柳秀清

摘要：針對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程硬件實(shí)驗(yàn)條件不足、網(wǎng)絡(luò)通信概念抽象等問題，該文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程教學(xué)任務(wù)及教學(xué)目標(biāo)，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并在實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行了實(shí)踐。實(shí)踐證明，這些以任務(wù)為本的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的相關(guān)概念有很大幫助，也取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)；仿真實(shí)驗(yàn)；任務(wù)為本

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）11-0055-02

1 背景

利用仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是目前高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中普遍采用的實(shí)驗(yàn)手段[1]。Packet Tracer就是Cisco公司開發(fā)的一款仿真教學(xué)軟件，用來設(shè)計(jì)、配置及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)故障排除的仿真模擬軟件，該軟件是思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院中最流行、操作很簡(jiǎn)單、最接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬工具，也是目前國(guó)內(nèi)高校中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程中使用較多的實(shí)驗(yàn)工具軟件。

將Packet Tracer軟件用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和目的，學(xué)生可以自定義選擇所需要的路由器、交換機(jī)、集線器、無線AP、無線寬帶路由器、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和各種線纜等設(shè)備，然后對(duì)使用的設(shè)備進(jìn)行配置，進(jìn)行性能測(cè)試[2]。通過可視化的仿真界面和靈活方便的配置窗口，學(xué)生可以在幾乎與真實(shí)的場(chǎng)景沒有差別的仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。并且，學(xué)生可以重復(fù)再現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的任何細(xì)節(jié)，更有效地學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分析網(wǎng)絡(luò)的性能，更加深入理解網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜行為。

2 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目現(xiàn)狀分析

《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)與Internet應(yīng)用》多年來一直是非電專業(yè)學(xué)生所開設(shè)的一門計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)的入門課程，也是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

該課程的課程大綱所涉及的主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)概念、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)與Internet、Internet應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)接入方式及網(wǎng)絡(luò)安全等內(nèi)容。該大綱的設(shè)置符合對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)及Internet應(yīng)用的需求。課程的學(xué)習(xí)目的在于培養(yǎng)學(xué)生在信息化社會(huì)里所必備的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)，了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理，掌握應(yīng)用Internet的基本技能，并掌握Internet上常用軟件基本使用方法[3]。

上述課程內(nèi)容中涉及一些網(wǎng)絡(luò)基本原理及概念，而且網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要深入理解和學(xué)習(xí)該課程，并實(shí)現(xiàn)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，最好的方法就是進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。但是，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)涉及交換機(jī)、路由器、計(jì)算機(jī)等大量硬件設(shè)備，這些設(shè)備不僅十分昂貴，而且更新?lián)Q代速度很快，學(xué)校的硬件條件基本達(dá)不到進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要求。受實(shí)驗(yàn)條件的限制，之前學(xué)校在該課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置上多集中在瀏覽器使用、電子郵件系統(tǒng)、下載工具及網(wǎng)頁(yè)編輯等軟件純應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目的設(shè)置有利于學(xué)生掌握Internet應(yīng)用的基本技能及Internet常用軟件基本使用方法，但在掌握必要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)、理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理等方面對(duì)學(xué)生并沒有很大幫助。

為了解決以上現(xiàn)狀，課題組將Packet Tracer網(wǎng)絡(luò)仿真軟件引入網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣不僅可以減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入成本，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力，還可以幫助教師提高教學(xué)和教研的能力，具有重要的理論和實(shí)際意義。

目前已有的Packet Tracer實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)于非電專業(yè)學(xué)生來說或者過于簡(jiǎn)單，或者過于復(fù)雜，簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生理解問題不到位，過于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)一般只適用于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)。因此，課題組利用Packet Tracer軟件設(shè)計(jì)了幾組適合于本校非電專業(yè)學(xué)生的若干網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既能滿足課程教學(xué)大綱需求，又能便于學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)基本工作原理等內(nèi)容的理解和掌握[4-6]。

3 以任務(wù)為本的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

結(jié)合《網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)與Internet應(yīng)用》課程的教學(xué)任務(wù)及教學(xué)目標(biāo)，課題組目前利用Packet Tracer軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、VLAN的構(gòu)建及配置，及應(yīng)用層及傳輸層協(xié)議分析實(shí)驗(yàn)。

3.1 構(gòu)建對(duì)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

對(duì)等網(wǎng)絡(luò)是局域網(wǎng)中結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，又非常常見的網(wǎng)絡(luò)。這組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是考慮在學(xué)生已經(jīng)學(xué)過IP、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)設(shè)置等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解相關(guān)概念。

對(duì)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括，制作雙絞線、有線對(duì)等網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、無線對(duì)等網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接、IP地址配置及組網(wǎng)驗(yàn)證等。圖1所示為有線及無線對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例圖，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體包括：交換機(jī)、路由器的選擇、不同傳輸介質(zhì)的選擇、無線網(wǎng)卡及各終端設(shè)備IP地址的配置。完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建后，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性等。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括，幫助學(xué)生了解雙絞線的標(biāo)準(zhǔn)線序（對(duì)等線與交叉線），并了解交叉線的制作過程；熟悉和了解網(wǎng)卡的用途，理解網(wǎng)絡(luò)組建所需要的硬件設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本配置；掌握有線及無線對(duì)等網(wǎng)的組建，能運(yùn)用多種方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性進(jìn)行測(cè)試，實(shí)踐對(duì)等網(wǎng)組建的過程，掌握組網(wǎng)的基本技術(shù)方法。

學(xué)生在本實(shí)驗(yàn)中需要解決的關(guān)鍵問題包括，雙絞線的制作方法、網(wǎng)絡(luò)的配置過程及網(wǎng)絡(luò)組建的基本思想；如何實(shí)現(xiàn)無線對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，如何選擇及配置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以及檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連通性。

3.2 設(shè)計(jì)并配置VLAN網(wǎng)絡(luò)

VLAN劃分、VLAN間通信等相關(guān)技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)的性能、可管理性和安全性，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)工程中已得到廣泛應(yīng)用。利用Packet Tracer設(shè)計(jì)并配置交換機(jī)、路由器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)VLAN劃分、VLAN間通信等相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解，還對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用能力有很大幫助。

該組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容主要包括，構(gòu)建交換式網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，交換機(jī)與終端控制臺(tái)（Console口）的連接和配置、了解并熟悉交換機(jī)的基本配置命令、通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)VLAN的配置、測(cè)試及刪除等操作。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要包括，幫助學(xué)生掌握VLAN技術(shù)在交換機(jī)和路由器等實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的具體實(shí)現(xiàn)；學(xué)生能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與組建能力；虛擬局域網(wǎng)應(yīng)用能力、交換機(jī)路由器等設(shè)備的配置能力，提高學(xué)生的局域網(wǎng)理論認(rèn)識(shí)水平和實(shí)踐操作能力。

可網(wǎng)管交換機(jī)的設(shè)置及VLAN技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的重難點(diǎn)內(nèi)容之一，不僅理論知識(shí)比較抽象，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的硬件要求也很高。本組實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)難易程度適中，學(xué)生需要解決問題就是通過實(shí)驗(yàn)理解VLAN相關(guān)技術(shù)，掌握VLAN設(shè)置的基本方法。

3.3 應(yīng)用層及傳輸層協(xié)議實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的核心及重要內(nèi)容就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的學(xué)習(xí)。Internet中終端的通訊過程通過分層的體系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。分層體系結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)的分層實(shí)現(xiàn)，分層管理，提高了系統(tǒng)的兼容性和應(yīng)用的多樣性，同時(shí)也方便了對(duì)計(jì)算機(jī)通信的研究和理解。TCP/IP分層體系結(jié)構(gòu)是Internet中最基本的、也是Internet應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中最重要的兩個(gè)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議。在這兩個(gè)協(xié)議的支持下，Internet在應(yīng)用層完成了很多重要的服務(wù)，例如，HTTP瀏覽器服務(wù)、SMTP郵件服務(wù)、DNS域名服務(wù)等等?；赑acket Tracer設(shè)計(jì)應(yīng)用層服務(wù)，通過服務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程，抓取網(wǎng)絡(luò)通信過程中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)分層及各層協(xié)議的數(shù)據(jù)包，對(duì)學(xué)生理解和掌握網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有非常重要的作用。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容主要包括，構(gòu)建及配置客戶服務(wù)器模型網(wǎng)絡(luò)；利用ping命令，捕捉查看相關(guān)協(xié)議數(shù)據(jù)包；配置及測(cè)試HTTP服務(wù)和DNS服務(wù)；利用HTTP服務(wù)，捕捉及查看網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包；分析查看網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)等，如圖3所示。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)服務(wù)的配置過程，例如HTTP服務(wù)、DNS服務(wù)等；通過查看數(shù)據(jù)包傳輸過程，讓學(xué)生理解分層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；通過數(shù)據(jù)包的傳輸過程，了解相關(guān)協(xié)議的通信過程，例如，TCP協(xié)議、IP協(xié)議等，還可以查看不同協(xié)議的封包過程和內(nèi)容，進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)課程的核心內(nèi)容，也是難點(diǎn)內(nèi)容之一，理論知識(shí)比較抽象。通過應(yīng)用層和傳輸層實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)分層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等相關(guān)概念，掌握網(wǎng)絡(luò)通信的基本過程。

4 項(xiàng)目實(shí)踐及結(jié)論

課題組所設(shè)計(jì)的三組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在2017-2018學(xué)年兩個(gè)學(xué)期180位的學(xué)生中進(jìn)行了實(shí)際的實(shí)踐，學(xué)生普遍反映，對(duì)所學(xué)過的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信模型、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等都有了更深刻的理解，對(duì)比2016-2017學(xué)年的學(xué)生，學(xué)生成績(jī)普遍有20%的提高。

實(shí)踐證明，以學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)任務(wù)為導(dǎo)向，利用仿真軟件設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)姆抡鎸?shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能夠有效地解決網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課硬件條件不足等問題，可有效幫助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)中所涉及的相關(guān)概念及技術(shù)。在實(shí)踐檢驗(yàn)中，也取得了良好的教學(xué)效果。

在后續(xù)課程實(shí)踐中，課題組將繼續(xù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)安全及網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步幫助學(xué)生理解相關(guān)概念。

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