構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究

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摘要:遵循“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、開放共享”的原則,構(gòu)建了LIMP＋CVM＋NTC＋RCMS的虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)平臺(tái).該平臺(tái)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(gè)多課程、全方位、開放共享的虛實(shí)結(jié)合的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)環(huán)境靈活部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮摂M設(shè)計(jì)、物理設(shè)備遠(yuǎn)程控制,使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合,增強(qiáng)了虛擬拓?fù)湓O(shè)計(jì)的可見性和物理組網(wǎng)的靈活性.

關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)平臺(tái);虛擬仿真;虛實(shí)結(jié)合;開放共享;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的工程性和實(shí)踐性.但因?qū)嶒?yàn)設(shè)備不足、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)過(guò)程抽象、環(huán)境部署困難,網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)不但時(shí)間和空間受限,而且網(wǎng)絡(luò)攻擊等實(shí)驗(yàn)也很難在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行[3G4].虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)構(gòu)建高度仿真的虛擬環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果,是網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)很好的解決方案.當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)模擬器(如IOU、GNS3、eNSP2、HCL等)實(shí)現(xiàn),但存在虛擬實(shí)驗(yàn)資源不能開放共享、元件庫(kù)沒(méi)有虛實(shí)結(jié)合等不足之處.本文探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)融合(虛實(shí)結(jié)合)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的解決方案,以促進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革.

1平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依托銳捷網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建.遵循“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、開放共享”的原則,整合軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn),以實(shí)現(xiàn)多課程、全方位、開放共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué).(1)實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)(LIMP).LIMP(laboGratoryintegratedmanagementplatform)是一個(gè)綜合性虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái),與RCMS、NTC和CVM相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程管理,包括實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)管理、教學(xué)監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)結(jié)果管理、課程表和用戶管理等6個(gè)主要功能模塊.(2)云虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái).CVM是一個(gè)基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),承載多臺(tái)虛擬機(jī),內(nèi)置軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目靈活、快速地部署虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境[5G6].(3)虛擬拓?fù)溥B接器.NTC是一個(gè)虛擬組網(wǎng)平臺(tái),承載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮摂M設(shè)計(jì)場(chǎng)景,內(nèi)置儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇虛擬元件、搭建虛擬邏輯機(jī)架、構(gòu)建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)可視化、自定義虛擬拓?fù)溥B接[7].(4)機(jī)架控制管理服務(wù).RCMS是一個(gè)物理映射平臺(tái),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(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù),可根據(jù)虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(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(dòng)連接PC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行物理組網(wǎng)的缺點(diǎn),可遠(yuǎn)程控制和管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.

2平臺(tái)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)

本虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以硬件構(gòu)建為基礎(chǔ)、以資源建設(shè)為重點(diǎn),圍繞實(shí)驗(yàn)資源的開放共享、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶摂M設(shè)計(jì)和虛擬拓?fù)涞倪h(yuǎn)程物理映射,實(shí)現(xiàn)虛擬仿真和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的深度融合.

2．1硬件構(gòu)建

(1)基于云計(jì)算和虛擬化技術(shù)構(gòu)建云虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái).云計(jì)算是一種資源使用模式,網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲(chǔ)等計(jì)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(shí)現(xiàn)計(jì)算資源靈活部署,提高其使用效率.云計(jì)算和虛擬化密切相關(guān).云計(jì)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(jì)算的理念,能使虛擬化資源更有效地按需使用.CVM配有1個(gè)Console口、1個(gè)MGT口和8個(gè)實(shí)驗(yàn)口,通過(guò)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(gè)有獨(dú)立操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)[9],按需提供豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境,支持多用戶同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),做到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的自由切換和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放共享.(2)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),構(gòu)建虛擬拓?fù)溥B接器.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)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(dòng)態(tài)視景仿真系統(tǒng)可以為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境和虛擬體驗(yàn),是實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化發(fā)展的一個(gè)重要飛躍.NTC配有1個(gè)Console口、2個(gè)1000BaseGXSFP口、2個(gè)以太網(wǎng)端口和48個(gè)以太網(wǎng)連接電口,通過(guò)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(jì)場(chǎng)景,構(gòu)建虛擬元件庫(kù)和虛擬實(shí)驗(yàn)邏輯機(jī)架,實(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和管理.RCMS是一個(gè)基于反向telnet的智能化平臺(tái),配有1個(gè)Console端口、1個(gè)AUX端口、2個(gè)以太網(wǎng)口和1個(gè)8口異步口接口,通過(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)IP、用戶名和密碼等提供基于Web的操作界面.RCMS無(wú)需拔插控制線,實(shí)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(shí)驗(yàn)資源庫(kù).不同的網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)需要不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,資源建設(shè)遵循開放共享的原則,分層、分類設(shè)計(jì)依托于CVM的虛擬機(jī),構(gòu)建軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù),構(gòu)建流程如圖3所示.首先,綜合分析計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,提煉實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置清單,創(chuàng)建操作系統(tǒng)鏡像庫(kù)(．iso文件);其次,提煉操作系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)軟件的公共部分,分類建立行業(yè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用環(huán)境庫(kù),設(shè)計(jì)基礎(chǔ)鏡像庫(kù)(．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(shí)驗(yàn)環(huán)境鏡像庫(kù)(2)虛實(shí)結(jié)合,建設(shè)儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù).不同品牌、不同型號(hào)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增加了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性,資源建設(shè)遵循虛實(shí)結(jié)合的原則,同化物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,設(shè)計(jì)虛擬元件庫(kù)和虛擬邏輯機(jī)架,重點(diǎn)突出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和組網(wǎng)原理的理解,構(gòu)建儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù),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(guò)系列管理、型號(hào)管理和接口管圖4儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)構(gòu)建流程理,設(shè)計(jì)多廠商命令特征庫(kù),智能識(shí)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(kù),基于一家廠商設(shè)備實(shí)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(wú)差別化;其次,根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)PC虛擬元件,設(shè)計(jì)邏輯機(jī)架模板,配置對(duì)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(jī)架庫(kù).(3)能實(shí)不虛,建設(shè)遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù).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(shí)不虛的原則,實(shí)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(shí)驗(yàn)資源庫(kù).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(shí)現(xiàn)圖形化Web操作平臺(tái),實(shí)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(kù);其次,通過(guò)LIMP將NTC接口與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口進(jìn)行一一映射,實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備在NTC內(nèi)部的相互連接,使虛擬拓?fù)湔鎸?shí)映射到物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成為可能,實(shí)現(xiàn)真實(shí)的物理拓?fù)浣M網(wǎng),構(gòu)建拓?fù)溆成渑渲媚_本庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)命令特征庫(kù).

3平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3．1實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以虛擬機(jī)快速部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境,以虛擬元件庫(kù)靈活構(gòu)建虛擬邏輯機(jī)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(jì)＋物理映射的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?切實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署的便利性,突出了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的可見性,加強(qiáng)了物理網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的工程性,提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力[12].依托平臺(tái)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵流程如下:(1)通過(guò)LIMP實(shí)驗(yàn)任務(wù);(2)通過(guò)CVM調(diào)用虛擬機(jī),快速部署虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境;(3)通過(guò)NTC登錄虛擬設(shè)計(jì)器,挑選虛擬元件構(gòu)建虛擬邏輯機(jī)架,完成虛擬拓?fù)湓O(shè)計(jì);(4)通過(guò)RCMS反向登錄虛擬元件對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理,完成物理網(wǎng)絡(luò)映射;(5)通過(guò)LIMP監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程、批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告.現(xiàn)在,嘉興學(xué)院虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已整合了“計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程實(shí)驗(yàn)和23個(gè)實(shí)驗(yàn)室的開放項(xiàng)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(jì)186個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)擁有9個(gè)操作系統(tǒng)鏡像、32個(gè)基礎(chǔ)環(huán)境鏡像和108個(gè)課件環(huán)境鏡像;儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)擁有46個(gè)虛擬元件和133個(gè)虛擬邏輯機(jī)架;遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)擁有7組實(shí)驗(yàn)機(jī)柜(實(shí)驗(yàn)臺(tái))和91臺(tái)物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革已初具成效.

3．2建設(shè)意義

(1)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的開放共享有利于推廣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[13].軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源整合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程群的實(shí)驗(yàn)需求,分層次、分類別地構(gòu)建了不同操作系統(tǒng)的虛擬機(jī),形成了行業(yè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用環(huán)境,不僅節(jié)省了教師管理和部署虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的時(shí)間,而且擴(kuò)展了學(xué)生參與網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和途徑,有利于提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)覆蓋面.(2)虛擬元件庫(kù)和虛擬實(shí)驗(yàn)邏輯機(jī)架的虛擬設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).虛擬元件庫(kù)屏蔽各型號(hào)、各品牌網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異性,實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的歸一化處理,提升了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的有效利用率.此外,虛擬實(shí)驗(yàn)邏輯機(jī)架的構(gòu)建改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜格局一成不變的情況,為學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)提供了廣闊的想象空間,為物理實(shí)驗(yàn)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(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力.(3)網(wǎng)絡(luò)虛擬拓?fù)涞默F(xiàn)實(shí)映射有利于拓展虛擬實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間、提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力.遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)遵循虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的原則,實(shí)現(xiàn)了虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、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(shí)驗(yàn)設(shè)備并突破實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間的限制,使學(xué)生可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方隨時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn),不僅熟悉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)層次,更是通過(guò)反向telnet技術(shù)真實(shí)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備,真正體驗(yàn)企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)工程,提高工程實(shí)踐能力.

4結(jié)語(yǔ)

虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù),促進(jìn)了虛擬仿真和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的深度融合,形成了虛擬環(huán)境＋虛擬設(shè)計(jì)＋物理映射的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?推動(dòng)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)資源的開放共享、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶摂M設(shè)計(jì)和物理設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,有效提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力.

參考文獻(xiàn)

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