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摘要：实践性、应用性强是计算机网络类课程的主要特征，但由于学校实验、实训环境有限，很多实验无法开展。因此在高职院校计算机网络类课程教学中，引入虚拟仿真技术，有效地缓解了学校网路实验室的建设压力，同时增强了学生的学习积极性，并保证了课程的教学质量。该文介绍了常用的几种仿真技术，并通过使用仿真软件Packet Tracer完成局域网课程中的一个实训案例，讲述了仿真软件的模拟过程并分析了仿真运行结果。
关键词：计算机网络；网络仿真；Packet Tracer
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0121-03
1 概述
计算机网络是通信技术和计算机技术相结合而产生的一门交叉学科，近些年随着通信技术与网络技术的蓬勃发展，计算机网络、局域网管理、网络规划与设计、网络系统管理与维护等课程已经成为计算机专业和通信专业的专业核心课程，在以上这些计算机网络类课程中常常涉及大量抽象的网络协议理论知识和复杂的网络硬件设备，学生理解和掌握起来非常困难。计算机网络类课程具有很强的应用性和实践性，通过部署真实网络环境的实验及实践教学可以很好地解决上述问题，但是由于迅速发展的网络技术、飞快更新的网络设备、昂贵的实验室建设成本、综合性较强的网络实验内容，这些问题导致网络实验室建设完成后资源难于共享和重新配置，因此很多院校很难建成满足课程需要的复杂实验环境，而这直接影响了课程的教学效果和质量。为了解决以上问题，我们在网络课程的教学中引入了虚拟仿真技术，这样不但节约了实验室建设成本，同时还有效地克服了课程难以理解、枯燥抽象的问题，进而使学生加深了对各种协议和原理的认识与理解，同时激发了学生对课程的学习兴趣和积极性，更保证了课程的教学质量。
2 网络仿真技术及常用工具
2.1 网络仿真的概念
网络仿真也叫网络模型，它是指通过模拟软件在计算机上建立网络设备、协议和链路的模型，并通过模型的仿真运行得到网络的相关性能数据的技术。网络仿真技术它是一种科学的手段，主要用来预测和反映网络性能。通过仿真软件所得到的仿真运行结果，为网络设计和网络规划的各种不同方案间的验证与比较提供了可靠的数据，同时为网络的优化设计提供了最真实的定量数据，为决策的制定提供了最有效的手段。
2.2 网络仿真工具简介
在计算机网络课程教学中常用的网络仿真工具有：NS、QualNet、OPNet、GloMosim、OMNet 、BosonNetsim、PacketTracer等。本节对NS-2、OPNet、BosonNetsim、PacketTracer四种仿真工具进行简要介绍。
①NS-2：NS-2是一款开放源代码并且完全免费的网络模拟软件，主要面向网络协议研究。它是面向对象的网络模拟器，由C 和Otcl语言编写而成，NS-2的体系结构是开放的，并且在NS-2中有许多支持协议库，特别适合于TCP/IP网络的模拟。同时在NS-2中还包括基础设备、协议模型、链路、无线移动模型等大量丰富的构件库，它们具有强大的网络模拟仿真功能。除此以外NS-2仿真软件还包括了NS、Otel、Tcl/Tk、Tclcl等组件，这些组件构成了NS-2的软件包。
②OPNet：OPNet是由MIT的几位教师在1986年创建的，并由MIL3公司开发的仿真软件包，它可以对无线网、核心网、卫星网、接入网以及各种混合型的通信网络系统进行仿真。在OPNet中采用三层建模机制对网络进行建模，分别是Network层、Node层、 Process层，其中Network层（网络层）模型在图形用户界面的Project Editor工具中建立、Node层（结点层）模型在图形用户界面的Node Editor工具中建立，Process层（进程层）模型在图形用户界面的Process Editor工具中建立。OPNet使用面向对象的建模方式，这使得它的模型具有很好的继承性和可重用性。在OPNet中有标准模型库和特殊模型库两类仿真模型库，同时在Modeler中存在源代码完全公开的各种协议，用户在使用过程中只需根据自己的需要添加、修改已有的源代码，使用非常方便。
③BosonNetsim：BosonNetsim是BoSon公司推出了一款Cisco路由器、交换机的模拟软件，它为准备参加CCNA、CCNP考试的人员提供了实践练习的有利环境。Boson NetSim由两部分组成：分别为网络拓扑图设计工具（BoSon Network Designer）和模拟Cisco设备配置环境软件（Boson NetSim for CCNP）。网络拓扑图设计工具主要用来绘制实训中所用到的网络拓扑图，同时Boson NetSim软件在安装后会自带一些已定制好的网络拓扑结构图，扩展名为.top文件存放在所安装程序的主目录下，用户可以从File菜单中的Open命令打开已存在的网络拓扑结构图进行使用。模拟Cisco设备配置环境软件部分主要用于Cisco路由器的模拟、交换机实验环境的模拟，同时在这里用户可以进行路由器的配置、交换机设备的配置、实验结果的观察、运行协议的诊断工作。
④PacketTracer：PacketTracer是由思科公司开发的一款网络仿真软件，是用于思科网络技术学院的学员学习CCNA时使用，在这款网络仿真软件中提供了思科的各种型号的路由器、交换机及多种添加模块，同时为了做好网络实验在Packet Trace的设备库中还有PC机、服务器、无线AP、各种各样的线缆、IP电话、帧中继交换机、智能卡等设备。在Packet Trace中使用者可以通过虚拟网络设备来进行网络设计，并绘制网络的拓扑结构图，同时使用者可以在CLI中的IOS Command Line Interface窗口进行命令配置。 PacketTrace仿真软件中它的工作区由物理区域和逻辑区域两部分组成，其中逻辑工作区主要是用户进行网络拓扑配置的，而物理工作区主要是提供逻辑网络所要用到的物理维数，在物理工作区使用者对网络设备产生了感性认识，同时我们在物理工作区还可以看到许多的网络地理标识，例如很多城市以及配线室。在Packet Tracer网络仿真软件中通过真实的使用过程，利用两个操作模式的仿真操作来展现网络的行为。
3 网络仿真技术在课程教学中的应用与实践
在课程教学过程引入网络仿真软件，解决了实验成本问题，同时克服了在真实环境下由于受资金和条件的限制不可能完全完成的课程实训及实验。依据网络类课程的教学内容一般将实验分为以下3大类：1）验证理论类实验，例如：OSI网络体系结构，各类协议（ICMP、TCP、ARP）、三次握手及介质访问控制等；2）网络配置类实验：包括配置交换机、配置防火墙、配置路由器，组建局域网、配置服务器、配置VPN、配置访问控制列表及划分VLAN等；3）综合设计类实验：组建中、小企业办公网络、组建校园网络、组件宿舍网络等。在PacketTracer软件可视化的仿真界面下，学生可以在软件的图形用户界面上灵活方便的拖拽各种需要的网络设备建立网络拓扑，这跟真实的网络场景几乎是没有差别的。通过在课堂上使用模拟软件极大地提高了学生的学习积极性，同时也是学生容易理解那些课程中的原理、概念，从而保证了课程的教学质量，提高了课程的教学效果。
下面介绍局域网课程中利用仿真软件PacketTracer完成“路由器NAT的配置”实验过程。所谓NAT（Network Address Translation）即网络地址转换，它指的是将网络地址从一个地址空间转换为另一个地址空间的方法。NAT将网络划分为两部分即内部网络（inside）和外部网络（outside）。NAT的配置可以分为静态地址转换、动态地址转换、复用动态地址转换（端口复用技术）三种。我们以静态配置（静态NAT可将内部地址和外部地址进行一对一的转换）为例来讲解PacketTracer的使用。
实验要求：根据图1网络拓扑图，要求在R1路由器中通过配置静态NAT把内网中的私有IP地址192.168.1.0翻译成外网合法IP地址202.1.1.2去访问外网。
根据问题要求我们打开Packet Tracer，在Packet Tracer窗口中如图2所示，通过拖拽所需设备绘制出网络拓扑图，如图3所示。绘制完成后单击PC1在config中配置IP地址192.168.1.1，子网掩码、网关。单击Router3在config中配置GigabitEthernet0/0的IP地址202.1.1.2。单击Router2在config中配置GigabitEthernet0/0的IP地址192.168.1.254，单击Router2在config中配置GigabitEthernet0/1的IP地址202.1.1.1。最后再次单击Router2在CLI中进行命令配置，配置命令如下：
R1（config）#interface e0
R1（config-if）#ipnat inside
R1（config-if）#exit
R1（config）#interface s0
R1（config-if）#ipnat outside
R1（config-if）#exit
R1（config）#ipnat inside source static 192.168.1.0 202.1.1.2
配置完成后单击PC1在Desktop中单击run命令用内网中的PC1去ping外网，如果转换成功则运行结果如图4所示。
4 结束语
本文在计算机网络类课程教学中引入了网络仿真技术，通过网络仿真软件的使用有效地改善了目前各院校计算机网络类课程实训、实验教学中存有的问题。在课程实训、实验教学中引入网络仿真软件，激发了学生学习的积极性，同时使学生能更加轻松、深入地学习课程内容，从而有效的提高课程的教学质量。
参考文献：
[1] 方路平，刘世华，陈盼，等.Ns-2网络模拟基础与应用[M].北京：国防工业出版社，2008.77.
[2] 俞海英.基于模拟软件计算机网络实验课程的改革与实践[J].淮北职业技术学院学报，2012，12（6）.
[3] 吴名欢，刘迪迪.网络仿真在计算机网络教学中的应用研究[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2010（3）.
[4] 危寰.Packet Tracer在网络仿真实验中的应用[J].宜春学院学报，2014，6（6）.
关键词：计算机网络；网络仿真；Packet Tracer
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0121-03
1 概述
计算机网络是通信技术和计算机技术相结合而产生的一门交叉学科，近些年随着通信技术与网络技术的蓬勃发展，计算机网络、局域网管理、网络规划与设计、网络系统管理与维护等课程已经成为计算机专业和通信专业的专业核心课程，在以上这些计算机网络类课程中常常涉及大量抽象的网络协议理论知识和复杂的网络硬件设备，学生理解和掌握起来非常困难。计算机网络类课程具有很强的应用性和实践性，通过部署真实网络环境的实验及实践教学可以很好地解决上述问题，但是由于迅速发展的网络技术、飞快更新的网络设备、昂贵的实验室建设成本、综合性较强的网络实验内容，这些问题导致网络实验室建设完成后资源难于共享和重新配置，因此很多院校很难建成满足课程需要的复杂实验环境，而这直接影响了课程的教学效果和质量。为了解决以上问题，我们在网络课程的教学中引入了虚拟仿真技术，这样不但节约了实验室建设成本，同时还有效地克服了课程难以理解、枯燥抽象的问题，进而使学生加深了对各种协议和原理的认识与理解，同时激发了学生对课程的学习兴趣和积极性，更保证了课程的教学质量。
2 网络仿真技术及常用工具
2.1 网络仿真的概念
网络仿真也叫网络模型，它是指通过模拟软件在计算机上建立网络设备、协议和链路的模型，并通过模型的仿真运行得到网络的相关性能数据的技术。网络仿真技术它是一种科学的手段，主要用来预测和反映网络性能。通过仿真软件所得到的仿真运行结果，为网络设计和网络规划的各种不同方案间的验证与比较提供了可靠的数据，同时为网络的优化设计提供了最真实的定量数据，为决策的制定提供了最有效的手段。
2.2 网络仿真工具简介
在计算机网络课程教学中常用的网络仿真工具有：NS、QualNet、OPNet、GloMosim、OMNet 、BosonNetsim、PacketTracer等。本节对NS-2、OPNet、BosonNetsim、PacketTracer四种仿真工具进行简要介绍。
①NS-2：NS-2是一款开放源代码并且完全免费的网络模拟软件，主要面向网络协议研究。它是面向对象的网络模拟器，由C 和Otcl语言编写而成，NS-2的体系结构是开放的，并且在NS-2中有许多支持协议库，特别适合于TCP/IP网络的模拟。同时在NS-2中还包括基础设备、协议模型、链路、无线移动模型等大量丰富的构件库，它们具有强大的网络模拟仿真功能。除此以外NS-2仿真软件还包括了NS、Otel、Tcl/Tk、Tclcl等组件，这些组件构成了NS-2的软件包。
②OPNet：OPNet是由MIT的几位教师在1986年创建的，并由MIL3公司开发的仿真软件包，它可以对无线网、核心网、卫星网、接入网以及各种混合型的通信网络系统进行仿真。在OPNet中采用三层建模机制对网络进行建模，分别是Network层、Node层、 Process层，其中Network层（网络层）模型在图形用户界面的Project Editor工具中建立、Node层（结点层）模型在图形用户界面的Node Editor工具中建立，Process层（进程层）模型在图形用户界面的Process Editor工具中建立。OPNet使用面向对象的建模方式，这使得它的模型具有很好的继承性和可重用性。在OPNet中有标准模型库和特殊模型库两类仿真模型库，同时在Modeler中存在源代码完全公开的各种协议，用户在使用过程中只需根据自己的需要添加、修改已有的源代码，使用非常方便。
③BosonNetsim：BosonNetsim是BoSon公司推出了一款Cisco路由器、交换机的模拟软件，它为准备参加CCNA、CCNP考试的人员提供了实践练习的有利环境。Boson NetSim由两部分组成：分别为网络拓扑图设计工具（BoSon Network Designer）和模拟Cisco设备配置环境软件（Boson NetSim for CCNP）。网络拓扑图设计工具主要用来绘制实训中所用到的网络拓扑图，同时Boson NetSim软件在安装后会自带一些已定制好的网络拓扑结构图，扩展名为.top文件存放在所安装程序的主目录下，用户可以从File菜单中的Open命令打开已存在的网络拓扑结构图进行使用。模拟Cisco设备配置环境软件部分主要用于Cisco路由器的模拟、交换机实验环境的模拟，同时在这里用户可以进行路由器的配置、交换机设备的配置、实验结果的观察、运行协议的诊断工作。
④PacketTracer：PacketTracer是由思科公司开发的一款网络仿真软件，是用于思科网络技术学院的学员学习CCNA时使用，在这款网络仿真软件中提供了思科的各种型号的路由器、交换机及多种添加模块，同时为了做好网络实验在Packet Trace的设备库中还有PC机、服务器、无线AP、各种各样的线缆、IP电话、帧中继交换机、智能卡等设备。在Packet Trace中使用者可以通过虚拟网络设备来进行网络设计，并绘制网络的拓扑结构图，同时使用者可以在CLI中的IOS Command Line Interface窗口进行命令配置。 PacketTrace仿真软件中它的工作区由物理区域和逻辑区域两部分组成，其中逻辑工作区主要是用户进行网络拓扑配置的，而物理工作区主要是提供逻辑网络所要用到的物理维数，在物理工作区使用者对网络设备产生了感性认识，同时我们在物理工作区还可以看到许多的网络地理标识，例如很多城市以及配线室。在Packet Tracer网络仿真软件中通过真实的使用过程，利用两个操作模式的仿真操作来展现网络的行为。
3 网络仿真技术在课程教学中的应用与实践
在课程教学过程引入网络仿真软件，解决了实验成本问题，同时克服了在真实环境下由于受资金和条件的限制不可能完全完成的课程实训及实验。依据网络类课程的教学内容一般将实验分为以下3大类：1）验证理论类实验，例如：OSI网络体系结构，各类协议（ICMP、TCP、ARP）、三次握手及介质访问控制等；2）网络配置类实验：包括配置交换机、配置防火墙、配置路由器，组建局域网、配置服务器、配置VPN、配置访问控制列表及划分VLAN等；3）综合设计类实验：组建中、小企业办公网络、组建校园网络、组件宿舍网络等。在PacketTracer软件可视化的仿真界面下，学生可以在软件的图形用户界面上灵活方便的拖拽各种需要的网络设备建立网络拓扑，这跟真实的网络场景几乎是没有差别的。通过在课堂上使用模拟软件极大地提高了学生的学习积极性，同时也是学生容易理解那些课程中的原理、概念，从而保证了课程的教学质量，提高了课程的教学效果。
下面介绍局域网课程中利用仿真软件PacketTracer完成“路由器NAT的配置”实验过程。所谓NAT（Network Address Translation）即网络地址转换，它指的是将网络地址从一个地址空间转换为另一个地址空间的方法。NAT将网络划分为两部分即内部网络（inside）和外部网络（outside）。NAT的配置可以分为静态地址转换、动态地址转换、复用动态地址转换（端口复用技术）三种。我们以静态配置（静态NAT可将内部地址和外部地址进行一对一的转换）为例来讲解PacketTracer的使用。
实验要求：根据图1网络拓扑图，要求在R1路由器中通过配置静态NAT把内网中的私有IP地址192.168.1.0翻译成外网合法IP地址202.1.1.2去访问外网。
根据问题要求我们打开Packet Tracer，在Packet Tracer窗口中如图2所示，通过拖拽所需设备绘制出网络拓扑图，如图3所示。绘制完成后单击PC1在config中配置IP地址192.168.1.1，子网掩码、网关。单击Router3在config中配置GigabitEthernet0/0的IP地址202.1.1.2。单击Router2在config中配置GigabitEthernet0/0的IP地址192.168.1.254，单击Router2在config中配置GigabitEthernet0/1的IP地址202.1.1.1。最后再次单击Router2在CLI中进行命令配置，配置命令如下：
R1（config）#interface e0
R1（config-if）#ipnat inside
R1（config-if）#exit
R1（config）#interface s0
R1（config-if）#ipnat outside
R1（config-if）#exit
R1（config）#ipnat inside source static 192.168.1.0 202.1.1.2
配置完成后单击PC1在Desktop中单击run命令用内网中的PC1去ping外网，如果转换成功则运行结果如图4所示。
4 结束语
本文在计算机网络类课程教学中引入了网络仿真技术，通过网络仿真软件的使用有效地改善了目前各院校计算机网络类课程实训、实验教学中存有的问题。在课程实训、实验教学中引入网络仿真软件，激发了学生学习的积极性，同时使学生能更加轻松、深入地学习课程内容，从而有效的提高课程的教学质量。
参考文献：
[1] 方路平，刘世华，陈盼，等.Ns-2网络模拟基础与应用[M].北京：国防工业出版社，2008.77.
[2] 俞海英.基于模拟软件计算机网络实验课程的改革与实践[J].淮北职业技术学院学报，2012，12（6）.
[3] 吴名欢，刘迪迪.网络仿真在计算机网络教学中的应用研究[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2010（3）.
[4] 危寰.Packet Tracer在网络仿真实验中的应用[J].宜春学院学报，2014，6（6）.