疫情下基于移动IP的开放共享网络实验平台

梁琪琪，胡曦明,2*，艾玲梅，吴振强,2

(1.陕西师范大学 计算机科学学院，陕西 西安 710119; 2.现代教学技术教育部重点实验室，陕西 西安 710119)

0 引 言

2020年疫情防控期间，按照教育部《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》(教高厅〔2020〕2号)统一部署，高校全员线上教学开创了史无前例“停课不停教、停课不停学”的中国高教新实践[1]。然而，从评价线上教学与线下教学能否“实质等效”的视角客观审视疫情下在线教学不难发现，理[2]、工[3]、农[4]、医[5]等各学科线上教学普遍存在制约教学质量与学习体验的“实验教学短板”，例如教学模式单一、学习者学习过程缺乏监督等[6]。由于计算机类课程内在的高实践性要求更加突出，其实验教学成为疫情期间及后疫情时代教学改革关注的“热点”。

实验环境是计算机课程实验教学的前提与基础，疫情下实验教学难就难在学生不返校造成与学校实验室环境相脱离。相比于疫情期间计算机语言类课程可以依托GitHub[7]、Trustie-Educoder[8]等全开放代码开源社区丰富的在线工具从容在线开展语言编程与软件操作等实验教学的不同(例如南昌大学信息工程学院Java程序设计课实验[9]、西安邮电大学计算机学院C语言课程实验[10])，计算机网络技术课程实验离不开路由器、交换机、防火墙等专门硬件设备的实验环境，不论是切换为采用Packet Tracer等仿真软件居家开展网络仿真实验[11]，亦或是转由学生基于手机等个人设备自主开展简易网络实验[12]，这些都只能看作是为应对疫情防控下学生不返校而被动采取的临时性应急之举。在“动态清零”疫情防控方针下，校与校、师与生以及生与生之间分域、分时和分类处置并且随时动态调整的新形势常态化，高校实验平台建设与应用传统的“集中化”模式面临巨大挑战，“移动互联”“开放共享”成为新形势下实验平台建与用两方面实现创新发展的“关键一招”。

1 计算机类开放共享实验平台现状

采用文献调查法，以中国知网(CNKI)2015-2021年期间收录中文文献为检索源，以“移动互联”或“开放共享”“实验平台”为主题关键词进行检索，经过对检索结果基于摘要内容逐一筛选、剔除后得到15篇文献，聚类分析如表1所示。

(1)“能实不虚”突显实验平台开放共享的效度。

在计算机仿真技术驱动下，全仿真虚拟实验平台层出不穷。例如：西安电子科技大学采用基于校园内网认证的方式建设面向资源共享的计算机类虚拟在线实验平台，突破了传统实验时间、场地的制约，最终达到了基于此平台开设多门实验、校内年均500人完成实训的效果，使得在线虚拟仿真实验平台成为实验平台发展的重要形式[13]。

但是在疫情防控期间线上教学过程中，学生居家通过远程登录真机从而开展实操实训相较于虚拟仿真实验表现出明显优势。例如：哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院的计算机硬件类实验课程针对目前国内高校的大部分硬件类实验设备高度集成化、扩展性不好等教学问题，建立基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验平台，以大规模可编程逻辑器件技术以及物联网技术为依托，达到支持3门课程16个实验项目的目标[14]。面向后疫情时代，“能实不虚”将是评价实验平台开放共享效度的关键。

(2)“重用轻建”限制实验平台开放共享的维度。

从“建”与“用”两个维度审视，当前实验平台开放共享模式存在“重用轻建”，即开放共享更多发生在“用”的维度，但“建”的维度更多停留于“集中化”模式。例如，西安电子科技大学集中建设的虚拟实验资源与平台可实现在线开放实验资源[13]；中国地震局地震研究所基于B/S架构自建实验室信息综合管理云服务平台可实现研究所内的实验资源互联网化[15]。疫情下大规模线上教学需求激增，实验平台的开放共享亟待突破“重用轻建”传统模式，“建”与“用”都应朝着互联网化的开放共享演进。

(3)“校际鸿沟”阻碍实验平台开放共享的广度。

通常所指的“大规模在线开放实验”开放共享范围往往限制在校内群体，例如：北京理工大学针对控制类实验课程开发的移动在线开放实验平台限制校园网内用户可用[16]。

跨校际开放共享的实验平台，不仅能够实现优质实验资源在更广范围开放共享，而且还能为异地办学、校校帮扶、高校联盟等新办学模式内涵式发展提供实际支撑。例如，暨南大学信息科学技术学院基于云计算构建出跨校区计算机课程实验教学平台，可实现异地多校区开放共享利用率达60%以上[17]。疫情下学校封控管理进一步加剧了打破“校际鸿沟”、发展跨校际开放共享实验平台的现实需求。

2 基于移动IP的开放共享网络实验平台设计

疫情防控下人员分类处置(返校、不返校、隔离等)，这给计算机网络技术实验教学带来的根本挑战在于，需要彻底突破原本传统的全体学生在固定时间段集中到固定实验场所操作实验室设备的封闭式教学模式；取而代之的是在开放时间段，不论分散在异地还是在实验场所本地的学生都能同等无差别操作实验室设备的开放式教学新模式。为此，该文以实验技术创新为驱动，将计算机网络技术本身所具有的“互联万物”的独特优势转化为打造开放式网络实验教学创新的技术途径，提出基于移动IP的开放共享网络实验平台。

2.1 平台组网方案

利用移动IP的特性[18]，将学生实验端、网络实验设备与校园网采用移动IP组网[19-20]，其中可漫游学生实验端采用便携式终端(如笔记本电脑、手机等)并配置为移动IP组网的移动节点(Mobile Node，MN)，实验室设备联网组成实验室网络然后由实验室网关接入校园网，该网关配置为移动IP组网的家乡代理(Home Agent，HA)，将校园网节点如图书馆、宿舍、校医院、教学楼等地方的网关接入设备配置为移动IP组网的外地代理(Foreign Agent，FA)。

将校园网视作移动IP组网的中心路由(Intermediate System，IS)，用来实现拓扑，充当中间路由，连接其他各个路由。将实验室中的学生实验端配置为移动IP组网的通信节点(Correspondent Node，CN)，用来与移动节点进行通信。具体方案如图1所示。

图1 基于移动IP的开放共享网络实验平台组网方案设计

2.2 移动节点漫游

①可漫游学生实验端(移动节点MN)在实验室网关处(家乡代理HA)注册移动IP完成代理建立；此后可漫游学生实验端从实验室网络漫游到校园网其他位置时，可漫游学生实验端启用移动IP代理搜索功能检测自己所处的位置。

②可漫游学生实验端向外地代理发起转交地址注册请求，外地代理继而向本地代理发起转交地址注册请求。

③获取转交地址应答后，移动节点MN成功得到注册的转交地址。

④通过实验室网关与校园网节点(外地代理FA)之间进行代理切换来保障漫游到实验室以外的可漫游学生实验端与实验室网关之间的数据传输持续保持。其中的具体工作过程体现如图2所示。

图2 具体工作过程

这样就实现了可漫游学生实验端在校园网不同位置漫游过程中仍能通过实验室网关保持对实验室设备的登陆与配置状态。即移动到外地的学生终端仍然能通过移动IP漫游远程登录并控制位于实验室的实验设备。

3 基于移动IP的开放共享网络实验平台仿真

针对上述提出的基于移动IP的开放共享网络实验平台，该文采用仿真实验平台GNS-3和软路由Quagga，通过仿真工具搭建出虚拟的实验设备和网络环境以此模拟真实校园网下移动IP开放式网络实验的组网和运行过程，通过仿真测试验证该方案的可行性和适用性。

3.1 环境搭建

用仿真实验平台模拟时，虽然GNS-3平台中的实验设备也足够通过环境搭建来完成本次的模拟实验，然而，由于实验中需要体现移动节点的移动性，为了使得整个实验更具有说服力，故将移动节点的配置放在GNS-3平台外，采用“虚拟机+quagga”的组合来模拟移动节点，通过GNS-3平台提供的cloud接口来对接平台中的实验网络进行实验。

3.1.1 拓扑生成

总体上，通过仿真搭建的组网方案拓扑如图3所示。

图3 仿真实验拓扑生成

3.1.2 仿真运行过程

学生移动端(图4最右端模块)对应图3中的移动节点(即可开发的软路由模块)由Ubuntu+Linux+Quagga提供，为实验的数据来源。

移动IP运行实验环境模块(图4中间模块)由GNS-3平台提供，对应图3中移动IP组网模拟。

测量与分析模块由WireShark抓包软件提供，WireShark软件可以清晰展示出交互过程中的报文数据。具体仿真实验运行过程如图4所示。

图4 仿真实验架构与交互过程

(1)移动IP组网搭建。

移动IP环境的配置是本实验的技术难点。本实验中的移动IP的环境搭建基于GNS-3实验平台，实现移动IP实验环境的搭建。这一举措很好地满足了移动IP实验环境的需求，使得整个实验的进行更加便捷、灵活、低成本。

(2)学生移动端实现。

需要考虑的另一关键技术即为学生移动端路由器如何实现，解决方法采用将虚拟机打造成软路由来实现。为了将计算机上装载好的虚拟机打造成软路由，以达到在移动IP环境下以路由器的身份进行实验，选择在已经装好Ubuntu操作系统的虚拟机中使用开源的路由软件Quagga将Linux机器打造成软路由，Quagga支持IPv4、IPv6和其他多种协议，能够满足路由处理需要。

(3)验证接口创建与数据测量。

接口的创建与使用也是实验过程中的一大关键技术。GNS-3平台和学生移动端Quagga通过GNS-3平台提供的cloud接口进行数据交互，二者的结合解决了学生端路由器与移动IP网络下路由器的交互问题，GNS-3平台+Wireshark可以通过虚拟网卡接口从GNS-3实验平台的移动IP网络环境的运行过程中抓包解析出相关报文。

3.2 配置与操作

3.2.1 实验室网络仿真

根据移动IP网络的实际应用场景以及如图3所示的网络拓扑实验图配置环境及路由器，确保实现其联通性和移动性。根据以下实验步骤进行环境配置：步骤一：计算机中安装GNS-3，并根据官方文档配置；步骤二：根据所设计的网络拓扑进行移动IP环境搭建；步骤三：配置路由器，启动协议。

根据所设计的网络拓扑图，给移动IP环境中家乡代理路由器、外地代理路由器的主要配置，如表2所示。

表2 配置路由器主要命令

3.2.2 学生移动端

对于学生移动端进行以下配置，以确保其可以正常通信。以下给出主要配置操作，如表3所示。

表3 学生移动端配置

3.3 移动性测试验证

完成前文所给出的实验配置后，可以用相关命令(如ping命令等)来测试联通性和移动性是否已经存在，即实验基础环境的配置是否成功。若能得到相应的正确结果，则表示移动IP环境配置成功。

在外地代理FA和移动节点MN的外地链路上抓包，抓到的报文结果如图5所示。从图中可以看出抓到的注册请求与注册应答报文与预期相符。

图5 注册请求与注册应答报文信息

4 基于移动IP跨校际开放共享网络实验平台

随着高校间基于优质教育资源共享的人才培养协作化发展趋势愈发明显，高校联盟不断拓展深化自身的教育功能和合作模式。2018年教育部发布的《关于加快建设高水平本科教育，全面提高人才培养能力的意见》明确提出“要推进现代信息技术与教育教学深度融合，构建全方位全过程深融合的协同育人新机制”[21]，基于网络信息技术支撑的开放化、细分化和轻量级的人才培养实践项目成为新时代高校联盟的新发展。例如，2017年5月陕西师范大学、西北大学、西安外国语大学等5所陕西高校组成“长安联盟”[22]，专门针对课程教学这一细分领域，以线上+线下相结合的运作模式实现优质教育资源的共建共享，为大规模在校本科生提供跨校课程共享和校际学分互认，以教育信息化推动高校间优质办学资源的精准协同。

面向高校联盟高质量内涵式发展，该文提出基于移动IP的开放共享网络实验平台方案，可以为网络实践教学突破“校际鸿沟”实现跨校际开放提供新的技术途径，如图6所示。

图6 基于移动IP跨校际开放共享网络实验平台

(1)通过建与用“互联网化”实现跨校际开放共享。

长期以来由高校自建自用的“集中化”实验平台面临“高投入门槛”非一般院校不可以跨越，例如前文提到的西安电子科技大学在大量经费支持与人员保障之下建设的计算机网络与信息安全国家级实验教学示范中心[13]。本方案利用移动IP技术可以将各校已建成的网络实验平台互联起来，通过将互联网与实验平台融为一体的技术途径，不仅能实现跨校际的实验平台共用，更重要的是以“互联网化”突破传统“集中化”建设造成的“校际鸿沟”和投入“高门槛”实现跨校际的实验平台共建，从而在建与用两个层面上实现全方位的跨校际开放共享。

(2)通过线上线下“移动漫游”实现时空上的开放共享。

网络实验应用创新面临的最大限制在于，师生需要在固定时间段进入指定实验室才能使用设备，固定的时间、场地和设备造成实验平台在校内封闭而且校与校之间孤立。基于移动IP跨校际开放共享网络实验平台，通过校内与校际校园网之间移动IP组网，有效突破传统实验平台的封闭与孤立，实验者与实验设备之间的连接与配置可实现校内与跨校“移动漫游”。这样不仅可以保证在实验室本地线下的学生与异地的线上学生都可同等通过实验本地或异地漫游接入实验室设备，而且还可支持学生接入实验设备的操作配置不会因上下课等原因造成学生位置变化而中断，由此在时间和空间上实现实验平台开放共享。

5 结束语

疫情防控期间，国内高校在开创全员线上教学创举的过程中，“实验教学”短板突显并成为限制线上教学与线下教学实质等效的关键一环。面向后疫情时代校校、师生以及生生之间分域、分时和分类动态处置常态化的新形势，高校实验平台建设与应用亟待突破传统“集中化”模式，实现更高效度、更多维度和更大广度的开放共享。为此，提出基于移动IP的开放共享网络实验平台，创新之处在于基于移动IP组网和移动漫游，将实验平台融入移动互联网从而驱动实验平台在建与用两个维度上“互联网化”，进而达到跨校际、线上线下可漫游的开放共享新模式。