構(gòu)建虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗研究

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摘要:遵循“虛實結(jié)合、能實不虛、開放共享”的原則,構(gòu)建了LIMP＋CVM＋NTC＋RCMS的虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程控制虛擬資源,是一個多課程、全方位、開放共享的虛實結(jié)合的平臺,實現(xiàn)了實驗環(huán)境靈活部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮摂M設(shè)計、物理設(shè)備遠(yuǎn)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?fù)湓O(shè)計的可見性和物理組網(wǎng)的靈活性.

關(guān)鍵詞:實驗平臺;虛擬仿真;虛實結(jié)合;開放共享;計算機網(wǎng)絡(luò)類

計算機網(wǎng)絡(luò)類實驗教學(xué)內(nèi)容包括系統(tǒng)組網(wǎng)、路由交換、信息安全和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等[1G2],具有很強的工程性和實踐性.但因?qū)嶒炘O(shè)備不足、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實驗過程抽象、環(huán)境部署困難,網(wǎng)絡(luò)類實驗不但時間和空間受限,而且網(wǎng)絡(luò)攻擊等實驗也很難在真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行[3G4].虛擬仿真實驗通過構(gòu)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(wǎng)絡(luò)類實驗很好的解決方案.當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)類虛擬仿真實驗主要通過模擬器(如IOU、GNS3、eNSP2、HCL等)實現(xiàn),但存在虛擬實驗資源不能開放共享、元件庫沒有虛實結(jié)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(jié)合)的計算機網(wǎng)絡(luò)類實驗平臺的解決方案,以促進計算機網(wǎng)絡(luò)類實驗教學(xué)改革.

1平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)類實驗平臺依托銳捷網(wǎng)絡(luò)實驗室構(gòu)建.遵循“虛實結(jié)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(yuǎn)程控制虛擬實驗,以實現(xiàn)多課程、全方位、開放共享的虛擬仿真實驗教學(xué).(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(jié)合,實現(xiàn)實驗教學(xué)全過程管理,包括實驗室管理、實驗管理、教學(xué)監(jiān)控、實驗結(jié)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(nèi)置軟件共享虛擬實驗教學(xué)資源庫,可根據(jù)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?fù)溥B接器.NTC是一個虛擬組網(wǎng)平臺,承載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮摂M設(shè)計場景,內(nèi)置儀器共享虛擬實驗教學(xué)資源庫,可根據(jù)實驗要求選擇虛擬元件、搭建虛擬邏輯機架、構(gòu)建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實現(xiàn)可視化、自定義虛擬拓?fù)溥B接[7].(4)機架控制管理服務(wù).RCMS是一個物理映射平臺,承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理和控制命令[8],內(nèi)置遠(yuǎn)程控制虛擬實驗教學(xué)資源庫,可根據(jù)虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵崿F(xiàn)物理映射,配置物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),克服了傳統(tǒng)手動連接PC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行物理組網(wǎng)的缺點,可遠(yuǎn)程控制和管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.

2平臺的關(guān)鍵實現(xiàn)

本虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)類實驗平臺以硬件構(gòu)建為基礎(chǔ)、以資源建設(shè)為重點,圍繞實驗資源的開放共享、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶摂M設(shè)計和虛擬拓?fù)涞倪h(yuǎn)程物理映射,實現(xiàn)虛擬仿真和傳統(tǒng)實驗的深度融合.

2．1硬件構(gòu)建

(1)基于云計算和虛擬化技術(shù)構(gòu)建云虛擬實驗平臺.云計算是一種資源使用模式,網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲等計算資源共享池按需提供服務(wù).虛擬化是一種資源管理技術(shù),實現(xiàn)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(guān).云計算結(jié)合虛擬化技術(shù),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(wǎng)絡(luò)IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)和DNS等相關(guān)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(xué)資源的開放共享.(2)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù),構(gòu)建虛擬拓?fù)溥B接器.虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的融合,所構(gòu)建的三維動態(tài)視景仿真系統(tǒng)可以為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境和虛擬體驗,是實驗教學(xué)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(wǎng)端口和48個以太網(wǎng)連接電口,通過網(wǎng)絡(luò)IP、用戶名和密碼等相關(guān)配置,提供虛擬拓?fù)湓O(shè)計場景,構(gòu)建虛擬元件庫和虛擬實驗邏輯機架,實現(xiàn)可視化、自定義拓?fù)溥B接(見圖2).(3)基于反向telnet技術(shù),構(gòu)建機架控制管理服務(wù).反向telnet即反遠(yuǎn)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(nèi)連接不同),是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成中常用的管理控制技術(shù).反向telnet支持該功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置成終端服務(wù)器,利用其異步串口連接被控設(shè)備的Console口,實現(xiàn)多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備,通過網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬遠(yuǎn)程控制和管理

2．2資源建設(shè)

(1)開放共享,建設(shè)軟件共享虛擬實驗資源庫.不同的網(wǎng)絡(luò)類實驗需要不同的實驗環(huán)境,資源建設(shè)遵循開放共享的原則,分層、分類設(shè)計依托于CVM的虛擬機,構(gòu)建軟件共享虛擬實驗資源庫,構(gòu)建流程如圖3所示.首先,綜合分析計算機網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用環(huán)境庫,設(shè)計基礎(chǔ)鏡像庫(．base文件);最后,在基礎(chǔ)環(huán)境鏡像基礎(chǔ)上,融合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)命令相關(guān)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(jié)合,建設(shè)儀器共享虛擬實驗資源庫.不同品牌、不同型號的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增加了計算機網(wǎng)絡(luò)實驗的復(fù)雜性,資源建設(shè)遵循虛實結(jié)合的原則,同化物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,設(shè)計虛擬元件庫和虛擬邏輯機架,重點突出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計和組網(wǎng)原理的理解,構(gòu)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(gòu)建流程理,設(shè)計多廠商命令特征庫,智能識別底層廠商設(shè)備和上層主流廠商命令集,構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬元件庫,基于一家廠商設(shè)備實現(xiàn)多廠商命令行配置,做到不同品牌網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的無差別化;其次,根據(jù)實驗項目的應(yīng)用環(huán)境,選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬元件和實驗PC虛擬元件,設(shè)計邏輯機架模板,配置對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)命令腳本,增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組網(wǎng)的可能性和便捷性,構(gòu)建虛擬邏輯機架庫.(3)能實不虛,建設(shè)遠(yuǎn)程控制虛擬實驗資源庫.不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰煌奈锢磉B線,單純的虛擬拓?fù)洳荒荏w現(xiàn)工程性.資源建設(shè)遵循能實不虛的原則,實現(xiàn)反向telnet異步配置和虛擬拓?fù)湮锢碛成?構(gòu)建遠(yuǎn)程控制虛擬實驗資源庫.首先,將RCMS與物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的Console口連接,利用反向telnet原理實現(xiàn)圖形化Web操作平臺,實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和“一鍵清”功能,構(gòu)建遠(yuǎn)程管理和控制命令特征庫;其次,通過LIMP將NTC接口與真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口進行一一映射,實現(xiàn)物理設(shè)備在NTC內(nèi)部的相互連接,使虛擬拓?fù)湔鎸嵱成涞轿锢砭W(wǎng)絡(luò)設(shè)備成為可能,實現(xiàn)真實的物理拓?fù)浣M網(wǎng),構(gòu)建拓?fù)溆成渑渲媚_本庫和網(wǎng)絡(luò)實驗命令特征庫.

3平臺的實驗教學(xué)

3．1實驗教學(xué)

虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建虛擬邏輯機架,以物理映射遠(yuǎn)程控制和管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,形成虛擬環(huán)境＋虛擬設(shè)計＋物理映射的虛實結(jié)合實驗?zāi)Ｊ?切實提高了實驗環(huán)境部署的便利性,突出了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計的可見性,加強了物理網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的工程性,提升了實驗教學(xué)效果和學(xué)生實踐動手能力[12].依托平臺開展虛擬仿真實驗的關(guān)鍵流程如下:(1)通過LIMP實驗任務(wù);(2)通過CVM調(diào)用虛擬機,快速部署虛擬實驗環(huán)境;(3)通過NTC登錄虛擬設(shè)計器,挑選虛擬元件構(gòu)建虛擬邏輯機架,完成虛擬拓?fù)湓O(shè)計;(4)通過RCMS反向登錄虛擬元件對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理,完成物理網(wǎng)絡(luò)映射;(5)通過LIMP監(jiān)控實驗過程、批改實驗報告.現(xiàn)在,嘉興學(xué)院虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)類實驗平臺已整合了“計算機網(wǎng)絡(luò)”“路由與交換技術(shù)”“網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)”等11門計算機網(wǎng)絡(luò)類課程實驗和23個實驗室的開放項目,形成了網(wǎng)絡(luò)工程、網(wǎng)絡(luò)攻防、信息安全、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、密碼與信息內(nèi)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(chǔ)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(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備.虛實結(jié)合實驗教學(xué)改革已初具成效.

3．2建設(shè)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(xué)模式[13].軟件共享虛擬實驗教學(xué)資源整合了計算機網(wǎng)絡(luò)課程群的實驗需求,分層次、分類別地構(gòu)建了不同操作系統(tǒng)的虛擬機,形成了行業(yè)實驗應(yīng)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(xué)生參與網(wǎng)絡(luò)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(shè)計有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識.虛擬元件庫屏蔽各型號、各品牌網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異性,實現(xiàn)物理設(shè)備的歸一化處理,提升了實驗設(shè)備的有效利用率.此外,虛擬實驗邏輯機架的構(gòu)建改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)機柜格局一成不變的情況,為學(xué)生進行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計提供了廣闊的想象空間,為物理實驗組網(wǎng)提供了更多的可能,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和求知欲望,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐動手能力.(3)網(wǎng)絡(luò)虛擬拓?fù)涞默F(xiàn)實映射有利于拓展虛擬實驗空間和時間、提高學(xué)生的工程實踐能力.遠(yuǎn)程控制虛擬實驗教學(xué)資源平臺遵循虛實結(jié)合、能實不虛的原則,實現(xiàn)了虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、虛擬網(wǎng)絡(luò)命令執(zhí)行、物理映射拓?fù)浣M網(wǎng)的功能,真正能夠遠(yuǎn)程控制實驗設(shè)備并突破實驗空間和時間的限制,使學(xué)生可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方隨時進行遠(yuǎn)程實驗,不僅熟悉虛擬仿真實驗層次,更是通過反向telnet技術(shù)真實控制實驗設(shè)備,真正體驗企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)工程,提高工程實踐能力.

4結(jié)語

虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)類實驗平臺構(gòu)建了軟件共享、儀器共享和遠(yuǎn)程控制三位一體的虛擬仿真實驗教學(xué)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(shè)計＋物理映射的虛實結(jié)合實驗?zāi)Ｊ?推動了虛擬仿真實驗教學(xué)的改革,實現(xiàn)了實驗資源的開放共享、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶摂M設(shè)計和物理設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,有效提升了實驗教學(xué)效果,提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力.

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作者:許小東 吳軍強 杜選 單位:嘉興學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院