适应协作学习的网络仿真实验平台的设计

2011-11-13刘进军陈桂林徐志红

滁州学院学报 2011年3期

关键词：网络拓扑虚拟化协作

刘进军,陈桂林,徐志红

(滁州学院计算机科学与技术系,安徽滁州239000)

适应协作学习的网络仿真实验平台的设计

刘进军,陈桂林,徐志红

(滁州学院计算机科学与技术系,安徽滁州239000)

利用虚拟化技术,设计一个适应协作学习的仿真实验平台。该平台支持网络课程的实验仿真、协作实验、在线考试、动态演示以及用户管理等功能。实践表明:平台提供了仿真环境,提高了学生学习的主动性和创造性。

协作学习;仿真平台;虚拟机;在线考试

协作学习(Collabo rative learning)是指学习者以小组或团队的形式,在共同的目标和一定的激励机制下,获得最大的个人、小组学习成果而进行合作互助的一切相关行为[1]。与个别学习和竞争学习相比,协作学习能更好地发挥学生的主动性、创造性,能促进高级认知能力的发展以及合作精神的培养。

对于计算机网络类课程来说,实验教学在网络需求分析、规划与设计、项目实施与规范管理以及测试与优化等实践能力培养方面有着理论教学不可替代的作用[2],是培养应用型网络人才的主要途径之一。本文设计一个适应协作学习的仿真实验平台,该平台可用于网络类课程的理论、实验教学以及学生的课外自主学习,有利于培养学生的协作能力与创新精神。

一、相关工作

(一)协作学习的实现方式

网络环境下的协作学习[3]可分为同步、异步两种方式。同步方式是指处于不同地域的学生可以在同一时间进行实时的交流与协作,例如通过聊天室、Netmeeting、远程协助等实现超空间的交流,这种实时沟通能促进学生自主学习,满足学生内心的归属感、认同感。异步方式是指进行协作学习的双方在不同时间和地点的条件下进行同一任务的协商学习,可通过 E-mail、BBS、Blog等实现。这种模式可使学生进行异步对话,从而达到交互协作的目的。

(二)仿真平台的相关技术

1.网络仿真软件

网络仿真软件可以使一台计算机成为“虚拟网络实验室”,以开展网络实验。GNS3是具有图形化界面、支持多平台的网络仿真软件,可以仿真路由器、交换机、防火墙及VPN等多种网络设备,并支持自定义网络拓扑。PacketTracer作为仿真工具,其主要特点包括:支持在线考试以检查学生的学习成果;支持动态演示,形象化显示数据包在网络中的传输过程,使学生深刻理解网络通信的基本原理。前者支持的设备全面,后者支持的功能丰富。本文描述的仿真平台联合使用两种仿真工具,使两者互为补充。

2.虚拟化技术

虚拟化技术[4]是目前共享服务器硬件,实现资源复用的主要方式,以虚拟机的形式划分物理服务器节点上CPU、内存及I/O等硬件资源,使节点上多个虚拟机能够同时运行并相互隔离。该技术将服务封装在虚拟机中并利用创建、复制或动态迁移等方式将服务快速映射到物理节点上,为服务管理提供一种有效的解决办法。

二、仿真实验平台的设计与实现

(一)实验平台结构

图1 仿真实验平台层次化结构

实验平台为层次化结构,由硬件层、虚拟化层、用户接口层组成。其中:

硬件层:为实验平台提供硬件资源,主要包括通过局域网互联的高性能服务器群。其中,服务器的数量可根据用户数动态调整。

虚拟化层:为用户层提供仿真实验的服务资源,利用虚拟化技术将每台服务器划分成多个相互隔离的虚拟机,并将网络仿真、远程协助等工具封装在虚拟机中供用户使用。

用户接口层:为用户与实验平台的接口,将实验平台的功能提供给用户,并负责用户注册、登录及分组管理。

(二)仿真实验平台的功能

1.仿真实验功能

仿真实验平台支持学生自定义网络拓扑功能,并提供核心层、汇聚层、接入层各层次、多型号的网络设备供选择。在实验过程中,学生根据需求设计网络拓扑结构,选择不同层次的设备,采用拖曳的方式将设备图标放置于绘图区,并利用连接工具进行设备互联。自定义网络拓扑可以有针对性地培养学生的网络规划与设计能力,使学生掌握三层网络设计模型中各层的设计要求,明确设备选型的基本方法。

2.协作学习功能

平台通过远程协助实现动态交互,为实验提供良好的协作环境。在实验过程中,平台支持以小组协作方式完成实验。首先,由教师分配给该组一个实验任务,经过协调分工,将任务分解为网络拓扑设计、设备配置等多个子任务;然后,小组成员通过远程协助技术在同一台虚拟机中分别完成自己的子任务。最后,经过综合调试完成整个实验任务,如图2所示。操作过程对于其他成员来说是可见的,这为成员间相互观摩和学习提供了条件。通过协作实验,锻炼了学生的实践能力和团队合作能力。

图2 基于远程协助的协作仿真实验

3.在线考试功能

平台支持在线考试功能以便于检查学生的实验效果。教师可以利用 PacketTracer工具设定网络拓扑图并提出具体要求,在学生完成设备配置后,平台直接给出考试成绩并指出错误原因,该功能综合考查了学生对设备配置方法及命令的掌握情况。此外,利用该功能,学生还可以在课外进行自我测试,激发其主动学习的积极性。

4.动态演示功能

在实验过程中,该功能以动态的方式展示数据包的传输过程,细致地显示数据封装、路由选择、地址转换等过程,将枯燥的网络原理直观形象的展现出来。例如,网络地址转换(NA T)是网络课程的重难点,也是学生较难把握的知识点。课堂授课时,教师远程连接虚拟机直接构建NA T拓扑,设备配置完成后,利用动态演示功能直观地显示防火墙如何进行源地址转换,目标节点怎样响应,数据包如何返回等知识,可以使学生深刻、快速地掌握知识点。该功能可用于课堂教学,也可用于学生自主学习,应用效果良好。

5.用户管理功能

用户管理实现了用户的注册、登录、注销、分组等功能。用户登录后,平台根据其选择的功能给出相应虚拟机的入口IP地址。用户通过远程桌面等工具连接虚拟机,并使用相关服务。为节约硬件资源,只有当用户登录后,平台才通过复制模板快速创建虚拟机。用户注销后,平台立即停止虚拟机运行并保存其状态,以便用户下次使用。

三、仿真平台的实现与应用

(一)仿真平台的实现

基于Window s环境的 GNS3工具对计算机硬件要求较高。使用时,一般将其安装在实验室或学生个人的计算机中,该方式存在一些不足:一方面,配置较低的计算机无法安装该软件;另一方面,计算机彼此独立,不能够进行实时的协作实验。

针对不足,实验平台使用5台高性能的服务器(双Xeon E5504 CPU、32GB内存、千兆网卡)作为底层硬件,并利用Xen虚拟化技术,将每台服务器划分成8个虚拟机(2个VCPU、2GB内存、百兆网卡),同时将仿真工具封装入虚拟机,计有40个虚拟机。实验过程中,用户通过远程桌面连接至虚拟机,其计算机不需要安装GNS3和虚拟化软件,提高了硬件资源的利用率,降低了实验室整体拥有成本。

(二)仿真平台的应用

仿真实验平台可以完成计算机网络、交换技术、路由技术、网络设计与优化等多门课程的实验项目,亦可用于CCNP、CCNA认证的技能型实践练习。在理论教学中,利用实验平台动态演示网络协议的工作原理以及设备的配置过程可以起到事半功倍的效果。利用平台无时间空间限制、免安装的特性,学生可以方便的在课外自主协作学习。然而,需要说明的是,尽管平台有相对完善的功能,但在真实性、功能性以及设备丰富程度等方面存在局限,不能够从根本上替代真实的实验设备,只能作为真实环境的有益补充。对于这一点,使用者应有充分的认识。