適應(yīng)協(xié)作學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗平臺的設(shè)計

劉進(jìn)軍,陳桂林,徐志紅

(滁州學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系,安徽滁州239000)

適應(yīng)協(xié)作學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗平臺的設(shè)計

劉進(jìn)軍,陳桂林,徐志紅

(滁州學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系,安徽滁州239000)

利用虛擬化技術(shù),設(shè)計一個適應(yīng)協(xié)作學(xué)習(xí)的仿真實驗平臺。該平臺支持網(wǎng)絡(luò)課程的實驗仿真、協(xié)作實驗、在線考試、動態(tài)演示以及用戶管理等功能。實踐表明:平臺提供了仿真環(huán)境,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。

協(xié)作學(xué)習(xí);仿真平臺;虛擬機;在線考試

協(xié)作學(xué)習(xí)(Collabo rative learning)是指學(xué)習(xí)者以小組或團(tuán)隊的形式,在共同的目標(biāo)和一定的激勵機制下,獲得最大的個人、小組學(xué)習(xí)成果而進(jìn)行合作互助的一切相關(guān)行為[1]。與個別學(xué)習(xí)和競爭學(xué)習(xí)相比,協(xié)作學(xué)習(xí)能更好地發(fā)揮學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性,能促進(jìn)高級認(rèn)知能力的發(fā)展以及合作精神的培養(yǎng)。

對于計算機網(wǎng)絡(luò)類課程來說,實驗教學(xué)在網(wǎng)絡(luò)需求分析、規(guī)劃與設(shè)計、項目實施與規(guī)范管理以及測試與優(yōu)化等實踐能力培養(yǎng)方面有著理論教學(xué)不可替代的作用[2],是培養(yǎng)應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)人才的主要途徑之一。本文設(shè)計一個適應(yīng)協(xié)作學(xué)習(xí)的仿真實驗平臺,該平臺可用于網(wǎng)絡(luò)類課程的理論、實驗教學(xué)以及學(xué)生的課外自主學(xué)習(xí),有利于培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力與創(chuàng)新精神。

一、相關(guān)工作

(一)協(xié)作學(xué)習(xí)的實現(xiàn)方式

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)作學(xué)習(xí)[3]可分為同步、異步兩種方式。同步方式是指處于不同地域的學(xué)生可以在同一時間進(jìn)行實時的交流與協(xié)作,例如通過聊天室、Netmeeting、遠(yuǎn)程協(xié)助等實現(xiàn)超空間的交流,這種實時溝通能促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí),滿足學(xué)生內(nèi)心的歸屬感、認(rèn)同感。異步方式是指進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)的雙方在不同時間和地點的條件下進(jìn)行同一任務(wù)的協(xié)商學(xué)習(xí),可通過 E-mail、BBS、Blog等實現(xiàn)。這種模式可使學(xué)生進(jìn)行異步對話,從而達(dá)到交互協(xié)作的目的。

(二)仿真平臺的相關(guān)技術(shù)

1.網(wǎng)絡(luò)仿真軟件

網(wǎng)絡(luò)仿真軟件可以使一臺計算機成為“虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室”,以開展網(wǎng)絡(luò)實驗。GNS3是具有圖形化界面、支持多平臺的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,可以仿真路由器、交換機、防火墻及VPN等多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,并支持自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。PacketTracer作為仿真工具,其主要特點包括:支持在線考試以檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)成果;支持動態(tài)演示,形象化顯示數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程,使學(xué)生深刻理解網(wǎng)絡(luò)通信的基本原理。前者支持的設(shè)備全面,后者支持的功能豐富。本文描述的仿真平臺聯(lián)合使用兩種仿真工具,使兩者互為補充。

2.虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)[4]是目前共享服務(wù)器硬件,實現(xiàn)資源復(fù)用的主要方式,以虛擬機的形式劃分物理服務(wù)器節(jié)點上CPU、內(nèi)存及I/O等硬件資源,使節(jié)點上多個虛擬機能夠同時運行并相互隔離。該技術(shù)將服務(wù)封裝在虛擬機中并利用創(chuàng)建、復(fù)制或動態(tài)遷移等方式將服務(wù)快速映射到物理節(jié)點上,為服務(wù)管理提供一種有效的解決辦法。

二、仿真實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

(一)實驗平臺結(jié)構(gòu)

圖1 仿真實驗平臺層次化結(jié)構(gòu)

實驗平臺為層次化結(jié)構(gòu),由硬件層、虛擬化層、用戶接口層組成。其中:

硬件層:為實驗平臺提供硬件資源,主要包括通過局域網(wǎng)互聯(lián)的高性能服務(wù)器群。其中,服務(wù)器的數(shù)量可根據(jù)用戶數(shù)動態(tài)調(diào)整。

虛擬化層:為用戶層提供仿真實驗的服務(wù)資源,利用虛擬化技術(shù)將每臺服務(wù)器劃分成多個相互隔離的虛擬機,并將網(wǎng)絡(luò)仿真、遠(yuǎn)程協(xié)助等工具封裝在虛擬機中供用戶使用。

用戶接口層:為用戶與實驗平臺的接口,將實驗平臺的功能提供給用戶,并負(fù)責(zé)用戶注冊、登錄及分組管理。

(二)仿真實驗平臺的功能

1.仿真實驗功能

仿真實驗平臺支持學(xué)生自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ?并提供核心層、匯聚層、接入層各層次、多型號的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供選擇。在實驗過程中,學(xué)生根據(jù)需求設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),選擇不同層次的設(shè)備,采用拖曳的方式將設(shè)備圖標(biāo)放置于繪圖區(qū),并利用連接工具進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)。自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢杂嗅槍π缘嘏囵B(yǎng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計能力,使學(xué)生掌握三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型中各層的設(shè)計要求,明確設(shè)備選型的基本方法。

2.協(xié)作學(xué)習(xí)功能

平臺通過遠(yuǎn)程協(xié)助實現(xiàn)動態(tài)交互,為實驗提供良好的協(xié)作環(huán)境。在實驗過程中,平臺支持以小組協(xié)作方式完成實驗。首先,由教師分配給該組一個實驗任務(wù),經(jīng)過協(xié)調(diào)分工,將任務(wù)分解為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、設(shè)備配置等多個子任務(wù);然后,小組成員通過遠(yuǎn)程協(xié)助技術(shù)在同一臺虛擬機中分別完成自己的子任務(wù)。最后,經(jīng)過綜合調(diào)試完成整個實驗任務(wù),如圖2所示。操作過程對于其他成員來說是可見的,這為成員間相互觀摩和學(xué)習(xí)提供了條件。通過協(xié)作實驗,鍛煉了學(xué)生的實踐能力和團(tuán)隊合作能力。

圖2 基于遠(yuǎn)程協(xié)助的協(xié)作仿真實驗

3.在線考試功能

平臺支持在線考試功能以便于檢查學(xué)生的實驗效果。教師可以利用 PacketTracer工具設(shè)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D并提出具體要求,在學(xué)生完成設(shè)備配置后,平臺直接給出考試成績并指出錯誤原因,該功能綜合考查了學(xué)生對設(shè)備配置方法及命令的掌握情況。此外,利用該功能,學(xué)生還可以在課外進(jìn)行自我測試,激發(fā)其主動學(xué)習(xí)的積極性。

4.動態(tài)演示功能

在實驗過程中,該功能以動態(tài)的方式展示數(shù)據(jù)包的傳輸過程,細(xì)致地顯示數(shù)據(jù)封裝、路由選擇、地址轉(zhuǎn)換等過程,將枯燥的網(wǎng)絡(luò)原理直觀形象的展現(xiàn)出來。例如,網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NA T)是網(wǎng)絡(luò)課程的重難點,也是學(xué)生較難把握的知識點。課堂授課時,教師遠(yuǎn)程連接虛擬機直接構(gòu)建NA T拓?fù)?設(shè)備配置完成后,利用動態(tài)演示功能直觀地顯示防火墻如何進(jìn)行源地址轉(zhuǎn)換,目標(biāo)節(jié)點怎樣響應(yīng),數(shù)據(jù)包如何返回等知識,可以使學(xué)生深刻、快速地掌握知識點。該功能可用于課堂教學(xué),也可用于學(xué)生自主學(xué)習(xí),應(yīng)用效果良好。

5.用戶管理功能

用戶管理實現(xiàn)了用戶的注冊、登錄、注銷、分組等功能。用戶登錄后,平臺根據(jù)其選擇的功能給出相應(yīng)虛擬機的入口IP地址。用戶通過遠(yuǎn)程桌面等工具連接虛擬機,并使用相關(guān)服務(wù)。為節(jié)約硬件資源,只有當(dāng)用戶登錄后,平臺才通過復(fù)制模板快速創(chuàng)建虛擬機。用戶注銷后,平臺立即停止虛擬機運行并保存其狀態(tài),以便用戶下次使用。

三、仿真平臺的實現(xiàn)與應(yīng)用

(一)仿真平臺的實現(xiàn)

基于Window s環(huán)境的 GNS3工具對計算機硬件要求較高。使用時,一般將其安裝在實驗室或?qū)W生個人的計算機中,該方式存在一些不足:一方面,配置較低的計算機無法安裝該軟件;另一方面,計算機彼此獨立,不能夠進(jìn)行實時的協(xié)作實驗。

針對不足,實驗平臺使用5臺高性能的服務(wù)器(雙Xeon E5504 CPU、32GB內(nèi)存、千兆網(wǎng)卡)作為底層硬件,并利用Xen虛擬化技術(shù),將每臺服務(wù)器劃分成8個虛擬機(2個VCPU、2GB內(nèi)存、百兆網(wǎng)卡),同時將仿真工具封裝入虛擬機,計有40個虛擬機。實驗過程中,用戶通過遠(yuǎn)程桌面連接至虛擬機,其計算機不需要安裝GNS3和虛擬化軟件,提高了硬件資源的利用率,降低了實驗室整體擁有成本。

(二)仿真平臺的應(yīng)用

仿真實驗平臺可以完成計算機網(wǎng)絡(luò)、交換技術(shù)、路由技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化等多門課程的實驗項目,亦可用于CCNP、CCNA認(rèn)證的技能型實踐練習(xí)。在理論教學(xué)中,利用實驗平臺動態(tài)演示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理以及設(shè)備的配置過程可以起到事半功倍的效果。利用平臺無時間空間限制、免安裝的特性,學(xué)生可以方便的在課外自主協(xié)作學(xué)習(xí)。然而,需要說明的是,盡管平臺有相對完善的功能,但在真實性、功能性以及設(shè)備豐富程度等方面存在局限,不能夠從根本上替代真實的實驗設(shè)備,只能作為真實環(huán)境的有益補充。對于這一點,使用者應(yīng)有充分的認(rèn)識。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計實現(xiàn)了一個適應(yīng)協(xié)作學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗平臺,可用于網(wǎng)絡(luò)類課程的課堂、課外教學(xué),提升學(xué)生的實踐應(yīng)用能力,適應(yīng)社會對應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)人才的需求。

[1] 黃榮懷.計算機支持的協(xié)作學(xué)習(xí):理論與方法[M].北京:人民教育出版社,2003.

[2] 教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會.高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才專業(yè)能力構(gòu)成與培養(yǎng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[3] 安曉飛,黃志丹.基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)作學(xué)習(xí)研究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報,2003,21(4):287-290.

[4] 金海等.計算機系統(tǒng)虛擬化-原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

G434

A

1673-1794(2011)03-0119-02

劉進(jìn)軍(1979-),講師,工學(xué)碩士,研究方向:計算機網(wǎng)絡(luò)。

安徽省高校計算機網(wǎng)絡(luò)精品課程建設(shè)(教高[2009]9號);滁州學(xué)院教學(xué)研究項目(2009jyy027,2010jyz009)

2011-02-23