基于Packet Tracer虚拟仿真软件的计算机网络实验教学模式的探索

李 楠 孙凤茹 张华卫

(1兰州交通大学计算机与科学技术国家级实验教学示范中心，甘肃 兰州 730070；2兰州城市学院商学院，甘肃 兰州 730070；3兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070）

计算机网络是一门计算机专业的主干课程，理论概念多、抽象性强，而实验教学是计算机网络课程的重要环节，主要研究相关技术的具体实践操作过程，减少学生对学习计算机知识所产生的枯燥情绪和厌恶感，进一步强化学生的实践意识、提高他们的实际动手能力和设计能力[1-2]。

高校的计算机网络实践教学知识面广，如果要确保实验教学的全面性和透彻性，通常需要专业的网络设备，而这些设备造价高，维护费用昂贵，如果相关专业的学生数量不多的话，势必会造成设备的长期闲置，降低了网络设备的利用率；另外真实网络设备一般只能在实验室进行实验；同时很多网络实验都会对真正的局域网络造成一定的影响，甚至是危害[3]。

正因为真实网络设备存在缺陷，本文将以思科的Packet Tracer软件为实例，介绍虚拟仿真软件的主要功能、特点等，并以“三层交换机和路由器的RIP协议”实验为例，详述虚拟仿真软件的使用方法，最后提出基于虚拟仿真软件的实验教学模式。

1 Packet Tracer软件及特点

1.1 Packet Tracer软件简介

Packet Tracer是Cisco公司针对CCNA和CCNP认证开发的一个用来设计、配置和排除网络故障的模拟器，Packet Tracer软件允许创建网络拓扑、配置相关网络设备，并提供数据包在网络中处理的详细过程，以便观察网络实时运行情况。该软件使用方便，既可以安装在个人电脑上，也可以通过局域网实现多人的交互学习[4-5]。

1.2 Packet Tracer软件的主要功能

Packet Tracer网络模拟器软件能够使学生对所研究的问题做出分析，为学生提供模拟、可视化、设计、制作及评估等功能，从而使学生能够深刻理解抽象的计算机网络理论[6]。主要功能如下：

1）模拟实际设备的硬件。进入模拟器环境，就如同操作真实设备一样，也包括设备模块和面板显示，安装模块需要“Power off”（断电）。

2）模拟器支持报文分析功能。通过对Packet Tracer报文分析功能的使用能够使学生掌握具体的通信原理，该模拟器支持应用层协议、传输层协议、网络层协议、数据链路层协议等各个层次、各种功能的协议。

3）支持新一代的IPV6技术和无线系统。

4）绘制网络拓扑图功能。

1.3 Packet Tracer的特点

1）仿真效果好。

在设备界面上，Packet Tracer不但能够模拟真实设备的外观，还能够模拟设备所添加的各种模块的外观；在交互界面上，具有与真实设备相同的命令行输入窗口；在实际的操作过程中，Packet Tracer还模拟了真实设备实际运行时需要的各种操作规程，如必须断电后才能更换功能模块、系统启动时的自检过程、数据包传输的延时现象等。

2）两种工作模式的灵活切换

Packet Tracer主界面的右下角有两个切换模式，分别是实时模式（Real-time Mode）和模拟模式（Simulation Mode）。实时模式（Real-time Mode）模拟了真实物理设备在网络中的实际运行情况，让用户能够体验真实设备的运行过程和执行效率；而模拟模式（Simulation Mode）则是通过模拟面板控制虚拟环境的运转，以单步执行的方式或以指定的速度自动执行操作，甚至可以根据需要随时暂停或返回上一个执行状态，以人们可以理解的方式展现出来。

3）两个工作区的交互选择

Packet Tracer提供两个可相互切换的工作区：逻辑工作区（Logical）与物理工作区（Physical）。逻辑工作区是主要工作区，在该区域里面完成网络设备的逻辑连接及配置；物理工作区则提供了办公地点（城市、办公室、工作间等）和设备的直观图，也可以对它们进行相应配置。

4）节约成本。

以“单臂路由”实验为例，一套真实网络设备购置需要花费2万元。而引入Packet Tracer后，同样可以完成实验教学任务，却减少了对网络设备的使用频率，节约了购置资金，降低了实验成本，更重要的是，节省了维护管理成本。

5）方便灵活

利用虚拟仿真软件Packet Tracer进行实验，Packet Tracer还能够将实验的环境以文件形式加以保存，当文件重新打开后，立刻还原到上一次的状态，无需进行初始化，节省了大量时间。

2 基于Packet Tracer的实验教学案例

计算机网络实验分为协议分析实验、交换实验、路由实验等，本文以典型的“三层交换机和路由器RIP协议”实验为例，说明Packet Tracer在网络的应用。

图1 三层交换和路由器的RIP协议配置实验拓扑图

首先在Packet Tracer工作区中以拖放的方式选定所需要的网络设备并连线，形成如图1所示的网络拓扑图。所有设备的端口选择及相应IP地址分配如表1所示。本实验实施时需要注意以下几点：

1）路由器和主机相连时，需要使用交叉线；

2）在串口上配置时钟频率时，一定要在电缆DCE端的路由器上配置，否则链路不通；

3）三层交换机没有no auto-summary命令；

4）PC网关一定要指向直连接口IP地址，例如PC1网关指向三层交换机VLAN50的IP地址。

表1 RIP协议配置设备端口及IP地址分配

此实验最终可以验证，院内外的主机PC1和PC2之间可以自由通信，同时三层交换机和路由器均可以学习到完整的路由信息。

3 构建基于虚拟仿真软件技术的计算机实验体系

由于高校实验室设备更新速度无法满足计算机网络实验教学的需求，同时设备维护的复杂性，计算机网络实验有必要在以真实网络设备为主的前提下，将虚拟仿真软件应用到实际中，加以补充和完善。

4 结 语

自2014年以来，兰州交通大学计算机科学与技术国家级实验教学中心在《网络原理与技术实验》课程的教学过程中，在传统的锐捷网络设备的基础上，采用Packet Tracer虚拟软件加以补充，效果明显。

[1] 谢钧,谢希仁.计算机网络教程[M].北京:电子工业出版社,2013.

[2] 刘昕,马顺利,昝风彪,叶涛.基于Packet Tracer的BGP路由协议实践教学仿真[J].实验室研究与探索,2017,36(4):94-97.

[3] 谭方勇,张燕,李金祥. 基于虚拟仿真软件技术的计算机网络实验教学体系[J]. 计算机时代,2011,(11):51-53.

[4] 谢伟增,金振乾. 基于Packet Tracer的《计算机网络技术》课程虚拟仿真实验教学[J]. 信息与电脑(理论版),2017,(04):223-226.

[5] 杨久元. Packet Tracer使用指南及实验实训教程（第2版）[M]. 北京:电子工业出版社,2017.

[6] H.H.Shi. Study on IoT Connecting with WAN Based on Packet Tracer[A].Science and Engineering Research Center.Proceedings of 2015 International Conference on Advanced Educational Technology and Information Engineering(AETIE 2015)[C].Science and Engineering Research Center,2015:158-163.

[7] 张昊. 利用Packet Tracer实现的计算机网络综合实训[J]. 职业技术,2015,14(08):68-69.

[8] 陈潮,靳慧云,黄安安. VLAN间路由实验在仿真器中的设计与实现[J]. 实验技术与管理,2016,33(08):129-132.

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