网络实验，也伴随着硬件损耗问题，再加上硬件设施更新频率高，要想维持实验室设备先进行，必然要持续性加大投入，这对作为教育机构的高校而言，很难满足计算机网络实验室发展需要。

2 虚拟仿真实验室的构建

在高校实验教学环境中，计算机网络的应用正在逐步深入，然而多数实验授课偏离了实践教学的主线，以至于实验教学成效不显。而且经现状分析可知，计算机网络实验存在硬件落后、内容单一、教学形式松散等现象，为改变实验教学现状，本文着重研究虚拟仿真实验室的构建，通过发挥虚拟仿真技术优势，对其软硬件进行重新开发，不断丰富虚拟仿真实验资源，并将其以平台共享的方式，拓宽虚拟仿真实验室教学范围，更好的服务于高校实验教学工作。

通过引进专业的虚拟仿真软件，使常规实验教学下的相关理论知识可在虚拟环境下进行具象化展示，既能加深对网络知识的理解，也能提升计算机应用技能，对网络内部结构及相关协议建立起更为形象化的理解，而且也可经仿真软件参与协议数据包的编制，不断强化其基础原理认识，提升网络实验教学成效。为加深理解，本文以网络协议仿真教学系统为例，对其构造加以分析，具体如下：

2.1 虚拟仿真实验室软硬件设施

在该系统中，其在实验室硬件系统设计中，也采取分层结构，且能以多种网络拓扑形式存在。实验室硬件设施包括：

（1）主控中心平台，这也是最为核心的硬件设施，利用其内配置的高性能服务器，可实现多种不同服务功能，如实验室管理服务、各类网路协议服务等，实验室网络数据可得到有效控制，而且也使得实验室计算机网络具备拓展性，虚拟仿真实验用户数量可灵活调整。

（2）智能网络设备，其在虚拟仿真系统的功效，是作为网络硬件存在，同时也具备实验室网络的智能控制作用，在该设备硬件设计中，专门设置有具备网络拓扑切换功能的“Topology”按钮，极大简化实验室网络结构调整操作，网线接口也无需频繁插拔。不仅如此，还设计有级联控制功能按钮，通过固化特定的网络结构，能够在实验课程调整时方便进行进行一键式切换，可提高实验室使用效率。

（3）组控设备，也是教学系统的重要构成，需根据实验室规模，配置有多个组控设备，不仅能使网络负载更为均衡，还能有效采集网络数据，而且组控设备通常搭配有六个共享模块，可与六台学生计算机实验终端相连，可呈现出多种实验室网络结构。在该仿真教学系统中，其对于网络拓扑的设置有五种方式，可结合计算机网络实验需要，选择合适的拓扑结构，最为常见的便是分层式一对多的实验室网络拓扑结构形式。

其软件部分，是与虚拟仿真实验室硬件设施配套引进的，其构成包含：

（1）仿真编辑器，具有协议模拟功能，负责实验仿真数据编辑与发送，能够较好地适用于TCP/IP 协议网络环境。

（2）协议分析器，主要是用于与仿真编辑器对接，并将其所接收的数据包等改造为更直观的表现形式，如会话、图解等，可提高虚拟仿真的效果。

（3）多类工具性软件，主要发挥实验教学辅助作用，涉及有组播、UDP 等软件。

在虚拟仿真实验室中，要根据学生数量，配置合适规模的仿真教学系统，满足基本的仿真需求。而且同一组控设备下的多为学员，应当加强协作、交流，提升虚拟仿真实验效果，并有效提升团队意识。在高校课程设置中，虚拟仿真实验应视为独立课程，通过仿真形式参与实验，也可使学生实验思路得以延伸，提升其设计及实践能力，提升实验课堂互动性。不仅如此，仿真教学系统中，借助专业软件及网络硬件设施，能够实现网络实验环境的准确模拟，进而使实验本身更加灵活、开放。

2.2 虚拟仿真教学资源

在实际教学中，要结合计算机网络的学科特点，强调实验教学重要性，而且这其间不仅有硬件实验，还涉及到软件实验的内容，再结合计算机网络理论教学，更能提升教学成效。要想最大限度开发虚拟网络实验室的价值，需不断丰富其教学资源，应当有选择性的进行实验设计，而且虚拟仿真实验要有计划性，逐步深入掌握计算机网络课程核心内容，如数据链路层等专业知识。在仿真实验教学资源创建中，要秉持相应原则，要夯实其专业基础及实践能力，并且对各实验类型均要有所涉及，要有基础操作型的、实践创新型的、实验分析型的、实验设计型的等等。在虚拟仿真实验室应用中，要这对网络实验课程要求，并根据实际实验条件，合理的修订网络实验计划及内容，纳入仿真教学系统实验项目，并将其作为重要教学项目。

具体的虚拟仿真实验计划设置如下：

（1）实验室参观学习及基础技能培训，在学生初步接触虚拟仿真实验室时，教师需带队参观，直观的了解网络实验设备，对虚拟仿真网络实验有基础性理解。然后，要开展基础性实验教学，教师示范教授RJ-45 接头制作方法、网络及协议配置以及常规的测试指令的应用，如tracert、ping 等，完成初级阶段实验任务。

（2）初步学习并应用网络协议仿真教学系统，指导学生参与仿真实验，借此深化学生对网络知识理解，了解MAC 帧格式种标准，并逐步强化对MAC 地址、报文格式等专业内容的认知。同时，还要通过仿真实验，对其系统重要构件，如协议分析器、仿真编辑器等，有一定的使用能力。

（3）局域网的设计、模拟，为帮助学生了解局域网的搭建，可借助于仿真教学系统，在虚拟环境下学习如何配置交换机，以便有效实现网络划分，要求学生自主进行网络设计，进而对局域网运行特点有更深理解，锻炼其仿真设计能力。

（4）地址解析协议的的学习，也是利用仿真教学系统，通过仿真实验的方式，增进学生对协议原理的掌控，了解其相应报文的格式，并对如何维护ARP 缓存表加以明确。

（5）IP 地址的学习，为加深学生对网络IP 协议的理解，可在相应仿真实验课程中，对照网络理论课程中IP 相关知识，有效涉及IP 的基本含义、校验方法、报文格式等内容。

（6）广域网运行环境模拟，可利用仿真教学系统，预先布置实验课题，要求自行进行设计搭建工作。在虚拟环境下，可对广域网的运行及配置有直观、全面了解，并且还能更进一步对子网划分、路由配置及操作、协议选择、超网构造等有一定掌握。

（7）传输控制协议的学习，在虚拟仿真实验环境下，学生可直接参与TCP 协议的设置，以便加深对其协议连接与释放、校验与计算、协议数据的传输以及重传机制等重点内容的理解，提高计算机网络教学效果。

（8）实验教学中学习Socket 编程，在掌握Socket 概念及原理的基础上，在虚拟仿真实验中，研究如何利用Socket 实现数据的连接、监听、发送等基本操作，然后再进行简单的编程，提高学生对Socket 编程方法的掌握。

最后，在经过上述基础实验教学后，还应利用虚拟仿真实验系统，完成一项综合设计题目，需在计算机网络课程范畴内，并适当的提高设计难度。借此可有效考验并提高程序设计及软件综合设计能力，也是对计算机网络实验课程的最终考核。当然，除了教学计划内容外，虚拟仿真实验室在课余时间也可面向学生，允许其进行开放性实验，如网络攻防、应用程序开发等，进而建立起全方位的计算机网络技能培养体系，极大提升其实践操作能力。

2.3 虚拟仿真实验室网络共享平台

共享平台的建设，对于实验教学资源开发很是关键，这也是仿真教学系统的功能延伸，其中，共享平台主要涉及两项内容：实验教学平台与网络管理信息系统。当需要授课时，教师可利用专门的教师机经Web 接入到主控中心平台，然后登录管理信息系统来开展实验教学，该系统可以提供的功能有：报告管理、方案管理、课堂信息发布与设备管理等。而学生一般使用实验教学平台，通过上机设备进入学生客户端，能够将教师发布授课内容和通知等下载下来，然后借助学生客户端来为完成实验部分，形成一个强有力的软支撑。实验教学平台能够起到重要的指导作用，在一定程度上可以替代老师，及时将课堂工具、实验重点和需要学生解决的问题等发布在平台上，为学生构造一个良好的实验环境，便于学生开展实验，可明显提高计算机网络教学效果。

3 虚拟仿真实验室对计算机网络带来的影响

在具体开展计算机网络课程时，需强调实验与理论教学的同等地位，能够明显提高学生独立思考和实践等方面能力。网络实验室的构建，正是要使理论教学充分得以延伸，通过虚拟仿真实验，可使其理解并应用网络相关知识，从而解决实验教学难题。虚拟仿真网络实验室使用的实验设备一般比较先进，教学大纲内容充实，有一个相对合理的教学体系，优势显著，可推动网络课程理论教学工作的顺利开展。

（1）借助于虚拟仿真网络实验室，学生可进行一定的实验操作，对理论知识产生更加深刻的理解。相对于其他课程而言，计算机网络课程在理论方面的要求较高，同时必须通过实践来进一步巩固学生基础。没有实验的理论是空洞乏味的，教学效果往往不尽人意，很难提高学生解决计算机网络应用问题的能力。

（2）通过虚拟仿真网络实验室教学，相应专业教师可明显提升实验教学能力。在技术领域迅速发展的今天，虚拟仿真实验软硬件设施也不断更新换代，然而计算机网络理论基础始终不变。如果教师不注重设备操作水平的提高，只是不断讲述理论知识，其职业水平很难得到有效提高，很容易被时代所淘汰。

（3）高校需正视虚拟仿真实验室的作用，加大建设力度，促进教学水平与科研提升。当涉及到计算机网络科学研究时，通常是指先在理论上做出改进，然后再通过实验证明。若缺乏有效实验，就很难保证理论创新的可行性，不利于在科研上取得突破。同时，社会在发展中，对计算机网络人才的诉求，不再局限于理论基础，更加强调实践操作能力。在掌握理论的基础上，学生通过虚拟仿真实验，可及时掌控自身不足，并采取针对性提升措施，使其观察力和实践能力会明显提升。

4 结束语

综上所述，为实现网络实验教学体系的完善，补好实验教学的短板，解决实验资源不足、网络实验教学效果有限等问题，文中搭建了专业化的虚拟仿真实验室，借助其软硬件设施功能，在网络环境中还原出近乎真实的试验对象，极大提升网络实验教学灵活性，并且在虚拟、模拟作用下，网络理论知识更易于被学生接纳，网络实验课程取得良好的建设成效，使师生群体素质得以很大提升，在高校计算机网络教学中，充分体现其推广价值。