計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)實踐探究

朱力瓊

摘要：反思以往傳統(tǒng)的實驗，不僅會受到儀器、材料、實驗周期、實驗場地等多種成本的制約因素影響，還存在一定的危險系數(shù)，十分不利于教學(xué)實驗的開展?；诖?，該文提出一種利用虛擬仿真實驗平臺，開展計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)實驗教學(xué)的思路，并著重對于平臺搭建所需要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及體系架構(gòu)進(jìn)行介紹，以期助力我國高校的實驗改革建設(shè)，夯實相關(guān)工具基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)? 虛擬仿真實驗平臺? 建設(shè)實踐? 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Research on Construction Practice of Computer Network Virtual Simulation Experiment Platform

ZHU Liqiong

（Gansu Vocational College of Mechanical and Electrical Technology，Tianshui，GansuProvince，731001China）

Abstract： Reflecting on the traditional experiment， not only will be affected by the instrument， material， experimental period， experimental site and other cost constraints， but also there is a certain risk factor， is not conducive to the development of teaching experiment. Based on this， this paper puts forward an idea of using virtual simulation experiment platform to carry out experimental teaching of computer network specialty， and focuses on the introduction of technical standards and system architecture required by the platform construction， in order to help the experimental reform and construction of Chinese universities and consolidate the foundation of relevant tools.

Key Words： Computer network;Virtual simulation experiment platform; Construction practice; Network technology

如今高校教育中，不僅要注重學(xué)生理論知識的學(xué)習(xí)，更要著重培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐操作能力，因此各類的專業(yè)課題實驗教學(xué)是高等教育院校培養(yǎng)全面素質(zhì)人才的關(guān)鍵教學(xué)路徑之一。虛擬仿真實驗平臺是指在Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、VR虛擬技術(shù)、視頻合成技術(shù)以及工程軟件等多個方面的技術(shù)與軟件應(yīng)用，來為學(xué)生搭建虛擬實驗場地的技術(shù)。它能夠?qū)F(xiàn)有的教學(xué)資源進(jìn)行數(shù)字化、虛擬化的整合，從而提供一個真實性高、可操作性強、自由開放、安全效率的實驗平臺。

1虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)目標(biāo)

1.1實驗真實性的需求

如今共計有20余個專業(yè)的實驗課題，均可以登錄到虛擬仿真實驗平臺來進(jìn)行實驗教學(xué)了。虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)目標(biāo)，鑒于它取代傳統(tǒng)實驗的目的來看，必須要確保虛擬仿真實驗平臺的真實性。對于計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這樣需要龐大服務(wù)器作為實驗操作設(shè)備的課件，不僅需要的服務(wù)器組價格昂貴，而且實驗操作要求較高，需要學(xué)生不斷地通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)攻防演練，以及服務(wù)組件的掃描來提高技能水平，所以想要滿足這個建設(shè)目標(biāo)，就需要GUIDE設(shè)計軟件以及圖形模型處理軟件的精細(xì)規(guī)劃[1-2]。

1.2平臺的穩(wěn)定性的需求

無論是哪種課題的實驗教學(xué)，在虛擬仿真實驗平臺開展時，都會有多種需要提示反饋的信息處理分析環(huán)節(jié)，因此它對于框架的運行穩(wěn)定性是有著較高要求的。這種穩(wěn)定性能分為兩部分，一是邏輯問題;二是架構(gòu)問題。因此，在平臺建設(shè)的開發(fā)階段，必須要根據(jù)FMEA分析法來對平臺特定運行風(fēng)險進(jìn)行評估，根據(jù)平臺運行的故障可能性、嚴(yán)重性以及可預(yù)測性來對信息生成與處理的過程進(jìn)行檢測評估。其中，邏輯問題的處理還是主要依靠開發(fā)設(shè)計人員的技術(shù)素養(yǎng)，按照理念正確、流程規(guī)范、刨根問底三步來對關(guān)鍵的代碼語句進(jìn)行測試;而框架問題，則需要借助外部測試軟件對軟件構(gòu)件的合理性進(jìn)行運行測試，如果虛擬仿真實驗平臺的框架問題與邏輯性問題得不到解決，那么很容易造成平臺的級聯(lián)故障，甚至是數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)表丟失，嚴(yán)重影響實驗教學(xué)的正常開展。

2虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)的基本功能實現(xiàn)

2.1仿真實驗?zāi)K設(shè)置

計算機虛擬仿真實驗平臺主要包含了3個部分功能模塊：一是計算機網(wǎng)絡(luò)模塊，真實地模擬廣域網(wǎng)（WAN）、局域網(wǎng)（LAN）、個人局域網(wǎng)（PAN）以及城域網(wǎng)（MAN）等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的組網(wǎng)結(jié)構(gòu);二是網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)模塊，讓學(xué)生理解通過網(wǎng)絡(luò)信道將數(shù)據(jù)介質(zhì)從一個服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一個服務(wù)器的交換過程，分為數(shù)據(jù)傳輸控制與數(shù)據(jù)I/O設(shè)備模擬、數(shù)據(jù)電路終端模擬（DCE）、計算機系統(tǒng)和通信控制器（DTE）模擬;三是網(wǎng)絡(luò)安全模塊，幫助學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕?，以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬盤、軟件數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)接口、篡改抵抗，還有HSM密鑰加密等保護(hù)機制的原理[3-4]。

2.2計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗?zāi)K

計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗?zāi)K主要是指在平臺上的試驗課程，像是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)原理、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析等課程與相關(guān)教學(xué)視頻。該模塊的設(shè)立是為了在虛擬仿真試驗平臺上，為教師開設(shè)課堂教學(xué)提供載體環(huán)境，在對應(yīng)的課程章節(jié)中，學(xué)生能夠第一時間了解教師的課程安排、該學(xué)期的學(xué)習(xí)重點、實驗教學(xué)的公告等。還能對歷史課程與作品進(jìn)行回放查看，便于學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)對實驗操作技巧進(jìn)行消化理解。

2.3網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)虛擬仿真實驗?zāi)K

該模塊中實操性的科目課程比較大，主要是為了完成拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的路由與交換以及各類網(wǎng)絡(luò)鏈路與電路交換的基本原理。在課程基礎(chǔ)之上，模塊內(nèi)還為學(xué)生提供了相關(guān)學(xué)習(xí)課件與隨堂作業(yè)鏈接，在課件材料中，通過模擬圖形軟件建模以及邏輯編程，讓學(xué)生在模擬軟件的用戶界面與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，分析該材料中的組網(wǎng)架構(gòu)與應(yīng)用設(shè)備類型。同時還支持學(xué)生自行操作進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立，在每個虛擬仿真實驗中，都支持教師同步閱覽批注，當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行實操時，出現(xiàn)了與操作要點不符的問題時，課件還能夠提供糾錯信息，讓學(xué)生在動手實操的過程中，掌握網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)章節(jié)的知識內(nèi)容。

2.4網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗?zāi)K

該模塊中重點將網(wǎng)絡(luò)的基本安全防護(hù)原理、數(shù)據(jù)加密流程、網(wǎng)絡(luò)接口與安全協(xié)議等內(nèi)容進(jìn)行拓展。其中的教學(xué)內(nèi)容主要面向于計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、信息工程等多類計算機科學(xué)專業(yè)[5]。除了配套課件以外，針對每個不同的知識點還提供了配套的強化訓(xùn)練，如傳輸加密、數(shù)據(jù)存儲加密、數(shù)據(jù)完整性加密以及密鑰管理四種主流數(shù)據(jù)加密技術(shù)的模擬設(shè)計訓(xùn)練，以更直觀生動的形式，讓學(xué)生理解在網(wǎng)絡(luò)安全中，用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分配與保存銷毀等操作的定義與特點。

3計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)實踐

該平臺是以網(wǎng)絡(luò)軟件應(yīng)用的形式，以校園網(wǎng)與學(xué)生網(wǎng)為載體，由校企合作的企業(yè)開發(fā)的一款“網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室”應(yīng)用，意在將互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相結(jié)合，利用虛擬仿真實驗的方式來代替學(xué)習(xí)大型服務(wù)器機組實驗設(shè)備，達(dá)到提高計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)實驗教學(xué)課程效果的最終目的。

3.1平臺體系架構(gòu)

在平臺開發(fā)階段，出于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)穩(wěn)定性需求的原因，也是考慮到了平臺的開放性與使用便捷性，應(yīng)用了兼容性與拓展性較強的B/S架構(gòu)，即瀏覽器與服務(wù)器架構(gòu)模式。其主要事務(wù)邏輯都通過服務(wù)器端（Server）來負(fù)責(zé)，而次要分支事務(wù)的邏輯處理由平臺前端（Browser）來實現(xiàn)。這樣的組網(wǎng)架構(gòu)使得它可以僅僅依靠一個Browser前端瀏覽器來運行，在瀏覽器中安裝了SQL Server數(shù)據(jù)庫與瀏覽器的服務(wù)器端Web server進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的交互。在B/S架構(gòu)下，一些課件設(shè)計上存在的bug問題可以隨時進(jìn)行修復(fù)，不會影響到服務(wù)器端Server其他事務(wù)的正常處理流程。且由于數(shù)據(jù)交互全程通過服務(wù)器端進(jìn)行，極大地降低了學(xué)校實驗室電腦的負(fù)荷壓力，在能夠滿足所有虛擬仿真實驗的前提要求下，最大程度縮減了校園實驗室的建設(shè)成本。此外，B/S架構(gòu)基礎(chǔ)上運行的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)用，也不容易出現(xiàn)其他獨立運行軟件不穩(wěn)定性的問題。系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計與運行均需要基于Linux操作系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)庫與軟件構(gòu)件均采用開源技術(shù)，按照科技部推薦的教務(wù)信息系統(tǒng)方案標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軟件構(gòu)件的安裝。經(jīng)過獨立的數(shù)據(jù)庫兼容性與穩(wěn)定性測試后，開始正式投入使用[6]。在這個虛擬仿真試驗平臺上，集成了教務(wù)信息處理、學(xué)生登記、實驗智能指導(dǎo)、實驗自動批注、實驗監(jiān)督、考試測驗以及教學(xué)評價等功能。

3.2用戶功能

虛擬仿真實驗室平臺旨在打造便于教師授課、學(xué)生動手實操，注重教學(xué)互動與實效的信息服務(wù)平臺，針對師生關(guān)注度比較高的內(nèi)容以及各自用戶身份的功能需求，將用戶功能結(jié)構(gòu)分為如下幾個部分。

實驗室管理員，在以該用戶權(quán)限訪問虛擬仿真實驗平臺時，為其開放綜合平臺管理功能，以平臺用戶界面的虛擬按鍵形式分別與如下子模塊功能進(jìn)行鏈路連接：實驗室管理、教務(wù)信息管理、賬戶管理以及終端子端信息交互管理。其中實驗室管理中，實驗室管理員權(quán)限可以對虛擬仿真實驗室的課件中出現(xiàn)的參數(shù)、模型尺寸、模型關(guān)系以及模擬試驗的邏輯流程進(jìn)行設(shè)置;而教務(wù)信息管理則是涉及學(xué)生的作品評閱、實操考試評分、課程信息發(fā)布以及實驗公告與課后作業(yè)內(nèi)容的發(fā)布，通過教務(wù)信息管理，可以將實驗室管理員用戶權(quán)限確認(rèn)的信息與數(shù)據(jù)，直接發(fā)送到學(xué)生用戶端。

教師權(quán)限，包括了教學(xué)安排、教學(xué)考核以及教學(xué)過程控制這3個部分。其中教學(xué)安排是指教師根據(jù)進(jìn)度要求與備課安排，將平臺中所有的教學(xué)資源進(jìn)行分類，并給該學(xué)期內(nèi)所有的教學(xué)實驗課件與題庫進(jìn)行排序與分類標(biāo)記，便于開展實驗教學(xué)時能夠第一時間查找到需要的課件內(nèi)容。而教學(xué)考核則是依照教學(xué)大綱，對期末與階段性測試的內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)建與導(dǎo)入。同時在教學(xué)考核中，還有學(xué)生隨堂實驗作品的評分內(nèi)容，為了減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，平臺中設(shè)置了部分課件的自動批準(zhǔn)功能，教師只需要對用戶界面的生成結(jié)果進(jìn)行對照核查，就可以很輕松地進(jìn)行學(xué)生的考試測驗與成績管理了。

學(xué)生權(quán)限，需要通過實驗室管理員注冊后方可獲得訪問平臺的權(quán)限，包括了教學(xué)課程、教學(xué)質(zhì)量評價與教學(xué)資源這3個子模塊功能。其中教學(xué)課程子模塊中包含了該學(xué)期所有的教學(xué)視頻、教學(xué)實驗課件以及實驗指導(dǎo)材料，是學(xué)生完成計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)課程的必須功能模塊，其中隨堂測驗與結(jié)業(yè)考核等內(nèi)容，均需要實驗室管理員統(tǒng)一發(fā)送到學(xué)生用戶端中查閱。教學(xué)質(zhì)量評價，在教師開展虛擬仿真實驗教學(xué)時，后臺會自動統(tǒng)計錄入學(xué)生用戶的登錄訪問數(shù)量，以及學(xué)生實驗課件的完成情況，并根據(jù)此綜合生成授課教師教學(xué)質(zhì)量的對應(yīng)量化考核指標(biāo)，再結(jié)合教師工作日志與教師批閱情況，以及學(xué)期末由學(xué)生點擊鏈接填寫的測評表，得到該課程的具體教學(xué)質(zhì)量情況，便于學(xué)校收集教學(xué)反饋信息，不斷完善教學(xué)方法提高教學(xué)質(zhì)量。而教學(xué)資源則是直接與校園網(wǎng)電子圖書館互通的網(wǎng)絡(luò)鏈路，當(dāng)學(xué)生需要課程參考以外的資料文獻(xiàn)作為實驗知識儲備時，可以通過這個入口閱覽收集，有助于幫助學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。

4結(jié)語

綜上所述，盡管虛擬仿真實驗平臺項目在我國還仍然處于起步階段，但從國內(nèi)外關(guān)于它的教學(xué)研討進(jìn)展來看，其具有一定的可行性與經(jīng)濟性適用的優(yōu)勢。針對計算機網(wǎng)絡(luò)課程中課時較短、概念較多、知識面較廣以及實驗教學(xué)設(shè)備成本昂貴的問題，虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用能夠較好完成輔助教學(xué)功能。且在平臺上進(jìn)行實驗教學(xué)，能夠為學(xué)生帶來一種全新的學(xué)習(xí)體驗，便于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性。

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