基于Virtools的路由交换技术虚拟实验室设计与实现

刘云朋，邓小飞

（焦作大学信息工程学院，河南 焦作 454003）

虚拟实验室融合了计算机技术、网络技术、虚拟现实技术、人机交互技术等，构建出与真实环境高度一致的实验环境。学生可随时随地登录到虚拟实验室进行学习、实验，将学习过程延伸到了课前、课中、课后，能激发学生的学习热情、提高学习效率，还打破了时空限制，大幅度减少了实验耗材的消耗，提高了实验效率。

目前，虚拟实验室在国内外高校中已经开始应用。虚拟实验室建设作为教育部《教育信息化2.0行动计划》中的一项重要内容，对于解决实验室存在的问题具有重大意义[1]。

“路由交换技术”作为高等职业院校计算机网络技术专业、通信技术专业的一门核心课程，实验部分占有较大比重。学生在掌握交换机、路由器的基本原理的基础上，需要掌握虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）、端口安全、链路聚合、路由协议、访问控制列表的配置，并能够根据公司或企业的需要组建网络、维护网络安全，这对学生的操作能力提出了更高要求。

目前，很多高等职业院校建立的路由交换实验室在培养学生的实践能力方面起到了很大作用，然而也存在一些问题。一方面，由于信息技术（Information Technology，IT）行业发展迅速，新技术不断出现，传统实验室面临更新换代问题；另一方面，在“路由交换技术”课程实践教学过程中，前期需要实验室工作人员和教师做大量的准备工作，包括数据预设、设备维修、还原等，严重影响了课程教学效率。

针对这些问题，笔者借助各种现代技术，设计与实现了基于Virtools 的路由交换技术虚拟实验室，为“路由交换技术”课程实验部分的教学实践提供帮助。

1 路由交换技术实验目前存在的问题

1.1 实验设备陈旧且数量不足

高等职业教育作为高等教育的一个重要组成部分，目的是培养具有创新能力的技术技能型人才。为了达到这个目的，实验实训中心对“路由交换技术”课程的实践教学内容进行了改革，更新了大量的实验项目。

同时，随着学校的不断扩招，计算机网络技术专业和通信技术专业的学生人数也不断增加，无论是在数量上还是在实验内容上，原有的实验条件均已无法满足学生的学习需要，影响了实验教学的正常进行。

1.2 传统的实验教学方法创新性不足

传统的实验教学大多为验证性教学，教师在进行实验指导时往往根据实验指导书的内容，要求学生按照既定的实验步骤逐步操作，并记录每步实验的结果。整个实验过程是机械、死板的，难以激发学生的学习兴趣，影响学生的学习效率。

另外，由于实验室本身实验条件的限制，教师难以将实际项目融入到实践教学环节，学生的独立实践能力、团队协作能力和创新能力的培养也无法有效进行。

1.3 实验室开放力度不够

“路由交换技术”课程的实践教学环节使用到的设备种类和数量较多，包括交换机、路由器、防火墙、服务器、虚拟交换单元（Virtual Switching Unit，VSU）堆叠电缆、无线接入点（Access Point，AP）、出口网关等。

在实验教学过程中，通常只能采用分组的形式进行，由于学时限制，学生缺少动手操作机会，因此严重影响了学生学习的积极性。另外，受限于实验室管理及教学安排，学生课前无法进入实验室进行预习、课后无法进入实验室巩固训练，一些创新性、探究性的实验无法进行，严重影响了学生对“路由交换技术”课程的深入理解。

2 虚拟实验室的特点

虚拟实验室分为两类：一类利用网络对远程真实仪器设备进行操作；另一类以软件的形式实现所有的仪器设备以及实验过程。前者主要以科研为主，交互性差，维护成本高。后者以教学为主，支持多人同时在线，维护成本低。

图1 基于B/S 架构的三维路由交换技术虚拟实验室系统基本架构示意图

1）打破了时间与空间的制约。由于虚拟实验室一般采用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式，因此学生只要有手机或电脑就可以随时随地通过网络访问实验室资源，进行课前预习、课后复习，这就打破了实体实验室存在的仪器设备和开放时间有限的束缚，充分利用了实验资源，扩大了实验室教学范围。

2）沉浸式体验。结合虚拟仿真技术、虚拟交互技术，可以构造出和真实设备高度一致的虚拟设备，用户在操作时有身临其境的感觉。同时，用户能够以超越现实的角度观察实验现象，提高了学习效率。此外，由于采用了虚拟仿真技术，以往一些危险性较高的实验也可以开展。

3）实时的人机交互。虚拟实验室不仅能模拟真实实验的实验步骤、实验结果，而且能结合实验内容对操作者提供步骤指引、错误分析以及其他辅助功能。用户在虚拟实验室操作时，不是机械地按照实验步骤进行操作，而是需要不断地思考，真正融入实验过程中，从而能够获得更好的学习效果。

4）良好的系统可扩展性。虚拟实验室采用软件仿真实现，能不断根据教学需要进行扩展和升级，比传统实验室硬件设备的扩展和升级更方便。

5）降低了建设及维护成本。由于虚拟实验室采用软件仿真的方式，成本较低，硬件只需要一台或者几台服务器。而传统的实验室需要购入大量的硬件设备，成本往往达到几百万元甚至上千万元，并且后期的升级、维护成本较高，对于一般的院校而言负担较大，难以大规模推广。

3 路由交换技术虚拟实验室的设计与实现

基于路由交换技术实验室现状、存在的问题和虚拟实验室具有的优点，本文采用Virtools 三维可视化整合编程开发平台，结合3D Max 建模软件以及Oracle 数据库，设计完成了三维路由交换技术虚拟实验室。

3.1 虚拟实验室的系统基本架构

本文设计了基于B/S 架构的三维路由交换技术虚拟实验室，其系统基本架构见图1。

由于路由交换技术虚拟实验室采用Virtools 开发平台进行开发，因此当用户通过浏览器登录以进行实验操作时，需要安装3D Life Player 插件以创建Virtools 运行环境。服务器端采用JAVA 服务器页面（Java Server Pages，JSP）创建虚拟实验网站，Oracle 数据库存放数据，Tomcat 进行发布，同时采用Virtools 多用户服务器（Multiuser Server）与数据库连接，实现多用户操作。

当用户登录系统后，点击对应的实验链接，服务器将HTM/HTML 和VMO Virtools 通过互联网传输到客户端浏览器并运行。同时，在服务器端，Virtools 多用户服务器会实时监听客户端，一旦客户端有数据交互的请求，客户端的Array 阵列和服务器端的Oracle 数据库就建立连接，从而完成数据的传递。

3.2 虚拟实验室的开发方法

虚拟实验室的目的是构建一个三维的、具有交互功能的沉浸式场景。

由于Virtools 没有建模功能，因此，首先采用3D Max 软件创建三维场景，并对网络设备进行建模；其次通过Virtools 提供的Max Expoter 插件，将模型转换为可以识别的NMO 文件格式；最后使用Virtools 进行逻辑编程，实现交互功能。虚拟实验室开发方法见图2。

图2 虚拟实验室开发方法示意图

3.3 虚拟实验室的组成及设计实现过程

虚拟实验室系统采用模块化设计，整个系统分两大模块：系统模块和功能模块。系统模块主要实现用户注册、系统设置、功能介绍等内容。功能模块包含了所有的实验模块，每个实验模块又包含实验简介、设备选择、参数设置、数据处理等内容。功能模块的具体设计过程如下。

1）实验分析。实验分析是虚拟实验室开发过程中最重要的一个阶段，如果实验分析做得不够细致全面，则会导致后面的工作很难开展，甚至无法实现。因此，在开始阶段需要对要实现的虚拟实验进行全面分析。首先，确定虚拟实验室是针对一个实验还是多个实验，这样才能确定虚拟实验室系统的结构体系；其次，根据每个实验的实验目的、实验内容，分析每个实验需要用到的设备、器材，并对这些设备、器材的特征进行分析，在此基础上使用3D Max 软件构建模型；最后，根据实验步骤、实验要求，分析每次不同操作产生的结果，以便实现对实验过程的真实仿真。

2）实验交互功能设计。虚拟实验室最重要的内容是提供用户和设备、器材之间的交互。用户应该能够通过鼠标、键盘选择设备、器材并进行连线，系统能够根据用户的选择反馈与真实实验一样的结果。另外，虚拟实验室需要指导帮助用户如何进行实验。因此，系统应提供播放动画、视频的交互功能。

3）交互操作界面的设计。交互操作界面是用户和系统交互的窗口，良好的交互操作界面更能吸引用户。在设计交互操作界面时，一方面要考虑到美观，可以采用Photoshop 进行按钮和菜单的设计；另一方面要考虑到用户的操作习惯，所有操作尽量以鼠标完成。

4）实验场景、设备模型的建构。本文采用3D Max 软件构建实验室场景、设备和器材。3D Max 软件构建三维模型一般有3 种方法：多边形法、面片法和NUEBS 法，其中多边形法适合建筑物建模，面片法能够用较少的细节表示非常光滑的实际轮廓。该方法首先用长方体将实验室的整体结构勾勒出来；其次转换为可编辑的多边形，并利用挤出功能实现凸出和缩进；最后根据实际环境对不同的面块赋予不同的材质和贴图。由于路由器、交换机、服务器、PC 机等设备和器材需要更多的交互行为，因此设计了精细的模型构建，主要过程是：首先新建长方体模拟路由器机箱；其次对网络端口、电源接口等涉及交互操作的几何块采用快速切片及分离的方法分割出来，单独进行材质贴图；最后对于不涉及交互且只单纯起展现作用的块面，可利用贴图方式将从数码相机获取的真实图像附着在虚拟设备表面。

5）实验交互的实现。本文采用Virtools 来实现实验的交互功能。为了方便开发，建立一个命名为Resource 的资源库，先将实验场景、设备、按钮、贴图等素材导入库里相应的文件夹中后，再将模型和场景文件导入到Virtools 的3D Layout 窗口，并调节到合适的位置。实验操作界面中的按钮和菜单的动态效果通过创建2DFrame，并运用Push Button 来进行交互，然后通过Send Message 和Wait Message与BB 进行交互信息的发送和接收，完成对所控对象相应动作的控制。

6）虚拟实验的发布。虚拟实验开发完成后，不可避免地存在一些设计及实现上的问题，需要一些授课教师和虚拟实验室用户进行使用体验，以便提出相关的改进建议。开发人员收集相关的改进建议和意见并进行整理，对系统进行优化完善。如此重复多次，直到虚拟实验室系统没问题后，再进行产品发布。

4 结束语

本文以3D Max 软件建立实验场景和设备模型，以Virtools 开发平台实现交互，以Oracle 数据库完成数据存储，开发完成的路由交换技术虚拟实验室可以为学生提供在线沉浸式、交互性的虚拟仿真操作，不仅可以有效提升学生的学习积极性，而且可以有效提高学生的学习效果。