構建虛實結合的計算機網絡實驗研究
實驗實訓是計算機網絡技術專業(yè)教學中的重要一環(huán),在真實的網絡實訓教學環(huán)境的基礎上,借助于虛擬技術構建一個完善、高性價比的虛實相結合的計算機網絡實訓室。下面是小編搜集整理的相關內容的論文，歡迎大家閱讀參考。
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(huán)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(tǒng)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(tǒng)組網、路由交換、信息安全和網絡協(xié)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(huán)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(huán)境中進行[３Ｇ４].虛擬仿真實驗通過構建高度仿真的虛擬環(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的虛擬機[９],按需提供豐富的虛擬仿真實驗環(huán)境,支持多用戶同時進行實驗,做到實驗環(huán)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(tài)視景仿真系統(tǒng)可以為學生提供生動、逼真的學習環(huán)境和虛擬體驗,是實驗教學信息化發(fā)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(tǒng)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
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(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(huán)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(huán)境配置清單,創(chuàng)建操作系統(tǒng)鏡像庫(．iso文件);其次,提煉操作系統(tǒng)和實驗軟件的公共部分,分類建立行業(yè)實驗應用環(huán)境庫,設計基礎鏡像庫(．base文件);最后,在基礎環(huán)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(huán)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(huán)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
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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(huán)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(huán)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(huán)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發(fā)布實驗任務;
(２)通過CVM調用虛擬機,快速部署虛擬實驗環(huán)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(jiān)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(xié)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(tǒng)鏡像、３２個基礎環(huán)境鏡像和１０８個課件環(huán)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.
�。常步ㄔO意義
(１)虛擬仿真實驗環(huán)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(tǒng)的虛擬機,形成了行業(yè)實驗應用環(huán)境,不僅節(jié)省了教師管理和部署虛擬仿真實驗環(huán)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(yǎng)學生的創(chuàng)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(tǒng)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(fā)了學生的學習積極性和求知欲望,有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)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(zhí)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(yè)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(tǒng)實驗的深度融合,形成了虛擬環(huán)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(chuàng)新意識和工程實踐能力.
參考文獻
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