虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程中的應(yīng)用

任日鵬

(青島工學(xué)院，山東 青島 266300)

0 引言

針對多層次人才培養(yǎng)需求，習(xí)總書記在全國教育大會(huì)上對教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國做出總體部署，中國在十三五期間大力實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”，提出更加適應(yīng)現(xiàn)代化教育的思維方式和教育體系。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程教育體系離不開理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用的相互融合，而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生須掌握交換機(jī)、路由器在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的作用及如何通過這些設(shè)備保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，但計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新迭代所需投入的資金、人力與物力的耗損使網(wǎng)絡(luò)類課程的開展很難實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果[1-3]。通過將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程教育中，可以有效的解決外界環(huán)境與不充分條件所帶來的限制因素，并且在操作實(shí)踐中學(xué)生可以通過預(yù)定義的相關(guān)模型迅速得到相關(guān)參數(shù)信息，完善了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)效果并提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與操作實(shí)踐能力。

1 虛擬仿真技術(shù)分析

1.1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)，是為解決某一領(lǐng)域問題通過建立同態(tài)模型并對模型進(jìn)行試驗(yàn)從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的科學(xué)手段。將虛擬仿真技術(shù)與課程教育相結(jié)合可以使學(xué)生更加高效的理解網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議與技術(shù)概念，提高教學(xué)質(zhì)量，采用多層次、模塊化的思想，并可以通過仿真路由器、交換機(jī)等設(shè)備使學(xué)生了解設(shè)備安裝等一系列過程。這些技術(shù)提出了重要的理論，即它們?nèi)绾未憩F(xiàn)實(shí)，以及它們可能包含的技術(shù)融合維度。

利用虛擬仿真系統(tǒng)來模擬真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，它已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一種適用于不同行業(yè)的通用技術(shù)。該技術(shù)通過實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)研究的重要方法和手段。隨著經(jīng)濟(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展，人們對虛擬仿真技術(shù)的要求也逐漸增加，從傳統(tǒng)形式的簡單單頁面到發(fā)展至今的高集成性、整體性、更加復(fù)雜的仿真系統(tǒng)，虛擬仿真技術(shù)逐漸與教育、交通、貿(mào)易等領(lǐng)域相融合，逐漸被完善。

虛擬仿真技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，形成了一種功能更強(qiáng)大的仿真技術(shù)，具有更明顯的效果。而在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬仿真技術(shù)則側(cè)重于虛擬環(huán)境的系統(tǒng)構(gòu)建。利用系統(tǒng)化的虛擬環(huán)境對各個(gè)實(shí)體進(jìn)行統(tǒng)一的控制和部署，操作非常簡單方便?？陀^世界的實(shí)體可以通過此系統(tǒng)進(jìn)行更加真實(shí)的展現(xiàn)。

1.2 硬件虛擬化技術(shù)

硬件設(shè)備虛擬化主要指CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化及網(wǎng)絡(luò)虛擬化。CPU虛擬化是在宿主機(jī)上建立qemu-kvm進(jìn)程，每一個(gè)虛擬CPU皆對應(yīng)某一進(jìn)程。內(nèi)存虛擬化指共享物理機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)從虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存再到機(jī)器內(nèi)存的轉(zhuǎn)換。并通過存儲(chǔ)池也就是宿主機(jī)可見的一片存儲(chǔ)空間與存儲(chǔ)池的一塊空間實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化。網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以通過橋接物理網(wǎng)絡(luò)，給當(dāng)前虛擬機(jī)分配虛擬網(wǎng)卡et0，并通過Linux Bridge br0將en0與vnet0進(jìn)行連接。還可以引進(jìn)VLAN技術(shù)，夠?qū)⒁粋€(gè)交換機(jī)的端口劃分為若干個(gè)組，使連接在同一組端口的主機(jī)位于同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中，不同VLAN間通信需要經(jīng)過三層路由。對于新創(chuàng)建的虛擬機(jī)，為其創(chuàng)建一個(gè)VLAN組，并將虛擬網(wǎng)卡放入這個(gè)組中，就能共享宿主機(jī)的物理網(wǎng)卡。首先計(jì)算機(jī)電腦存在著虛擬網(wǎng)卡，可以是真機(jī)和仿真軟件同時(shí)接入虛擬網(wǎng)卡，虛擬的在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)[4-7]。

2 虛擬仿真技術(shù)在課程教育中的重要性及意義

課程建設(shè)是專業(yè)發(fā)展和教育體系推進(jìn)的關(guān)鍵，為實(shí)現(xiàn)課程教育與這個(gè)信息化社會(huì)的發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)，基于虛擬仿真技術(shù)的課程提出了更加信息化、教育化的教學(xué)方法，將理論與實(shí)踐緊密的結(jié)合，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，通常在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程中不僅需要了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史及體系架構(gòu)、熟悉數(shù)據(jù)通信的基本原理、了解各層的工作原理及主要協(xié)議，還需要學(xué)習(xí)各種網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的安裝、部署、調(diào)試開發(fā)與應(yīng)用，利用軟件及硬件相結(jié)合的教學(xué)模式。另一方面該類課程的知識(shí)范圍要求甚廣，有時(shí)還涉及到安全等其他領(lǐng)域。

利用虛擬仿真技術(shù)不但可以將學(xué)生的理論邏輯體系展現(xiàn)在固有的學(xué)習(xí)模式中，還可以利用虛擬仿真技術(shù)將硬件虛擬真實(shí)化，為計(jì)算機(jī)專業(yè)方向的學(xué)生搭建學(xué)習(xí)的橋梁。以《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》這門課程為例，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，學(xué)生需要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢、數(shù)據(jù)通信概念及現(xiàn)階段存在的問題，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的硬件學(xué)生需了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的促成、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、常用傳輸介質(zhì)例如雙絞線、同軸電纜等介質(zhì)特性及應(yīng)用場所、常見網(wǎng)絡(luò)設(shè)備例如集線器、交換機(jī)、路由器等硬件設(shè)備的功能及特性。除此之外，還會(huì)從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)入手理解網(wǎng)絡(luò)分層、掌握常見的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、接口及分層、TCP/IP等層次結(jié)構(gòu)。若只依賴課堂教學(xué)，學(xué)生很難形成自己獨(dú)立的知識(shí)體系和高效的學(xué)習(xí)方法，在真實(shí)實(shí)踐中無法很好的體現(xiàn)理論價(jià)值。

3 虛擬仿真技術(shù)的層次化應(yīng)用

將虛擬仿真技術(shù)融合到計(jì)算機(jī)類課程的研究中，提出更加適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程方向?qū)W生的學(xué)習(xí)課程體系，將理論知識(shí)與實(shí)操實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計(jì)出更加適合現(xiàn)代社會(huì)學(xué)生的學(xué)習(xí)理念[8-11]。與此同時(shí)，改進(jìn)了教學(xué)模式受空間和成本限制的缺陷，提供更加全面更加多樣的教學(xué)方法。

首先對課程體系進(jìn)行梳理，將理論與實(shí)踐劃分開，研究其不同的屬性及特點(diǎn)并分布線上線下教學(xué)模式。針對基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化線下教學(xué)，教師可以對學(xué)生進(jìn)行理論指導(dǎo)，同時(shí)包含小組討論及課堂反思總結(jié)。對于實(shí)踐教學(xué)，首先選定教學(xué)對象，搭建教學(xué)環(huán)境，補(bǔ)充教學(xué)理念，設(shè)計(jì)出基于虛擬仿真技術(shù)再網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模型基礎(chǔ)上的方針服務(wù)設(shè)備，如圖1 教學(xué)仿真理念圖。

圖1 教學(xué)仿真理念圖

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)支持B/S及C/S架構(gòu)，提供基于硬件虛擬及軟件仿真支撐的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由云平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施及維護(hù)云桌面等部分組成。硬件部分激情路由器、交換機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備進(jìn)行硬件虛擬化，按照客戶端驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)虛擬要求實(shí)例形成虛擬網(wǎng)絡(luò)連接，學(xué)生可以運(yùn)用云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺(tái)數(shù)據(jù)，理解運(yùn)行操作，并根據(jù)不同設(shè)備的類型及特點(diǎn)提供不同的服務(wù)。

4 虛擬仿真軟件模型

4.1 虛擬仿真基礎(chǔ)模型

通過搭建虛擬仿真服務(wù)，學(xué)生可以通過增加路由器、交換機(jī)、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并配置相應(yīng)的模型通過虛擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來模擬出相對真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，學(xué)生可以從輸入端輸入相應(yīng)命令，在特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模型中通過仿真服務(wù)顯示相應(yīng)的設(shè)備輸出回顯，如圖2虛擬仿真模型圖。

圖2 虛擬仿真模型圖

虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以服務(wù)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程，還可以貢獻(xiàn)于網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)，和實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)或相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域人才。系統(tǒng)堅(jiān)持以用戶需求為根本，面向應(yīng)用型人才的理念，全面提高了就算集網(wǎng)絡(luò)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，形成了對學(xué)生內(nèi)外技能培養(yǎng)的強(qiáng)有力支撐。

以虛擬仿真技術(shù)水平能力為核心，提供更加特色的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和項(xiàng)目庫建設(shè)，以學(xué)生的需求為主導(dǎo)，提供虛實(shí)互動(dòng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式建設(shè)，并且系統(tǒng)提供了虛擬硬件、仿真軟件、云支撐的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)水平建設(shè)。

4.2 虛擬環(huán)境搭建

OPNET是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，能夠精確分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的設(shè)備活動(dòng)行為，在網(wǎng)絡(luò)模擬的過程中插入用戶指定探頭，可以得到具體圖形化顯示，并通過數(shù)字形式進(jìn)行觀察[12-13]。

可以借助OPNET虛擬仿真工具對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，此工具常用于設(shè)備研發(fā)、協(xié)議研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)研發(fā)等，通過對有線或無線設(shè)備組網(wǎng)的整體性能與特定參數(shù)進(jìn)行分析，構(gòu)建可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真課程教學(xué)的系統(tǒng)平臺(tái)。OPNET標(biāo)準(zhǔn)模型庫包含：數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、路由協(xié)議、傳輸層協(xié)議、物理層、無線模型、廠商設(shè)備模型等等。包含無線電天線圖、天線方位、發(fā)射功率、調(diào)節(jié)類型、糾錯(cuò)力等無線通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

5 結(jié)語

隨著教育體制的不斷創(chuàng)新，實(shí)踐操作能夠更加提高學(xué)生對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系以及對交換機(jī)、路由器、網(wǎng)閘、PC機(jī)、機(jī)柜、PDU插座等真實(shí)的機(jī)房環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的理解。環(huán)境采用OPNET虛擬仿真工具實(shí)現(xiàn)具體功能及過程輸出回顯，并可以為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的定量依據(jù)，通過用戶界面的形式實(shí)現(xiàn)可視化操作。利用虛擬仿真的方式能夠更好的改善了由于資金、人力及物力不足所帶來的弊端問題，將難以理解的理論性知識(shí)貫穿到操作實(shí)踐中從而提高學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力。