基于多虚拟平台的计算机网络综合实验教学系统设计

　　摘要：实验教学是计算机网络相关课程教学的重要组成部分。然而，当前的实验教学系统由于实验方案规划不够完善及实验教学平台的局限性等原因，存在系统化不足、学习层次不够分明、重工程轻研究、重应用轻理论等问题。因此，文章以理论课程为基础、实验教学方案为主体、实验平台为载体，从实验专题、实验类型和实验层次三个方面统筹规划，利用虚拟实验平台的泛在性和代价低等优势，选择和扩展多种虚拟实验平台，构建整体的、系统的、有层次的、与理论教学内容紧密相关的、基于多虚拟平台的计算机网络综合实验教学系统，以满足计算机网络相关课程的教学需求。

　　关键词：计算机网络课程；实验教学系统；虚拟实验平台；

　　作者简介：陈凯，讲师，博士，研究方向为计算机网络应用、计算机网络安全、大数据分析与应用

　　计算机网络相关课程是计算机学科的重要核心课程，也是计算机科学与技术专业基础知识体系的重要组成部分，课程内容涉及计算机技术、通信技术与安全技术，涵盖了网络基本概念、网络体系结构、网络协议的工作原理以及网络互联、网络应用、网络管理及网络安全等多个维度的知识[1]。

　　计算机网络知识体系结构的多维性，使得学生在学习过程中对网络知识难以充分理解和全面掌握。《网络环境下的计算机教学支撑指南》[2]指出计算机网络课程教学中的实验支撑是有必要的，IEEEACM文献[3]以及一些网络课程研究讨论组[4]提出计算机网络相关课程教学应至少包含40%的实验讲解，因此能覆盖课程内容的实验教学系统是学生充分掌握和深入理解计算机网络知识的必要条件。实验教学系统的构建主要包含两个方面：一是与理论教学配套的实验教学方案，它是实验教学系统构建的核心；二是与实验教学方案配套的实验教学平台，它是实验教学系统运行的关键。

　　一计算机网络课程实验教学分析

　　面对计算机网络知识的多维性，课程教学中往往以计算机网络体系结构“层次”为主干组织教学内容，主要包含以下几个方面：(1)计算机网络中的基本概念和体系结构；(2)因特网体系结构中的层次模型，提供的服务、实现以及层次之间的关系；(3)结构层次中主要协议的原理、功能和应用；(4)网络协议相关的策略、机制，算法的原理及具体实现；(5)计算机网络中主要设备的原理和使用方法；(6)网络中多媒体应用及网络服务质量；(7)计算机网络中的安全；(8)网络管理的基本方法。这些课程教学内容既包含抽象的原理性知识，又包含实际操作的网络工程、网络应用和网络安全等知识。而相应的实验教学应与这些课程内容紧密相联，能够辅助学生更深刻地了解原理、理解概念，培养学生的应用能力。

　　然而在目前高等教育的计算机网络课程中，实验教学往往难以满足课程教学的需求，主要表现为：实验教学目的不够明确，实验内容与理论课程联系不足，实验教学方案不够充分，实验模式单一、内容陈旧，重应用轻原理，重工程轻研究[5]。这些问题的存在，主要原因在于实验教学系统的设计不够合理、不够完善。

　　为构建合理和完善的实验教学系统，满足教学目标、系统实现和组织形式的要求，需要从实验教学方案、实验教学平台和教学模式三个方面统筹设计——实验教学方案体现了实验教学目标、实验教学内容、实验组织形式和实验过程，实验教学平台提供了教学方案的实现环境，教学模式则关系着实验教学方案的整体性、可操作性和实施效果。其中，实验教学方案决定实验教学平台的构建，而有限的物理实验条件和不同适用程度的实验教学平台也影响着实验教学方案的设计，并导致实验教学中实验和理论脱节、实验教学方案不充分、缺乏理论研究相关实验等问题。

　　培养学生对网络原理的了解、学习网络协议的构建、加深对网络理论知识的理解、拓展对网络技术的应用，这是计算机网络课程本科教学中理论基础教学的首要任务，也是计算机网络课程实验教学的目的。为完成满足计算机网络课程的教学任务，实现计算机网络课程实验教学的目的，应先以理论教学为基础统筹规划并设计实验教学方案，以实验教学方案为指导，构建配套的实验教学平台，同时贯穿合理有效的教学模式，进而形成一套整体的、系统的、层次分明的、满足计算机网络课程教学需求的、能够高效利用时间和空间的计算机网络课程实验教学系统。

　　二计算机网络课程实验教学方案设计

　　为构建整体的、系统的、有层次的、满足计算机网络课程教学需求的、能够高效利用时间和空间的计算机网络课程实验教学系统，在设计实验教学方案时，可从实验专题、实验类型和实验层次三个方面综合考虑并统筹规划，以形成符合理论教学内容、实验目的明确和难易有度的实验教学方案。

　　根据计算机网络课程理论的教学内容，可将计算机网络课程实验分为以下几个专题：

　　(1)计算机网络体系结构。包括网络模型、协议，网络中的策略、网络连接的方法和机制等。

　　(2)网络组织。包括网络物理结构和网络的实现等。

　　(3)网络配置。包括网络应用，网络服务和网络安全等。

　　根据实验性质和不同的培训目的，可将计算机网络课程实验分为以下几种类型：

　　(1)验证型实验。包括网络协议验证与分析、基本策略和机制的验证与分析、网络性能分析、网络设备的配置、网络漏洞和防范方法测试、网络服务器的搭建、基本网络命令的使用。

　　(2)设计型实验。包括协议与策略的修改、协议的增加、网络参数的分析、简单网络组建及相关协议的运用和比较、网络安全策略的实施、网络应用程序开发。

　　(3)综合型实验。包括网络攻击及检测防范方法的研究与测试、综合网络组建及配套安全方案设计、端系统的综合安全策略设计。

　　根据学习难度，可将实验分为以下几个层次：

　　(1)基本实践层次。以基本网络理论为基础，帮助学生理解基本概念，熟悉网络的关键设备，获取网络各性能指标，领会网络中各种状态的含义，掌握网络应用程序开发的基本原理和方法。

　　(2)专业实践层次。以设计性、工程性和应用性为主，如网络架构设计、网络安全方案设计与实现、网络中的数据分析等。

　　(3)研究探索型层次。以研究和开发为主，既可由教师给定具有一定难度和复杂度的实验内容，也可由学生自己提出实验目标、设计实验方案和完成实验结果分析，在教师的辅导和共同讨论下达到创新的高度。

　　通过实验专题、实验类型和实验层次的交叉关联、统筹设计，可构建出实验目标明确，实验内容充分，与网络课程理论知识紧密联系，实验模式多样化、系统化、层次分明的实验方案，其组织架构如图1所示。

　　为满足实验方案组织架构的需求，选择或设计恰当的实验平台尤为重要，以此构建出符合理论教学内容、实验目的明确和难易有度的综合实验教学系统。

　　三实验平台的选择与设计

　　为支撑所设计的实验教学方案，需选择或设计出合理有效的实验教学平台。目前大多数实验教学平台是基于实际的网络设备搭建，存在成本高、场地有限、设备更新慢、设备保护性强等问题，使得实验难以直接研读、修改和测试。

　　虚拟实验平台提供强大的交互功能和友好的人机界面，结合了视听功能，形象直观，图文并茂，丰富多彩，信息量大，安装、使用方便，无需担心操作失误、破坏设备，可再生[6]，利用率高，易维护。因此，使用虚拟实验平台对构建综合实验教学系统具有很大的优势。

　　基于不同的用途、需求和目的，一些研究机构、网络设备公司开发了不同的虚拟实验平台[7]，如可用于建立虚拟网络操作系统的虚拟机软件VMwareWorkstation、VirtualPC和VirtualBox等，用于虚拟网络设备的PacketTracer、NetSim和Dynamips等，用于网络事件模拟的NS2、Opnet和NetRiver[8][9]等。因此，可基于不同虚拟实验平台的功能和特点，根据实验方案的设计，通过选择合适的虚拟实验平台进行组合，以达到实验教学的目的。

　　针对实验教学方案的需求，可结合安装简单、网络功能强、模拟程度高、平台成熟度高、界面友好、操作简单和代价低廉等原则来选择虚拟实验平台。根据实验专题和实验类型可知，实验教学系统需要三类虚拟实验平台，即虚拟网络系统平台、虚拟网络设备平台和网络事件模拟平台。VMwareWorkstation(简称VMW)可在一部实体机器上模拟完整的网络环境，在虚拟网路方面具有独特的优势。虚拟网络设备平台中PacketTracer(简称PT)具有界面友好、支持设备型号多、运行稳定等特点，提供网络拓扑构建、数据包详细处理过程和网络实时运行情况的可视化功能。在网络事件模拟平台中NS2是一种针对网络技术开源和免费的软件模拟平台，它所包含的模块几乎涉及网络技术的所有方面，且可扩展性强，速度和效率优势明显。

　　其中，NS2模拟功能较为全面，但由于其内容庞杂，且基于脚本语言运行、运行仅适应于Unix内核的操作系统，因此非常难以学习和掌握。本研究在NSG的基础上开发了远程NS2模拟实验平台，可通过Internet或局域网连接并使用已安装NS2的服务器，提供了直观简单的可视化的设计、分析、演示和协议修改与扩充等功能，而且基于Java语言编写的客户端能够同时运行于Unix和Windows操作系统，如图2所示。

　　图2远程NS2虚拟实验平台

　　图2远程NS2虚拟实验平台下载原图

　　四基于多虚拟平台的综合实验教学系统构建

　　通过对实验专题、实验类型和实验层次的交叉关联，文章统筹设计了实验教学方案，并基于实验方案选择和扩展相应的虚拟实验平台，从而构建出综合实验教学系统，如表1所示。

　　五结语

　　计算机网络课程实验教学系统是一个统筹设计的综合系统工程，需要以理论课程为基础、实验教学方案为主体、实验平台为载体，达到整体的、系统的、有层次的且满足计算机网络课程教学需求的设计目的。实践证明，实验目标明确，实验内容充分，与网络课程理论知识紧密联系，实验模式多样化、系统化、层次分明的实验教学方案能够较为全面地锻炼学生的网络操作技能，提高学生对网络结构、协议、策略的理解与分析能力，培养学生对不同规模的网络系统的设计与与管理能力，扩展学生的创新能力和团队合作能力。而虚拟实验平台的交互功能，友好的人机界面，结合了视听功能、形象直观、图文并茂的特点，对实验教学方案的实施提供了全面有力的支撑，且安装方便，节省了购置和管理维护硬件的成本，突破了使用时间和空间上的限制。因此，构建基于多虚拟平台的计算机网络综合实验教学系统具有较强的实际意义。