基于Web3D技術的網絡互聯實訓系統研究

摘要:目前網絡互聯實訓設施的種類和數量常常難以滿足需要，而現行的網絡模擬器產品大多基于單一品牌的網絡互聯設備，以配置功能為主，且不具備虛擬環境。經過研究和探索，得出了網絡互聯虛擬實訓系統設計方案——應用Web3D、數據庫和網頁設計等技術，構建虛擬實訓環境，將多種品牌和型號的網絡互聯設備的命令集保存在數據庫中，可使得用戶在計算機提供的逼真的三維虛擬環境中，使用不同品牌和型號的設備完成實訓。系統是解決網絡互聯實訓存在問題的有效途徑。

關鍵詞:網絡互聯;虛擬現實;Web3D;MySQL; JSP

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)11-2591-03

Study of the Networking Interconnection Training System Based on the Web3D Technology

HUANG Yan

(Information Technology and Engineering College， Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China)

Abstract: Currently the species and quantity of the network interconnection training system facilities usually cannot meet the actual requirements. Most normal network simulators now are based on one brand network interconnection devices， and mainly for function configuration， absence of virtual environment. It concluded the system design scheme of the networking interconnection virtual training system. The technology of Web3D， database and Web design is applied to finish a virtual training environment， meanwhile the command sets of different brands and types of network interconnection devices are saved in databases. In this case the users can use different brands and types of devices to fulfill the training under the vivid 3D virtual environment provided by the computer. The system is an efficiency method to solve the existing problem of the networking interconnection training.

Key words: networking interconnection; virtual reality; Web3D; MySQL; JSP

網絡互聯實訓是大中專、職業學校計算機或網絡專業，以及相關培訓機構必須實施的重要實踐環節。設置網絡互聯實訓室往往受到經濟條件的制約，不能滿足教學和培訓需要。因此網絡模擬器作為一種輔助方式被普遍使用。縱觀目前流行的網絡模擬器，大多著眼于互聯設備的配置，使得初學者對互聯設備沒有感性認識，造成與實際操作的差距很大。另外，網絡模擬器一般只支持一種命令集，給需要學習不同品牌的學生或學員帶來不便。

蓬勃興起的虛擬現實技術為上述問題提供了解決方案。它可以利用計算機生成極為逼真的環境，通過生動的視覺、聽覺、觸覺等效果以及隨參與者的動作而變化的場景使人獲得身臨其境的感覺。

1 網絡互聯實訓現狀

所謂網絡互聯是指用網絡互聯設備將多個計算機網絡連接起來，構成更大的網絡系統，實現網絡間信息交換和資源共享。Internet就是由千千萬萬個計算機網絡互聯而成的。實現網絡互聯即是在使用網絡互聯設備連接不同網絡的基礎上，對相應互聯設備設置相關網絡協議的過程。

網絡互聯實訓是大中專、職業學校計算機或網絡專業，以及相關培訓機構必須實施的重要實踐環節。開設網絡互聯實訓需要的主要硬件設備包括路由器、交換機、計算機、網線以及制作和測試工具等。路由器和交換機的品牌繁多，且命令集各不相同，加之每個品牌又具有多個型號，因此設置網絡互聯實訓室往往受到經濟條件的制約，設備種類和臺套數難以滿足教學或培訓的需要。

基于上述情況，作為實訓的補充，網絡模擬器普遍用于教學或培訓中。但是縱觀目前流行的模擬器，其共同特點是著眼于互聯設備的配置，網絡連接大都采用拓撲圖顯示。使得初學者對互聯設備沒有感性認識，造成與實際操作的差距很大。另外，網絡模擬器一般是基于一種品牌的網絡互聯設備開發的(支持一種命令集)。若要掌握不同品牌設備的配置，往往需要使用不同的模擬器。

因此，需要開發一個虛擬實訓系統，來解決網絡互聯實訓中出現的問題。

2 網絡互聯虛擬實訓系統

網絡互聯虛擬實訓系統采用B/S結構。既可以安裝在計算機機房(小型局域網)的服務器上，也可以安裝在校園網的服務器上，作為相關課程網絡平臺的組成部分。瀏覽器只需安裝相應的插件即可。

2.1 設計構想

在網絡互聯實訓的實際操作中，學生或學員必須在實訓前做好充分的準備工作，確定規劃方案，其內容如圖1所示。實訓中則需按照事先準備的規劃方案，進行連線、配置及測試工作，如圖2所示。實訓過程中大多需要配置、測試的多次反復，交互性極強。

為了盡可能地模擬真實的實訓過程，虛擬實訓系統應首先實現逼真的三維虛擬實訓環境，展示出網絡設備的外觀，實現網線端口對端口的連接。在功能上應以圖1和圖2的流程作為步驟，依次引導學生完成實訓。在配置和測試階段，系統應模擬學生所選取的互聯設備的操作系統，對學生的配置及時響應，盡可能地縮小與實際操作的差距。

2.2 總體設計

通過分析、研究，得出網絡互聯虛擬實訓系統的總體結構，包括系統管理、設備展示、虛擬實訓、經典案例和幫助五個模塊，如圖3所示。

2.2.1 系統管理

系統管理分為用戶管理和實訓管理兩個子模塊。

1) 用戶管理

系統的用戶設為三級:系統管理員、教師和學生，其權限有所不同。系統管理員可根據學校或培訓機構的編制，設置合法的教師和學生。學生具有瀏覽設備、學習經典案例、進行實訓和使用幫助的權限。教師除具有學生的權限之外，還具有管理實訓的權限。

2) 實訓管理

實訓管理是教師的專用子模塊，包括實訓報告批改、經典案例編輯、添加修改網絡設備及其命令集等內容。

2.2.2 設備展示

該模塊構建虛擬實訓室的三維場景，三維展示實訓室中的設備、網線、連接器及機柜等設施，且能放大、旋轉，端口、網線及連接器結構清晰。使學生獲得進入實訓室身臨其境之感，特別使初學者能近距離觀察、學習實訓室中各種設施的結構，為實訓做好準備。

2.2.3 虛擬實訓

該模塊為系統的核心模塊。為模擬真實的實訓，此模塊可分為實訓準備、配置和測試以及實訓報告三個依次執行的步驟。

1) 實訓準備

此步驟為虛擬實訓模塊的第一步。目的是避免學生未經準備直接實訓，影響效果。其流程可模擬實際操作過程(圖1)，并在此基礎上添加一些約束條件，例如IP地址分配正確性判定，設備連接時所選取網線是否正確等。這樣可在一定程度上充當教師對規劃方案的檢查。規劃方案的內容為網絡拓撲圖、IP地址規劃方案、相關參數設定以及確定連接端口等。

2) 配置和測試

此步驟為實訓過程的核心步驟。根據“實訓準備”得到的規劃方案，按照圖2的流程進行。為給學生模擬真實的實訓環境，界面布局盡量模仿真實的實訓場景，例如應將網絡拓撲圖始終顯示在界面上，作為配置的依據;設備及網線均應以三維形式出現，連線過程亦能顯示出端口結構;界面的中央區域是網絡的連線圖;配置和測試某一設備時，可通過鼠標點擊該設備，彈出窗口，模擬超級終端界面，系統將指向數據庫中該設備所屬的命令集，接受學生的配置或測試命令，并及時給出對應的響應。

3) 實訓報告

實訓報告既是實訓的總結，也是對實訓加深理解的過程。在實訓操作完成之后，系統要求學生必須完成報告。為避免重復工作，該模塊提供實訓報告模板，并把規劃方案的有關內容自動添加到實訓報告中。該模塊還提供上傳和輸出功能，上傳供教師審閱，輸出可轉換為文檔格式，供學生保留。

2.2.4 經典案例

該模塊可按照相關教程中的經典案例設計實現，即給定網絡設備、網絡拓撲圖及IP地址規劃方案等，配置和測試步驟自動演示。其功能是課堂教學的補充，也可為初學者或自學者提供一個學習平臺。

2.2.5 幫助

提供幫助信息，包括系統使用說明、設備介紹和相關理論知識簡介等內容。

2.3實現技術

系統的實現可以采用Web3D、MySQL和JSP等技術和工具。

2.3.1 Web3D

Web3D技術是虛擬現實技術的一種實現形式。它是指基于Internet的、依靠軟件技術來實現的桌面級虛擬現實技術。作為Internet上的交互式3D圖形技術，Wed3D正在取得新的進展，并形成自己獨立的框架。最具魅力的Wed3D圖形將在Internet上得到廣泛應用，如電子商務、聯機娛樂、休閑與游戲、科技與工程的可視化、教育、醫學、地理信息和虛擬社區等。

可見實現B/S結構的網絡互聯虛擬實訓系統，最佳選擇是采用Web3D技術。在種類繁多的開發工具軟件中，可選擇Cult3D。原因是Cult3D的文件容量非常小，卻有近乎完美的三維質感表現。利用Cult3D可以實現3D真實互動、跨平臺運用，只要用鼠標在3D物件上直接拖動，就可以移動、旋轉、放大或縮小，還可以在Cult3D物件中加入音效和操作指引。對于一般的瀏覽器只需安裝一個插件，即可瀏覽。Cult3D的內核是基于Java的，它可以嵌入Java類，利用Java來增強交互和擴展。Cult3D的開發環境具備人性化和條理化特點，開發效率高。特別是考慮到網絡帶寬的限制，Cult3D也是最好的解決方案。

在實現網絡互聯虛擬實訓系統過程中，三維建模將是一個重要環節。為了更加逼真地構建虛擬實訓環境，擬采用基于圖像的實時建模和基于幾何模型的實時建模相結合的方法。對于網絡互聯實訓室三維場景的構建，可以選取一個網絡互聯實訓室進行全景攝影，然后形成全景圖。對于實訓所涉及的網絡設備和網線等設施，可采用基于幾何模型的實時建模方法。其主要優點是觀察點和觀察方向可以隨意改變，不受限制，允許人們能夠沉浸到仿真建模的環境中，充分發揮想象力。因此，它基本上能夠滿足虛擬現實技術的“沉浸”、“交互”和“想象”的要求。擬選用3DMAX作為建模軟件，由于它是最為常用的軟件，對硬件要求低，且被大多數Web3D軟件所支持，可以方便地把生成的模型導入到Cult3D中使用。

2.3.2 MySQL

MySQL是一個小型關系型數據庫管理系統。目前MySQL被廣泛地應用在Internet上的中小型網站中。優點是體積小、速度快。對于一般的個人使用者和中小型企業來說，MySQL提供的功能已經綽綽有余，而且由于MySQL是開放源碼軟件，因此可以大大降低總體擁有成本。

網絡互聯虛擬實訓系統的數據庫中，主要存儲的是多種品牌網絡設備的命令集和響應以及用戶信息，但數據量不大。另外，系統要求能夠快速響應。因此考慮選擇MySQL。

2.3.3 JSP

JSP(Java Server Pages)是一種動態網頁技術標準。它是在傳統的網頁HTML文件中插入Java程序段和JSP標記，從而形成JSP文件。 用JSP開發的Web應用是跨平臺的，即所謂“一次編寫，到處運行”。

運行JSP需建立服務器端的開發環境，主要由以下三部分組成:JDK(Java Developer Kit)，JSP服務器和JSP代碼編輯工具。網絡互聯虛擬實訓系統開發可選用Apache Tomcat和Dreamweaver作為JSP服務器和JSP代碼編輯工具。

3 結論

由于目前網絡互聯實訓設施常常難以滿足需要，而現行的網絡模擬器產品存在不足之處。因此網絡互聯虛擬實訓系統應用Web3D、數據庫和網頁設計等技術，可使得學生在計算機提供的逼真的三維虛擬環境中，使用不同品牌和型號的設備完成實訓。虛擬系統可在一定程度上解決網絡互聯實訓存在的問題，但是還無法模擬實際操作中出現的故障，因此這將是下一步研究的問題。

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