基于Internet的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)

趙湘寧 梁 忠

當(dāng)前,網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)日新月異的發(fā)展進(jìn)一步推動了高校教育的改革,傳統(tǒng)的課堂實驗教學(xué)和實驗室管理方式已經(jīng)不再滿足實踐教學(xué)改革的需要。在傳統(tǒng)的課堂實驗教學(xué)過程中,學(xué)生需要在一定的實驗課時的時間內(nèi)完成老師布置的實驗內(nèi)容,這就可能使學(xué)生遇到的問題無法及時獲得解決,學(xué)生希望繼續(xù)深入研究的需求也會受到實驗課時等問題的限制。在傳統(tǒng)的實驗室管理中,也一直面臨著實驗資源利用率不高、實驗設(shè)備短缺等問題。

基于Internet的網(wǎng)上遠(yuǎn)程實驗環(huán)境的建設(shè),不僅可以解決實踐教學(xué)面臨的實驗資源缺乏的問題,促進(jìn)實驗資源在全國范圍內(nèi)的共享,而且還可以使學(xué)生和老師不受時間和空間的限制,通過互聯(lián)網(wǎng)即可隨時隨地進(jìn)行實驗操作,因此基于互聯(lián)網(wǎng)的實驗環(huán)境的建設(shè)對于提高教育資源設(shè)備的利用率,推動實踐教學(xué)改革有著重要的應(yīng)用價值。

本文提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)工程實驗室INTELab的設(shè)計與實現(xiàn)。INTELab將實驗室的軟硬件資源進(jìn)行結(jié)合,通過互聯(lián)網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的物理資源為用戶提供遠(yuǎn)程的實驗配置及操作?；ヂ?lián)網(wǎng)用戶通過Web用戶交互接口就可以在任何能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的地方就可以使用實驗室資源。

1 相關(guān)工作

目前,不少國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和著名大學(xué)對遠(yuǎn)程實驗環(huán)境的建設(shè)進(jìn)行了大量的研究工作。目前遠(yuǎn)程實驗室的實現(xiàn)方案主要有以下3大類。

1)第1類是采用 www技術(shù),利用 HTML、Java Applet、Java Servlet、CGI等技術(shù),并運用B/S模式,實現(xiàn)從客戶端的瀏覽器到服務(wù)器虛擬實驗平臺的遠(yuǎn)程操作。文獻(xiàn)[1]用JAVA語言設(shè)計了基于Internet的虛擬實驗室系統(tǒng)的開發(fā)模型。該實驗室提供了可擴(kuò)展的實驗平臺,并以組件的方式提供具體的儀器設(shè)備。系統(tǒng)通過JavaBean實現(xiàn)可擴(kuò)展的實驗組件,并用Java Applet實現(xiàn)客戶端。用戶可以通過客戶端可視化地添加實驗組件,定制實驗流程。文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一個遠(yuǎn)程編程虛擬實驗室,服務(wù)器端采用Java Servlet、CGI等技術(shù)實現(xiàn),在客戶端采用HTML、Java Applet技術(shù)實現(xiàn)?？蛻舳藢⒂脩艟帉懞玫某绦虼a以文本的方式發(fā)送給服務(wù)器,服務(wù)器調(diào)用相應(yīng)的語言編譯器編譯執(zhí)行后再將結(jié)果返回客戶端。文獻(xiàn)[3-5]分別介紹了圖像處理虛擬實驗室、計算機(jī)組成原理、虛擬生物學(xué)實驗室的設(shè)計,均采用了www技術(shù)實現(xiàn)。

2)第2類是采用虛擬化技術(shù),如VMware Infrastructure、Xen和KVM等技術(shù)。文獻(xiàn)[6]介紹了美國北卡羅萊納州立大學(xué) (NCSU)與IBM合作建立的虛擬實驗室。該方案通過在操作系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層采用VMware、Xen等虛擬技術(shù),生成多個系統(tǒng)或軟件的鏡像。終端用戶通過互聯(lián)網(wǎng)連接虛擬實驗室的服務(wù)中心時,服務(wù)器負(fù)責(zé)實現(xiàn)實驗室資源到用戶終端的鏡像映射,以實現(xiàn)實驗室的遠(yuǎn)程、分布式操作。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于Xen的虛擬實驗體系架構(gòu),并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個網(wǎng)絡(luò)安全教學(xué)實驗室。在這個虛擬實驗平臺上可以快速構(gòu)建復(fù)雜的虛擬網(wǎng)絡(luò),并進(jìn)行防火墻測試等實驗操作。但是這種網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境是虛擬的,即在服務(wù)器端不存在真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,學(xué)生的實驗操作也是在仿真器上進(jìn)行的模擬實驗。

3)第3類采用云計算技術(shù)。云計算 (cloud computing)一種基于因特網(wǎng)的超級計算模式,通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個人和企業(yè)用戶提供按需即取的計算。云計算將計算機(jī)計算與數(shù)據(jù)存儲的工作都放在分布式計算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器,使用戶可以靈活方便地獲取所需的資源和服務(wù),減輕用戶終端的處理負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[8-10]提出利用計算虛擬化技術(shù)與云計算技術(shù)來高效地管理計算機(jī)與軟件實驗資源,降低了管理復(fù)雜度,提高了資源利用率和服務(wù)可用性,實現(xiàn)了資源動態(tài)調(diào)度。文獻(xiàn)[11-13]介紹了國外在云計算平臺上構(gòu)建的虛擬實驗室。

本文提出的基于Internet的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實驗室INTELab是采用www技術(shù)實現(xiàn),不同于其他遠(yuǎn)程實驗室只能對虛擬環(huán)境進(jìn)行模擬實驗,INTELab能夠向互聯(lián)網(wǎng)用戶提供真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作與配置,并且實驗環(huán)境是搭建在真實的物理環(huán)境中,用戶能夠采集得到真實設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù),這有利于用戶通過這些數(shù)據(jù)分析復(fù)雜的真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,并且通過操作真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以提高實驗操作技能。

2 基于Internet的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的整體系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于Internet的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)工程實驗室INTELab的整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)由硬件資源層、系統(tǒng)管理層、終端接入層3個層次構(gòu)成。

圖1 基于Internet遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的整體系統(tǒng)架構(gòu)

硬件資源層由若干個可供用戶登錄操作的實驗設(shè)備組構(gòu)成,每個實驗設(shè)備組由一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器組等物理資源組成。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括可供實驗操作的網(wǎng)絡(luò)儀器,如交換機(jī)、路由器等。服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連,為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供管理和控制服務(wù),同時為用戶提供遠(yuǎn)程接入設(shè)備并進(jìn)行配置的功能。

系統(tǒng)管理層由一組數(shù)據(jù)服務(wù)器和管理服務(wù)器組成,實現(xiàn)INTELab的功能管理,如資源管理、任務(wù)管理、用戶管理、安全管理、數(shù)據(jù)管理等,并向終端接入層提供用戶交互接口。資源管理負(fù)責(zé)均衡地使用硬件資源節(jié)點,并對資源的使用情況進(jìn)行監(jiān)視統(tǒng)計；任務(wù)管理負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶或應(yīng)用提交的任務(wù),任務(wù)生命周期管理等；用戶管理提供識別和管理用戶身份、創(chuàng)建用戶程序的執(zhí)行環(huán)境；安全管理保障系統(tǒng)的整體安全、包括身份認(rèn)證、訪問授權(quán)等。用戶交互接口以Web Service方式提供訪問接口,獲取用戶需求。

終端接入層位于系統(tǒng)頂層,由連入互聯(lián)網(wǎng)的用戶終端構(gòu)成,可以是臺式電腦、筆記本電腦、平板電腦等。接入層的終端設(shè)備通過用戶交互接口接入INTELab,實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

2.2 模塊間通信

當(dāng)用戶通過互聯(lián)網(wǎng)向網(wǎng)絡(luò)實驗室發(fā)送使用請求后,位于系統(tǒng)管理層的管理服務(wù)器檢驗用戶賬戶,并向用戶分配一段時間的資源占用權(quán)。數(shù)據(jù)服務(wù)器維持著用戶的授權(quán)、資源的可用和其他的信息。當(dāng)用戶完成操作離開系統(tǒng)時,管理服務(wù)器將占用的資源釋放。

一次完整的用戶遠(yuǎn)程登錄實驗室操作,其INTELab系統(tǒng)核心模塊間的通信流程如圖2所示。最初,遠(yuǎn)程用戶向用戶交互接口發(fā)送用戶登錄的請求,管理層的用戶管理模塊進(jìn)行身份認(rèn)證,并返回可用資源列表。用戶選擇資源后,管理層的資源分配模塊向服務(wù)器端申請資源分配,服務(wù)器端進(jìn)行資源預(yù)留、運行環(huán)境的鏡像加載等準(zhǔn)備工作,并將可用資源的IP地址返回給用戶。此時,用戶就可以遠(yuǎn)程連接服務(wù)器端進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗的操作。在用戶遠(yuǎn)程連接的這期間,管理層的連接管理模塊實時與服務(wù)器組交換用戶的資源使用信息,保持連接狀態(tài)。直到用戶退出系統(tǒng),管理層通知服務(wù)器端釋放資源,并回收環(huán)境。

圖2 系統(tǒng)核心模塊間的通信

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本章節(jié)介紹INTELab的設(shè)計與實現(xiàn)。不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程虛擬實驗室只能進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的模擬實驗,本文的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室向用戶提供了真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 (如交換機(jī)和路由器等)的遠(yuǎn)程操作。

3.1 實驗室搭建

INTELab系統(tǒng)的硬件資源層的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。INTELab的設(shè)備列表如表1所示。實驗網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 (交換機(jī)、路由器)分為10組實驗臺,安裝在10個實驗機(jī)架中。核心交換機(jī)連接實驗臺和系統(tǒng)管理層的主服務(wù)器組。

表1 INTELab設(shè)備列表

3.2 實驗室用戶權(quán)限

INTELab設(shè)置有學(xué)生、教師和管理員3類用戶。學(xué)生用戶只限登入可用的實驗設(shè)備組,并進(jìn)行組內(nèi)的設(shè)備操作。通過Web界面接口,學(xué)生用戶可以以個人和小組的形式進(jìn)行資源預(yù)約。

圖3 INTELab硬件資源層的組成

在學(xué)生用戶登錄一個實驗設(shè)備組之前,該實驗設(shè)備組中的所有設(shè)備需要將先前其他學(xué)生用戶設(shè)置的所有配置進(jìn)行清除,而后成為可用的狀態(tài)。INTELab的用戶界面允許用戶進(jìn)行圖形化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?chuàng)建,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的連接通過服務(wù)器端的拓?fù)溥B接器NTC將真實機(jī)架設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的連接。用戶通過點擊拓?fù)鋱D中的設(shè)備圖標(biāo),可以遠(yuǎn)程登錄設(shè)備的console端口進(jìn)行設(shè)備的配置。

INTELab允許學(xué)生用戶以小組的形式登錄,實現(xiàn)協(xié)同工作、共同學(xué)習(xí)的功能。小組中的所有學(xué)生用戶允許在同一時間段使用同一個實驗設(shè)備組中的設(shè)備。但是每臺設(shè)備在同一時間只允許一個學(xué)生用戶遠(yuǎn)程登錄進(jìn)行配置,配置的過程也將被該組的其他成員所見。

教師用戶除了擁有與學(xué)生用戶相同的遠(yuǎn)程接入的權(quán)限之外,還擁有創(chuàng)建和管理學(xué)生組的權(quán)限。對于每個學(xué)生組,教師用戶可以指定每個組所對應(yīng)使用的實驗機(jī)架組,并可以限定每個學(xué)生用戶允許使用資源的時間。教師用戶也可以查看每個學(xué)生的實驗設(shè)備預(yù)約情況,如果有需要,可以修改或者取消某些學(xué)生用戶的預(yù)約。

管理員的主要職責(zé)在于服務(wù)器和實驗機(jī)架的管理和維護(hù)、系統(tǒng)管理、日志管理等。除了實驗機(jī)架的安裝和布線,其他管理工作都可以通過管理員用戶界面完成。

3.3 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實驗配置與操作實現(xiàn)

實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)工程實驗室遠(yuǎn)程實驗操作的一大難點是如何通過遠(yuǎn)程操作實現(xiàn)真實的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室中,要實現(xiàn)真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的拓?fù)溥B接與拓?fù)渥兓?需要手動將設(shè)備之間的網(wǎng)線進(jìn)行物理插拔,并且連接到指定設(shè)備的指定端口上,這就要求實驗人員必須在現(xiàn)場進(jìn)行操作。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對實驗設(shè)備的遠(yuǎn)程拓?fù)溥B接,INTELab在每組機(jī)架中安裝了拓?fù)溥B接器NTC。NTC實現(xiàn)了將客戶端上圖形化的拓?fù)滏溄愚D(zhuǎn)化為真實設(shè)備間的拓?fù)浯罱?代替了傳統(tǒng)實驗室通過手動接線實現(xiàn)實驗設(shè)備間的互連方式,為遠(yuǎn)程操控實驗設(shè)備提供了可行性。使用NTC進(jìn)行搭建實驗拓?fù)渲靶枰獙嶒炘O(shè)備的端口與NTC的端口用網(wǎng)線互聯(lián),然后在客戶端界面中將實驗設(shè)備和NTC對應(yīng)的端口進(jìn)行映射。如圖4所示,在04號實驗臺中的S3760-24-41號交換機(jī)將15～18號端口與NTC的1～4號端口用網(wǎng)線進(jìn)行物理相連,那么就要在客戶端界面中將交換機(jī)對應(yīng)的端口與NTC的端口用連線相連。

圖4 NTC端口映射

在實現(xiàn)了NTC端口與交換機(jī)端口之間連接的映射之后,遠(yuǎn)程用戶就可以通過客戶端界面上實驗設(shè)備之間圖形化的連線,映射到對應(yīng)實驗臺中的真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信鏈路的建立。接下來通過一個OSPF路由的實驗來檢驗系統(tǒng)的使用。

如圖5(a)所示,在遠(yuǎn)程客戶端,用戶可以通過瀏覽器登入系統(tǒng),進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計。首先選擇可用的實驗機(jī)架,并選擇該機(jī)架中空閑的交換機(jī)和路由器,拖拽到拓?fù)湓O(shè)計界面,然后通過連線建立鏈路。雙擊圖中的鏈路可以進(jìn)行鏈路端口的映射。如圖5(b)所示,將路由器R1與路由器R2之間的鏈路進(jìn)行配置,實現(xiàn)R1的fa 0/2端口與R2的fa 0/2端口相連。如圖5(c)所示,將交換機(jī)S1的fa 0/4端口與路由器R1的fa 0/1端口相連。在拓?fù)湓O(shè)計器中點擊 “應(yīng)用拓?fù)洹本涂梢詫崿F(xiàn)真實設(shè)備之間的通信,如圖5(d)所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

在建立好網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?可以通過雙擊拓?fù)鋱D中的設(shè)備圖標(biāo),實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程登錄并進(jìn)行設(shè)備配置、調(diào)試與測試。如圖6所示,給出了INTELab在進(jìn)行OSPF路由實驗時的部分配置與測試過程。如圖6(a)～圖6(c)所示,分別通過雙擊拓?fù)湓O(shè)計器中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,實現(xiàn)交換機(jī)S1、路由器R1和路由器R2的遠(yuǎn)程登錄和IP地址配置。接下來分別對S1、R1和R2進(jìn)行OSPF路由配置。如圖6(d)所示,為對路由器R1進(jìn)行的OSPF路由配置。如圖6(e)所示,顯示的是實現(xiàn)OSPF路由后,在R2上的路由結(jié)果。通過路由結(jié)果可以看出,R2與路由器R1以及R2與交換機(jī)S1之間的路由已經(jīng)建立完成。R1與R2是直接相連,R2與S1之間的路由經(jīng)過R1相連。

通過 OSPF路由的實驗可以看出,通過INTELab的Web界面接口,用戶可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)工程實驗操作,包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的拓?fù)溥B接,設(shè)備的遠(yuǎn)程登錄與配置,獲得真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)。

圖6 在INTELab上進(jìn)行OSPF實驗

圖6 (續(xù))

4 結(jié)束語

本文提出了基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室的整體系統(tǒng)架構(gòu)以及系統(tǒng)實現(xiàn),向互聯(lián)網(wǎng)用戶提供真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作與配置。INTELab將軟硬件資源結(jié)合,通過互聯(lián)網(wǎng)將實驗室的物理資源為用戶提供遠(yuǎn)程的使用,互聯(lián)網(wǎng)用戶通過Web用戶交互接口就可以在任何能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的地方就可以使用實驗室資源。INTELab能夠向互聯(lián)網(wǎng)用戶提供真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作與配置,實驗環(huán)境是搭建在真實的物理環(huán)境中,用戶也能采集得到真實設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù),有效地提高了用戶的實驗操作技能。

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