基于虛擬仿真的計算機網絡實驗教學平臺設計思考

周富肯

摘? 要：本文分析了計算機網絡實驗中存在的問題，并介紹了計算機網絡虛擬仿真實驗教學平臺的建設的特點和意義，通過對研究目標、內容和關鍵技術的分析，提出了計算機網絡實驗教學平臺的分層設計思路，并描述了各層次的主要建設內容。

關鍵詞：虛擬仿真;計算機網絡;實驗教學平臺;虛擬化技術

一、研究背景

近年來，IT行業發展非常迅速，技術更新越來越快，企業對計算機類人才的要求也越來越高，特別是對于計算機網絡專業的學生，不僅需要掌握網絡的基本操作，還要能夠對網絡設備進行軟硬件的配置和管理，以達到網絡高層管理的目標。傳統的授課方式已經滿足不了學生對知識的需求，學生只有通過實踐才能增加自己的動手能力和實際解決問題能力，因此，實驗或實踐教學的重要性凸顯，實驗設備的需求加大。然而，當前計算機網絡實驗中還存在以下問題：

（1）由于技術換代越來越快，網絡設備的更替很難適應技術的發展速度，就算能跟得上，需要投入大量的建設經費;

（2）網絡實驗設備在實驗中損耗巨大，且跟不上現在計算機網絡技術的發展;

（3）實驗設備的缺乏，在計算機網絡實驗中，多人一組，往往有一部分動手能力差的同學并沒有參與實驗中;

（4）計算機、交換機和路由器等網絡設備難以維護，一般都采用硬件復原的方式提供給學生用;

（5）實驗室不能自由安排學生進行實驗，必須采取統一實驗安排，無法滿足開放式實驗教學的目標。

計算機網絡虛擬仿真實驗教學平臺的建設，主要的特點和意義如下：

（1）虛擬化使得實驗室建設成本降低，路由器交換機服務器等網絡設備將全部采用虛擬化，并可減少實驗室的管理和維護成本;

（2）虛擬化使得實驗室管理成本降低，由于虛擬化的創建、掛起、銷毀等操作，使得實驗進度更加可控，實驗效率大大提高;

（3）虛擬化的綜合實驗平臺同時可為多個課程提供綜合性的實驗，大大提高各個課程的聯系，能夠開發出以往使用真實設備幾乎不可完成的綜合性大型實驗項目，對于學生綜合實踐能力提供更廣泛更深入的支持;

（4）虛擬化技術能過提供更多廠商、更多型號、更多類型的網絡設備、并提供更豐富的網絡應用和服務、能夠解決真實設備所不能完成某些網絡拓撲的搭建、并能進行更加接近網絡本質的網絡數據報文捕捉，能夠為網絡工程提供盡可能多的課程支持，特別是路由與交換技術，防火墻、云計算、大數據、軟件定義網絡等課程的實驗支持。

二、研究方案

1.研究目標

（1）研發能滿足計算機網絡專業學生進行相關專業課程學習的實驗平臺關鍵技術，要求能支撐主流操作系統、路由器、交流機、防火墻等網絡設備的虛擬化，并能靈活構建任意網絡拓撲結構，能支持對這些設備和網絡的配置及調試;

（2）在虛擬服務器配置相對較低的情況下，能滿足60個用戶同時在線進行實驗教學，每個用戶能構建小型的企業網絡進行實驗;

（3）能方便教師和學生使用，能監控實驗教學的全過程，方便管理和分配實驗資源，能實現全開放式的實驗教學平臺，學生能通過遠程進行實驗操作。

2.研究內容

（1）對計算機網絡虛擬實驗平臺的需求進行分析，選擇主流的計算機網絡虛擬化技術及開源平臺，掌握相關的技術原理及開發接口，設計計算機網絡虛擬仿真實驗教學平臺的總體框架、具體模塊功能，并對平臺的開發環境、主要技術手段進行研究;

（2）基于目前比較成熟的開源的計算機網絡虛擬化工具，研究計算機網絡虛擬化軟件二次開發方法，利于主流的web開發技術，實現對開源的計算機網絡虛擬化工具的調用。

（3）實現系統的主要功能模塊，并用運行實例和測試工具對系統進行測試，根據系統運行狀況，分析系統功能實現情況的和系統的承載能力;

（4）為防止用戶通過大量創建虛擬機，惡意使用虛擬資源，導致平臺性能下降問題，需要對虛擬資源進行有效的管理;

（5）通過虛實結合技術，進行平臺的優化，提升平臺性能，實現在虛擬化服務器在較低配置情況下，能支撐更多的學生同時進行實驗操作。

3.技術關鍵

綜合利用虛擬化技術與云計算技術，開發支持服務器、路由、交換、防火墻、負載均衡器等網絡設備的鏡像與實例，降低了對計算機網絡硬件設備的依賴，提高了實驗教學的管理和學習的效率，可以更加靈活和方便的進行實驗教學活動。

由于虛擬化技術對服務器資源配置要求非常高，特別是操作系統的虛擬化，而且對于實驗教學的開展，一般是幾十人并行操作的，所以對服務器資源配置的合理管理和監控尤為重要，通過虛實結合和虛擬資源管理，可以提升平臺的性能，本項目將重點研究這兩項技術的應用和實現。

4.研究方法

計算機網絡虛擬仿真實驗教學平臺將由低層的虛擬化資源庫、云虛擬實驗平臺、實驗教學資源庫和物理網絡設備資源庫組成，如下圖所示。

（1）虛擬化資源庫。該部分主要包括各位虛擬化實驗環境，包括windows操作系統虛擬化環境、Linux操作系統虛擬化環境和其它網絡設備虛擬化環境，這些虛擬化資源是整個平臺的基礎，可以實現大部分計算機網絡設備的虛擬化，并可以被平臺上層功能調用和控制，實現各種計算機網絡設備的模擬。

（2）云虛擬實驗平臺。該平臺通過云計算技術，實現集中統一管理虛擬化資源庫的功能，并可以進行資源調度和配置，進行虛擬化資源的合理分配。

（3）實驗教學資源庫。該部分主要是實現實驗教學管理相關的功能，可以為教師提供實驗資源管理、實驗課程及學生管理、實驗項目和過程管理等功能，為學生提供在線實驗操作、實驗的備份與還原、實驗報告管理等功能。

（4）物理網絡設備資源庫。該部分主要是為支撐虛實結合的實驗場景而配置的，綜合利用現有計算機網絡相關實驗室的硬件資源，把一部分的網絡設備直接用空閑的物理設備替代，可以提升虛擬服務器的性能，容納更多的學生同時在線進行實驗操作。

三、總結

虛擬化仿真實驗平臺的建設和運用是實驗教學發展的趨勢，其中的底層技術已經有比較成熟的解決方案，我們可以在此基礎上構建上層應用，讓它更適用和貼近于各種計算機網絡實驗教學的需求，此外，就是要進行實驗教學資源庫的建設，滿足各種實驗項目的需求。

參考文獻

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