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摘要：本文总结了在工程认证发展背景下，计算机网络传统实验在基础设施、网络设备方面存在问题，分析了采用模拟器和虚拟机技术解决上述问题的可行性，对比了Cisco Packet Tracer和GNS3的软件特性，描述了计算机网络相关课程虚拟仿真实验示例和使用建议，证明了基于上述模拟器和虚拟机软件进行计算机网络虚拟仿真实验的可行性和有效性。
关键词：计算机网络；虚拟；仿真；实验
本文引用格式：孙良旭，等.基于Cisco Packet Tracer和GNS3的计算机网络虚拟仿真实验研究[J].教育现代化,2020,7(50):1-4.
Research on Computer Network Virtual Simulation Experiment Based on Cisco Packet Tracker and GNS3
SUN Liang-xu,ZHANG Yu-jun,ZHANG Xiao-lin
(School of Computer Science and Software Engineering of University of Science and Technology Liaoning,Anshan Liaoning)
Abstract:This paper summarizes the problems of traditional computer network experiment in infrastructure and network equipment under the background of engineering certification development,and analyzes the feasibility of using simulator and virtual machine technology to solve the above problems.This paper compares the software characteristics of Cisco Packet Tracer and GNS3,describes the virtual simulation experiment examples and suggestions of computer network related courses,and proves the feasibility and effectiveness of computer network virtual simulation experiment based on the above simulator and virtual machine software.
Key words:Computer network;Virtual;Simulation;Experiment
一 计算机网络传统实验现状
工程教育专业认证的核心是“以学生为中心”，随着网络工程专业内涵和技术不断发展，当前网络工程专业的实践教学在内容、方法、实验室、师资等方面存在问题[1]。通过分析网络工程专业实践教学的现状与问题，基于OBE工程教育理念[2]，进行课程体系、教学方法、校企合作、实验室建设等方面改革[3]。针对基于传统物理设备实验教学存在的局限性，满足自主学习理念[4]、分层实验教学[5]需要，使用eNSP[6]模拟器软件，进行计算机网络虚拟仿真实验教学。
工程教育理念已经深入到计算机网络实践教学课程体系和教学方法的改革，而目前仍然存在实验室设施、网络及设备方面的问题。
在实验室设施方面，需要占用固定的、足够大的物理空间，甚至是专业的物理空间，以部署大量不同类型的网络设备。随着招生规模和教学要求的逐年提高，对实验室设施的空间和质量要求也逐年提高，一般高校网络工程专业的实验室设施将逐渐成为专业发展的瓶颈。
在网络及设备方面，需要多种网络类型，主要包括广域网、局域网和无线网络，一般高校网络工程专业的实验室都是千兆局域网环境，不具备广域网和无线网络环境，尤其是广域网环境。另外还需要多种设备类型，主要包括路由交换设备、安全设备、无线设备和终端设备。一般来说，设备成本较高，不能及时大量部署更新，无法满足逐年增加的学生规模带来的教学要求。
二计算机网络虚拟仿真实验
经过分析，造成上述问题的主要原因是传统实验平台采用的是物理基础设施形式。这种形式不够灵活，不易扩展，使用起来存在多种限制，并会造成很高的设备和人员成本。要想解决上述问题，必须要改变传统实验平台的基础设施形式，在最大程度保留或者少量升级。现有基础设施基础上，通过模拟器、虚拟机、WEB等软件技术，建立虚拟仿真实验平台。在虚拟仿真环境下完成实验教学，解决传统实验平台存在的实验室设施、网络及设备方面的问题。
在实验室设施方面，通过模拟器和虚拟机技术，根据不同的学生规模，对传统的网络及设备进行软件虚拟仿真，利用一般的单机环境或者WEB环境，突破传统实验室对实验室设施的空间和质量要求。
在网络及设备方面，可以采用免费或者开源的模拟器和虚拟机软件，在单机环境或者WEB环境下，根据实验网络类型和设备数量功能需求，对网络和设备进行虚拟仿真，突破传统实验室对网络及设备成本要求。
三 计算机网络虚拟仿真实验部署实施
（一）模拟器和虚拟机软件
Cisco Packet Tracer[7]是思科的一款跨平台网络模拟器软件，可以通过免费注册下载使用，最新版本为7.2.2。Cisco Packet Tracer用于CCNA和CCNP认证考试培训，可以创建不同网络连接类型、不同网络规模的拓扑，支持一系列路由协议、交换协议、无线协议、安全协议和应用协议，能够模拟思科不同型号和平台的路由器、交换机、无线设备、安全设备、物联网设备以及应用服务器，不必购买任何类型物理设备，支持搭建任何类型物理网络。
Cisco Packet Tracer在实际使用中也有局限性，路由器、交换机和防火墙安全设备的模拟层次为Cisco IOS命令层次，并不是Cisco IOS系统层次，无线控制器和应用服务器只支持通过WEB和图形化完成基础配置。所以Cisco Packet Tracer只能模拟真实设备的部分特征，不支持全部特征。除此之外，Cisco Packet Tracer作为单机环境运行的软件，不能通过物理网络与其他物理设备、模拟器、虚拟机交互，完成虚实结合实验。
GNS3[8]是由Dynamips、QEMU和VirtualBox等开源项目支持的一款跨平台网络模拟器，可以通过免费注册下载使用，最新版本为2.1.21。GNS3能够设计和测试虚拟网络，经常用于CCNA和CCNP认证考试培训。与Cisco Packet Tracer仅仅模拟Cisco IOS命令不同，GNS3使用后台虚拟机监控程序来仿真运行Cisco IOS硬件，可以运行真实的IOS映像，所有配置命令和输出都来自于真实的IOS，并且理论上，IOS版本支持的任何协议或特性在网络设计中都可用。GNS3还可以将实验室设备中的虚拟接口桥接到一个或多个物理以太网接口，将虚拟网络连接到物理网络及设备上。
Cisco Packet Tracer和GNS3的对比如表1所示。
（二）计算机网络相关课程虚拟仿真实验效果
在计算机网络相关课程的实验教学环节中综合运用上述模拟器和虚拟机软件搭建的虚拟仿真实验平台，可以完成全部的验证性、设计性和综合性实验，效果良好。
例如在计算机网络协议相关课程中，要求学生熟悉基础的网络协议知识，可以使用Cisco Packet Tracer设计简单的拓扑，模拟用户在家里通过互联网访问网站服务器浏览网页通信。学生可以在Realtime模式下通过图形化熟悉IP地址、IP路由、应用服务配置，进行通信测试，也可以在Simulation模式下通过查看网络包转发过程和协议分层模型，如图1、2所示，完成课程理论知识的学习。
例如在路由交换技术相关课程中，要求学生掌握路由器和交换机的命令行配置，根据具体的配置特性要求，可以使用Cisco Packet Tracer或者GNS3设计拓扑，模拟用户通过交换接入、路由转发进行网络通信。
例如在综合组网相关课程中，要求学生综合运用所学的计算机网络、路由交换、Linux服务器相关课程知识进行组网，可以使用GNS3设计网络拓扑，配置网络设备，进行虚实结合的网络通信，如图3所示。
例如在无线局域网相关课程中，要求学生掌握WLC控制器配置，可以只使用Cisco Packet Tracer设计拓扑完成完全虚拟的WLAN通信，但是配置特性有限，如图4所示。
综上，在满足拓扑和配置需求的情况下，Cisco Packet Tracer采用独立软件方式，而非虚拟机方式，相对于GNS3具有性能优势。在不满足拓扑和配置需求的情况下，只能选择GNS3。
四 结论
在计算机网络实验教学中引入工程认证思想，传统实验平台存在诸多问题，使用模拟器和虚拟机技术搭建虚拟仿真实验平台可以有效解决这些问题，在计算机网络相关多门课程中，根据不同模拟器和虚拟机软件使用特性，在虚拟仿真平台上可以合理高效地完成拓扑设计、设备配置和测试排错，证明了基于模拟器和虚拟机技术搭建的计算机网络虚拟仿真实验平台是可行和有效的。
参考文献
[1]向凌云,廖年冬.工程教育认证背景下网络工程专业实践教学改革研究[J].计算机教育,2018(08):164-167.
[2]崔贯勋,郜继红.基于OBE的网络工程专业实践体系研究[J].实验技术与管理,2018,35(08):167-170+173.
[3]黄琼,肖德琴,杜治国,等.网络工程创新人才培养的思考与实践[J].实验室研究与探索,2017,36(09):193-195.
[4]王霞俊.自主学习模式下网络工程实验实训教学探索[J].实验技术与管理,2017,34(07):148-151.
[5]朱立才,耿珍,黄津津.网络工程专业计算机网络实验教学的设计与实施[J].实验技术与管理,2017,34(05):161-164.
[6]李凤银,禹继国,鞠宏伟,等.基于eNSP的网络工程实践教学体系探索[J].实验技术与管理,2018,35(03):209-212.
[7]Jesin.Packet Tracer Network Simulator[M].Packt Publishing.2014.1.
[8]Jason C.Neumann著，曹邵华张青峰佟孟竹译.GNS3实战指南[M].人民邮电出版社，2016.
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