一种B/S架构下基于NEMS的网络实验室教学辅助系统

刘捷 LIU Jie；胡倩 HU Qian

（①华南理工大学计算机科学与工程学院，广州 510006；②华南理工大学经济与贸易学院，广州 510006）

（①School of Computer Science&Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China；②School of Economics and Commerce，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China）

0 引言

在网络实验室进行各种网络实验时，需要使用大量的交换机和路由器。以传统方式进行实验时，需要学生根据实验内容，先使用交叉线或直通线连接不同设备，进行物理组网；然后再通过电脑的串口访问设备，对交换机和/或路由器进行参数配置。这样的方式有以下几个缺点：

①每次实验之前，学生都需要花费时间进行组网和配置；每次实验之后，由需要拆线和恢复出厂配置，组网方案无法重用。②频繁插拔容易造成设备接口的损坏，增加设备损耗。③由于设备有限，实验中经常需要多人共用设备或搬动设备，造成管理混乱。④实验需要物理设备的支持，使得学生需要到达实验室才能进行实验，无法随时随地进行远程实验。

针对以上的缺点，本文提出了一种采用B/S架构实现的基于NEMS的网络实验室教学辅助系统。该系统采用B/S架构实现，学生无需到达实验室，即可远程访问，在页面上进行逻辑组网，输入实验命令，查看实验结果，扩展了网络实验空间。该系统基于NEMS，可以对实验教学、实验学员、实验设备集中统一管理，逻辑组网方案可以保存和加载，实现了组网方案的重新，提升了网络实验效率。该系统不需要对实验设备的连线进行物理上的改变，改善了实验室的管理。

1 网络实验管理系统简介

网络实验管理系统（NEMS）是一种专业的网络实验管理平台，可以对实验教学、实验学员、实验设备集中统一管理。NEMS针对网络实验生命周期（实验定义、实验准备、实验过程、实验结果）提供完整的智能的管理。教师可以通过NEMS系统进行实验的定制、实验环境部署和实验过程的管理、监控，完成实验环境的快速部属、恢复，以及获取、验证实验结果等工作，学生可以通过NEMS系统进行具体的实验。

NEMS系统基于SOA的软件架，教师和学员通过WEB浏览器就可以进行网络教学实验，不需要部署客户端，仅仅需要部署服务器端，极大了减轻了网络实验室管理员的维护工作。NEMS网络实验管理系统通过与设备控制台设备（DMC）联动，提供全面实验管理方面的功能。

2 硬件组成及拓扑结构

网络实验室教学辅助系统的硬件由核心机柜（Core RACK）和实验机柜（RACK01～RACK08）构成。核心机柜中包含了1个交换机、1个路由器和1台WEB服务器。每个实验机柜中包含4台路由器、2台三层交换机、2台二层交换机和1台控制服务器。完整拓扑结构如图1所示。

图1 网络实验室教学辅助系统完整拓扑图

由于实际硬件的限制，我们只部署了8个实验小组，每个实验小组的拓扑图如图2。每个实验小组对应一个实验机柜，实验机柜中的控制管理服务器（CMS）与核心机柜中的NEMS服务器部署了两条线路（线2），确保核心机柜对实验机柜的状态控制，CMS与各实验设备之间使用控制线进行连接（线1）。每个实验小组有8台实验主机，网卡1与核心机柜相连接（线3），可用于正常的网络通讯，网卡2与实验机柜相连接（线4），可用于实验。网卡1的IP地址由实验室内网分配，且与服务器在同一网段；后者的IP地址由学生根据实验的需要自由分配。为了便于管理并减少设备端口的损耗，实验主机的所有网线都汇聚于各自的信息盒，再由综合布线分配到各自机柜的配线模块，然后配线模块与机柜的各实验设备相连接。

图2 实验小组拓扑图

3 网络实验室教学辅助系统组成

网络实验室教学辅助系统分为4个部分：实验主机、WEB服务器、NEMS服务器、CMS、网络实验设备。各部分说明如下：

①实验主机：安装双网卡，网卡1用于正常通讯，可通过核心路由访问外网，也可访问WEB服务器并对NEMS服务器进行操作；网卡2仅供学生测试实验结果使用。②WEB服务器提供友好的操作界面，方便学生对NEMS服务器进行各项操作，并提供用户登陆、学生管理、实验管理、组网方案管理、控制命令输入和实验结果输出等辅助功能。③NEMS服务器可以实现登陆物理设备、配置物理设备参数、下发实验命令、远程操作CMS等核心功能。④CMS位于NEMS服务器与网络实验设备之间，负责汇集设备并提供远程操作的接口。NEMS服务器下发的实验命令以IP数据的形式封装，CMS接收到命令后转为字符数据形式，并转发到网络实验设备，同时在完成实验后上传所需网络设备的配置信息。⑤网络实验设备是指实验机柜中的其它实验设备，用于实验中的逻辑组网及响应。

4 网络实验室教学辅助系统所实现的功能

网络实验需要进行大量重复的工作，如物理组网、实验环境配置、实验设备管理、学生管理、实验方案管理等，而对于网络技术的科学研究又需要灵活的实验环境。基于此，我们设计了基于B/S架构的网络实验室教学辅助系统，提供以下的功能，可以很好地满足实际需求：

①实验设备管理。管理员可以对CMS、实验设备的配置文件进行管理，包括获取实验设备信息，获取、查看、编辑、保存、恢复、比较实验设备配置、设置实验设备缺省配置等。②实验方案管理。教师可以为每个网络实验定义所需的实验设备、实验设备间的逻辑组网情况、各实验设备的初始配置，保存、加载、查看、编辑实验方案内容，并可以将实验方案进行分类，组成不同的实验课程，便于管理和使用。③实验课程管理。教师可以定义实验课程所包含的实验、所使用的实验方案、实验报告模板和实验指导书等资料，并指定参与课程的学生。④实验人员管理。教师可以导入学生信息、指定学生参与的实验课程、学生提交的查看实验报告、对实验结果进行评分。⑤实验过程管理。学生在实验过程中，可以随时将实验环境恢复到初始状态。系统自动记录实验过程中学生输入的命令及实验设备反馈的结果，并将这部分内容作为实验报告的附件，防止学生间互相抄袭实验报告。同时，教师还可以预定义所需屏蔽的命令，以达到所需的实验结果。⑥并发控制。控制学生对实验设备的访问，确保每台实验设备在同一时刻只能由一个用户访问，避免不可预料的实验结果。⑦逻辑组网代替物理组网。系统部署之后，不需要再频繁插拔网线和控制线，减少了设备端口的损耗。学生只需在图形界面上拖动设备图标及连接线图标，即可组成可视的逻辑拓扑图，然后进行命令输入。系统将自动识别所组成的拓扑结构，并反馈与物理组网相同的操作结果。⑧远程进行实验。在系统正常运行时，只需有合法的用户身份，即可使用浏览器随时随地进行网络实验，突破了时空的限制，使网络实验更加人性化。

5 网络实验室的维护与管理

网络实验室教学辅助系统在原有的网络设备基础上进行了改造和升级，引入了额外的控制设备和服务器，其设备和功能的复杂性为网络实验室的维护与管理增加了难度。为此，我们采取实验室管理与教学相结合的办法，以实验室管理保障教学、教学辅助实验室管理的工作思路。实验室管理员与任课教师、助教合作，助教负责在课前录入和管理实验课程信息、部署实验内容，课后恢复初始实验环境；任课教师负责课中的教学辅导；实验室管理员负责整个实验室的安全和实验设备的完好等工作。

为了有效预防病毒的破坏，系统中的软件部分安装在虚拟机上，无论服务器遇到任何问题，如机械故障、系统崩溃等，都可以方便快捷地使用备份文件快速恢复，保证系统的正常运行，保障实验课的正常开展。同时在各实验主机上安装硬盘保护卡，指定的分区在重启后可以自动恢复原始状态。

6 结论

在实际部署和运行之后，网络实验室教学辅助系统确实能够提供所需的功能，实现了远程访问、逻辑组网、实验方案重用，扩展了网络实验空间，提升了网络实验效率，改善了实验室的管理。

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