基于虛擬仿真的計算機網絡實驗教學平臺設計思考

周富肯

摘? 要：本文分析了計算機網絡實驗中存在的問題，并介紹了計算機網絡虛擬仿真實驗教學平臺的建設的特點和意義，通過對研究目標、內容和關鍵技術的分析，提出了計算機網絡實驗教學平臺的分層設計思路，并描述了各層次的主要建設內容。

關鍵詞：虛擬仿真;計算機網絡;實驗教學平臺;虛擬化技術

一、研究背景

近年來，IT行業(yè)發(fā)展非常迅速，技術更新越來越快，企業(yè)對計算機類人才的要求也越來越高，特別是對于計算機網絡專業(yè)的學生，不僅需要掌握網絡的基本操作，還要能夠對網絡設備進行軟硬件的配置和管理，以達到網絡高層管理的目標。傳統(tǒng)的授課方式已經滿足不了學生對知識的需求，學生只有通過實踐才能增加自己的動手能力和實際解決問題能力，因此，實驗或實踐教學的重要性凸顯，實驗設備的需求加大。然而，當前計算機網絡實驗中還存在以下問題：

（1）由于技術換代越來越快，網絡設備的更替很難適應技術的發(fā)展速度，就算能跟得上，需要投入大量的建設經費;

（2）網絡實驗設備在實驗中損耗巨大，且跟不上現在計算機網絡技術的發(fā)展;

（3）實驗設備的缺乏，在計算機網絡實驗中，多人一組，往往有一部分動手能力差的同學并沒有參與實驗中;

（4）計算機、交換機和路由器等網絡設備難以維護，一般都采用硬件復原的方式提供給學生用;

（5）實驗室不能自由安排學生進行實驗，必須采取統(tǒng)一實驗安排，無法滿足開放式實驗教學的目標。

計算機網絡虛擬仿真實驗教學平臺的建設，主要的特點和意義如下：

（1）虛擬化使得實驗室建設成本降低，路由器交換機服務器等網絡設備將全部采用虛擬化，并可減少實驗室的管理和維護成本;

（2）虛擬化使得實驗室管理成本降低，由于虛擬化的創(chuàng)建、掛起、銷毀等操作，使得實驗進度更加可控，實驗效率大大提高;

（3）虛擬化的綜合實驗平臺同時可為多個課程提供綜合性的實驗，大大提高各個課程的聯(lián)系，能夠開發(fā)出以往使用真實設備幾乎不可完成的綜合性大型實驗項目，對于學生綜合實踐能力提供更廣泛更深入的支持;

（4）虛擬化技術能過提供更多廠商、更多型號、更多類型的網絡設備、并提供更豐富的網絡應用和服務、能夠解決真實設備所不能完成某些網絡拓撲的搭建、并能進行更加接近網絡本質的網絡數據報文捕捉，能夠為網絡工程提供盡可能多的課程支持，特別是路由與交換技術，防火墻、云計算、大數據、軟件定義網絡等課程的實驗支持。

二、研究方案

1.研究目標

（1）研發(fā)能滿足計算機網絡專業(yè)學生進行相關專業(yè)課程學習的實驗平臺關鍵技術，要求能支撐主流操作系統(tǒng)、路由器、交流機、防火墻等網絡設備的虛擬化，并能靈活構建任意網絡拓撲結構，能支持對這些設備和網絡的配置及調試;

（2）在虛擬服務器配置相對較低的情況下，能滿足60個用戶同時在線進行實驗教學，每個用戶能構建小型的企業(yè)網絡進行實驗;

（3）能方便教師和學生使用，能監(jiān)控實驗教學的全過程，方便管理和分配實驗資源，能實現全開放式的實驗教學平臺，學生能通過遠程進行實驗操作。

2.研究內容

（1）對計算機網絡虛擬實驗平臺的需求進行分析，選擇主流的計算機網絡虛擬化技術及開源平臺，掌握相關的技術原理及開發(fā)接口，設計計算機網絡虛擬仿真實驗教學平臺的總體框架、具體模塊功能，并對平臺的開發(fā)環(huán)境、主要技術手段進行研究;

（2）基于目前比較成熟的開源的計算機網絡虛擬化工具，研究計算機網絡虛擬化軟件二次開發(fā)方法，利于主流的web開發(fā)技術，實現對開源的計算機網絡虛擬化工具的調用。

（3）實現系統(tǒng)的主要功能模塊，并用運行實例和測試工具對系統(tǒng)進行測試，根據系統(tǒng)運行狀況，分析系統(tǒng)功能實現情況的和系統(tǒng)的承載能力;

（4）為防止用戶通過大量創(chuàng)建虛擬機，惡意使用虛擬資源，導致平臺性能下降問題，需要對虛擬資源進行有效的管理;

（5）通過虛實結合技術，進行平臺的優(yōu)化，提升平臺性能，實現在虛擬化服務器在較低配置情況下，能支撐更多的學生同時進行實驗操作。

3.技術關鍵

綜合利用虛擬化技術與云計算技術，開發(fā)支持服務器、路由、交換、防火墻、負載均衡器等網絡設備的鏡像與實例，降低了對計算機網絡硬件設備的依賴，提高了實驗教學的管理和學習的效率，可以更加靈活和方便的進行實驗教學活動。

由于虛擬化技術對服務器資源配置要求非常高，特別是操作系統(tǒng)的虛擬化，而且對于實驗教學的開展，一般是幾十人并行操作的，所以對服務器資源配置的合理管理和監(jiān)控尤為重要，通過虛實結合和虛擬資源管理，可以提升平臺的性能，本項目將重點研究這兩項技術的應用和實現。

4.研究方法

計算機網絡虛擬仿真實驗教學平臺將由低層的虛擬化資源庫、云虛擬實驗平臺、實驗教學資源庫和物理網絡設備資源庫組成，如下圖所示。

（1）虛擬化資源庫。該部分主要包括各位虛擬化實驗環(huán)境，包括windows操作系統(tǒng)虛擬化環(huán)境、Linux操作系統(tǒng)虛擬化環(huán)境和其它網絡設備虛擬化環(huán)境，這些虛擬化資源是整個平臺的基礎，可以實現大部分計算機網絡設備的虛擬化，并可以被平臺上層功能調用和控制，實現各種計算機網絡設備的模擬。

（2）云虛擬實驗平臺。該平臺通過云計算技術，實現集中統(tǒng)一管理虛擬化資源庫的功能，并可以進行資源調度和配置，進行虛擬化資源的合理分配。

（3）實驗教學資源庫。該部分主要是實現實驗教學管理相關的功能，可以為教師提供實驗資源管理、實驗課程及學生管理、實驗項目和過程管理等功能，為學生提供在線實驗操作、實驗的備份與還原、實驗報告管理等功能。

（4）物理網絡設備資源庫。該部分主要是為支撐虛實結合的實驗場景而配置的，綜合利用現有計算機網絡相關實驗室的硬件資源，把一部分的網絡設備直接用空閑的物理設備替代，可以提升虛擬服務器的性能，容納更多的學生同時在線進行實驗操作。

三、總結

虛擬化仿真實驗平臺的建設和運用是實驗教學發(fā)展的趨勢，其中的底層技術已經有比較成熟的解決方案，我們可以在此基礎上構建上層應用，讓它更適用和貼近于各種計算機網絡實驗教學的需求，此外，就是要進行實驗教學資源庫的建設，滿足各種實驗項目的需求。

參考文獻

[1]? 底曉強、張宇昕、趙建平，基于云計算和虛擬化的計算機網絡攻防實驗教學平臺建設探索.實驗技術與管理，2015年04期

[2]? 孫界平、琚生根、陳黎、周剛、師維，計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的建設實踐.實驗技術與管理，2017年08期

[3]? 屈泳、阮小軍、王三華，計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的建設與設計.實驗室研究與探索，2018年12期