計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的建設實踐

孫界平, 琚生根, 陳 黎, 周 剛, 師 維

(四川大學 計算機學院, 四川 成都 610065)

計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的建設實踐

孫界平, 琚生根, 陳 黎, 周 剛, 師 維

(四川大學 計算機學院, 四川 成都 610065)

針對傳統的實物實驗教學中存在的一些問題,對計算機網絡虛擬仿真實驗室相關技術進行研究,基于四川大學計算機學院的教學實際,搭建了包括實驗資源管理、實驗庫管理、實驗過程管理、實驗報告評價、師生互動系統和實驗系統管理等6個子系統的“計算機網絡”課程虛擬仿真實驗平臺。以“Windows Web服務與配置”實驗為例,介紹了該虛擬仿真實驗平臺的實驗課程設計與使用。

計算機網絡； 虛擬仿真實驗平臺； 實驗室建設

在高等教育中,不但要求學生對理論知識有深入的理解,還要培養學生理論聯系實際、在實踐中發現問題和解決問題的能力。實驗教學是高等院校培養高素質人才的重要實踐途徑。但是,傳統的實物實驗教學往往受到實驗室時間、空間和實驗設備的限制[1]；而虛擬仿真實驗具有低成本、高效率、功能全、安全等優點,很好地解決了實驗教學的受限問題,在高校的實驗教學中發揮了越來越重要的作用。

虛擬仿真實驗臺是基于Web技術、VR虛擬現實技術構建的開放式、網絡化的虛擬實驗教學系統,能夠將現有教學實驗室進行數字化和虛擬化。應用比較好的虛擬實驗室有美國卡內基梅隆大學的化學工作站、美國斯坦福大學的生物醫學實驗室、土耳其加齊大學的虛擬直流電機實驗室等[2]。近些年,國內高校對虛擬實驗平臺的研究與開發不斷取得新成果[2-3],虛擬仿真實驗在計算機網絡課程實驗教學中的應用已十分普遍。

虛擬仿真實驗最為突出的優勢是可使學生在虛擬環境下模擬各種網絡場景以及網絡設備的配置[4-5],充分了解實驗過程、觀察實驗現象、培養學習興趣,實現教學相長。目前“計算機網絡”課程虛擬仿真實驗教學大多利用現成的開源軟件[6-9],學生可在虛擬環境下搭建網絡、觀察網絡的運行情況,并進行網絡環境配置。然而,在開源軟件中很難實現對學生的管理、對實驗報告的批閱及管理,以及對一系列與實驗相關的工作的管理。因此,迫切需要設計一個綜合的虛擬仿真實驗教學平臺,該平臺既要能夠完成虛擬仿真實驗教學,又要能夠有效地管理實驗教學課程。為此,四川大學計算機學院和北京潤尼爾公司聯合建設了計算機學院虛擬仿真網絡實驗平臺,能夠高效管理實驗教學資源,擴展第三方的虛擬實驗課程資源以及自建課程資源。

1 虛擬仿真實驗平臺建設目標

虛擬仿真實驗平臺不僅能夠模擬真實的網絡設備的工作原理,切實解決實驗設備短缺的問題,還能更好地激發學生的學習積極性,提高實驗教學效果。在整個設計過程中,虛擬仿真實驗平臺要實現3個主要實驗目標。

(1) 模擬真實實驗環境,激發學生的學習興趣。虛擬仿真實驗平臺不但能夠模擬真實的實驗設備、實驗環境以及實驗操作,還能讓學生身臨其境地在虛擬環境下了解網絡設備的連接、配置以及工作過程,在虛擬的環境下進行計算機網絡知識的學習和研究[5]。

(2) 記錄實驗過程,了解學生實驗過程中存在的問題。由于大多數計算機網絡實驗——無論是虛擬實驗還是真實的物理實驗,都很難了解學生在實驗操作時的具體步驟。這些信息的缺失非常不利于教師進一步了解學生的詳細學習過程。因此,計算機網絡虛擬仿真實驗平臺應能夠記錄學生的實驗操作環節,例如物理連接、系統配置操作,能夠對學生進行客觀的檢測和考核。

(3) 可擴展。由于不同的教師有不同的教學方法,所以平臺預設的實驗并不能完全滿足教師授課的需要。因此,虛擬仿真實驗平臺的建設必須滿足教師自主設計虛擬仿真實驗的需求。

2 虛擬仿真實驗平臺體系架構

虛擬仿真實驗平臺是進行虛擬實驗教學、實驗過程跟蹤和評價、師生互動交流以及實驗報告管理的平臺。利用這個平臺,學生能夠獨立進行實驗,非常有利于培養學生的動手能力和創新能力[10]。為了保證該系統的適用性和安全性,虛擬仿真實驗平臺采用瀏覽器/服務器(B/S)的體系架構。在這個架構里,管理員、教師和學生可以在Internet覆蓋的地方借助瀏覽器完成虛擬實驗的管理、課程設計或課程實施。

計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的用戶包括管理員、教師和學生。

管理員主要進行課程以及教師和學生的賬戶管理。

教師可以從虛擬仿真實驗平臺的實驗庫中選擇實驗，或者利用實驗資源自定義設計滿足教學要求的虛擬實驗,并設置學生實驗開始及完成時間。教師用戶還可在學生實驗時通過互動平臺現場答疑,在學生實驗完成后通過虛擬仿真實驗平臺批閱實驗報告。

學生登錄虛擬仿真實驗平臺以后,需依照實驗要求完成實驗內容,在線完成實驗報告并提交給教師。

3 虛擬仿真實驗平臺的功能模塊

虛擬仿真實驗平臺主要包括實驗資源管理、實驗庫管理、實驗過程管理、實驗報告評價、師生互動系統和實驗系統管理等6個子系統,平臺功能框架如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗平臺的系統功能框架

3.1 實驗資源管理子系統

實驗資源管理子系統的主要功能是對虛擬仿真實驗所用到的各類資源進行管理,包括習題庫管理模塊和教學資源管理模塊。

設立習題庫管理模塊的目的是使學生在做實驗之前能夠了解與實驗相關的理論知識,以便更好地進行虛擬仿真實驗。實驗教師需為習題庫模塊準備好一定數量的習題。

教學資源管理模塊主要是對圖片資源、視頻資源、音頻資源、文檔資源等教學資源文件的管理。上傳的資源需要經過管理員的審核,教師才可以在實驗設置中引用這些資源。這些教學資源既可以設置為共享,也可以設置為特定實驗專用。

3.2 實驗庫管理子系統

實驗庫管理子系統由實驗管理模塊和實驗布置模塊構成。

實驗管理模塊是整個系統的核心,主要是提供教師對教學實驗的管理功能。實驗教師能夠按照自己的教學要求對實驗進行相應修改,例如修改實驗的習題、實驗的內容、實驗的要求等。實驗管理模塊還提供了教師自定義實驗的功能,當預設的實驗不能滿足教師教學要求時,教師可以自行定義一些專門的實驗內容以供學生上課使用。

實驗布置模塊是教師根據教學要求選擇授課的實驗,以及設置實驗時間和班級。

3.3 實驗過程管理子系統

實驗過程管理子系統包括實驗過程管理和學生考勤管理2個模塊。

實驗過程管理模塊是管理學生做實驗的環境平臺,學生能夠在實驗平臺看到教師發布的實驗內容和實驗要求,并在自己的平臺上完成實驗。此外,學生實驗過程管理還為學生提供了在線“實驗幫助”文檔,學生可以從這些文檔中獲得幫助,以便完成實驗。

學生考勤模塊的功能主要是協助實驗教師查看學生上課情況。

3.4 實驗報告評價子系統

實驗報告評價子系統有智能批閱功能模塊和手工批閱功能模塊。智能批閱模塊能夠根據實驗所設計的得分點,自動判斷學生是否進行了相應的配置及操作,自動完成批閱過程。由于智能批閱功能的設計比較復雜,目前實驗平臺中也只有部分實驗能夠完成自動批閱,其他實驗的智能批閱有待后續版本的完善。手工批閱則是由教師根據學生實驗報告中所陳述的實驗步驟、實驗結果以及結果分析等內容進行評分。

教師可以將不合格的實驗報告退給學生,要求學生重寫實驗報告并再次提交。

3.5 師生互動子系統

師生互動子系統最主要的模塊是實驗答疑室模塊,該模塊有類似“群聊”的功能。利用該模塊,學生在實驗過程中,當發現問題時能夠及時向教師提問,而教師則可在線提供幫助。另一方面,學生可以在答疑室里了解同學在實驗過程中出現的共同問題,教師也可通過答疑室提醒大家實驗需要注意的事項。

3.6 實驗系統管理子系統

實驗管理子系統主要為系統管理員所使用。系統管理員可根據教學安排,為教師創建課程、建立教師賬號以及學生賬號。

4 教學案例

以“Windows Web服務與配置”實驗為例,介紹在虛擬仿真實驗平臺中實驗課程的設計與安排。

該實驗的目的是要求學生在Windows系統的IIS下配置Web服務器,并且借助Wireshark軟件詳細了解HTTP協議的工作過程。

由于虛擬仿真實驗平臺預設的只有Web服務器的配置,缺少對HTTP協議的分析,所以教師要預先在虛擬仿真實驗平臺選擇Windows下的Web服務器配置實驗,然后將預制的課程引用到自己的新建的實驗中,修改實驗目的、實驗任務以及對實驗報告的要求。最后,將設計好的實驗課程發布給學生。重新設計的實驗要求如圖2所示。

【實驗目的】

1. 學習Web服務器的配置；

2. 初步掌握Windows Web服務器的設置；

3. 掌握HTTP協議的工作過程

【實驗器材】兩臺安裝Windows系統的計算機,網線

【實驗組網圖】

圖2 虛擬仿真實驗指導界面

【實驗任務】

1. 練習并測試Web服務器的配置。

2. 配置一臺Web服務器,通過客戶端訪問該Web服務器。

將windows_pc0的ip設置為192.168.199.1,子網掩碼為255.255.255.0,在windows_pc0的IIS功能中,新建一個站點,站點描述為www,將windows_pc1的ip設置為192.168.199.2,子網掩碼為255.255.255.0。

3. 安裝Wireshark下載地址:https://www.wireshark.org/download.html

4. 在本機使用Wireshark捕獲http數據包,查看http協議各個字段內容,了解其含義。

5. 完成相關練習。

學生在規定的時間登錄虛擬仿真實驗平臺進行實驗。在實驗過程中,需要先根據實驗指導手冊提供的拓撲結構完成虛擬的物理布線(見圖3),然后將虛擬平臺的主機和服務器打開,進入虛擬環境下服務器的操作系統進行Web服務器的配置,并在主機中打開瀏覽器進行測試。

圖3 虛擬仿真實驗操作界面圖

學生在虛擬平臺完成Web服務器配置以后,HTTP協議分析的實驗內容就需要在真實的網絡環境下完成。在Windows下安裝Wireshark軟件,再通過瀏覽器訪問網頁時,利用Wireshark軟件捕獲HTTP的請求和響應報文,最后將捕獲的報文截圖和HTTP頭部各個字段的內容分析結果寫在實驗報告中并提交。

教師登錄虛擬仿真實驗平臺對學生的實驗報告內容進行評價。智能批閱模塊的批閱結果如圖4所示。

圖4 智能批閱結果界面

學生完成的實驗報告的文字性內容,需要由教師進行手工批閱,最后匯總形成學生實驗報告的總分。

5 結語

在計算機網絡實驗教學中,利用虛擬仿真實驗平臺和與之配套的虛擬實驗,改善了實驗教學效果,明顯提高了學生的學習積極性,培養了學生的實踐能力和創新能力。

References)

[1] 王娜,徐魯雄.基于Unity 3D的計算機網絡虛擬實驗室建設研究[J].實驗技術與管理,2016,33(9):242-245,252.

[2] 陸霞,田地,何禹潼,等.LA-ICP-MS網絡虛擬實驗室的研究與開發[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):120-123.

[3] 杜坤,張彪,魏萬紅,等.生物學虛擬實驗室的構建及應用[J].實驗技術與管理,2015,32(9):132-136.

[4] 于斌,余紅珍.基于VR的開放式計算機網絡虛擬實驗室的研究與實踐[J].實驗科學與技術,2014,12(6):201-202.

[5] 李玲,王非.基于網絡的虛擬現實技術在高校實驗教學中的應用[J].實驗科學與技術,2014,12(3):37-39.

[6] 薛琴.基于Packet Tracer的計算機網絡仿真實驗教學[J].實驗室研究與探索,2010,29(2):62-64.

[7] 楊兵.基于packet tracer5.3計算機網絡仿真實驗教學研究[J].軟件,2012,33(8):113-115，119.

[8] 王建新,凌亮,王偉平.基于NS2的計算機網絡遠程虛擬實驗室的設計與實現[J].計算機工程與應用,2004,40(24):104-107.

[9] 吉祖勤,蔡長安.NS2仿真技術在網絡實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(12):96-99.

[10] 王海峰.計算機網絡虛擬實驗教學平臺的設計與實現[J].南昌師范學院學報,2016,37(3):25-28.

Construction and practice of virtual simulation experimental platform for computer network

Sun Jieping, Ju Shenggen, Chen Li, Zhou Gang, Shi Wei

(School of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In view of the disadvantages of the traditional practicality experimental teaching, the research on the related technology of the virtual simulation laboratory for computer network is studied. Based on the actual teaching in School of Computer Science of Sichuan University, the virtual simulation experimental platform for Computer Network course is established, which includes six subsystems such as the experimental resources management, the experimental library management, the experimental process management, the experimental report and evaluation, the teacher-student interaction and the experimental system management. By taking the Windows Web Service and Configuration experiment as an example, the design and application of the experimental course of the virtual simulation experimental platform are introduced.

computer network; virtual simulation experimental platform; laboratory construction

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.028

2017-03-21

孫界平(1962—),男,四川達州,碩士,副教授,主要研究方向為軟件工程E-mail：sunjieping@scu.edu.cn

陳黎(1977—),女,四川成都,博士,講師,研究方向為計算機網絡.E-mail：cl@scu.edu.cn

TP393；G642.423

B

1002-4956(2017)08-0115-03