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    基于多虛擬平臺的計算機網絡綜合實驗教學系統設計

    來源:UC論文網2018-08-07 08:24

    摘要:

      摘要:實驗教學是計算機網絡相關課程教學的重要組成部分。然而,當前的實驗教學系統由于實驗方案規劃不夠完善及實驗教學平臺的局限性等原因,存在系統化不足、學習層次不夠分明、重工程輕研究、重應用輕理論等問...

      摘要:實驗教學是計算機網絡相關課程教學的重要組成部分。然而,當前的實驗教學系統由于實驗方案規劃不夠完善及實驗教學平臺的局限性等原因,存在系統化不足、學習層次不夠分明、重工程輕研究、重應用輕理論等問題。因此,文章以理論課程為基礎、實驗教學方案為主體、實驗平臺為載體,從實驗專題、實驗類型和實驗層次三個方面統籌規劃,利用虛擬實驗平臺的泛在性和代價低等優勢,選擇和擴展多種虛擬實驗平臺,構建整體的、系統的、有層次的、與理論教學內容緊密相關的、基于多虛擬平臺的計算機網絡綜合實驗教學系統,以滿足計算機網絡相關課程的教學需求。


      關鍵詞:計算機網絡課程;實驗教學系統;虛擬實驗平臺;


      作者簡介:陳凱,講師,博士,研究方向為計算機網絡應用、計算機網絡安全、大數據分析與應用


      計算機網絡相關課程是計算機學科的重要核心課程,也是計算機科學與技術專業基礎知識體系的重要組成部分,課程內容涉及計算機技術、通信技術與安全技術,涵蓋了網絡基本概念、網絡體系結構、網絡協議的工作原理以及網絡互聯、網絡應用、網絡管理及網絡安全等多個維度的知識[1]。


      計算機網絡知識體系結構的多維性,使得學生在學習過程中對網絡知識難以充分理解和全面掌握。《網絡環境下的計算機教學支撐指南》[2]指出計算機網絡課程教學中的實驗支撐是有必要的,IEEEACM文獻[3]以及一些網絡課程研究討論組[4]提出計算機網絡相關課程教學應至少包含40%的實驗講解,因此能覆蓋課程內容的實驗教學系統是學生充分掌握和深入理解計算機網絡知識的必要條件。實驗教學系統的構建主要包含兩個方面:一是與理論教學配套的實驗教學方案,它是實驗教學系統構建的核心;二是與實驗教學方案配套的實驗教學平臺,它是實驗教學系統運行的關鍵。


      一計算機網絡課程實驗教學分析


      面對計算機網絡知識的多維性,課程教學中往往以計算機網絡體系結構“層次”為主干組織教學內容,主要包含以下幾個方面:(1)計算機網絡中的基本概念和體系結構;(2)因特網體系結構中的層次模型,提供的服務、實現以及層次之間的關系;(3)結構層次中主要協議的原理、功能和應用;(4)網絡協議相關的策略、機制,算法的原理及具體實現;(5)計算機網絡中主要設備的原理和使用方法;(6)網絡中多媒體應用及網絡服務質量;(7)計算機網絡中的安全;(8)網絡管理的基本方法。這些課程教學內容既包含抽象的原理性知識,又包含實際操作的網絡工程、網絡應用和網絡安全等知識。而相應的實驗教學應與這些課程內容緊密相聯,能夠輔助學生更深刻地了解原理、理解概念,培養學生的應用能力。


      然而在目前高等教育的計算機網絡課程中,實驗教學往往難以滿足課程教學的需求,主要表現為:實驗教學目的不夠明確,實驗內容與理論課程聯系不足,實驗教學方案不夠充分,實驗模式單一、內容陳舊,重應用輕原理,重工程輕研究[5]。這些問題的存在,主要原因在于實驗教學系統的設計不夠合理、不夠完善。


      為構建合理和完善的實驗教學系統,滿足教學目標、系統實現和組織形式的要求,需要從實驗教學方案、實驗教學平臺和教學模式三個方面統籌設計——實驗教學方案體現了實驗教學目標、實驗教學內容、實驗組織形式和實驗過程,實驗教學平臺提供了教學方案的實現環境,教學模式則關系著實驗教學方案的整體性、可操作性和實施效果。其中,實驗教學方案決定實驗教學平臺的構建,而有限的物理實驗條件和不同適用程度的實驗教學平臺也影響著實驗教學方案的設計,并導致實驗教學中實驗和理論脫節、實驗教學方案不充分、缺乏理論研究相關實驗等問題。


      培養學生對網絡原理的了解、學習網絡協議的構建、加深對網絡理論知識的理解、拓展對網絡技術的應用,這是計算機網絡課程本科教學中理論基礎教學的首要任務,也是計算機網絡課程實驗教學的目的。為完成滿足計算機網絡課程的教學任務,實現計算機網絡課程實驗教學的目的,應先以理論教學為基礎統籌規劃并設計實驗教學方案,以實驗教學方案為指導,構建配套的實驗教學平臺,同時貫穿合理有效的教學模式,進而形成一套整體的、系統的、層次分明的、滿足計算機網絡課程教學需求的、能夠高效利用時間和空間的計算機網絡課程實驗教學系統。


      二計算機網絡課程實驗教學方案設計


      為構建整體的、系統的、有層次的、滿足計算機網絡課程教學需求的、能夠高效利用時間和空間的計算機網絡課程實驗教學系統,在設計實驗教學方案時,可從實驗專題、實驗類型和實驗層次三個方面綜合考慮并統籌規劃,以形成符合理論教學內容、實驗目的明確和難易有度的實驗教學方案。


      根據計算機網絡課程理論的教學內容,可將計算機網絡課程實驗分為以下幾個專題:


      (1)計算機網絡體系結構。包括網絡模型、協議,網絡中的策略、網絡連接的方法和機制等。


      (2)網絡組織。包括網絡物理結構和網絡的實現等。


      (3)網絡配置。包括網絡應用,網絡服務和網絡安全等。


      根據實驗性質和不同的培訓目的,可將計算機網絡課程實驗分為以下幾種類型:


      (1)驗證型實驗。包括網絡協議驗證與分析、基本策略和機制的驗證與分析、網絡性能分析、網絡設備的配置、網絡漏洞和防范方法測試、網絡服務器的搭建、基本網絡命令的使用。


      (2)設計型實驗。包括協議與策略的修改、協議的增加、網絡參數的分析、簡單網絡組建及相關協議的運用和比較、網絡安全策略的實施、網絡應用程序開發。


      (3)綜合型實驗。包括網絡攻擊及檢測防范方法的研究與測試、綜合網絡組建及配套安全方案設計、端系統的綜合安全策略設計。


      根據學習難度,可將實驗分為以下幾個層次:


      (1)基本實踐層次。以基本網絡理論為基礎,幫助學生理解基本概念,熟悉網絡的關鍵設備,獲取網絡各性能指標,領會網絡中各種狀態的含義,掌握網絡應用程序開發的基本原理和方法。


      (2)專業實踐層次。以設計性、工程性和應用性為主,如網絡架構設計、網絡安全方案設計與實現、網絡中的數據分析等。


      (3)研究探索型層次。以研究和開發為主,既可由教師給定具有一定難度和復雜度的實驗內容,也可由學生自己提出實驗目標、設計實驗方案和完成實驗結果分析,在教師的輔導和共同討論下達到創新的高度。


      通過實驗專題、實驗類型和實驗層次的交叉關聯、統籌設計,可構建出實驗目標明確,實驗內容充分,與網絡課程理論知識緊密聯系,實驗模式多樣化、系統化、層次分明的實驗方案,其組織架構如圖1所示。


      為滿足實驗方案組織架構的需求,選擇或設計恰當的實驗平臺尤為重要,以此構建出符合理論教學內容、實驗目的明確和難易有度的綜合實驗教學系統。


      三實驗平臺的選擇與設計


      為支撐所設計的實驗教學方案,需選擇或設計出合理有效的實驗教學平臺。目前大多數實驗教學平臺是基于實際的網絡設備搭建,存在成本高、場地有限、設備更新慢、設備保護性強等問題,使得實驗難以直接研讀、修改和測試。


      虛擬實驗平臺提供強大的交互功能和友好的人機界面,結合了視聽功能,形象直觀,圖文并茂,豐富多彩,信息量大,安裝、使用方便,無需擔心操作失誤、破壞設備,可再生[6],利用率高,易維護。因此,使用虛擬實驗平臺對構建綜合實驗教學系統具有很大的優勢。


      基于不同的用途、需求和目的,一些研究機構、網絡設備公司開發了不同的虛擬實驗平臺[7],如可用于建立虛擬網絡操作系統的虛擬機軟件VMwareWorkstation、VirtualPC和VirtualBox等,用于虛擬網絡設備的PacketTracer、NetSim和Dynamips等,用于網絡事件模擬的NS2、Opnet和NetRiver[8][9]等。因此,可基于不同虛擬實驗平臺的功能和特點,根據實驗方案的設計,通過選擇合適的虛擬實驗平臺進行組合,以達到實驗教學的目的。


      針對實驗教學方案的需求,可結合安裝簡單、網絡功能強、模擬程度高、平臺成熟度高、界面友好、操作簡單和代價低廉等原則來選擇虛擬實驗平臺。根據實驗專題和實驗類型可知,實驗教學系統需要三類虛擬實驗平臺,即虛擬網絡系統平臺、虛擬網絡設備平臺和網絡事件模擬平臺。VMwareWorkstation(簡稱VMW)可在一部實體機器上模擬完整的網絡環境,在虛擬網路方面具有獨特的優勢。虛擬網絡設備平臺中PacketTracer(簡稱PT)具有界面友好、支持設備型號多、運行穩定等特點,提供網絡拓撲構建、數據包詳細處理過程和網絡實時運行情況的可視化功能。在網絡事件模擬平臺中NS2是一種針對網絡技術開源和免費的軟件模擬平臺,它所包含的模塊幾乎涉及網絡技術的所有方面,且可擴展性強,速度和效率優勢明顯。


      其中,NS2模擬功能較為全面,但由于其內容龐雜,且基于腳本語言運行、運行僅適應于Unix內核的操作系統,因此非常難以學習和掌握。本研究在NSG的基礎上開發了遠程NS2模擬實驗平臺,可通過Internet或局域網連接并使用已安裝NS2的服務器,提供了直觀簡單的可視化的設計、分析、演示和協議修改與擴充等功能,而且基于Java語言編寫的客戶端能夠同時運行于Unix和Windows操作系統,如圖2所示。


      圖2遠程NS2虛擬實驗平臺


      圖2遠程NS2虛擬實驗平臺下載原圖


      四基于多虛擬平臺的綜合實驗教學系統構建


      通過對實驗專題、實驗類型和實驗層次的交叉關聯,文章統籌設計了實驗教學方案,并基于實驗方案選擇和擴展相應的虛擬實驗平臺,從而構建出綜合實驗教學系統,如表1所示。


      五結語


      計算機網絡課程實驗教學系統是一個統籌設計的綜合系統工程,需要以理論課程為基礎、實驗教學方案為主體、實驗平臺為載體,達到整體的、系統的、有層次的且滿足計算機網絡課程教學需求的設計目的。實踐證明,實驗目標明確,實驗內容充分,與網絡課程理論知識緊密聯系,實驗模式多樣化、系統化、層次分明的實驗教學方案能夠較為全面地鍛煉學生的網絡操作技能,提高學生對網絡結構、協議、策略的理解與分析能力,培養學生對不同規模的網絡系統的設計與與管理能力,擴展學生的創新能力和團隊合作能力。而虛擬實驗平臺的交互功能,友好的人機界面,結合了視聽功能、形象直觀、圖文并茂的特點,對實驗教學方案的實施提供了全面有力的支撐,且安裝方便,節省了購置和管理維護硬件的成本,突破了使用時間和空間上的限制。因此,構建基于多虛擬平臺的計算機網絡綜合實驗教學系統具有較強的實際意義。


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