应用型本科院校eNSP模拟器辅助计算机网络教学探究

丁思淼，韩 哲，龚 蕾

（洛阳理工学院，河南 洛阳 471023）

0 引 言

应用型本科是近年来出现的一种新型教学模式，中华人民共和国教育部发展规划司于2019年发布的《支持应用型本科高校发展有关工作情况》再次明确了普通本科高等学校向应用型转变的发展目标[1]。对于地方应用型本科高校而言，需要在新工科的时代需求下，改革教学目标、教学内容、教学手段和教学过程，为地方社会培养应用型和技能型人才[2]。物联网专业作为典型的工科专业，工程实践性强，其专业特色决定了在新工科背景下提升应用型人才网络实践技能水平对学生就业和地方经济社会发展都有着重要意义[3]。

华为交换机、路由器等网络设备目前已占据中国市场第一的份额，每年人才市场都需要大量掌握华为设备交换路由技术的人才。若采用真实网络设备进行计算机网络课程组网实践成本较高，学生需要进行分组实践，不能独立对设备进行配置测试，同时场地大小也限制了多层跨子网的网络拓扑搭建规模[4-5]。eNSP模拟器可以实现对真实华为网络设备的仿真，在不增加较多成本条件下可以实现学生独立进行多层跨子网网络拓扑的组网过程，对网络设备的操作和配置过程与真实华为设备一致，进而帮助学生掌握华为网络设备配置技能，提升应用型本科院校学生在就业市场的竞争力[6]。本文拟对计算机网络课程中采用eNSP模拟器辅助教学展开探究。

1 应用型高校计算机网络课程教学现状

物联网作为实现万物互联的互联网，由传统为人机交互提供服务的计算机网络向人与物和物与物交互拓展，其本质和核心仍然是计算机网络，计算机网络课程不仅是物联网专业的核心课程，还是无线传感网、物联网通信等专业课程的基础[7-8]。计算机网络课程知识点繁杂，各层均涉及多种协议，传统课程实验中往往利用各类抓包软件和数据分析工具分析各层协议数据单元信息来加深学生对各层协议的掌握[9-10]，但整体内容偏理论教学，缺乏对实际网络进行组网配置和整体网络结构的逻辑梳理。应用型本科院校立足应用型人才培育，更倾向于培养学生的实践能力和技能水平，传统的网络课程实验内容与社会所需应用人才的网络技能有较大的脱节。

计算机网络课程的教学目标是要求学生掌握计算机网络体系结构及各体系结构的相关协议和设备原理，课程涉及知识点内容量大、逻辑性强，理论教学过程中针对各类协议进行详细讲解时容易碰到学生对授课内容接受困难，不能很好地将理论知识与实际应用结合梳理出系统的网络数据通信逻辑。计算机网络数据传输分层示意图如图1所示。

图1 计算机网络数据传输分层示意图

计算机网络的数据传输结构对应的五层体系结构中，应用层和运输层运行在终端设备上，为用户实现终端设备应用进程到应用进程之间的通信过程和与终端用户的交互过程。网络层、数据链路层和物理层协作完成网络数据从发送主机到接收主机的通信过程，其中物理层位于整个传输网络底层，实现二进制比特流在物理介质上的传输过程，并不牵涉网络协议处理和网络设备配置。社会对网络方面的人才技能的需求主要集中于网络组网、配置和故障检测处理等方面。对于应用型本科院校而言，计算机网络教学课程内容中的重难点主要集中在数据链路层、网络层及两层之间的衔接配合。

1.1 数据链路层

数据链路层负责网络通信过程中相邻节点之间的数据传输，该层协议主要涉及点对点传输、广播传输和以太网交换传输等相关内容。根据不同的应用场景，选取不同的数据链路层协议实现数据封装、传输和校验。在工程应用中，以太网由于简单廉价等特点垄断了局域网市场，社会中组建园区网、企业网和校园网等应用场景中，最常用的是以太网虚拟局域网VLAN技术，VLAN技术原理简单，在理论教学中并不作为重难点介绍，但这容易使学生忽视对虚拟VLAN配置技能的掌握。

1.2 网络层

网络层在数据链路层提供的服务基础上，负责网络通信过程中发送端到接收端之间的数据传输，该层协议主要涉及数据网际传输、控制数据传输和路由选择等相关内容，是计算机网络理论课程中的核心章节，也是实现广域网组网应用的关键技术。在实际应用所需技术中与理论知识结合较为紧密，但各知识点实现原理较为独立，逻辑性较强，不便于学生对网络层知识的系统掌握。

1.3 数据链路层和网络层的衔接

计算机网络中数据通信设备分别在数据链路层和网络层实现协议数据单元存储转发，在功能上相互配合完成数据从发送到接收端的整体过程，各层为实现自己的传输任务分别依托多种相关协议，在进行理论知识的教学过程中需要分别对各层协议的实现原理进行详细讲授，在传统实践教学中通常分别对各层协议数据单元进行抓包分析，或者对各层组网过程进行分层实践，并没有对实际传输逻辑进行系统梳理。实际传输过程中数据链路层和网络层是相互配合完成传输任务，学生缺乏真实组网中网络设备配置试错的经验，容易在学习过程中产生逻辑理解偏差。

2 ENSP模拟器辅助计算机网络应用教学

数通网络工程师岗位职责中局域网、广域网的规划和实施占据着重要地位，各类别对应理论层次和相关协议见表1所列。

表1 数通网络工程师主要岗位职责类别对应的技术和相关理论

在理论教学过程中会对子网规划进行较为详细的讲解，实践教学过程需要辅助路由器和交换机等网络设备，学生可以通过eNSP模拟器对华为系列网络设备进行仿真配置实践，通过实践过程进一步加强对理论知识的理解，同时提升自身的组网规划、实施和维护能力。

2.1 eNSP模拟器辅助数据链路层教学

数据链路层处于TCP/IP网络中的底层，网络设备通过处理该层协议数据单元获取MAC地址和端口号等信息实现相邻节点之间的通信过程，理论知识教学过程中侧重于对基本功能、点对点信道传输协议、广播信道传输协议、以太网冲突避免协议和交换机的工作原理等内容的教授，实际组网中则注重在网络上实现对以太网中跨交换机VLAN的配置和应用。

理论教学过程中对数据链路层实现的主要功能和相关协议的发展过程进行了详细介绍，对数据链路层的多种组网方式都进行了相应的讲解。在实践教学过程中，需要向学生说明实际互联网应用过程中局域网通信被以太网占据了市场，以太网分为共享式以太网和交换式以太网，现在市场上最常用的是以交换机为通信设备的交换式以太网，帮助学生梳理清楚数据链路层的理论知识和实践技能的共同点和差异点，使学生在实践过程中心中有数。

采用eNSP模拟器辅助数据链路层教学的过程中，以图2所示二层VLAN跨交换机通信网络拓扑结构为例，进行交换机和终端设备的配置实践，学生通过对模拟器中的交换机进行二层配置，并结合终端相关配置，实现跨交换机的VLAN通信过程。

图2 二层VLAN跨交换机通信网络拓扑结构

在配置过程中，在模拟器中通过对交换机互联trunk端口和access端口的配置，结合虚拟终端命令行，利用ping命令测试网络各终端的连通性，帮助学生形象体验VLAN对于广播域的隔离效果。通过在模拟器中对各连接端口数据流进行抓包分析，帮助学生加深对广播信道传输协议、以太网冲突避免协议的掌握。通过对模拟器中交换机MAC表的查看，帮助学生加深对交换机工作原理的理解。

2.2 eNSP模拟器辅助网络层教学

网络层位于数据链路层之上，网络设备通过处理该层的协议数据单元获取IP地址和下一跳等信息，利用数据链路层提供的相邻节点之间数据的传输服务，实现数据从发送端传输到接收端的通信过程。理论知识教学过程中侧重对IP编址方式、子网规划、地址解析协议、数据报转发流程、路由选择协议、虚拟专用网和网络地址转换等内容的讲授，实际组网中侧重于子网规划、跨子网通信的配置和应用、优化网络性能的相关路由配置、网络故障排查与解决等。网络层是计算机网络理论和实践教学中的重点内容，理论课程中所涉及内容均在实践过程中有所体现，差异在于理论课程中主要对各协议原理和运行流程进行学习，实践课程中主要对各协议进行配置应用，实现整体网络互联。采用eNSP模拟器辅助网络层教学过程中，以图3所示三层跨子网通信网络拓扑结构为例进行路由器、交换机和终端设备的配置实践。

图3 三层跨子网通信网络拓扑结构

在实践过程中，通过在模拟器上搭建网络拓扑结构，帮助学生实践子网地址规划，学会将子网划分的理论知识转变为实践技能应用于网络组网过程。通过单个三层交换机跨子网通信配置，加深学生对子网掩码、网关和直连路由的理解。通过多个三层交换机跨子网通信配置，帮助学生真实体验静态路由和动态路由的差别。通过查看配置后的路由器表项并使用tracert路由跟踪命令查看数据包从发送端到接收端所经路径，帮助学生梳理网络通信数据包在网络层的传输流程和路由器的工作原理，并学会分析网络故障原因。通过配置聚合路由、缺省路由和动态路由，帮助学生了解聚合路由和缺省路由的存在意义和网络优化思路。通过配置网络地址转换协议，加深学生对公网地址和内网地址概念的掌握，帮助学生掌握互联网公网配置的技能。

2.3 eNSP模拟器辅助数据链路层和网络层衔接教学

在计算机网络组网规划、实施和维护过程中，所要求的主要技能为网络设备实践，网络设备牵涉到的理论内容集中在网络层和数据链路层。通过网络层和数据链路层的衔接传输，即网络层依据数据链路层提供的点到点通信服务，实现发送端到接收端通信服务的过程。端到端数据通信流程如图4所示，网络层IP地址和数据链路层MAC地址相互配合完成数据从发送端主机到接收端主机的传输过程。各层之间相互依存，而不是相互替代，数据链路层和网络层作为整个计算机网络课程中的重点，包含知识点内容量大、逻辑性强，每层都有各自相对独立运行的协议，各层协议如何相互配合实现整个网络通信过程是计算机网络课程教学过程中的难点。

图4 端到端数据通信流程

在真实网络环境中进行数据抓包、学习网络协议衔接配合过程时，由于网络通信情况复杂、数据量大，学生较难从复杂数据中查找到相关协议数据。在eNSP模拟器中搭建如图3所示的三层网络拓扑结构，在网络设备各接口处抓包通信数据，由于拓扑结构简单，通过接口的数据量较单一，学生可以清晰地找到相关网络协议数据内容。通过对地址解析协议数据的分析，帮助学生掌握地址解析协议的实际运行过程。通过在各节点查看路由表、MAC表和ARP高速缓存表并分析各表项内容意义，帮助学生梳理网络数据流程，掌握网络层如何利用数据链路层提供点到点传输服务、实现端到端传输服务。

3 结 语

应用型本科院校注重培养学生的实践能力和综合应用能力。鉴于此，本文依据应用型本科院校办学定位，设计并实践了基于华为eNSP模拟器辅助计算机网络数据链路层和网络层教学的过程，在数据链路层教学过程中采用二层网络拓扑案例，在网络层教学过程中采用三层网络拓扑案例，通过对三层网络拓扑接口通信数据抓包，加深学生对计算机网络数据传输逻辑的梳理和掌握。实践结果表明，该教学方式可以有效提升学生对计算机网络课程的学习热情，实现通过理论知识来辅助学生实践，通过实践过程反向辅助学生加深对理论知识的理解，达到了较好的教学效果。