计算机网络虚拟仿真实验平台的建设实践探究

朱力琼

摘要：反思以往传统的实验，不仅会受到仪器、材料、实验周期、实验场地等多种成本的制约因素影响，还存在一定的危险系数，十分不利于教学实验的开展。基于此，该文提出一种利用虚拟仿真实验平台，开展计算机网络专业实验教学的思路，并着重对于平台搭建所需要的技术标准以及体系架构进行介绍，以期助力我国高校的实验改革建设，夯实相关工具基础。

关键词：计算机网络  虚拟仿真实验平台  建设实践  网络技术

中图分类号：TP393文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Research on Construction Practice of Computer Network Virtual Simulation Experiment Platform

ZHU Liqiong

（Gansu Vocational College of Mechanical and Electrical Technology，Tianshui，GansuProvince，731001China）

Abstract： Reflecting on the traditional experiment， not only will be affected by the instrument， material， experimental period， experimental site and other cost constraints， but also there is a certain risk factor， is not conducive to the development of teaching experiment. Based on this， this paper puts forward an idea of using virtual simulation experiment platform to carry out experimental teaching of computer network specialty， and focuses on the introduction of technical standards and system architecture required by the platform construction， in order to help the experimental reform and construction of Chinese universities and consolidate the foundation of relevant tools.

Key Words： Computer network;Virtual simulation experiment platform; Construction practice; Network technology

如今高校教育中，不僅要注重学生理论知识的学习，更要着重培养学生的动手实践操作能力，因此各类的专业课题实验教学是高等教育院校培养全面素质人才的关键教学路径之一。虚拟仿真实验平台是指在Web网络技术、VR虚拟技术、视频合成技术以及工程软件等多个方面的技术与软件应用，来为学生搭建虚拟实验场地的技术。它能够将现有的教学资源进行数字化、虚拟化的整合，从而提供一个真实性高、可操作性强、自由开放、安全效率的实验平台。

1虚拟仿真实验平台的建设目标

1.1实验真实性的需求

如今共计有20余个专业的实验课题，均可以登录到虚拟仿真实验平台来进行实验教学了。虚拟仿真实验平台的建设目标，鉴于它取代传统实验的目的来看，必须要确保虚拟仿真实验平台的真实性。对于计算机与网络技术这样需要庞大服务器作为实验操作设备的课件，不仅需要的服务器组价格昂贵，而且实验操作要求较高，需要学生不断地通过网络技术攻防演练，以及服务组件的扫描来提高技能水平，所以想要满足这个建设目标，就需要GUIDE设计软件以及图形模型处理软件的精细规划[1-2]。

1.2平台的稳定性的需求

无论是哪种课题的实验教学，在虚拟仿真实验平台开展时，都会有多种需要提示反馈的信息处理分析环节，因此它对于框架的运行稳定性是有着较高要求的。这种稳定性能分为两部分，一是逻辑问题;二是架构问题。因此，在平台建设的开发阶段，必须要根据FMEA分析法来对平台特定运行风险进行评估，根据平台运行的故障可能性、严重性以及可预测性来对信息生成与处理的过程进行检测评估。其中，逻辑问题的处理还是主要依靠开发设计人员的技术素养，按照理念正确、流程规范、刨根问底三步来对关键的代码语句进行测试;而框架问题，则需要借助外部测试软件对软件构件的合理性进行运行测试，如果虚拟仿真实验平台的框架问题与逻辑性问题得不到解决，那么很容易造成平台的级联故障，甚至是数据库、数据表丢失，严重影响实验教学的正常开展。

2虚拟仿真实验平台的建设的基本功能实现

2.1仿真实验模块设置

计算机虚拟仿真实验平台主要包含了3个部分功能模块：一是计算机网络模块，真实地模拟广域网（WAN）、局域网（LAN）、个人局域网（PAN）以及城域网（MAN）等网络应用场景的组网结构;二是网络实用技术模块，让学生理解通过网络信道将数据介质从一个服务器转移到另一个服务器的交换过程，分为数据传输控制与数据I/O设备模拟、数据电路终端模拟（DCE）、计算机系统和通信控制器（DTE）模拟;三是网络安全模块，帮助学生了解网络拓扑的建立，以及网络系统硬盘、软件数据库中的各类数据接口、篡改抵抗，还有HSM密钥加密等保护机制的原理[3-4]。

2.2计算机网络虚拟仿真实验模块

计算机网络虚拟仿真实验模块主要是指在平台上的试验课程，像是计算机网络技术、计算机网络原理、通信技术以及网络协议分析等课程与相关教学视頻。该模块的设立是为了在虚拟仿真试验平台上，为教师开设课堂教学提供载体环境，在对应的课程章节中，学生能够第一时间了解教师的课程安排、该学期的学习重点、实验教学的公告等。还能对历史课程与作品进行回放查看，便于学生课后自主学习对实验操作技巧进行消化理解。

2.3网络实用技术虚拟仿真实验模块

该模块中实操性的科目课程比较大，主要是为了完成拓扑网络结构、数据的路由与交换以及各类网络链路与电路交换的基本原理。在课程基础之上，模块内还为学生提供了相关学习课件与随堂作业链接，在课件材料中，通过模拟图形软件建模以及逻辑编程，让学生在模拟软件的用户界面与网络环境中，分析该材料中的组网架构与应用设备类型。同时还支持学生自行操作进行网络拓扑结构的建立，在每个虚拟仿真实验中，都支持教师同步阅览批注，当学生在进行实操时，出现了与操作要点不符的问题时，课件还能够提供纠错信息，让学生在动手实操的过程中，掌握网络实用技术章节的知识内容。

2.4网络安全虚拟仿真实验模块

该模块中重点将网络的基本安全防护原理、数据加密流程、网络接口与安全协议等内容进行拓展。其中的教学内容主要面向于计算机网络设计以及软件工程、物联网、信息工程等多类计算机科学专业[5]。除了配套课件以外，针对每个不同的知识点还提供了配套的强化训练，如传输加密、数据存储加密、数据完整性加密以及密钥管理四种主流数据加密技术的模拟设计训练，以更直观生动的形式，让学生理解在网络安全中，用户权限、数据传输、数据分配与保存销毁等操作的定义与特点。

3计算机网络虚拟仿真实验平台的建设实践

该平台是以网络软件应用的形式，以校园网与学生网为载体，由校企合作的企业开发的一款“网络虚拟实验室”应用，意在将互联网信息技术与传统实验教学相结合，利用虚拟仿真实验的方式来代替学习大型服务器机组实验设备，达到提高计算机网络专业实验教学课程效果的最终目的。

3.1平台体系架构

在平台开发阶段，出于网络架构稳定性需求的原因，也是考虑到了平台的开放性与使用便捷性，应用了兼容性与拓展性较强的B/S架构，即浏览器与服务器架构模式。其主要事务逻辑都通过服务器端（Server）来负责，而次要分支事务的逻辑处理由平台前端（Browser）来实现。这样的组网架构使得它可以仅仅依靠一个Browser前端浏览器来运行，在浏览器中安装了SQL Server数据库与浏览器的服务器端Web server进行用户数据的交互。在B/S架构下，一些课件设计上存在的bug问题可以随时进行修复，不会影响到服务器端Server其他事务的正常处理流程。且由于数据交互全程通过服务器端进行，极大地降低了学校实验室电脑的负荷压力，在能够满足所有虚拟仿真实验的前提要求下，最大程度缩减了校园实验室的建设成本。此外，B/S架构基础上运行的网络虚拟实验室应用，也不容易出现其他独立运行软件不稳定性的问题。系统开发设计与运行均需要基于Linux操作系统，它的数据库与软件构件均采用开源技术，按照科技部推荐的教务信息系统方案标准进行软件构件的安装。经过独立的数据库兼容性与稳定性测试后，开始正式投入使用[6]。在这个虚拟仿真试验平台上，集成了教务信息处理、学生登记、实验智能指导、实验自动批注、实验监督、考试测验以及教学评价等功能。

3.2用户功能

虚拟仿真实验室平台旨在打造便于教师授课、学生动手实操，注重教学互动与实效的信息服务平台，针对师生关注度比较高的内容以及各自用户身份的功能需求，将用户功能结构分为如下几个部分。

实验室管理员，在以该用户权限访问虚拟仿真实验平台时，为其开放综合平台管理功能，以平台用户界面的虚拟按键形式分别与如下子模块功能进行链路连接：实验室管理、教务信息管理、账户管理以及终端子端信息交互管理。其中实验室管理中，实验室管理员权限可以对虚拟仿真实验室的课件中出现的参数、模型尺寸、模型关系以及模拟试验的逻辑流程进行设置;而教务信息管理则是涉及学生的作品评阅、实操考试评分、课程信息发布以及实验公告与课后作业内容的发布，通过教务信息管理，可以将实验室管理员用户权限确认的信息与数据，直接发送到学生用户端。

教师权限，包括了教学安排、教学考核以及教学过程控制这3个部分。其中教学安排是指教师根据进度要求与备课安排，将平台中所有的教学资源进行分类，并给该学期内所有的教学实验课件与题库进行排序与分类标记，便于开展实验教学时能够第一时间查找到需要的课件内容。而教学考核则是依照教学大纲，对期末与阶段性测试的内容进行创建与导入。同时在教学考核中，还有学生随堂实验作品的评分内容，为了减轻教师的教学负担，平台中设置了部分课件的自动批准功能，教师只需要对用户界面的生成结果进行对照核查，就可以很轻松地进行学生的考试测验与成绩管理了。

学生权限，需要通过实验室管理员注册后方可获得访问平台的权限，包括了教学课程、教学质量评价与教学资源这3个子模块功能。其中教学课程子模块中包含了该学期所有的教学视频、教学实验课件以及实验指导材料，是学生完成计算机网络专业课程的必须功能模块，其中随堂测验与结业考核等内容，均需要实验室管理员统一发送到学生用户端中查阅。教学质量评价，在教师开展虚拟仿真实验教学时，后台会自动统计录入学生用户的登录访问数量，以及学生实验课件的完成情况，并根据此综合生成授课教师教学质量的对应量化考核指标，再结合教师工作日志与教师批阅情况，以及学期末由学生点击链接填写的测评表，得到该课程的具体教学质量情况，便于学校收集教学反馈信息，不断完善教学方法提高教学质量。而教学资源则是直接与校园网电子图书馆互通的网络链路，当学生需要课程参考以外的资料文献作为实验知识储备时，可以通过这个入口阅览收集，有助于帮助学生养成自主学习的良好习惯。

4结语

综上所述，尽管虚拟仿真实验平台项目在我国还仍然处于起步阶段，但从国内外关于它的教学研讨进展来看，其具有一定的可行性与经济性适用的优势。针对计算机网络课程中课时较短、概念较多、知识面较广以及实验教学设备成本昂贵的问题，虚拟仿真实验平台的应用能够较好完成辅助教学功能。且在平台上进行实验教学，能够为学生带来一种全新的学习体验，便于培养学生的学习兴趣与积极性。

参考文献

[1] 张卫强.计算机网络虚拟仿真实验平台的建设探讨[J].电脑知识与技术，2021，17（26）：38-39，44.

[2] 林剑，石向荣，谢凤华.智能计算虚拟仿真实验教学平台建设与实践[J].高教学刊，2021，7（18）：71-74.

[3] 王战伟，王香宁，王丽丽.计算机虚拟仿真实验平台建设与实践[J].电脑知识与技术，2021，17（17）：85-86，93.

[4] 张慰，张嘉鹭.虚拟仿真实验教学资源支撑平台建设与实践[J].中国教育信息化，2020（13）：57-60.

[5] 陈阳.面向网络仿真的虚拟网络映射方法研究[D].无锡：江南大学，2020.

[6] 李蔚恒.云边架构中大规模目标网络构建关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.