虛擬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與通信研究

摘要:虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的局限性，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的突破性發(fā)展提供了契機(jī)，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性。該文設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，對(duì)相關(guān)通信問(wèn)題進(jìn)行了深入探討，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞:虛擬;網(wǎng)絡(luò);通信

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)02-294-02

Research of Virtual Computer Network Design and Communications

REN Lei

(Nanjing Xiaozhuang University Xingzhi College， Nanjing 211171， China)

Abstract: The emergence of virtual laboratory experiment to break the traditional teaching model the limitations of the experimental breakthrough in the development of the teaching model provide an opportunity to greatly improve the scalability and adaptability of experimental teaching. This virtual experiment is designed teaching computer networks， networking， communication of relevant issues in-depth discussions， hoping to provide some reference to the relevant research.

Key words: virtual; network; communication

隨著國(guó)家信息化步伐的加快和高等院校規(guī)模的擴(kuò)大，培養(yǎng)具有實(shí)踐能力的高層次專業(yè)人才已成為高等教育的主要目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)是人們將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的重要手段和途徑，特別在工科教育中，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高將理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力，是教學(xué)活動(dòng)中必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐技能至關(guān)重要。

然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室作為一種資源高度密集的綜合系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)儀器和環(huán)境的更新和維護(hù)上，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，從而使它的發(fā)展受到很大限制。在教育領(lǐng)域，隨著我國(guó)高等教育體制的深化改革與高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)急劇增加，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模都很難滿足實(shí)際需要，從而讓很多工科院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)陷入困境，嚴(yán)重影響到學(xué)生和科研人員的學(xué)習(xí)和研究。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ы鉀Q高校中實(shí)際實(shí)驗(yàn)資源緊張帶來(lái)的一系列問(wèn)題，已成為高校實(shí)驗(yàn)建設(shè)的一種必然趨勢(shì)。

由于虛擬實(shí)驗(yàn)室目前還沒(méi)有大規(guī)模成功應(yīng)用的實(shí)例，也未形成國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)，特別是國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的產(chǎn)品都或多或少地存在著通用性差、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性和靈活性不強(qiáng)、仿真性不夠好、交互性差的問(wèn)題。因此，研究和開(kāi)發(fā)通用性強(qiáng)、仿真性能好、能指導(dǎo)和啟發(fā)實(shí)驗(yàn)者的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)際價(jià)值。

1 虛擬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和組網(wǎng)平臺(tái)。力爭(zhēng)使系統(tǒng)具有靈活性、通用性、交互性、和資源共享的特點(diǎn)，并通過(guò)營(yíng)造逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和良好的交互功能，使實(shí)驗(yàn)完全達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的效果。為此，系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求:

1) 安裝方便，成本低廉，不受時(shí)空限制，學(xué)生可以進(jìn)行自由組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。

2) 能夠完成《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程的所涉及的大部分實(shí)驗(yàn)和測(cè)試工作。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)能更進(jìn)一步鞏固計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，加深對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系和結(jié)構(gòu)的了解。同時(shí)，深入了解華為交換路由設(shè)備的工作原理。

3) 利用此系統(tǒng)，學(xué)生可以自定制計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)試驗(yàn)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展能力。

4) 能夠保存、重現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模擬場(chǎng)景以及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和數(shù)據(jù)，并提供一定的分析功能，保存的實(shí)驗(yàn)要具有良好的重用性，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)演示次數(shù)多的特點(diǎn)。

5) 能夠利用系統(tǒng)通信平臺(tái)，完成在線討論，作業(yè)提交等功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)作式組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，真正體會(huì)虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

6) 操作界面友好。操作要求簡(jiǎn)單、容易掌握，能夠滿足大部分初學(xué)者的要求。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含兩大模塊，即C/S架構(gòu)的Client模塊和Server模塊。

1.1.1 客戶端模塊

此模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)搭建虛擬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠體驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的組網(wǎng)效果，解析從服務(wù)器端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和總結(jié)。

1.1.2 服務(wù)器模塊

此模塊是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管理模塊，教師通過(guò)此通信平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生端的有效管理，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生的在線情況、下達(dá)實(shí)驗(yàn)指令和接收提交的作業(yè)并對(duì)其反饋。

2 虛擬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中通信協(xié)議分析

2.1 TCP/IP通信協(xié)議

通信協(xié)議的選擇對(duì)于通信平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定，包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問(wèn)題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。因此，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間通信必需選擇合適的通信協(xié)議。本組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，相互交叉通信錯(cuò)綜復(fù)雜，而TCP/IP協(xié)議為絕大多數(shù)所接納、兼容，因此我們選擇目前用得最多、最復(fù)雜TCP/IP協(xié)議作為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通信平臺(tái)的首選機(jī)制。

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，即傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是互聯(lián)網(wǎng)中最基本的協(xié)議，我們通常稱它為T(mén)CP/IP協(xié)議族。它是上世紀(jì)70年代中期美國(guó)國(guó)防部為其ARPANET廣域網(wǎng)開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以它為基礎(chǔ)組建的INTERNET是目前國(guó)際上規(guī)模最大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，正因?yàn)镮NTERNET的廣泛使用，使得TCP/IP成了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

TCP/IP可使不同環(huán)境下不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行彼此通信，是一種層次型協(xié)議，它包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP、TFTP等等，共同組成TCP/IP協(xié)議族。

TCP/IP通信協(xié)議具有很強(qiáng)的靈活性，支持任意規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，幾乎可連接所有的服務(wù)器和工作站，正因?yàn)槠潇`活性也帶來(lái)了它的復(fù)雜性，它需要針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同設(shè)置，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少需要一個(gè)“IP地址”、一個(gè)“子網(wǎng)掩碼”、一個(gè)“默認(rèn)網(wǎng)關(guān)”和一個(gè)“主機(jī)名”。但是在局域網(wǎng)中微軟為了簡(jiǎn)化TCP/護(hù)協(xié)議的設(shè)置，在NT中配置了一個(gè)動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議 (DHCP)，它可為客戶端自動(dòng)分配一個(gè)IP地址，避免了出錯(cuò)。

TCP/IP規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)上的所有通信設(shè)備，尤其是一個(gè)主機(jī)與另一個(gè)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)往來(lái)格式以及傳送方式。Internet網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以TCP/IP協(xié)議為核心，通常被認(rèn)為是一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng):數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

2.2 TCP與UDP協(xié)議比較與分析

TCP/IP是一個(gè)協(xié)議簇，它包含了兩個(gè)傳輸層協(xié)議: TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)。

TCP協(xié)議工作在應(yīng)用層和IP層之間，提供可靠的、面向連接的連續(xù)流協(xié)議;它所做的工作包括把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡(luò)層，確認(rèn)接收到的分組，設(shè)置發(fā)送最后確認(rèn)分組的超時(shí)時(shí)鐘等。由于傳輸層提供了高可靠性的端到端的通信，因此應(yīng)用層可以忽略所有這些細(xì)節(jié)。

UDP協(xié)議直接工作于IP協(xié)議的頂層，它使用端口號(hào)來(lái)完成進(jìn)程與進(jìn)程之間的通信，提供不可靠、無(wú)連接和面向消息的傳輸服務(wù)。它只是把稱作數(shù)據(jù)報(bào)的分組從一臺(tái)主機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)主機(jī)，但并不保證該數(shù)據(jù)能到達(dá)另一端。任何不需的可靠性必須由應(yīng)用層來(lái)提供。

3 結(jié)論

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有功能全，占用資源小，通用性和靈活性好等特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)很多高校暫無(wú)計(jì)算機(jī)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的不足，對(duì)于已有組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的高校，系統(tǒng)也能夠提供幫助，如與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)功能、克服實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的局限性等。

虛擬計(jì)算機(jī)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其通信平臺(tái)組成的虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠彌補(bǔ)目前高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，具有廣闊的發(fā)展前景。為了使本系統(tǒng)能夠真正在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中發(fā)揮作用，并更具有通用性，將來(lái)在時(shí)間和條件允許的情況下，還應(yīng)補(bǔ)充和擴(kuò)展更多功能和內(nèi)容。

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