基于模擬器的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室建設(shè)方案探討

摘要：針對高校網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)和實驗教學(xué)過程中存在的問題，分析高校網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的類型及各自的優(yōu)缺點，并對當(dāng)前使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器進(jìn)行分析和選擇，提出結(jié)合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的方案和相應(yīng)的實驗教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)工程實驗室；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器；實驗教學(xué)方式

文章編號：1672-5913（2013）01-0041-04

中圖分類號：G642

隨著信息產(chǎn)業(yè)在全球的迅猛發(fā)展，社會對網(wǎng)絡(luò)工程人才的需求不斷增加。在此背景下，許多院校開設(shè)了網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)，以適應(yīng)社會對網(wǎng)絡(luò)工程人才的需要。而網(wǎng)絡(luò)實驗是網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié)，因此只有建立配套的網(wǎng)絡(luò)工程實驗環(huán)境，提供充足的網(wǎng)絡(luò)實驗，才能培育出合格的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程人才。

1 基于硬件的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案

網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)大致經(jīng)歷了三個階段，從初期的離散式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室，到后來的集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室，再到最近的綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室。每一次的變化，網(wǎng)絡(luò)工程實驗室在功能、管理、利用率等方面都有不同程度的改善。

1.1離散式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室

離散式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室中的每臺設(shè)備是獨立的。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實驗時，實驗者需要將Console線直接連接到Console口和計算機(jī)的串口上，并自行搬設(shè)備、連線、形成拓?fù)?，沒有任何實驗管理的工具。以基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)知識培訓(xùn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備認(rèn)知為主要目的，只能滿足初級課程的教學(xué)需求。這種類型的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室主要具有以下特點：

1）實驗設(shè)備缺乏管理，實驗者自行搬設(shè)備、連線、形成拓?fù)洌?/p>

2）實驗者直接插拔控制線和網(wǎng)線，容易造成網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備的損壞；

3）實驗者惡意修改開機(jī)密碼，甚至卸掉設(shè)備的IOS，影響下一組人員的實驗；

4）多個班級進(jìn)行不同課程的實驗，設(shè)備數(shù)量難以滿足需求；

5）實驗中的設(shè)備配置若沒有及時清除，會影響后來的實驗。

1.2集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室

集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室利用串口控制服務(wù)器或者路由器改裝的控制器，將所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的Console口連接在一起，再通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試，使串口控制服務(wù)器或者路由器改裝的控制器成為一組設(shè)備的管理核心，然后將若干個串口控制服務(wù)器連接到網(wǎng)上，形成集中管理的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室。教師機(jī)和服務(wù)器都連接在網(wǎng)絡(luò)上，配備基于串口控制器的實驗設(shè)備管理系統(tǒng)，對實驗設(shè)備進(jìn)行分組集中管理。這種類型實驗室具有以下特點：

1）將設(shè)備進(jìn)行分組，一組設(shè)備放置一個機(jī)柜，以組為單位連線，形成拓?fù)?，開展實驗；

2）每組包含一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備串口控制服務(wù)器，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行分組集中管理；

3）配置實驗設(shè)備管理系統(tǒng)，往往利用Web方式對一組設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理；

4）設(shè)置“一鍵清”功能，方便把實驗設(shè)備恢復(fù)到初始配置；

5）對用戶權(quán)限進(jìn)行限制，避免惡意操作。

1.3綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室

綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室是集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的升級。綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室在利用串口控制服務(wù)器對設(shè)備進(jìn)行集中管理的基礎(chǔ)上，還配備了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室管理系統(tǒng)和多媒體輔助教學(xué)軟件。

網(wǎng)絡(luò)工程實驗室管理系統(tǒng)提供多種功能，如統(tǒng)一的設(shè)備管理功能，包括“一鍵清”功能等，方便管理；提供統(tǒng)一的用戶管理功能，用戶需要登錄以后才能使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、設(shè)置用戶權(quán)限等；提供統(tǒng)一的實驗過程管理功能，可以安排實驗課程、實驗內(nèi)容等；提供統(tǒng)一的實驗行為管理功能，可以配置實驗設(shè)備、驗證實驗等；提供統(tǒng)一的實驗資料管理功能，可以添加實驗指導(dǎo)、上傳實驗報告、批閱實驗等。另外，綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室還可能提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯拓?fù)溥B接、實驗預(yù)約和遠(yuǎn)程實驗等功能。

多媒體輔助教學(xué)軟件可以提供廣播教學(xué)、學(xué)生演示、屏幕錄制、文件分發(fā)、電子舉手、分組教學(xué)等豐富功能，使教學(xué)過程更加有效。

特別要說的是，目前銳捷、神州數(shù)碼、H3C和Cisco等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商都提供了自己的綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案。

1.4網(wǎng)絡(luò)工程實驗室優(yōu)缺點分析

1）離散式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案優(yōu)缺點分析。

離散式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案的缺點非常明顯，如實驗設(shè)備缺乏管理，實驗者可能直接插拔控制線和網(wǎng)線，無法避免惡意操作，不能及時清除實驗配置，影響后面的實驗。但它有一個突出的優(yōu)點，就是用戶開始學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時，能夠直接插拔配置線和網(wǎng)絡(luò)，形成拓?fù)鋱D，有利于初學(xué)者學(xué)習(xí)了解設(shè)備。

2）集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案優(yōu)缺點分析。

集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案克服了離散式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案的缺點，主要體現(xiàn)在對設(shè)備進(jìn)行分組集中管理，通過串口控制服務(wù)器對設(shè)備進(jìn)行控制，避免了經(jīng)常插拔控制線；為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置“一鍵清”功能；對用戶權(quán)限進(jìn)行了限制，避免了惡意操作。而且，用戶管理設(shè)備往往通過Web頁面選定設(shè)備，就可以進(jìn)行配置，操作簡單。實驗時也是直接插拔網(wǎng)線，形成拓?fù)?，有利于初學(xué)者了解設(shè)備。

集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案的缺點是相對于綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案來說的。集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案將實驗室設(shè)備的管理和實驗行為的管理分散到每個實驗組，以組為單位進(jìn)行管理；沒有用戶管理功能，不提供實驗過程管理功能，也不提供實驗指導(dǎo)資料，而且不能進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗，學(xué)生離開實驗室，無法完成實驗。另外，組建集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多，需要大量建設(shè)資金。

3）綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案優(yōu)缺點分析。

綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案是集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案的升級，其優(yōu)點是通過網(wǎng)絡(luò)工程實驗室管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了所有設(shè)備的統(tǒng)一管理，統(tǒng)一的用戶管理、統(tǒng)一的實驗過程管理、統(tǒng)一的實驗行為管理、統(tǒng)一的實驗資料管理，而且能夠提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯拓?fù)溥B接功能、實驗預(yù)約和遠(yuǎn)程實驗功能等。該方案一般還會配置多媒體輔助教學(xué)軟件，提供廣播教學(xué)、學(xué)生演示等豐富功能，使教學(xué)效果更加有效。

綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案解決了集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案的不足，實驗室管理功能得到很大提高，卻失去了集中管理式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室方案中一個非常重要的優(yōu)點：實驗操作的簡單性。例如，用戶要完成一個實驗，必須等待一組用戶都登錄后，才能開始實驗，浪費時間；實驗過程中每個用戶只能使用申請到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，單個學(xué)生使用設(shè)備少；如果有人對設(shè)備配置不熟悉或配置錯誤，會影響全組實驗的進(jìn)度，實驗成功率極低。這些問題極大地影響了網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的實驗效果。

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)工程實驗室構(gòu)建方案，還需要進(jìn)一步研究，提出更加合理的構(gòu)建方案。

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器

利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器構(gòu)建模擬網(wǎng)絡(luò)工程實驗環(huán)境，可以彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)工程實驗教學(xué)過程中的許多不足，如不需要大量網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，就能開展實驗教學(xué)；不存在設(shè)備的損壞問題，避免了設(shè)備損耗；走出網(wǎng)絡(luò)工程實驗室，學(xué)生也能利用模擬設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實驗。

2.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器概述

目前，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器的種類很多，主要包括Dynamips、Qemu/Pemu、Cisco Packet Tracer、Boson Netsim、Cisco Router eSim、KnowledgeNet Lab（flash）等。這些模擬器大致分為三類。

第一類是基于Cisco ION的Cisco設(shè)備模擬器，目前有Dynamips、Qemu/Pemu。Dynamips是直接運行Cisco IOS來模擬Cisco Router；Pemu是一個基于開源的Qemu處理機(jī)模擬器的思科防火墻模擬器。GNS3軟件同時集成了Dynamips和Qemu/Pemu模擬器，支持Cisco防火墻設(shè)備。

第二類是基于Cisco CLI的Cisco設(shè)備模擬器，能支持Cisco網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的大部分CLI命令，并能夠自主定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、設(shè)計實驗內(nèi)容。這類模擬器主要包括Cisco Packet Tracer、BosonkV3168qGajKnbuFHa1OdCUFhxBLzk/BGBxcmFlX9VsI= Netsim。

第三類是基于專門Cisco認(rèn)證實驗設(shè)計的模擬器，功能有限，所支持的CLI命令較少，一般只能支持具體實驗對應(yīng)的命令，且不能定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和定制實驗內(nèi)容。這類模擬器主要包括Cisco Router eSim、KnowledgeNet Lab（Flash）等。

2.2網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器軟件選擇

基于專門Cisco認(rèn)證實驗設(shè)計的模擬器，由于功能有限，所支持的CLI命令較少，一般只能支持具體實驗對應(yīng)的命令，且不能定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和定制實驗內(nèi)容，現(xiàn)在已經(jīng)基本被淘汰。

基于Cisco CLI的Cisco設(shè)備模擬器，目前主要使用Packet Tracer。Packet Tracer是由Cisco公司開發(fā)并推出的，隨著Packet Tracer不斷升級，它的功能不斷增強(qiáng)，支持的Cisco設(shè)備類型和實驗類型不斷增加。Packet Tracer在網(wǎng)絡(luò)初學(xué)者中得到廣泛應(yīng)用。

基于Cisco IOS的Cisco設(shè)備模擬器中，Dynamips、Qemu/Pemu都是自由軟件。由Jeremy Grossmann開發(fā)的集成Dynamips與Qemu/Pemu的模擬器GNS3是一款優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器，提供了圖形化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計界面和方便的設(shè)備配置方法。GNS3支持Cisco Rotuer、Cisco ASA、Cisco PIX，Cisco IDS/IPS、Juniper Router、Qemu Guest等設(shè)備，而且隨著版本的不斷升級，GNS3的功能不斷增強(qiáng)，GNS3得到網(wǎng)絡(luò)使用者的廣泛支持。

基于以上分析，構(gòu)建基于模擬器的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，可以選擇Packet Tracer和GNS3的組合。Packet Tracer模擬器操作簡單方便，適合網(wǎng)絡(luò)初學(xué)者學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識和原理，認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；GNS3模擬器是真實設(shè)備的完整模擬，適用于Packet Tracer不能完成的高級實驗。兩者結(jié)合可以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，完成交換實驗、路由實驗、無線網(wǎng)絡(luò)實驗、VoIP實驗、網(wǎng)絡(luò)安全實驗、協(xié)議分析等大量實驗。

3 新建網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)方案推薦

3.1網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)原則

網(wǎng)絡(luò)工程實驗室應(yīng)該是一個開放的實驗教學(xué)平臺，具有實踐性強(qiáng)、設(shè)備先進(jìn)的特點。為了充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的作用，網(wǎng)絡(luò)工程實驗室建設(shè)應(yīng)該遵循一定的原則，避免由于過時、重復(fù)建設(shè)、設(shè)備利用率不高和實驗效率低等問題而導(dǎo)致的財力物力浪費。

網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的設(shè)計和建設(shè)要遵循前瞻性、系統(tǒng)性、科學(xué)性、發(fā)展性的原則。

1）前瞻性：網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)應(yīng)符合學(xué)校人才培養(yǎng)的定位，符合本專業(yè)學(xué)科的發(fā)展方向，滿足本科實驗教學(xué)需求，既有利于教師進(jìn)行教學(xué)與科研，又有利于提高學(xué)生的操作能力，增強(qiáng)學(xué)生在就業(yè)中的競爭力。

2）系統(tǒng)性：網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)要考慮學(xué)生應(yīng)具備的知識體系，以便在實驗課程、實驗項目、實驗教材等方面進(jìn)行統(tǒng)一部署，使學(xué)生通過實驗掌握專業(yè)知識。

3）科學(xué)性：網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)要充分考慮本專業(yè)的實驗課程體系，聽取各方人員的意見，科學(xué)合理地設(shè)計實驗課程。

4）發(fā)展性：網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)要考慮實驗室的可發(fā)展性，立足當(dāng)前，著眼長遠(yuǎn)，使實驗室的建設(shè)的保持可發(fā)展性。

3.2基于模擬器的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室建設(shè)方案

通過分析各類基于硬件的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的優(yōu)缺點，以及各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器的功能和使用情況，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)原則，給出新建網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的建設(shè)方案。

新建網(wǎng)絡(luò)工程實驗室可以采用綜合開放式網(wǎng)絡(luò)工程實驗室建設(shè)方案的組網(wǎng)方式，但只需要1～2個實驗分組（不用根據(jù)學(xué)生人數(shù)購買分組設(shè)備）。這1～2組的實驗設(shè)備主要用于教師演示實驗，學(xué)生觀摩及實驗，另外還可用于教師和學(xué)生開展研究。其他學(xué)生全部利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器完成實驗。該方案建議采用手動插拔網(wǎng)絡(luò)線形成拓?fù)浞绞剑惶峁┻壿嬐負(fù)溥B接和遠(yuǎn)程實驗功能（如果課后需要繼續(xù)進(jìn)行實驗可利用網(wǎng)絡(luò)模擬器完成），有利于初學(xué)者學(xué)習(xí)、了解設(shè)備，提高實驗的真實感。

以組建一個容納48人同時實驗的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室為例，新的建設(shè)方案需要購買一組實驗設(shè)備（4臺路由器、2臺三層交換機(jī)和2臺二層交換機(jī)）、48臺計算機(jī)、1臺管理計算機(jī)、1臺服務(wù)器、3臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備串口控制器互聯(lián)用的交換機(jī)，在服務(wù)器中安裝網(wǎng)絡(luò)工程實驗室管理系統(tǒng)、多媒體輔助教學(xué)軟件。48臺計算機(jī)全部安裝Packet Tracer和GNS3軟件，這樣就形成了模擬器實驗環(huán)境。

采用這種基于模擬器的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室建設(shè)方案構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)工程實驗室，實驗教學(xué)過程為：教師利用一組實驗設(shè)備，結(jié)合多媒體輔助教學(xué)軟件，邊做實驗演示邊講解，學(xué)生觀摩實驗。演示完成后，教師4～8人用一組實驗設(shè)備，完成實驗，體驗真實設(shè)備。其他學(xué)生利用模擬器獨立或協(xié)作完成實驗。同一班級在下一次實驗時，學(xué)生輪換使用實驗設(shè)備，體驗真實設(shè)備的操作。

4 結(jié)語

這種基于模擬器的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室建設(shè)方案，既保持了實驗設(shè)備的先進(jìn)性、實驗室建設(shè)的發(fā)展性，又避免過時、重復(fù)建設(shè)，節(jié)省了實驗室建設(shè)資金。同時網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器支持的設(shè)備類型全、實驗類型多，實驗過程操作簡單，實驗設(shè)備數(shù)量不受限制，實驗人員互不影響，明顯地提高了實驗效率，而且未完成的實驗可以保存，在課外繼續(xù)進(jìn)行，是非常可行的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室建設(shè)方案。

（見習(xí)編輯：劉麗麗；編輯：宋文婷）