基于Cisco Packet Tracer的虚拟仿真软件在“计算机网络技术”实验教学中的应用研究

王珂 刘文艳（通讯作者） 王宇 杨淼 沙飞 翟阳阳 辛欣

首都医科大学生物医学工程学院

●引言

随着互联网的发展，计算机网络技术已经深入到各个领域。[1-3]各高校越来越重视培养学生的计算机网络技能，纷纷将计算机网络课程开设为必修课或者公共选修课。计算机网络是一门注重理论与实践紧密结合的课程。[1，4]由于计算机网络理论知识复杂抽象、实践性强，所以，实验教学在计算机网络教学环节中起到非常重要的作用，是帮助培养学生掌握计算机网络技能的重要部分。[3，5-7]但在目前的实验教学中，由于受到实验室环境和实验设备数量的限制，实验课时少，实验项目单一，学生分组实验，导致学生不能很好地掌握网络知识，实验教学效果不好。[6-7]为了弥补实验教学的不足，提高教学质量，笔者认为可在计算机网络实验教学中引入虚拟仿真软件，发挥其优点，设计虚拟仿真实验项目，帮助学生理解网络知识，培养学生的分析问题能力、实践操作能力和创新能力。目前，高校常用的虚拟仿真软件有Cisco Packet Tracer、GNS3、eNSP等。根据这些软件各自的特点和本校医学生自身情况，笔者所在学校在计算机网络实验教学中引用了Cisco Packet tracer虚拟仿真软件。

●Cisco Packet Tracer软件

Cisco Packet Tracer是一款辅助学习网络知识的虚拟仿真软件，学习者可以通过此软件，在网络模拟环境中学习网络理论知识、设计网络实验项目、配置网络参数以及排除网络故障。[8-12]学习者可以将该软件安装到个人电脑上，也可以通过网络实现多用户环境的交互学习，利用该软件创建网络拓扑，配置与测试网络设备，还可以在模拟网络环境下以动画形式观察数据包在网络中的运行过程，并可以进行协议分析。[14-15]它还附带多个已建好的演示环境和实验任务案例，学习者通过完成这些案例评估自己掌握网络知识的水平。[16]

1.Cisco Packet Tracer软件的功能

①绘制网络拓扑功能。用户使用拖曳方法，布置网络实验拓扑。

②模拟真实网络设备功能。提供不同类型的网络设备，如路由器，交换机、集线器、无线设备、主机、服务器、防火墙等。

③支持多种协议的分析功能。在模拟模式下，只需发送数据包，就可以查看数据包的每一层协议内容。

④提供实时和模拟两种操作模式。实时模式模拟了真实网络实验过程，模拟模式是通过模拟面板控制虚拟环境的运转，学习者通过单步执行方式或者自动执行方式观察网络数据包传输情况。[14-16]

⑤提供逻辑和物理两种工作区。在逻辑工作区中，用户在该区域绘制网络拓扑结构图，完成网络设备的参数配置；物理工作区提供了城市、建筑、办公室等虚拟设施，可以加载和缩放用户创建的图像，结构化布线，并对它们进行相应配置。

⑥提供图形化配置界面。在图形化配置界面中可以配置网络设备的参数。

⑦提供IOS命令行配置接口。在命令行接口中输入命令操作，学习网络设备的配置。

(2) 生物炭复合材料吸附剂表面官能团复杂，其对污染物的去除受多种机制影响，目前研究多停留在表观分析阶段，添加的改性材料——磁性材料、纳米材料和其他无机材料与生物炭自身的相互作用尚未明确，鲜见定量分析生物炭复合材料对污染物的作用机理，今后可将重点放在定量分析上。

⑧活动向导功能。活动向导是一种评估工具，教师可以创建带有说明、初始网络和应答网络的实验任务，学生按照教师指定说明完成任务来实现测评功能。

2.Cisco Packet tracer软件的优点

①仿真效果好。模拟网络设备的外观并且可以添加模块，模拟真实网络环境，让学习者感受真实物理设备在网络中的实际运行情况。

②界面友好，操作简单。通过拖曳设备及线缆，绘制网络拓扑结构图，通过可视化界面配置网络设备的参数以及实现命令操作。

③节约成本。Cisco Packet Tracer为学生提供了多种类型的网络设备，学生在模拟环境下使用无数量限制的网络设备，完成在真实网络环境下不能完成的实验任务，节约购买设备和维修设备成本，降低人为操作不当造成的设备损坏率。[17-18]

④突破时空的限制。学生在预习实验和完成课后实验时，不需要预约网络实验室，只要在个人电脑上安装虚拟仿真软件，就可以随时随地完成实验。[18]

●实验项目设计

笔者所在学校开设的“计算机网络技术”课程内容以基础性、实用性为主，网络理论知识内容多且抽象，甚至有些知识难以理解，只能通过实验验证才能理解其工作原理。因此，实验项目内容设计尤为重要。笔者根据课程的教学大纲内容和教学任务安排，并且考虑本校医学生的计算机技能水平的差异，重新设计网络实验项目内容。网络实验项目分为基础实验、网络交换实验、网络路由实验和服务器实验四大模块，如表1所示。

表1 网络实验项目设计分类

●虚拟仿真实验教学案例

笔者以交换机虚拟局域网为例，通过虚拟仿真实验过程及实验结果分析，让学生更好地理解虚拟局域网（VLAN）的原理，并且掌握交换机VLAN划分的方法。通过此实验案例说明虚拟仿真实验教学方法可以提升课堂教学效率。

1.教学目的

通过引入、分析与讨论实验案例，让学生了解VLAN的原理和作用，根据案例要求制订实施方案；学生用虚拟仿真软件独立完成整个实验过程，掌握VLAN知识点，提高探索思维能力和动手操作能力。

2.案例分析

②讨论分析。教师通过此案例，引出VLAN的知识点并讲解其原理。学生小组讨论并分析：由于两部门的电脑在同一个交换机上，只有将两部门的电脑分配在不同的VLAN里，这两部门的电脑之间才不能通信；由于同一部门的电脑在相同的VLAN里，因此它们之间可以通信。

③实施方案。在交换机上需要创建两个VLAN，学生处的电脑分配在VLAN10，科研处的电脑分配在VLAN20。

3.绘制拓扑结构图

在绘图工作区中，拖曳合适的网络设备、主机和线缆，绘制网络拓扑结构图（如图1）。PC1和PC3是学生处的电脑，PC2和PC4是科研处的电脑，在绘制拓扑图的过程中，用直通线将主机与交换机连接，PC1、PC2、PC3和PC4依次接入到交换机的F0/1、F0/2、F0/3和F0/4端口。

图1 实验拓扑图

4.设备参数的设置

在绘制完拓扑图后，需要设置各主机的具体参数，如表2所示。在工作区域中，单击主机PC1，弹出设置参数的对话框，选择“config”选项卡，IPAddress设为192.168.0.11，Subnet Mask设为255.255.255.0，如图2所示。然后，用同样方法设置PC2、PC3和PC4的IP地址和子网掩码。

图2

表2 主机配置参数

5.测试主机之间连通性

学生可以从上述四台主机任选两台测试其连通性，这里选择的是主机PC1和主机PC2，单击主机PC2，在弹出的PC2参数对话框中选择“Desktop”选项卡，单击“Command Prompt”选项，在对话框中输入“ping 192.168.0.11”，结果如图3所示，“Reply from 192.168..11：bytes=32 time＜1ms TTL=128”表示连通。

图3

说明：在创建和分配VLAN之前，交换机默认与其连接的所有主机都在同一个VLAN中，它们之间可以通信。

6.VLAN的划分

单击交换机Switch0，在弹出的Switch0参数对话框中选择“CLI”选项卡，输入配置命令。将F0/1和F0/3端口分配到VLAN10，将F 0/2 和F 0/4 端口分配到VLAN20，PC1和PC3属于VLAN10的广播域，PC2和PC4属于VLAN20的广播域。划分VLAN过程如下：

①进入特权模式和全局模式（如图4）。

图4

②创建VLAN。

在交换机中创建VLAN10和VLAN20（如图5）。

图5

③分配VLAN。

将交换机Switch0的F0/1和F0/3接口分配到VLAN10中，将F0/2和F0/4接口分配到VLAN20（如下页图6）。

图6

7.分配VLAN后测试连通性

在划分和分配VLAN后，再次测试主机之间的连通性。测试过程如下：

①测试在相同V L A N中的主机之间的连通性，在VLAN10中主机PC1 ping主机PC3，单击主机PC1，在弹出的PC参数对话框中选择“Desktop”选项卡，单击“Command Prompt”选项，在对话框中输入“ping 192.168.10.13”，结果显示连通。

②测试不在同一个VLAN里的主机之间的连通性，在VLAN10中的主机PC1 ping在VLAN20中的主机PC2，测试结果显示“Request timed out.”，表明主机PC1与主机PC2之间网络不连通。

结果说明，由于主机PC1与主机PC3都在VLAN10中，即在同一个广播域中，所以主机PC1与主机PC3是连通的，而主机PC1与主机PC2不在同一个广播域里，所以不能通信。

如果观察数据包的传输情况，切换到模拟模式下，单击“Filter Edit”按钮，在弹出对话框中选中ARP分组和ICMP分组。单击“Add Simple PDU”按钮，添加PC1到PC3的数据包，单击“Auto Capture/Play”按钮，以动画形式观察数据包传输过程，如图7所示。PC1发送的数据包从Switch0的Fa0/1端口进入，此端口属于VLAN10，所以此数据包只能在VLAN10中广播，PC3可以收到广播帧，而不属于VLAN10的主机不能收到此帧。PC3收到从Switch0发送的广播帧后，PC3会向PC1发送一个单播帧。

图7

在数据包传输过程中，右侧的“Event List”对话框中会显示捕获数据包的详细信息，选中要查看的数据包，单击列表中右侧的Info彩色方块[13]，弹出的PDU Information对话框，显示OSI Model、Inbound PDU Details和Outbound PDU Details选项卡。可以查看各层PDU的封装参数，以及输入端口和输出端口各层协议的封装详情[15]，如图8和图9所示。

图8

图9

●教学评价

在2021-2022学年第二学期，43名本科学生选修“计算机网络技术”课程，由于当时处于新冠疫情阶段，课程是线上教学，学生完成了实验教学任务安排的虚拟仿真实验，并且进行了关于虚拟仿真实验教学的问卷调查。91%的学生对虚拟仿真实验教学方式满意，98%的学生认为虚拟仿真实验项目对理解计算机网络知识有帮助（54%的学生表示非常有帮助，44%的学生表示有一些帮助）。调查结果说明，大部分学生认为虚拟仿真实验教学方式能够提高学习效率和实践操作能力，授课教师认为能够提高教学质量和激发学生的学习兴趣。在问卷中，笔者也发现在选择开展虚拟仿真实验与真实设备实验中，70%的学生选择真实设备实验，说明大部分学生愿意在实验室通过真实设备实验理解和掌握计算机网络知识。因此，在以后开展“计算机网络技术”课程的实验教学中，可结合虚拟仿真实验和真实设备实验的各自优点，设计虚实结合的网络实验项目，激发学生学习兴趣，提高实验教学效率，以便更好地培养学生解决问题能力和动手操作能力。

●结束语

在计算机网络实验教学中利用Cisco Packet Tracer进行虚拟仿真实验，能够有效地提高实验教学质量，帮助教师了解学生学习情况，对每名学生在实验中遇到问题进行更加具体的指导。学生可以重复完成虚拟仿真实验，在实验过程中发现、分析和解决问题，从而掌握和理解网络知识。