基于多虚拟平台的计算机网络综合实验教学系统设计

PAGEPAGE1基于多虚拟平台的计算机网络综合实验教学系统设计内容摘要：实验教学是计算机网络相关课程教学的主要构成部分。然而，当下的实验教学系统由于实验方案规划不够完善及实验教学平台的局限性等原因，存在系统化不足、学习条理不够清楚、重工程轻研究、重应用轻理论等问题。因而，文章以理论课程为基础、实验教学方案为主体、实验平台为载体，从实验专题、实验类型和实验条理三个方面统筹规划，利用虚拟实验平台的泛在性和代价低等优势，选择和扩展多种虚拟实验平台，构建整体的、系统的、有条理的、与理论教学内容严密相关的、基于多虚拟平台的计算机网络综合实验教学系统，以知足计算机网络相关课程的教学需求。本文关键词语：计算机网络课程；实验教学系统；虚拟实验平台；陈凯，讲师，博士，研究方向为计算机网络应用、计算机网络安全、大数据分析与应用计算机网络相关课程是计算机学科的主要核心课程，也是计算机科学与技术专业基础知识体系的主要构成部分，课程内容牵涉计算机技术、通信技术与安全技术，涵盖了网络基本概念、网络体系构造、网络协议的工作原理以及网络互联、网络应用、网络管理及网络安全等多个维度的知识[1]。计算机网络知识体系构造的多维性，使得学生在学习经过中对网络知识难以充足理解和全面把握。〔网络环境下的计算机教学支撑指南〕[2]指出计算机网络课程教学中的实验支撑是有需要的，IEEEACM文献[3]以及一些网络课程研究讨论组[4]提出计算机网络相关课程教学应至少包括40%的实验讲解，因而能覆盖课程内容的实验教学系统是学生充足把握和深切进入理解计算机网络知识的需要条件。实验教学系统的构建重要包括两个方面：一是与理论教学配套的实验教学方案，它是实验教学系统构建的核心；二是与实验教学方案配套的实验教学平台，它是实验教学系统运行的关键。一计算机网络课程实验教学分析面对计算机网络知识的多维性，课程教学中往往以计算机网络体系构造“条理〞为骨干组织教学内容，重要包括下面几个方面：(1)计算机网络中的基本概念和体系构造；(2)因特网体系构造中的条理模型，提供的效劳、实现以及条理之间的关系；(3)构造条理中重要协议的原理、功能和应用；(4)网络协议相关的策略、机制，算法的原理及详细实现；(5)计算机网络中重要设备的原理和使用方法；(6)网络中多媒体应用及网络效劳质量；(7)计算机网络中的安全；(8)网络管理的基本方法。这些课程教学内容既包括抽象的原理性知识，又包括实际操作的网络工程、网络应用和网络安全等知识。而相应的实验教学应与这些课程内容严密相联，能够辅助学生更深刻地了解原理、理解概念，培养学生的应用能力。然而在当前高等教育的计算机网络课程中，实验教学往往难以知足课程教学的需求，重要表现为：实验教学目的不够明确，实验内容与理论课程联络不足，实验教学方案不够充足，实验形式单一、内容陈腐，重应用轻原理，重工程轻研究[5]。这些问题的存在，重要原因在于实验教学系统的设计不够合理、不够完善。为构建合理和完善的实验教学系统，知足教学目的、系统实现和组织形式的要求，需要从实验教学方案、实验教学平台和教学形式三个方面统筹设计——实验教学方案具体表现出了实验教学目的、实验教学内容、实验组织形式和实验经过，实验教学平台提供了教学方案的实现环境，教学形式则关系实在验教学方案的整体性、可操作性和施行效果。其中，实验教学方案决定实验教学平台的构建，而有限的物理实验条件和不同适用水平的实验教学平台也影响实在验教学方案的设计，并导致实验教学中实验和理论脱节、实验教学方案不充足、缺乏理论研究相关实验等问题。培养学生对网络原理的了解、学习网络协议的构建、加深对网络理论知识的理解、拓展对网络技术的应用，这是计算机网络课程本科教学中理论基础教学的首要任务，也是计算机网络课程实验教学的目的。为完成知足计算机网络课程的教学任务，实现计算机网络课程实验教学的目的，应先以理论教学为基础统筹规划并设计实验教学方案，以实验教学方案为指点，构建配套的实验教学平台，同时贯穿合理有效的教学形式，进而构成一套整体的、系统的、条理清楚的、知足计算机网络课程教学需求的、能够高效利用时间和空间的计算机网络课程实验教学系统。二计算机网络课程实验教学方案设计为构建整体的、系统的、有条理的、知足计算机网络课程教学需求的、能够高效利用时间和空间的计算机网络课程实验教学系统，在设计实验教学方案时，可从实验专题、实验类型和实验条理三个方面综合考虑并统筹规划，以构成符合理论教学内容、实验目的明确和难易有度的实验教学方案。根据计算机网络课程理论的教学内容，可将计算机网络课程实验分为下面几个专题：(1)计算机网络体系构造。包含网络模型、协议，网络中的策略、网络连接的方法和机制等。(2)网络组织。包含网络物理构造和网络的实现等。(3)网络配置。包含网络应用，网络效劳和网络安全等。根据实验性质和不同的培训目的，可将计算机网络课程实验分为下面几种类型：(1)验证型实验。包含网络协议验证与分析、基本策略和机制的验证与分析、网络性能分析、网络设备的配置、网络漏洞和防备方法测试、网络效劳器的搭建、基本网络命令的使用。(2)设计型实验。包含协议与策略的修改、协议的增长、网络参数的分析、简单网络组建及相关协议的运用和比较、网络安全策略的施行、网络应用程序开发。(3)综合型实验。包含网络攻击及检测防备方法的研究与测试、综合网络组建及配套安全方案设计、端系统的综合安全策略设计。根据学习难度，可将实验分为下面几个条理：(1)基本理论条理。以基本网络理论为基础，帮助学生理解基本概念，熟悉网络的关键设备，获取网络各性能指标，领会网络中各种状况的含义，把握网络应用程序开发的基本原理和方法。(2)专业理论条理。以设计性、工程性和应用性为主，如网络架构设计、网络安全方案设计与实现、网络中的数据分析等。(3)研究探寻求索型条理。以研究和开发为主，既可由老师给定具有一定难度和复杂度的实验内容，可以由学生自己提出实验目的、设计实验方案和完成实验结果分析，在老师的辅导和共同讨论下到达创新的高度。通过实验专题、实验类型和实验条理的穿插关联、统筹设计，可构建出实验目的明确，实验内容充足，与网络课程理论知识严密联络，实验形式多样化、系统化、条理清楚的实验方案，其组织架构如此图1所示。为知足实验方案组织架构的需求，选择或设计恰当的实验平台尤为主要，以此构建出符合理论教学内容、实验目的明确和难易有度的综合实验教学系统。三实验平台的选择与设计为支撑所设计的实验教学方案，需选择或设计出合理有效的实验教学平台。当前大多数实验教学平台是基于实际的网络设备搭建，存在成本高、场地有限、设备更新慢、设备保卫性强等问题，使得实验难以直接研读、修改和测试。虚拟实验平台提供强大的交互功能和友好的人机界面，结合了视听功能，形象直观，图文并茂，丰富多彩，信息量大，安装、使用方便，无需担忧操作失误、毁坏设备，可再生[6]，利用率高，易维护。因而，使用虚拟实验平台对构建综合实验教学系统具有很大的优势。基于不同的用处、需求和目的，一些研究机构、网络设备公司开发了不同的虚拟实验平台[7]，如可用于建立虚拟网络操作系统的虚拟机软件VMwareWorkstation、VirtualPC和VirtualBox等，用于虚拟网络设备的PacketTracer、NetSim和Dynamips等，用于网络事件模仿的NS2、Opnet和NetRiver[8][9]等。因而，可基于不同虚拟实验平台的功能和特点，根据实验方案的设计，通过选择适宜的虚拟实验平台进行组合，以到达实验教学的目的。针对实验教学方案的需求，可结合安装简单、网络功能强、模仿水平高、平台成熟度高、界面友好、操作简单和代价低廉等原则来选择虚拟实验平台。根据实验专题和实验类型可知，实验教学系统需要三类虚拟实验平台，即虚拟网络系统平台、虚拟网络设备平台和网络事件模仿平台。VMwareWorkstation(简称VMW)可在一部实体机器上模仿完好的网络环境，在虚拟网路方面具有独特的优势。虚拟网络设备平台中PacketTracer(简称PT)具有界面友好、支持设备型号多、运行稳定等特点，提供网络拓扑构建、数据包具体处理经过和网络实时运行情况的可视化功能。在网络事件模仿平台中NS2是一种针对网络技术开源和免费的软件模仿平台，它所包括的模块几乎牵涉网络技术的所有方面，且可扩展性强，速度和效率优势明显。其中，NS2模仿功能较为全面，但由于其内容庞杂，且基于脚本语言运行、运行仅适应于Unix内核的操作系统，因而非常难以学习和把握。本研究在NSG的基础上开发了远程NS2模仿实验平台，可通过Internet或局域网连接并使用已安装NS2的效劳器，提供了直观简单的可视化的设计、分析、演示和协议修改与扩大等功能，而且基于Java语言编写的客户端能够同时运行于Unix和Windows操作系统，如此图2所示。图2远程NS2虚拟实验平台图2远程NS2虚拟实验平台下载原图四基于多虚拟平台的综合实验教学系统构建通过对实验专题、实验类型和实验条理的穿插关联，文章统筹设计了实验教学方案，并基于实验方案选择和扩展相应的虚拟实验平台，进而构建出综合实验教学系统，如表1所示。五结束语计算机网络课程实验教学系统是一个统筹设计的综合系统工程，需要以理论课程为基础、实验教学方案为主体、实验平台为载体，到达整体的、系统的、有条理的且知足计算机网络课程教学需求的设计目的。理论证明，实验目的明确，实验内容充足，与网络课程理论知识严密联络，实验形式多样化、系统化、条理清楚的实验教学方案能够较