基于大数据的计算机网络课程虚拟仿真实验教学平台建设研究

徐立艳

关键词：大数据；计算机网络课程；教学；虚拟仿真实验平台

传统计算机网络课程实验教学在硬件设施和软件服务平台方面存在不足，大多数高校的计算机网络课程实验只能在机房完成虚拟仿真实验学习，限制了学生的实践效率，对于提高专业课教学质量不利。为了解决这个问题，基于B/S应用软件架构、ASP.NET脚本语言、VMwarevSphere虚拟控制程序、SQLServer数据库和应用服务器等软硬件，构建一个计算机网络课程教学的虚拟仿真实验平台。该实验平台包括计算机用户权限管理模块、实验预约模块、实验模块和教材资源库模块等组成结构，可以用于设计一系列计算机仿真实验场景，并完成教学实训实践操作。该平台为计算机网络课程教学提供了实际支持，具有管理实验用户和指导实践操作的重要意义。

1大数据环境下计算机网络课程虚拟仿真实验平台设计的要求

在大数据、云计算和人工智能技术的发展环境下，计算机网络虚拟仿真实验平台的设计与教学实现需要满足以下几方面的用户需求：

1）实现“虚实结合”的计算机网络课程教学环境需求。当前的计算机虚拟仿真实验平台主要是为了弥补现有计算机网络课程无法满足实际需求的情况而设计的。通过充分整合和利用计算机网络教材大纲内容和课程实践案例，设计计算机网络实验实训项目，并通过虚拟化仿真实验平台进行模拟。这样可以弥补原有实训机房在进行网络实验时功能不足的问题。

2）实现计算机网络课程教学资源的归类需求。计算机虚拟仿真实验平台的教学资源库和应用资源库的设计主要目的是将分散的教学资源有序地整合、归类和存储，以方便教师和学生进行检索、上传、下载和调用。计算机网络教材大纲体系较为完整，通过利用虚拟仿真实验平台的教学资源库，可以针对计算机网络教材中的章节内容，如“计算机网络概述”“数据通信基础”“物理层接口与标准”“数据链路层协议及功能”等，整合课内外的教学基础理论和课程案例资源，为计算机网络虚拟仿真实验教学提供支持。

2计算机网络课程虚拟仿真实验平台建设的大数据技术

2.1B/S应用软件框架技术

B/S模式是基于浏览器/服务器模式的应用软件设计模式，主要用于构建能实现不同软件功能的系统框架。在B/S模式下，所有的软件客户端和软件功能服务都集中在Web服务器中，客户端只需安装浏览器（如Chrome、MicrosoftEdge、InternetExplorer）和SQLServer数据库等组件，就能进行网页资源检索、数据库访问、软件任务实现等操作。

2.2HTML5网页设计技术

HTML5网页设计是一种用于绘制网页拓扑图的技术，通常涉及VML、SVG、Flex等子技术。不同的子技术用于编辑设计网页导航栏、侧边栏、文本、超链接、图像、表格和列表等要素。其中，VML是一种用于Web网页图形图像编辑的技术，可在IE内核浏览器中运行，结合ASP.NET脚本语言，制作静态矢量图和动态图；SVG是一种在IE内核浏览器中用于抓取二维矢量图形的工具，可帮助用户快速抓取网页SVG图形，并支持导出为PNG、SVG、PDF等格式；Flex技术是网页前端开发和动态图像生成的主要技术，可根据网页导航栏和侧边栏布局要求，灵活地控制块级盒子的布局模块[1]。

基于浏览器/服务器网络架构的Web网页设计中，可以使用HTML5的

2.3ASP.NET脚本语言技术

ASP.NET是一种用于Web网页组件开发的脚本语言，通常包括JavaScript和CSS等技术。JavaScript脚本用于在Web服务器内开发程序，主要用于添加客户端事件和标记服务器控件属性，例如将Web网页正文标记为，或为客户端添加事件的数据表格（Datagrid）。CSS3用于定义Web网页界面的样式，可以使用translate（）、scale（）、rotate（）和skew（）等函数来自定义网页结构样式和样式表选择符，并将网页内容和设计格式分类存储。通过执行修改网页宽高比例和颜色条目的代码，以保证Web网页页面的适配性和完整性。

2.4虚拟仿真技术

虚拟仿真技术，也称为计算机模拟技术，主要用于模拟仿真软件的运行环境和执行仿真实验，并分析和验证提出的理论的科学合理性。在当前的计算机网络课程虚拟仿真实验平台建设中，需利用hypervi?sor、VMware、XEN等大数据虚拟化技术，以及人机交互技术、虚拟现实技术和网络数据库等虚拟仿真技术。通过设置可用于网络数据监控和动态任务迁移的虚拟机，开发如BosonNetSim、PacketTracer等计算机网络模拟仿真软件，并设定数值模拟和物理模拟等功能模块[2]。

通过将计算机网络实训数据代入微分方程，描述计算机仿真基本参数的相关关系和变化情况，采用比例缩放、温度控制和颜色控制等方式，模拟不同环境下计算机实训项目的仿真结果，以便于测量仿真数据量并研究属性变化。

3基于大数据的计算机网络课程教学的大数据云平台架构设计

3.1云平台架构设计

计算机网络课程仿真实验室平台的建设通常是在大数据云计算平台和VMwarevSphere虚拟化技术的支持下进行的。该平台包括VMM虚拟机监视器、虚拟CPU、虚拟内存、虚拟I/O接口和虚拟文件系统等虚拟化组件。VMwarevCenterServer服务管理软件和网络服务协议负责管理和协调不同虚拟设备之间的连接。具体的云平台服务架构如图1所示。

在外部用户向网络云平台发送服务请求后，VM?warevCenterServer服务软件负责对物理主机资源进行池化，提供数据中心的多个访问控制点，并设置硬件性能监控、用户访问控制和虚拟资源配置等功能模块。随后，云平台根据实际业务需求分配虚拟CPU、虚拟内存和虚拟文件系统，使虚拟机资源在整个数据中心内共享，并实现不同物理主机之间的虚拟机动态迁移。一旦所有虚拟化资源完成迁移，虚拟机就可以在目标主机上正常运行。

3.2数据库设计

根据云计算平台内Web网页资源和软件数据资源的存储需求，设置SQLServer数据库和MySQL数据库，统计并记录不同类型的数据库表结构和数据属性信息，并将其转换为具有一一映射对应关系的数据模型。目前，云计算平台的SQLServer数据库包含了用户权限实体、班级实体、教材实体、计算机实验实体和虚拟机实体等组成内容。在不同实体下，包括了用户ID、访问权限ID、标识号、类型描述符、虚拟机ID、交换机ID等详细内容。按照以下数据标识符设定来组织数据：用户姓名、用户ID、访问权限ID、虚拟机ID、交换机ID、类型描述符。根据这些设定，建立了计算机网络课程教学的数据库结构关系图，如图2所示[3]。

4基于大数据的计算机网络课程虚拟仿真实验教学平台的总体架构

基于B/S应用软件框架开发的虚拟仿真实验平台具有基础层、存储层、虚拟化层、业务逻辑层和显示层等层级结构。具体的组成架构如图3所示[4]。基础层包括BS浏览器/服务器软件结构、ASP.NET脚本语言、云计算平台和Web服务器的软硬件。它为虚拟仿真实验教学平台的搭建提供底层支持。存储层包含SQLServer数据库和MySQL数据库的存储结构。它负责存储用户数据、环境配置json文件、实验手册以及系统镜像ISO等。通常会设置多台服务器，以服务于不同时间段的海量数据资源和少量数据资源存储需求，并完成不同类型数据的定时备份和存储操作。

在计算机网络仿真实验教学平台中，设置了一系列的VMM虚拟机、虚拟交换机、虚拟路由器等运行装置。通过虚拟化层，能够响应显示层用户的数据访问和交互请求。同时，通过资源管理模块对虚拟机资源进行监控、审核和配置调整，实现了系统化的资源管理。业务逻辑层作为外部用户请求的传递发送层级，包含了用户管理、班级管理、教材管理、实验管理、环境管理、资源管理、实验预约和权限管理等子模块。高校教师、学生和管理员主体可以通过点击各项功能服务，实现对用户注册、访问权限控制、教材教案使用、实验环境创建以及教学资源管理等业务操作的执行。

5大数据虚拟化仿真实验平台在计算机网络课程教学中的应用研究

5.1用户权限访问的控制模型及实现

计算机网络课程的教学参与者通常为教师、学生，而在高校引入虚拟化仿真实验教学平台后，教师、学生、管理员成为计算机网络课程的重要参与者。为实现不同课程参与用户的访问控制，提出基于数据属性的分组访问控制模型（AttributeBasedAccessCon?trol，ABAC），以属性为依据对外部用户的数据访问进行决策、授权，以验证用户数据访问过程的合法性。

通常围绕待访问数据或任务的主体属性SA、资源属性RA、操作属性OA、环境属性EA等，首先定义用户主体属性，如“姓名”“ID”，将其整合设置为SA={UserName_Char，pzhuUser_ID，...}[5]。资源属性RA主要针对Web网页系统文件、申请访问的数据记录，具体到计算机网络课程则包括教材资源访问、实验功能服务访问的数据，每个资源都设定唯一的Res_ID标识，表示为RA={Res_Textbooks，Res_Experiments，...}。操作属性OA为用户主体的资源访问动作属性，主要用于定义用户查询、增加、修改或删除等行为，每个操作行为都对应唯一属性值，一般增、删、改、查动作属性表示为OA={op?er_ID，TYPE_create，TYPE_delete，TYPE_update，TYPE_retrieve...}。

在完成以上一系列属性标识定义后，将用户对不同数据或服务访问的权限，设置为包含某一类属性的表达式，存储至访问控制列表中，由访问控制列表比对用户标识、后台存储属性标识的一致性，属性的表达式表示为Permission=（PA，EA），PA=（SA，RA，OA）。其中只有SA、RA、OA的三元组属性均一致才被允许访问，否则不允许访问。EA环境属性通常情况下为空，若为空则表示用户权限访问不受到环境约束，若不为空则需要考虑环境约束。

5.2虚拟化仿真实验软件平台的应用

基于B/S框架的虚拟仿真实验平台的开发依赖于云计算平台、Web服务器和网络计算机等硬件设备，需要安装用于计算机仿真模拟的虚拟网络控制台（VMwarevSphere）。外部用户可以通过远程帧缓冲（RFB）协议的方式，通过输入网络控制台的IP地址和I/O端口地址进行连接[6]。外部用户可以使用Web浏览器打开HTML5网页，在加载SQLServer数据库和jQueryUI的支持后，即可加载出VMwarevSphereJa?vaScript虚拟控制台程序。具体操作见图4。

通过调用VMwarevSphereAPI，可以生成用于与远程虚拟机建立连接的MKSticket脚本。将该MKSticket脚本嵌入HTML5网页的执行代码中，可以方便后台服务器对不同虚拟机的资源分配和调用进行控制。同时，MKSticket脚本中还包含Managedobject组件，该组件可用于远程监控计算机虚拟仿真实验软件的运行、客户端对象操作服务管理以及系统服务管理，基本上满足计算机网络课程的虚拟仿真实验教学需求。

6结语

计算机网络是计算机专业课程的公共必修课，其中计算机网络的基础理论知识和课例实践案例在教学中占有重要地位。因此，应用教学更倾向于计算机实践实训。根据不同计算机网络实践实训项目和课例案例的安排，可以基于B/S软件服务框架建立计算机网络课程的虚拟化仿真实验教学平台。通过Web网页，客户机发送数据访问和软件功能处理请求，后台Web服务器接收到特定的任务访问请求后，调用相关的数据库资源和虚拟机功能程序，并将结果返回给客户机。服务器将返回的数据结果转换为HTML文本形式，显示在计算机前端面板中，能够辅助并完成不同计算机项目的仿真模拟实验。