基于虛擬仿真的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺設(shè)計思考

周富肯

摘? 要：本文分析了計算機網(wǎng)絡(luò)實驗中存在的問題，并介紹了計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)的特點和意義，通過對研究目標(biāo)、內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)的分析，提出了計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺的分層設(shè)計思路，并描述了各層次的主要建設(shè)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;計算機網(wǎng)絡(luò);實驗教學(xué)平臺;虛擬化技術(shù)

一、研究背景

近年來，IT行業(yè)發(fā)展非常迅速，技術(shù)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(wǎng)絡(luò)專業(yè)的學(xué)生，不僅需要掌握網(wǎng)絡(luò)的基本操作，還要能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行軟硬件的配置和管理，以達到網(wǎng)絡(luò)高層管理的目標(biāo)。傳統(tǒng)的授課方式已經(jīng)滿足不了學(xué)生對知識的需求，學(xué)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?qū)嵺`教學(xué)的重要性凸顯，實驗設(shè)備的需求加大。然而，當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)實驗中還存在以下問題：

（1）由于技術(shù)換代越來越快，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更替很難適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展速度，就算能跟得上，需要投入大量的建設(shè)經(jīng)費;

（2）網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備在實驗中損耗巨大，且跟不上現(xiàn)在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展;

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

（4）計算機、交換機和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備難以維護，一般都采用硬件復(fù)原的方式提供給學(xué)生用;

（5）實驗室不能自由安排學(xué)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(xué)的目標(biāo)。

計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)，主要的特點和意義如下：

（1）虛擬化使得實驗室建設(shè)成本降低，路由器交換機服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)備幾乎不可完成的綜合性大型實驗項目，對于學(xué)生綜合實踐能力提供更廣泛更深入的支持;

（4）虛擬化技術(shù)能過提供更多廠商、更多型號、更多類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、并提供更豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)、能夠解決真實設(shè)備所不能完成某些網(wǎng)絡(luò)拓撲的搭建、并能進行更加接近網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文捕捉，能夠為網(wǎng)絡(luò)工程提供盡可能多的課程支持，特別是路由與交換技術(shù)，防火墻、云計算、大數(shù)據(jù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等課程的實驗支持。

二、研究方案

1.研究目標(biāo)

（1）研發(fā)能滿足計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)學(xué)生進行相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的實驗平臺關(guān)鍵技術(shù)，要求能支撐主流操作系統(tǒng)、路由器、交流機、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化，并能靈活構(gòu)建任意網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能支持對這些設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的配置及調(diào)試;

（2）在虛擬服務(wù)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(xué)，每個用戶能構(gòu)建小型的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行實驗;

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

2.研究內(nèi)容

（1）對計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺的需求進行分析，選擇主流的計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)及開源平臺，掌握相關(guān)的技術(shù)原理及開發(fā)接口，設(shè)計計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)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(shù)手段進行研究;

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

（3）實現(xiàn)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(jù)系統(tǒng)運行狀況，分析系統(tǒng)功能實現(xiàn)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(dǎo)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(jié)合技術(shù)，進行平臺的優(yōu)化，提升平臺性能，實現(xiàn)在虛擬化服務(wù)器在較低配置情況下，能支撐更多的學(xué)生同時進行實驗操作。

3.技術(shù)關(guān)鍵

綜合利用虛擬化技術(shù)與云計算技術(shù)，開發(fā)支持服務(wù)器、路由、交換、防火墻、負載均衡器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的鏡像與實例，降低了對計算機網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的依賴，提高了實驗教學(xué)的管理和學(xué)習(xí)的效率，可以更加靈活和方便的進行實驗教學(xué)活動。

由于虛擬化技術(shù)對服務(wù)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(xué)的開展，一般是幾十人并行操作的，所以對服務(wù)器資源配置的合理管理和監(jiān)控尤為重要，通過虛實結(jié)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(shù)的應(yīng)用和實現(xiàn)。

4.研究方法

計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺將由低層的虛擬化資源庫、云虛擬實驗平臺、實驗教學(xué)資源庫和物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化環(huán)境，這些虛擬化資源是整個平臺的基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)大部分計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化，并可以被平臺上層功能調(diào)用和控制，實現(xiàn)各種計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模擬。

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

（3）實驗教學(xué)資源庫。該部分主要是實現(xiàn)實驗教學(xué)管理相關(guān)的功能，可以為教師提供實驗資源管理、實驗課程及學(xué)生管理、實驗項目和過程管理等功能，為學(xué)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源庫。該部分主要是為支撐虛實結(jié)合的實驗場景而配置的，綜合利用現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)實驗室的硬件資源，把一部分的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接用空閑的物理設(shè)備替代，可以提升虛擬服務(wù)器的性能，容納更多的學(xué)生同時在線進行實驗操作。

三、總結(jié)

虛擬化仿真實驗平臺的建設(shè)和運用是實驗教學(xué)發(fā)展的趨勢，其中的底層技術(shù)已經(jīng)有比較成熟的解決方案，我們可以在此基礎(chǔ)上構(gòu)建上層應(yīng)用，讓它更適用和貼近于各種計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的需求，此外，就是要進行實驗教學(xué)資源庫的建設(shè)，滿足各種實驗項目的需求。

參考文獻

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