构建虚实结合的计算机网络类实验平台的研究

许小东， 吴军强， 杜 选

(嘉兴学院 数理与信息工程学院， 浙江 嘉兴 314001)

构建虚实结合的计算机网络类实验平台的研究

许小东， 吴军强， 杜 选

(嘉兴学院 数理与信息工程学院， 浙江 嘉兴 314001)

遵循“虚实结合、能实不虚、开放共享”的原则，构建了LIMP+CVM+NTC+RCMS的虚实结合的计算机网络类实验平台。该平台整合了软件共享虚拟资源、仪器共享虚拟资源和远程控制虚拟资源，是一个多课程、全方位、开放共享的虚实结合的平台，实现了实验环境灵活部署、网络拓扑虚拟设计、物理设备远程控制，使虚拟仿真实验和传统实验相融合，增强了虚拟拓扑设计的可见性和物理组网的灵活性。

实验平台； 虚拟仿真； 虚实结合； 开放共享； 计算机网络类

计算机网络类实验教学内容包括系统组网、路由交换、信息安全和网络协议等[1-2]，具有很强的工程性和实践性。但因实验设备不足、网络结构复杂、实验过程抽象、环境部署困难，网络类实验不但时间和空间受限，而且网络攻击等实验也很难在真实网络环境中进行[3-4]。虚拟仿真实验通过构建高度仿真的虚拟环境和实验对象，达到真实实验效果，是网络类实验很好的解决方案。当前计算机网络类虚拟仿真实验主要通过模拟器(如IOU、GNS3、eNSP2、HCL等)实现，但存在虚拟实验资源不能开放共享、元件库没有虚实结合等不足之处。本文探讨虚拟仿真实验与传统实验融合(虚实结合)的计算机网络类实验平台的解决方案，以促进计算机网络类实验教学改革。

1 平台的系统架构

虚实结合的计算机网络类实验平台依托锐捷网络实验室构建。遵循“虚实结合、能实不虚、开放共享”的原则，整合软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验，以实现多课程、全方位、开放共享的虚拟仿真实验教学。平台系统架构如图1所示。

(1)实验室综合管理平台(LIMP)。LIMP(laboratory integrated management platform)是一个综合性虚拟实验管理平台，与RCMS、NTC和CVM相结合，实现实验教学全过程管理，包括实验室管理、实验管理、教学监控、实验结果管理、课程表和用户管理等6个主要功能模块。

图1 虚实结合的计算机网络类实验平台系统架构图

(2) 云虚拟实验平台。CVM是一个基于云计算的虚拟实验平台，承载多台虚拟机，内置软件共享虚拟实验教学资源库，可根据实验项目灵活、快速地部署虚拟仿真实验环境[5-6]。

(3) 虚拟拓扑连接器。NTC是一个虚拟组网平台，承载网络拓扑虚拟设计场景，内置仪器共享虚拟实验教学资源库，可根据实验要求选择虚拟元件、搭建虚拟逻辑机架、构建复杂的网络拓扑结构，实现可视化、自定义虚拟拓扑连接[7]。

(4) 机架控制管理服务。RCMS是一个物理映射平台，承载网络设备管理和控制命令[8]，内置远程控制虚拟实验教学资源库，可根据虚拟网络拓扑实现物理映射，配置物理网络拓扑结构，克服了传统手动连接PC和网络设备进行物理组网的缺点，可远程控制和管理网络设备。

2 平台的关键实现

本虚实结合的计算机网络类实验平台以硬件构建为基础、以资源建设为重点，围绕实验资源的开放共享、网络拓扑的虚拟设计和虚拟拓扑的远程物理映射，实现虚拟仿真和传统实验的深度融合。

2.1 硬件构建

(1) 基于云计算和虚拟化技术构建云虚拟实验平台。云计算是一种资源使用模式，网络、服务器和存储等计算资源共享池按需提供服务。虚拟化是一种资源管理技术，实现计算资源灵活部署，提高其使用效率。云计算和虚拟化密切相关。云计算结合虚拟化技术，能使IT资源部署更灵活；而虚拟化引入云计算的理念，能使虚拟化资源更有效地按需使用。CVM配有1个Console口、1个MGT口和8个实验口，通过网络IP、子网掩码、网关和DNS等相关配置，生成和管理多个有独立操作系统的虚拟机[9]，按需提供丰富的虚拟仿真实验环境，支持多用户同时进行实验，做到实验环境的自由切换和虚拟实验教学资源的开放共享。

(2) 基于虚拟现实技术，构建虚拟拓扑连接器。虚拟现实技术是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，所构建的三维动态视景仿真系统可以为学生提供生动、逼真的学习环境和虚拟体验，是实验教学信息化发展的一个重要飞跃。NTC配有1个Console口、2个1000 Base-X SFP口、2个以太网端口和48个以太网连接电口，通过网络IP、用户名和密码等相关配置，提供虚拟拓扑设计场景，构建虚拟元件库和虚拟实验逻辑机架，实现可视化、自定义拓扑连接(见图2)。

(3) 基于反向telnet技术，构建机架控制管理服务。反向telnet即反远程登录，是指从异步串行端口向外建立的连接(与一般外向内连接不同)，是网络系统集成中常用的管理控制技术。反向telnet支持该功能的网络设备配置成终端服务器，利用其异步串口连接被控设备的Console口，实现多台网络设备的远程控制和管理。RCMS是一个基于反向telnet的智能化平台，配有1个Console端口、1个AUX端口、2个以太网口和1个8口异步口接口，通过水晶头线缆连接路由器、防火墙等物理网络设备，通过网络IP、用户名和密码等提供基于Web的操作界面。RCMS无需拔插控制线，实现网络设备的虚拟远程控制和管理[10]。

对于后市，预计尿素货源将出现紧缺情况，价格或将有所上涨，且今冬明春化肥价格将普遍高于去年同期水平。当前磷肥价格比较稳定，但是受到氮肥和钾肥价格高位的带动，经销商和厂家对磷肥价格都存看涨预期。闫光荣预计，短期内化肥价格将继续保持高位，厂家开工率处于低位，农民购肥的积极性也不高，所以行业越来越困难，亟需突破。

图2 虚拟网络拓扑设计场景

2.2 资源建设

(1) 开放共享，建设软件共享虚拟实验资源库。不同的网络类实验需要不同的实验环境，资源建设遵循开放共享的原则，分层、分类设计依托于CVM的虚拟机，构建软件共享虚拟实验资源库，构建流程如图3所示。首先，综合分析计算机网络类实验项目，提炼实验项目所需的实验环境配置清单，创建操作系统镜像库(.iso文件)；其次，提炼操作系统和实验软件的公共部分，分类建立行业实验应用环境库，设计基础镜像库(.base文件)；最后，在基础环境镜像基础上，融合网络拓扑和网络命令相关的微课视频、信息化课件、MOOC资源等信息化资源[11]，配置具有特色的课件实验环境镜像库(.img文件)。

图3 软件共享虚拟实验资源库构建流程

(2) 虚实结合，建设仪器共享虚拟实验资源库。不同品牌、不同型号的网络设备增加了计算机网络实验的复杂性，资源建设遵循虚实结合的原则，同化物理网络设备，设计虚拟元件库和虚拟逻辑机架，重点突出拓扑结构的设计和组网原理的理解，构建仪器共享虚拟实验资源库，其流程如图4所示。首先，归一化处理各品牌的网络设备，通过系列管理、型号管理和接口管理，设计多厂商命令特征库，智能识别底层厂商设备和上层主流厂商命令集，构建标准的网络设备虚拟元件库，基于一家厂商设备实现多厂商命令行配置，做到不同品牌网络设备的无差别化；其次，根据实验项目的应用环境，选择相应的网络设备虚拟元件和实验PC虚拟元件，设计逻辑机架模板，配置对应的网络命令脚本，增加网络设备组网的可能性和便捷性，构建虚拟逻辑机架库。

图4 仪器共享虚拟实验资源库构建流程

(3) 能实不虚，建设远程控制虚拟实验资源库。不同网络拓扑需要不同的物理连线，单纯的虚拟拓扑不能体现工程性。资源建设遵循能实不虚的原则，实现反向telnet异步配置和虚拟拓扑物理映射，构建远程控制虚拟实验资源库。首先，将RCMS与物理网络设备的Console口连接，利用反向telnet原理实现图形化Web操作平台，实现远程管理和“一键清”功能，构建远程管理和控制命令特征库；其次，通过LIMP将NTC接口与真实网络设备接口进行一一映射，实现物理设备在NTC内部的相互连接，使虚拟拓扑真实映射到物理网络设备成为可能，实现真实的物理拓扑组网，构建拓扑映射配置脚本库和网络实验命令特征库。

3 平台的实验教学

3.1 实验教学

虚实结合的计算机网络类实验平台以虚拟机快速部署实验环境，以虚拟元件库灵活构建虚拟逻辑机架，以物理映射远程控制和管理网络设备，形成虚拟环境+虚拟设计+物理映射的虚实结合实验模式，切实提高了实验环境部署的便利性，突出了网络拓扑设计的可见性，加强了物理网络组网的工程性，提升了实验教学效果和学生实践动手能力[12]。

(1) 通过LIMP发布实验任务；

(2) 通过CVM调用虚拟机，快速部署虚拟实验环境；

(3) 通过NTC登录虚拟设计器，挑选虚拟元件构建虚拟逻辑机架，完成虚拟拓扑设计；

(4) 通过RCMS反向登录虚拟元件对应的网络设备，实现远程控制和管理，完成物理网络映射；

(5) 通过LIMP监控实验过程、批改实验报告。

现在，嘉兴学院虚实结合的计算机网络类实验平台已整合了“计算机网络”“路由与交换技术”“网络安全技术”等11门计算机网络类课程实验和23个实验室的开放项目，形成了网络工程、网络攻防、信息安全、网络协议、密码与信息内容安全5大类、共计186个实验项目。软件共享虚拟实验资源库拥有9个操作系统镜像、32个基础环境镜像和108个课件环境镜像；仪器共享虚拟实验资源库拥有46个虚拟元件和133个虚拟逻辑机架；远程控制虚拟实验资源库拥有7组实验机柜(实验台)和91台物理网络设备。虚实结合实验教学改革已初具成效。

3.2 建设意义

(1) 虚拟仿真实验环境的开放共享有利于推广虚拟仿真实验教学模式[13]。软件共享虚拟实验教学资源整合了计算机网络课程群的实验需求，分层次、分类别地构建了不同操作系统的虚拟机，形成了行业实验应用环境，不仅节省了教师管理和部署虚拟仿真实验环境的时间，而且扩展了学生参与网络虚拟仿真实验的时间和途径，有利于提升虚拟仿真实验覆盖面。

(2) 虚拟元件库和虚拟实验逻辑机架的虚拟设计有利于培养学生的创新意识。虚拟元件库屏蔽各型号、各品牌网络设备的差异性，实现物理设备的归一化处理，提升了实验设备的有效利用率。此外，虚拟实验逻辑机架的构建改变了传统网络机柜格局一成不变的情况，为学生进行网络拓扑设计提供了广阔的想象空间，为物理实验组网提供了更多的可能，激发了学生的学习积极性和求知欲望，有利于培养学生的创新意识和实践动手能力。

(3) 网络虚拟拓扑的现实映射有利于拓展虚拟实验空间和时间、提高学生的工程实践能力。远程控制虚拟实验教学资源平台遵循虚实结合、能实不虚的原则，实现了虚拟网络拓扑设计、虚拟网络命令执行、物理映射拓扑组网的功能，真正能够远程控制实验设备并突破实验空间和时间的限制，使学生可以在任何有网络的地方随时进行远程实验，不仅熟悉虚拟仿真实验层次，更是通过反向telnet技术真实控制实验设备，真正体验企业级网络工程，提高工程实践能力。

4 结语

虚实结合的计算机网络类实验平台构建了软件共享、仪器共享和远程控制三位一体的虚拟仿真实验教学资源库，促进了虚拟仿真和传统实验的深度融合，形成了虚拟环境+虚拟设计+物理映射的虚实结合实验模式，推动了虚拟仿真实验教学的改革，实现了实验资源的开放共享、网络拓扑的虚拟设计和物理设备的远程控制，有效提升了实验教学效果，提高了学生的创新意识和工程实践能力。

References)

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[2] 李林林,孙良旭,吴建胜,等.基于GNS3与VirtualBox构建虚拟网络工程实验室研究[J].实验技术与管理,2015,32(9):144-148.

[3] 底晓强,张宇昕,赵建平.基于云计算和虚拟化的计算机网络攻防实验教学平台建设探索[J].实验技术与管理,2015,32(4):147-151.

[4] 彭正明,黄建忠.网络安全虚拟仿真实验教学中心建设[J].计算机教育,2015(12):18-21.

[5] 王崇霞.传统实验与虚拟实验优化整合的《计算机网络》实验教学设计[J].现代计算机,2016(10):56-58,63.

[6] 黄汝维,陈宁江,何佩聪,等.基于按需云服务的计算机工程教育虚拟实验室建设实践[J].计算机技术应用,2016(5):166-167.

[7] 朱剑林,侯睿.虚拟仿真实验在计算机网络课程教学中的应用[J].教育教学论坛,2016(4):224-225.

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[10] 王崇霞,张剑妹,赵晓丽,等.基于云计算的虚拟项目实验教学模式研究[J].计算机教育,2016(2):176-177.

[11] 尹立孟,朱光俊,万新,等.虚拟仿真实验教学资源建设与管理探讨[J].重庆科技学院学报(社会科学版),2016(1):61-63.

[12] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[13] 王文宜.高等院校虚拟仿真实验教学资源的开放共享机制探讨[J].信息化建设,2015(9):173.

Research on construction of experimental platform of computer network based on virtual and actual combination

Xu Xiaodong, Wu Junqiang, Du Xuan

(College of Mathematics Physics and Information Engineering, Jiaxing University; Jiaxing 314001, China)

Following the principle of “ Virtuality and reality combination, to be real not to be virtual, openness and sharing,” this paper puts forward to construct the platform of “LIMP + CVM + NTC + RCMS.” This platform integrates “Software sharing virtual resource + instrument sharing virtual resource + remote control virtual resource,”which is a platform of computer network with multi-course, full direction and open-sharing.This platform realizes the flexible deployment of experimental environment, the virtual design of the network topology, and the remote control of the physical devices. It effectively promotes the deep integration of the virtual simulation and the traditional experiment, enhances the virtual topology design, and increases the flexibility of the physical network.

experimental platform; virtual simulation; virtual and actual combination; openness and sharing; computer network category

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.031

2016-12-22

浙江省高校实验室工作研究项目(YB201609)；浙江省教育技术研究规划课题(JB033)；浙江省“十二五”省级重点实验教学示范中心重点建设项目(浙教办高教[2014]41号)；浙江省教育科学规划课题(2016SCG045)

许小东(1985—)，男，浙江东阳，硕士，实验师，主要研究方向为计算机实验技术与实验教学.

E-mail：jx_xxd@aliyun.com

TP393;G642

A

1002-4956(2017)06-0127-04