基于虚拟仿真的计算机网络实验教学平台设计思考

周富肯

摘  要：本文分析了计算机网络实验中存在的问题，并介绍了计算机网络虚拟仿真实验教学平台的建设的特点和意义，通过对研究目标、内容和关键技术的分析，提出了计算机网络实验教学平台的分层设计思路，并描述了各层次的主要建设内容。

关键词：虚拟仿真;计算机网络;实验教学平台;虚拟化技术

一、研究背景

近年來，IT行业发展非常迅速，技术更新越来越快，企业对计算机类人才的要求也越来越高，特别是对于计算机网络专业的学生，不仅需要掌握网络的基本操作，还要能够对网络设备进行软硬件的配置和管理，以达到网络高层管理的目标。传统的授课方式已经满足不了学生对知识的需求，学生只有通过实践才能增加自己的动手能力和实际解决问题能力，因此，实验或实践教学的重要性凸显，实验设备的需求加大。然而，当前计算机网络实验中还存在以下问题：

（1）由于技术换代越来越快，网络设备的更替很难适应技术的发展速度，就算能跟得上，需要投入大量的建设经费;

（2）网络实验设备在实验中损耗巨大，且跟不上现在计算机网络技术的发展;

（3）实验设备的缺乏，在计算机网络实验中，多人一组，往往有一部分动手能力差的同学并没有参与实验中;

（4）计算机、交换机和路由器等网络设备难以维护，一般都采用硬件复原的方式提供给学生用;

（5）实验室不能自由安排学生进行实验，必须采取统一实验安排，无法满足开放式实验教学的目标。

计算机网络虚拟仿真实验教学平台的建设，主要的特点和意义如下：

（1）虚拟化使得实验室建设成本降低，路由器交换机服务器等网络设备将全部采用虚拟化，并可减少实验室的管理和维护成本;

（2）虚拟化使得实验室管理成本降低，由于虚拟化的创建、挂起、销毁等操作，使得实验进度更加可控，实验效率大大提高;

（3）虚拟化的综合实验平台同时可为多个课程提供综合性的实验，大大提高各个课程的联系，能够开发出以往使用真实设备几乎不可完成的综合性大型实验项目，对于学生综合实践能力提供更广泛更深入的支持;

（4）虚拟化技术能过提供更多厂商、更多型号、更多类型的网络设备、并提供更丰富的网络应用和服务、能够解决真实设备所不能完成某些网络拓扑的搭建、并能进行更加接近网络本质的网络数据报文捕捉，能够为网络工程提供尽可能多的课程支持，特别是路由与交换技术，防火墙、云计算、大数据、软件定义网络等课程的实验支持。

二、研究方案

1.研究目标

（1）研发能满足计算机网络专业学生进行相关专业课程学习的实验平台关键技术，要求能支撑主流操作系统、路由器、交流机、防火墙等网络设备的虚拟化，并能灵活构建任意网络拓扑结构，能支持对这些设备和网络的配置及调试;

（2）在虚拟服务器配置相对较低的情况下，能满足60个用户同时在线进行实验教学，每个用户能构建小型的企业网络进行实验;

（3）能方便教师和学生使用，能监控实验教学的全过程，方便管理和分配实验资源，能实现全开放式的实验教学平台，学生能通过远程进行实验操作。

2.研究内容

（1）对计算机网络虚拟实验平台的需求进行分析，选择主流的计算机网络虚拟化技术及开源平台，掌握相关的技术原理及开发接口，设计计算机网络虚拟仿真实验教学平台的总体框架、具体模块功能，并对平台的开发环境、主要技术手段进行研究;

（2）基于目前比较成熟的开源的计算机网络虚拟化工具，研究计算机网络虚拟化软件二次开发方法，利于主流的web开发技术，实现对开源的计算机网络虚拟化工具的调用。

（3）实现系统的主要功能模块，并用运行实例和测试工具对系统进行测试，根据系统运行状况，分析系统功能实现情况的和系统的承载能力;

（4）为防止用户通过大量创建虚拟机，恶意使用虚拟资源，导致平台性能下降问题，需要对虚拟资源进行有效的管理;

（5）通过虚实结合技术，进行平台的优化，提升平台性能，实现在虚拟化服务器在较低配置情况下，能支撑更多的学生同时进行实验操作。

3.技术关键

综合利用虚拟化技术与云计算技术，开发支持服务器、路由、交换、防火墙、负载均衡器等网络设备的镜像与实例，降低了对计算机网络硬件设备的依赖，提高了实验教学的管理和学习的效率，可以更加灵活和方便的进行实验教学活动。

由于虚拟化技术对服务器资源配置要求非常高，特别是操作系统的虚拟化，而且对于实验教学的开展，一般是几十人并行操作的，所以对服务器资源配置的合理管理和监控尤为重要，通过虚实结合和虚拟资源管理，可以提升平台的性能，本项目将重点研究这两项技术的应用和实现。

4.研究方法

计算机网络虚拟仿真实验教学平台将由低层的虚拟化资源库、云虚拟实验平台、实验教学资源库和物理网络设备资源库组成，如下图所示。

（1）虚拟化资源库。该部分主要包括各位虚拟化实验环境，包括windows操作系统虚拟化环境、Linux操作系统虚拟化环境和其它网络设备虚拟化环境，这些虚拟化资源是整个平台的基础，可以实现大部分计算机网络设备的虚拟化，并可以被平台上层功能调用和控制，实现各种计算机网络设备的模拟。

（2）云虚拟实验平台。该平台通过云计算技术，实现集中统一管理虚拟化资源库的功能，并可以进行资源调度和配置，进行虚拟化资源的合理分配。

（3）实验教学资源库。该部分主要是实现实验教学管理相关的功能，可以为教师提供实验资源管理、实验课程及学生管理、实验项目和过程管理等功能，为学生提供在线实验操作、实验的备份与还原、实验报告管理等功能。

（4）物理网络设备资源库。该部分主要是为支撑虚实结合的实验场景而配置的，综合利用现有计算机网络相关实验室的硬件资源，把一部分的网络设备直接用空闲的物理设备替代，可以提升虚拟服务器的性能，容纳更多的学生同时在线进行实验操作。

三、总结

虚拟化仿真实验平台的建设和运用是实验教学发展的趋势，其中的底层技术已经有比较成熟的解决方案，我们可以在此基础上构建上层应用，让它更适用和贴近于各种计算机网络实验教学的需求，此外，就是要进行实验教学资源库的建设，满足各种实验项目的需求。

参考文献

[1]  底晓强、张宇昕、赵建平，基于云计算和虚拟化的计算机网络攻防实验教学平台建设探索.实验技术与管理，2015年04期

[2]  孙界平、琚生根、陈黎、周刚、师维，计算机网络虚拟仿真实验平台的建设实践.实验技术与管理，2017年08期

[3]  屈泳、阮小军、王三华，计算机硬件虚拟仿真实验平台的建设与设计.实验室研究与探索，2018年12期