構建虛實結合的計算機網絡實驗研究

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了構建虛實結合的計算機網絡實驗研究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要:遵循“虛實結合、能實不虛、開放共享”的原則,構建了LIMP＋CVM＋NTC＋RCMS的虛實結合的計算機網絡類實驗平臺.該平臺整合了軟件共享虛擬資源、儀器共享虛擬資源和遠程控制虛擬資源,是一個多課程、全方位、開放共享的虛實結合的平臺,實現了實驗環境靈活部署、網絡拓撲虛擬設計、物理設備遠程控制,使虛擬仿真實驗和傳統實驗相融合,增強了虛擬拓撲設計的可見性和物理組網的靈活性.

關鍵詞:實驗平臺;虛擬仿真;虛實結合;開放共享;計算機網絡類

計算機網絡類實驗教學內容包括系統組網、路由交換、信息安全和網絡協議等[1G2],具有很強的工程性和實踐性.但因實驗設備不足、網絡結構復雜、實驗過程抽象、環境部署困難,網絡類實驗不但時間和空間受限,而且網絡攻擊等實驗也很難在真實網絡環境中進行[3G4].虛擬仿真實驗通過構建高度仿真的虛擬環境和實驗對象,達到真實實驗效果,是網絡類實驗很好的解決方案.當前計算機網絡類虛擬仿真實驗主要通過模擬器(如IOU、GNS3、eNSP2、HCL等)實現,但存在虛擬實驗資源不能開放共享、元件庫沒有虛實結合等不足之處.本文探討虛擬仿真實驗與傳統實驗融合(虛實結合)的計算機網絡類實驗平臺的解決方案,以促進計算機網絡類實驗教學改革.

1平臺的系統架構

虛實結合的計算機網絡類實驗平臺依托銳捷網絡實驗室構建.遵循“虛實結合、能實不虛、開放共享”的原則,整合軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗,以實現多課程、全方位、開放共享的虛擬仿真實驗教學.(1)實驗室綜合管理平臺(LIMP).LIMP(laboGratoryintegratedmanagementplatform)是一個綜合性虛擬實驗管理平臺,與RCMS、NTC和CVM相結合,實現實驗教學全過程管理,包括實驗室管理、實驗管理、教學監控、實驗結果管理、課程表和用戶管理等6個主要功能模塊.(2)云虛擬實驗平臺.CVM是一個基于云計算的虛擬實驗平臺,承載多臺虛擬機,內置軟件共享虛擬實驗教學資源庫,可根據實驗項目靈活、快速地部署虛擬仿真實驗環境[5G6].(3)虛擬拓撲連接器.NTC是一個虛擬組網平臺,承載網絡拓撲虛擬設計場景,內置儀器共享虛擬實驗教學資源庫,可根據實驗要求選擇虛擬元件、搭建虛擬邏輯機架、構建復雜的網絡拓撲結構,實現可視化、自定義虛擬拓撲連接[7].(4)機架控制管理服務.RCMS是一個物理映射平臺,承載網絡設備管理和控制命令[8],內置遠程控制虛擬實驗教學資源庫,可根據虛擬網絡拓撲實現物理映射,配置物理網絡拓撲結構,克服了傳統手動連接PC和網絡設備進行物理組網的缺點,可遠程控制和管理網絡設備.

2平臺的關鍵實現

本虛實結合的計算機網絡類實驗平臺以硬件構建為基礎、以資源建設為重點,圍繞實驗資源的開放共享、網絡拓撲的虛擬設計和虛擬拓撲的遠程物理映射,實現虛擬仿真和傳統實驗的深度融合.

2．1硬件構建

(1)基于云計算和虛擬化技術構建云虛擬實驗平臺.云計算是一種資源使用模式,網絡、服務器和存儲等計算資源共享池按需提供服務.虛擬化是一種資源管理技術,實現計算資源靈活部署,提高其使用效率.云計算和虛擬化密切相關.云計算結合虛擬化技術,能使IT資源部署更靈活;而虛擬化引入云計算的理念,能使虛擬化資源更有效地按需使用.CVM配有1個Console口、1個MGT口和8個實驗口,通過網絡IP、子網掩碼、網關和DNS等相關配置,生成和管理多個有獨立操作系統的虛擬機[9],按需提供豐富的虛擬仿真實驗環境,支持多用戶同時進行實驗,做到實驗環境的自由切換和虛擬實驗教學資源的開放共享.(2)基于虛擬現實技術,構建虛擬拓撲連接器.虛擬現實技術是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術和網絡技術等多種技術的融合,所構建的三維動態視景仿真系統可以為學生提供生動、逼真的學習環境和虛擬體驗,是實驗教學信息化發展的一個重要飛躍.NTC配有1個Console口、2個1000BaseGXSFP口、2個以太網端口和48個以太網連接電口,通過網絡IP、用戶名和密碼等相關配置,提供虛擬拓撲設計場景,構建虛擬元件庫和虛擬實驗邏輯機架,實現可視化、自定義拓撲連接(見圖2).(3)基于反向telnet技術,構建機架控制管理服務.反向telnet即反遠程登錄,是指從異步串行端口向外建立的連接(與一般外向內連接不同),是網絡系統集成中常用的管理控制技術.反向telnet支持該功能的網絡設備配置成終端服務器,利用其異步串口連接被控設備的Console口,實現多臺網絡設備的遠程控制和管理.RCMS是一個基于反向telnet的智能化平臺,配有1個Console端口、1個AUX端口、2個以太網口和1個8口異步口接口,通過水晶頭線纜連接路由器、防火墻等物理網絡設備,通過網絡IP、用戶名和密碼等提供基于Web的操作界面.RCMS無需拔插控制線,實現網絡設備的虛擬遠程控制和管理

2．2資源建設

(1)開放共享,建設軟件共享虛擬實驗資源庫.不同的網絡類實驗需要不同的實驗環境,資源建設遵循開放共享的原則,分層、分類設計依托于CVM的虛擬機,構建軟件共享虛擬實驗資源庫,構建流程如圖3所示.首先,綜合分析計算機網絡類實驗項目,提煉實驗項目所需的實驗環境配置清單,創建操作系統鏡像庫(．iso文件);其次,提煉操作系統和實驗軟件的公共部分,分類建立行業實驗應用環境庫,設計基礎鏡像庫(．base文件);最后,在基礎環境鏡像基礎上,融合網絡拓撲和網絡命令相關的微課視頻、信息化課件、MOOC資源等信息化資源[11],配置具有特色的課件實驗環境鏡像庫(2)虛實結合,建設儀器共享虛擬實驗資源庫.不同品牌、不同型號的網絡設備增加了計算機網絡實驗的復雜性,資源建設遵循虛實結合的原則,同化物理網絡設備,設計虛擬元件庫和虛擬邏輯機架,重點突出拓撲結構的設計和組網原理的理解,構建儀器共享虛擬實驗資源庫,其流程如圖4所示.首先,歸一化處理各品牌的網絡設備,通過系列管理、型號管理和接口管圖4儀器共享虛擬實驗資源庫構建流程理,設計多廠商命令特征庫,智能識別底層廠商設備和上層主流廠商命令集,構建標準的網絡設備虛擬元件庫,基于一家廠商設備實現多廠商命令行配置,做到不同品牌網絡設備的無差別化;其次,根據實驗項目的應用環境,選擇相應的網絡設備虛擬元件和實驗PC虛擬元件,設計邏輯機架模板,配置對應的網絡命令腳本,增加網絡設備組網的可能性和便捷性,構建虛擬邏輯機架庫.(3)能實不虛,建設遠程控制虛擬實驗資源庫.不同網絡拓撲需要不同的物理連線,單純的虛擬拓撲不能體現工程性.資源建設遵循能實不虛的原則,實現反向telnet異步配置和虛擬拓撲物理映射,構建遠程控制虛擬實驗資源庫.首先,將RCMS與物理網絡設備的Console口連接,利用反向telnet原理實現圖形化Web操作平臺,實現遠程管理和“一鍵清”功能,構建遠程管理和控制命令特征庫;其次,通過LIMP將NTC接口與真實網絡設備接口進行一一映射,實現物理設備在NTC內部的相互連接,使虛擬拓撲真實映射到物理網絡設備成為可能,實現真實的物理拓撲組網,構建拓撲映射配置腳本庫和網絡實驗命令特征庫.

3平臺的實驗教學

3．1實驗教學

虛實結合的計算機網絡類實驗平臺以虛擬機快速部署實驗環境,以虛擬元件庫靈活構建虛擬邏輯機架,以物理映射遠程控制和管理網絡設備,形成虛擬環境＋虛擬設計＋物理映射的虛實結合實驗模式,切實提高了實驗環境部署的便利性,突出了網絡拓撲設計的可見性,加強了物理網絡組網的工程性,提升了實驗教學效果和學生實踐動手能力[12].依托平臺開展虛擬仿真實驗的關鍵流程如下:(1)通過LIMP實驗任務;(2)通過CVM調用虛擬機,快速部署虛擬實驗環境;(3)通過NTC登錄虛擬設計器,挑選虛擬元件構建虛擬邏輯機架,完成虛擬拓撲設計;(4)通過RCMS反向登錄虛擬元件對應的網絡設備,實現遠程控制和管理,完成物理網絡映射;(5)通過LIMP監控實驗過程、批改實驗報告.現在,嘉興學院虛實結合的計算機網絡類實驗平臺已整合了“計算機網絡”“路由與交換技術”“網絡安全技術”等11門計算機網絡類課程實驗和23個實驗室的開放項目,形成了網絡工程、網絡攻防、信息安全、網絡協議、密碼與信息內容安全5大類、共計186個實驗項目.軟件共享虛擬實驗資源庫擁有9個操作系統鏡像、32個基礎環境鏡像和108個課件環境鏡像;儀器共享虛擬實驗資源庫擁有46個虛擬元件和133個虛擬邏輯機架;遠程控制虛擬實驗資源庫擁有7組實驗機柜(實驗臺)和91臺物理網絡設備.虛實結合實驗教學改革已初具成效.

3．2建設意義

(1)虛擬仿真實驗環境的開放共享有利于推廣虛擬仿真實驗教學模式[13].軟件共享虛擬實驗教學資源整合了計算機網絡課程群的實驗需求,分層次、分類別地構建了不同操作系統的虛擬機,形成了行業實驗應用環境,不僅節省了教師管理和部署虛擬仿真實驗環境的時間,而且擴展了學生參與網絡虛擬仿真實驗的時間和途徑,有利于提升虛擬仿真實驗覆蓋面.(2)虛擬元件庫和虛擬實驗邏輯機架的虛擬設計有利于培養學生的創新意識.虛擬元件庫屏蔽各型號、各品牌網絡設備的差異性,實現物理設備的歸一化處理,提升了實驗設備的有效利用率.此外,虛擬實驗邏輯機架的構建改變了傳統網絡機柜格局一成不變的情況,為學生進行網絡拓撲設計提供了廣闊的想象空間,為物理實驗組網提供了更多的可能,激發了學生的學習積極性和求知欲望,有利于培養學生的創新意識和實踐動手能力.(3)網絡虛擬拓撲的現實映射有利于拓展虛擬實驗空間和時間、提高學生的工程實踐能力.遠程控制虛擬實驗教學資源平臺遵循虛實結合、能實不虛的原則,實現了虛擬網絡拓撲設計、虛擬網絡命令執行、物理映射拓撲組網的功能,真正能夠遠程控制實驗設備并突破實驗空間和時間的限制,使學生可以在任何有網絡的地方隨時進行遠程實驗,不僅熟悉虛擬仿真實驗層次,更是通過反向telnet技術真實控制實驗設備,真正體驗企業級網絡工程,提高工程實踐能力.

4結語

虛實結合的計算機網絡類實驗平臺構建了軟件共享、儀器共享和遠程控制三位一體的虛擬仿真實驗教學資源庫,促進了虛擬仿真和傳統實驗的深度融合,形成了虛擬環境＋虛擬設計＋物理映射的虛實結合實驗模式,推動了虛擬仿真實驗教學的改革,實現了實驗資源的開放共享、網絡拓撲的虛擬設計和物理設備的遠程控制,有效提升了實驗教學效果,提高了學生的創新意識和工程實踐能力.

參考文獻

[1]于斌,余紅珍．獨立學院計算機網絡課程虛擬仿真實驗的探索與實踐[J]．軟件導刊,2013(8):187G189．

[2]李林林,孫良旭,吳建勝,等．基于GNS3與VirtualBxo構建虛擬網絡工程實驗室研究[J]．實驗技術與管理,2015,32(9):144G148．

[3]底曉強,張宇昕,趙建平．基于云計算和虛擬化的計算機網絡攻防實驗教學平臺建設探索[J]．實驗技術與管理,2015,32(4):147G151．

[4]彭正明,黃建忠．網絡安全虛擬仿真實驗教學中心建設[J]．計算機教育,2015(12):18G21．

[5]王崇霞．傳統實驗與虛擬實驗優化整合的«計算機網絡»實驗教學設計[J]．現代計算機,2016(10):56G58,63．

[6]黃汝維,陳寧江,何佩聰,等．基于按需云服務的計算機工程教育虛擬實驗室建設實踐[J]．計算機技術應用,2016(5):166G167．

[7]朱劍林,侯睿．虛擬仿真實驗在計算機網絡課程教學中的應用[J]．教育教學論壇,2016(4):224G225．

[8]翟宏宇,趙建平,底曉強,等．基于虛擬仿真平臺的計算機網絡課程實踐教學[J]．計算機教育,2015(9):6G9．

[9]張乃千,楊海,周麗濤．基于云計算的虛擬實驗云平臺設計[J]．計算機教育,2015(1):39G43.

作者:許小東 吳軍強 杜選 單位:嘉興學院數理與信息工程學院