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摘 要： 根据高职计算机网络课程传统教学的特点，分析了教学存在的弊端，提出以虚拟机和网络模拟器为主要工具，构建高职计算机网络课程的教学实验体系。实践证明，该体系可以缓解实验经费和网络设备的不足，改善实验环境，提高实验教学效果和教学质量。
关键词： 虚拟机； 网络模拟器； 计算机网络； 网络设备； 实验体系
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）07-66-02
0 引言
计算机网络是一门理论性和实践性都很强的课程，该课程为学生进行后续课程学习、实践、毕业设计，以及参加工作打下基础。计算机网络的实验教学是非常重要的，实验内容的设置是保证该课程教学效果的关键，而目前多数高职高专院校的实验课开设还存在许多问题[1]。
⑴ 经费不足，设备不全，缺少实验环境，实验内容不全面，甚至没有。
⑵ 即使购买了网络硬件设备，建立了网络实验室，但由于计算机网络技术更新较快，后续投资跟不上，没有形成完整的实验体系，而且网络设备数量欠缺，种类不全。
⑶ 部分实验内容涉及计算机硬件的操作[2]，如对硬盘的分区和格式化操作，有的实验需要增加多块硬盘、网卡等硬件设备，对CMOS的设置操作等，这些操作和实验由于受条件的限制是无法完成的，有的虽能实现，但操作后对计算机系统有很大的破坏性，使计算机无法正常使用。
⑷ 实际网络设备在使用上的单用户性，导致实验室适合于小班化教学，与目前日常的教学组织形式相矛盾，使得实验室使用频率高，实验教学效率极低。
⑸ 计算机网络课所涉及的操作系统较多，如Windows XP、Windows 2003 Server和Linux等，而一个计算机房可能只安装一个操作系统。
⑹ 学生需要课外反复训练但很少有实验环境。
高职院校强调的是动手能力，在单机环境下的实际网络系统中上机实验存在这么多问题需要解决，为此，本文提出了基于网络模拟器和虚拟机的高职计算机网络课程实验体系。
1 计算机网络课程实验教学体系
计算机网络实验教学体系分为三大模块，如图1所示。
1.1 基于虚拟机的实验设计
虚拟机指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。通过虚拟机软件，可以在一台物理计算机上模拟出二台或多台虚拟的计算机，这些虚拟机完全就像真正的计算机那样进行工作，例如，可以安装操作系统、安装应用程序、访问网络资源等等。对于用户而言，虚拟机只是运行在物理计算机上的一个应用程序，但是对于在虚拟机中运行的应用程序而言，它就是一台真正的计算机。
目前流行的虚拟机软件有VMware、VMLite、Virtual Box、Virtual PC等，它们都能在Windows系统上虚拟出多个计算机。VMware是目前机房应用较多的软件，可以在一台机器上同时运行二个或更多Windows、DOS、Linux系统。下面我们就基于虚拟机（以VMware Workstation为例）的实验进行设计。
⑴ 在虚拟机环境搭建对等网
在真实计算机中安装客户端操作系统Windows XP，在虚拟机中安装客户端操作系统Windows 98，将真实机和虚拟机连接成对等网，使学生能在一台计算机中即可组建对等网。还可以增加组网需要的其他设备如交换机、网卡等。通过该实验，使学生学会采用真实PC与虚拟配置对等网的方法。
⑵ 在虚拟机环境下安装和配置Windows Server 2003
若机房的真实机中安装的是Windows XP，又想要安裝和配置网络操作系统Windows Server 2003，为了不改变原有系统，那么我们可以在虚拟机中安装Windows Server 2003，安装活动目录。通过该实验，使学生学会Windows Server 2003的安装和基本配置方法，并学会使用“Active Directory用户和计算机”创建和管理用户和组的方法[3]。
⑶ 在虚拟机环境下安装和配置Linux
目前应用较广泛的还有操作系统Linux，而一般机房没有安装独立的Linux。为了满足教学，我们在虚拟机环境下安装Linux。像Linux中的文件配额管理[4]，静态路由的配置等实验都要通过增加硬件设备来实现，这在现有的机房里是不可能满足的，但是我们通过虚拟机增加硬盘、增加网卡就能非常方便地解决问题，使实验能够顺利完成。
1.2 基于网络模拟器的的实验设计
网络模拟器（也称网络仿真）通过在计算机上建立一个虚拟的网络平台， 来实现真实网络环境的模拟，可用于网络模型选择、网络设备、协议、测试和验证。目前有许多优秀模拟软件，如Boson NetSim、Packet Tracer、Dynamips等，Packet Tracer是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具，用户可以自由添加主机，进行网络划分，进行路由器和交换机的配置，可以在软件的图形用户界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑，并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况等。高职高专院校实践实训中，使用实际网络设备结合Packet Tracer，使学生能得到充分的网络技术的建设实训，同时又能通过实际设备增加对网络的感性认识。基于Packet Tracer的实验设计如下。
⑴ 用物理工作区展示现实环境
使用Packet Tracer的物理工作区（Physical Workspace）视图从综合布线的角度展示楼宇、管理间、机柜的位置，展示机柜中设备的放置，能使学生更直观地模拟网络建设中管理间、机柜、设备的需求。
⑵ Packet Tracer 5.0配置路由器、交换机、PC机 在Packet Tracer 5.0上进行路由器、交换机的配置，实现真实的网络场景，让学生能够在模拟软件的使用中体会到Cisco路由器、交换机在网络环境中的具体配置和应用。例如，让学生添加路由器、交换机、PC机设备后，并完成各设备的配置，组建一个“路由器+交换机+PC机”网络模式的局域网。
⑶ 几个局域网的相互访问[5]
几个局域网通过路由器来实现相互访问，实际去做这一实验时，学生很难理解配置命令，且搭出这样的一个网络很费劲。我们使用Packet Tracer软件来做这个实验，不用考虑实际经常出现的软硬件错误，并且通过观察数据包传输的仿真演示，更好地理解配置命令所起的作用，而其逼真的程度又可让学生“沉浸”在这一氛围，把这一虚拟的实验当成是真实的实验，让学生能够轻松、单独地搭建和配置这样的大网络，从而产生很好的学习效果。在部分课程教学中，仿真较之于真实设备更能发挥作用。
⑷ 用模拟模式仿真协议数据单元PDU转发流程[6]
PDU的格式和转发流程比较抽象，学生难以理解，我们使用Packet Tracer的模拟模式（Simulation Mode）直觀展示PDU的格式和转发流程，可以产生事半功倍的教学效果。
⑸ 研究第2层帧头
当IP数据包通过网间时，可封装在许多不同的第2层帧中。Packet Tracer支持以太网、Cisco的私有HDLC、基于PPP的IETF标准以及第2层的帧中继。当数据包在路由器之间传送时，第2层帧将会解封，而数据包将封装在出站接口的第2层帧中。本练习将跟踪网间的IP数据包，研究不同的第2层封装。
⑹ 研究应用层和传输层协议
Packet Tracer的模拟模式可以捕获流经整个网络的所有网络通信，例如，从PC使用URL捕获Web请求，运行模拟模式并捕获通信，研究捕获的通信。
1.3 实际单机计算机系统的实验设计
在实际计算机系统中的实验设计如下：
⑴ 双绞线的制作：制作交叉线连接两计算机，用ping命令或网上邻居测试制作的网线是否工作正常。
⑵ 组建共享式局域网：利用HUB，网卡，双绞线，微机、TCP/IP协议等组建一个星型局域网络。
⑶ Web服务的构建与配置：利用IIS构建和配置Web服务器。
⑷ FTP服务的构建与配置：利用IIS（或Serv-U 6.4.0.4）构建和配置FTP服务器。
⑸ DNS服务器的配置。
⑹ 电子邮件服务的构建与配置：利用Mdaemon或Microsoft Exchange 2000 Server配置电子邮件服务器。
⑺ DHCP服务器的配置。
⑻ 配置代理服务器：利用Wingate、Sygate等配置代理服务器。
2 结束语
网络模拟器和虚拟机是计算机网络教学中良好的辅助工具，本文主要从基于虚拟机的实验设计、基于网络模拟器的实验设计、实际单机计算机系统的实验设计三个方面来构建计算机网络实验教学体系，该体系可以改变许多传统的教学方法，完全符合“项目教学”的原理。该体系具有成本低、通用性强、易用性高、开放性好、实验操作安全性高等特点，可以缓解经费和网络设备的不足，改善实验环境以满足教学需求，提高学生的动手能力和创造能力，提高实验教学效果和教学质量。
参考文献：
[1] 范文广，王胜.虚拟机在计算机网络专业课程实验中应用的综述[J].攀枝花学院学报，2012.29（4）：124-125
[2] 倪强.微型计算机安装调试与维修[M].安徽科学技术出版社，2010.
[3] 张蒲生.计算机网络技术及实训[M].中国水利水电出版社，2010.
[4] 谢蓉.Linux基础及应用[M].中国铁道出版社，2008.
[5] 徐佩锋，赵中营.用packet tracer模拟软件改进高职计算机网络实验教学[J].计算机教育，2008.18：35-37，39
[6] 吴刚.Cisco Packet Tracer在网络教学中的特殊应用[J].计算机时代，2011.
关键词： 虚拟机； 网络模拟器； 计算机网络； 网络设备； 实验体系
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）07-66-02
0 引言
计算机网络是一门理论性和实践性都很强的课程，该课程为学生进行后续课程学习、实践、毕业设计，以及参加工作打下基础。计算机网络的实验教学是非常重要的，实验内容的设置是保证该课程教学效果的关键，而目前多数高职高专院校的实验课开设还存在许多问题[1]。
⑴ 经费不足，设备不全，缺少实验环境，实验内容不全面，甚至没有。
⑵ 即使购买了网络硬件设备，建立了网络实验室，但由于计算机网络技术更新较快，后续投资跟不上，没有形成完整的实验体系，而且网络设备数量欠缺，种类不全。
⑶ 部分实验内容涉及计算机硬件的操作[2]，如对硬盘的分区和格式化操作，有的实验需要增加多块硬盘、网卡等硬件设备，对CMOS的设置操作等，这些操作和实验由于受条件的限制是无法完成的，有的虽能实现，但操作后对计算机系统有很大的破坏性，使计算机无法正常使用。
⑷ 实际网络设备在使用上的单用户性，导致实验室适合于小班化教学，与目前日常的教学组织形式相矛盾，使得实验室使用频率高，实验教学效率极低。
⑸ 计算机网络课所涉及的操作系统较多，如Windows XP、Windows 2003 Server和Linux等，而一个计算机房可能只安装一个操作系统。
⑹ 学生需要课外反复训练但很少有实验环境。
高职院校强调的是动手能力，在单机环境下的实际网络系统中上机实验存在这么多问题需要解决，为此，本文提出了基于网络模拟器和虚拟机的高职计算机网络课程实验体系。
1 计算机网络课程实验教学体系
计算机网络实验教学体系分为三大模块，如图1所示。
1.1 基于虚拟机的实验设计
虚拟机指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。通过虚拟机软件，可以在一台物理计算机上模拟出二台或多台虚拟的计算机，这些虚拟机完全就像真正的计算机那样进行工作，例如，可以安装操作系统、安装应用程序、访问网络资源等等。对于用户而言，虚拟机只是运行在物理计算机上的一个应用程序，但是对于在虚拟机中运行的应用程序而言，它就是一台真正的计算机。
目前流行的虚拟机软件有VMware、VMLite、Virtual Box、Virtual PC等，它们都能在Windows系统上虚拟出多个计算机。VMware是目前机房应用较多的软件，可以在一台机器上同时运行二个或更多Windows、DOS、Linux系统。下面我们就基于虚拟机（以VMware Workstation为例）的实验进行设计。
⑴ 在虚拟机环境搭建对等网
在真实计算机中安装客户端操作系统Windows XP，在虚拟机中安装客户端操作系统Windows 98，将真实机和虚拟机连接成对等网，使学生能在一台计算机中即可组建对等网。还可以增加组网需要的其他设备如交换机、网卡等。通过该实验，使学生学会采用真实PC与虚拟配置对等网的方法。
⑵ 在虚拟机环境下安装和配置Windows Server 2003
若机房的真实机中安装的是Windows XP，又想要安裝和配置网络操作系统Windows Server 2003，为了不改变原有系统，那么我们可以在虚拟机中安装Windows Server 2003，安装活动目录。通过该实验，使学生学会Windows Server 2003的安装和基本配置方法，并学会使用“Active Directory用户和计算机”创建和管理用户和组的方法[3]。
⑶ 在虚拟机环境下安装和配置Linux
目前应用较广泛的还有操作系统Linux，而一般机房没有安装独立的Linux。为了满足教学，我们在虚拟机环境下安装Linux。像Linux中的文件配额管理[4]，静态路由的配置等实验都要通过增加硬件设备来实现，这在现有的机房里是不可能满足的，但是我们通过虚拟机增加硬盘、增加网卡就能非常方便地解决问题，使实验能够顺利完成。
1.2 基于网络模拟器的的实验设计
网络模拟器（也称网络仿真）通过在计算机上建立一个虚拟的网络平台， 来实现真实网络环境的模拟，可用于网络模型选择、网络设备、协议、测试和验证。目前有许多优秀模拟软件，如Boson NetSim、Packet Tracer、Dynamips等，Packet Tracer是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具，用户可以自由添加主机，进行网络划分，进行路由器和交换机的配置，可以在软件的图形用户界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑，并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况等。高职高专院校实践实训中，使用实际网络设备结合Packet Tracer，使学生能得到充分的网络技术的建设实训，同时又能通过实际设备增加对网络的感性认识。基于Packet Tracer的实验设计如下。
⑴ 用物理工作区展示现实环境
使用Packet Tracer的物理工作区（Physical Workspace）视图从综合布线的角度展示楼宇、管理间、机柜的位置，展示机柜中设备的放置，能使学生更直观地模拟网络建设中管理间、机柜、设备的需求。
⑵ Packet Tracer 5.0配置路由器、交换机、PC机 在Packet Tracer 5.0上进行路由器、交换机的配置，实现真实的网络场景，让学生能够在模拟软件的使用中体会到Cisco路由器、交换机在网络环境中的具体配置和应用。例如，让学生添加路由器、交换机、PC机设备后，并完成各设备的配置，组建一个“路由器+交换机+PC机”网络模式的局域网。
⑶ 几个局域网的相互访问[5]
几个局域网通过路由器来实现相互访问，实际去做这一实验时，学生很难理解配置命令，且搭出这样的一个网络很费劲。我们使用Packet Tracer软件来做这个实验，不用考虑实际经常出现的软硬件错误，并且通过观察数据包传输的仿真演示，更好地理解配置命令所起的作用，而其逼真的程度又可让学生“沉浸”在这一氛围，把这一虚拟的实验当成是真实的实验，让学生能够轻松、单独地搭建和配置这样的大网络，从而产生很好的学习效果。在部分课程教学中，仿真较之于真实设备更能发挥作用。
⑷ 用模拟模式仿真协议数据单元PDU转发流程[6]
PDU的格式和转发流程比较抽象，学生难以理解，我们使用Packet Tracer的模拟模式（Simulation Mode）直觀展示PDU的格式和转发流程，可以产生事半功倍的教学效果。
⑸ 研究第2层帧头
当IP数据包通过网间时，可封装在许多不同的第2层帧中。Packet Tracer支持以太网、Cisco的私有HDLC、基于PPP的IETF标准以及第2层的帧中继。当数据包在路由器之间传送时，第2层帧将会解封，而数据包将封装在出站接口的第2层帧中。本练习将跟踪网间的IP数据包，研究不同的第2层封装。
⑹ 研究应用层和传输层协议
Packet Tracer的模拟模式可以捕获流经整个网络的所有网络通信，例如，从PC使用URL捕获Web请求，运行模拟模式并捕获通信，研究捕获的通信。
1.3 实际单机计算机系统的实验设计
在实际计算机系统中的实验设计如下：
⑴ 双绞线的制作：制作交叉线连接两计算机，用ping命令或网上邻居测试制作的网线是否工作正常。
⑵ 组建共享式局域网：利用HUB，网卡，双绞线，微机、TCP/IP协议等组建一个星型局域网络。
⑶ Web服务的构建与配置：利用IIS构建和配置Web服务器。
⑷ FTP服务的构建与配置：利用IIS（或Serv-U 6.4.0.4）构建和配置FTP服务器。
⑸ DNS服务器的配置。
⑹ 电子邮件服务的构建与配置：利用Mdaemon或Microsoft Exchange 2000 Server配置电子邮件服务器。
⑺ DHCP服务器的配置。
⑻ 配置代理服务器：利用Wingate、Sygate等配置代理服务器。
2 结束语
网络模拟器和虚拟机是计算机网络教学中良好的辅助工具，本文主要从基于虚拟机的实验设计、基于网络模拟器的实验设计、实际单机计算机系统的实验设计三个方面来构建计算机网络实验教学体系，该体系可以改变许多传统的教学方法，完全符合“项目教学”的原理。该体系具有成本低、通用性强、易用性高、开放性好、实验操作安全性高等特点，可以缓解经费和网络设备的不足，改善实验环境以满足教学需求，提高学生的动手能力和创造能力，提高实验教学效果和教学质量。
参考文献：
[1] 范文广，王胜.虚拟机在计算机网络专业课程实验中应用的综述[J].攀枝花学院学报，2012.29（4）：124-125
[2] 倪强.微型计算机安装调试与维修[M].安徽科学技术出版社，2010.
[3] 张蒲生.计算机网络技术及实训[M].中国水利水电出版社，2010.
[4] 谢蓉.Linux基础及应用[M].中国铁道出版社，2008.
[5] 徐佩锋，赵中营.用packet tracer模拟软件改进高职计算机网络实验教学[J].计算机教育，2008.18：35-37，39
[6] 吴刚.Cisco Packet Tracer在网络教学中的特殊应用[J].计算机时代，2011.