虛擬計算機網絡組網平臺的設計與實現

（重慶大學 計算機學院， 重慶 400044）

摘 要：組網實驗對于學習計算機網絡知識非常重要，但是由于網絡結構的多樣性和網絡設備的昂貴價格，真實的組網實驗環境通常很難獲得。為了解決這一問題，提出了用軟件模擬網環境的設想。為此對虛擬計算機網絡組網平臺進行了功能分析和系統結構設計。通過采用 Form+ + 提供的基礎類庫，搭建了組網平臺的整體框架，并進一步融合VRML技術成功地將網絡組網、軟件配置和設備三維展示集成起來，最終實現虛擬計算機網絡組網平臺。該平臺成功應用于本科計算機網絡實驗教學中，體現出了良好的實用價值。

關鍵詞： 計算機網絡； 虛擬實驗； 實驗仿真； VRML； Form+ +

中圖法分類號： TP391.9文獻標識碼： A

文章編號： 1001 3695(2006)08 0258 03

Design and Implementation of Virtual Network Design Platform

LI Hua， SUN Zhi yong， WU Zhong fu

(College of Computer Science， Chongqing University， Chongqing 400044， China)

Abstract: The network experiment is important to the learning of computer network knowledge， but experimental environments are not always available because of the diversity of the network structures and expensive network devices. This paper proposes to use software to simulate the experimental environments to solve this problem. By the function analysis and system structure design of Virtual Network Design Platform(VNDP)， we use the foundation class libraries of tool Form+ + and also VRML technology to implement the platform which integrate the network design， software configuration and 3D display of devices. This platform has been proved useful and valuable in the computer network experiment for undergraduates.

Key words: Computer Network； Virtual Experiment; Experimental Simulation; VRML; Form+ + 近年來計算機網絡技術快速發展，網絡互連方式多種多樣，網絡設備層出不窮。由于各類信息化建設均需要以網絡建設為基礎，因此迫切需要大量的高水平網絡人才。而這類人才通常需要具備大量的專業技術知識和實際操作經驗，這就對計算機網絡的實驗教學提出了很高的要求。但是很多網絡設備價格非常昂貴，并且容易損壞，因此教學機構很難采用真實設備進行網絡實驗教學。為此，就需要采用軟件的方式搭建虛擬計算機網絡實驗集成環境來進行計算機網絡的實驗教學。由于虛擬實驗室系統在我國尚處于起步階段，因此國內并無針對計算機網絡實驗的虛擬實驗室系統[3，4]。但在國外，一些培訓機構和網絡設備提供商已經開發出了網絡設備模擬軟件。這些軟件能較好地模擬一些常見的路由器和交換機的配置界面，提供了全仿真的命令[5]。但是這些軟件存在四點不足：①模擬軟件只有幾張固定的網絡拓撲圖，使用者只能使用這些固定的拓撲圖進行模擬配置，缺乏組網方式的靈活性；②模擬軟件中所有的虛擬設備全部都是簡單的示意圖，不能為用戶提供一個三維的真實設備展示圖，缺乏網絡設備模擬的真實性；③模擬軟件只包含了國外某一廠商的網絡設備，缺乏網絡設備的全面性；④網絡設備的配置命令只包含全部真實命令中的一部分，缺乏對配置命令仿真的完整性。針對以上提出的問題以及現有軟件的不足，同時也是為了滿足各級學校中對計算機網絡實驗課程的需求，筆者對網絡設備模擬的真實性、組網方式的靈活性、網絡設備的全面性以及配置命令仿真的完整性進行研究，進而設計開發出一套虛擬計算機網絡組網平臺（Virtual Network Design Platform，VNDP），為虛擬實驗室系統在計算機網絡實驗方面的應用作一個有益的嘗試。

1 系統設計

1.1 系統功能設計

每一個應用系統設計中均有一些常規功能，但主要應該包括一系列針對該應用特點的特有功能。這些針對性的功能將對該系統的可用性、易用性和可擴展性起決定性的作用。對于虛擬組網平臺系統VNDP而言，主要應該包括以下功能：

(1)網絡設備的三維展示功能。為用戶提供網絡設備三維展示功能，是本系統的一個基本功能，也是VNDP區別于其他一些模擬軟件的最大特色。在本系統所提供的備選設備中，用戶可以選擇某一特定設備，對該設備進行真實的三維展示。其中還包括以下操作：①平行移動觀察；②拉近或拉遠進行觀察；③對設備進行任意角度旋轉觀察。

(2)網絡拓撲設計功能。虛擬組網平臺的主要目標就是進行虛擬的組網實驗，為用戶提供模擬的組網平臺，進行網絡拓撲設計。因此，網絡拓撲設計功能是VNDP最重要的功能之一。用戶可以從備選網絡設備和備選連接線中選取合適的設備和連接線進行網絡拓撲設計，主要包括以下操作：①網絡設備和連接線的加載；②設備之間通過連接線的連接和綁定；③設備和連接線的自由拖動；④網絡連接圖的保存和加載；⑤網絡連接圖的放大、縮小和打印。

(3)網絡設備硬件連接檢測功能。在進行網絡組網的實驗過程中，由于用戶可能對網絡組網相關的知識了解不全面，有可能會產生一些網絡設備之間的硬件連接錯誤。因此，VNDP應該提供網絡設備硬件連接檢測功能，用來檢測用戶所設計的網絡拓撲圖是否存在硬件連接錯誤。主要包括設備與設備之間的連接錯誤和設備接口與連接線之間的連接錯誤。

(4)網絡連接的智能糾錯功能。當用戶自己設計的網絡拓撲圖存在硬件連接錯誤時，由于用戶可能對相關的知識不熟悉，因此應該提供智能糾錯功能。VNDP應該在檢測到錯誤后，根據相應的錯誤，智能地判斷應該怎樣修改網絡連接，為用戶提出相應的建議，并列舉出相應的知識點和學習文檔，供用戶學習提高。

(5)網絡設備的配置功能。在眾多網絡設備中，并不是每一種網絡設備直接連接好之后就可以正確使用，像交換機、路由器等復雜設備還需要進行軟件配置才可以使用。因此，用戶進行組網實驗時，在設計好網絡之后還需要對相應的設備進行軟件配置。主要包括以下設備的軟件配置程序：①PC終端的網絡功能軟件配置模擬程序；②交換機的軟件配置模擬程序；③路由器的軟件配置模擬程序。

(6)網絡設備配置信息的保存和讀取功能。在對眾多的網絡設備進行軟件配置之后，并不是簡單的臨時配置，而應該是將配置信息保存起來，因此VNDP中應該包含網絡設備配置信息的保存和讀取功能。

1.2 系統結構設計

基于以上對于系統功能的分析，可以將VNDP分為如下三個模塊進行設計（圖1）：

(1)設備展示模塊。它主要實現VNDP系統的設備展示功能。由于要求實現設備的三維展示功能，并且要實現對設備從各個角度拖拉觀察，因此我們可以采用VRML技術。采用VRML我們可以非常方便地構造3D圖形，并且還可以從各個角度拖拉觀看，完全滿足我們的設計要求。

(2)組網設計模塊。它主要包括網絡拓撲設計功能、網絡設備硬件連接檢測功能以及網絡連接的智能糾錯功能。在這部分，我們需要設備的圖形化、刷新及時、反應迅速、界面友善，并且要讓用戶可以靈活地連接各種設備，對設備進行任何拖動和定位均不影響整個網絡的結構。因此，我們可以采用基于MFC的 Form+ + 來實現網絡拓撲設計部分的圖形化界面。在 Form+ + 的框架基礎上，實現該模塊所要實現的功能。

(3)軟件配置模塊。它包括網絡設備的配置功能和網絡設備配置信息的保存和讀取功能。該模塊要模擬各種網絡設備的配置環境，對其中涉及到的命令進行仿真，并且要求在配置命令輸入之后，實時地反映在網絡中，讓網絡達到運行命令后所要達到的效果。由于主要是實現對設備真實命令的模擬，所以應該是一個字符界面的程序。因此，可以直接用 VC+ +6.0 實現一個Win32 Console Application的程序，對輸入的字符進行處理，然后對相應的虛擬設備屬性進行改變來實現。 

由于這三個模塊是采用不同的技術，因此必然產生的問題就是各模塊之間的關系問題。在VNDP系統中，組網設計模塊是一個主要的操作平臺，在組網設計模塊中調用設備展示模塊和軟件配置模塊。而對于幾個模塊之間的公共信息，則可以保存到若干信息文件中，再由各模塊來讀取或修改這些信息文件，達到信息傳送和共享的目的。它們之間的關系如圖2所示。

2 系統實現

2.1 設備展示模塊的實現

設備展示模塊主要是采用VRML技術來實現的。VRML是虛擬現實建模語言（Virtual Reality deling Language），是一種三維場景的描述性語言，也是在Internet網上實現虛擬現實的關鍵性技術[6]。其基本原理是用文本信息描述三維場景，在Internet網上傳輸，在本地機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景，解釋生成的標準規范即是VRML規范。正是這種思想使得在Internet上傳輸很少的數據，就可以在Web上實現三維虛擬場景瀏覽成為可能。因此，VRML可以生成網絡上的三維場景。在運用VRML制作各種網絡設備時就利用許多類型的節點，在一般的VRML場景中僅利用形態和幾何節點中的一些已定義好的節點就可以完成三維場景圖的制作，如一塊平面可利用Box這個節點規定其長、寬、高就可以描繪出來，非常簡單。但現在我們做的是如路由器這樣的復雜的造型，它包括機箱、接口、連接線等多個部分。每一部分都不是簡單地可以在VRML中找到已定義的節點，而且每一部分都不是可以由簡單造型組合而成，因而這就需要采用設計工具來輔助我們進行三維設備圖的構建。3DS MAX就是這樣一個工具，可以很好地幫助我們來構建三維設備圖，最終成為一個個可以單獨調用的.wrl文件。將這些設計好.wrl文件組合起來，就構成了我們需要的設備展示模塊了。

最后，通過組網設計模塊的調用命令，將這些.wrl文件與對應的虛擬設備關聯起來。這樣，當學生對某網絡設備感興趣的時候，就可以在組網設計模塊中選擇該設備的三維展示命令，最終實現網絡設備的三維展示，如圖3所示。

2.2 組網設計模塊的實現

組網設計模塊是VNDP系統的核心，根據這部分的功能需求，采用基于MFC的 Form+ + 來開發實。 Form+ + MFC Library是一套100%從MFC繼承下來的擴展類庫，它為Visual C+ + (MFC)開發人員提供了類似于Microsoft Visio的拖放及各種矢量編輯功能的一套應用程序框架結構(Framework)。

Form+ + MFC Library提供了一個畫布（用戶在上面繪制和處理各種對象），用戶可以直接在這個畫布中繪制直線、曲線、多邊形、文本、圖片、橢圓、矩形等對象，同時也可以通過拖拉的方式將自定義對象拖入到這個畫布中。此外用戶還可以在畫布上移動對象、旋轉對象、拉伸對象、創建連接、編輯對象屬性、打印對象等操作。MFC開發人員可以輕松地將這個畫布集成到一個現有的MFC應用程序中或者創建一個新的包含這個畫布的應用程序。除此之外，畫布還支持對象任意移動、對象拉伸、對象旋轉、對象組合與分解、對象對齊、對象大小變化、對象連接、無限制的Undo＼Redo功能、所見即所得的屏幕編輯以及打印和打印預覽等功能。而且 Form+ + 還提供了一套非常完善的面向對象的體系來協助開發人員修改或者擴展其本身的功能[8]。

由于 Form+ + 提供了比較完善的繪圖功能，所以利用它形成了一個空白的框架，就已具有設備組網的雛形。筆者正是基于該框架進行的二次開發，最終實現了虛擬網絡設備的組網設計。在組網設計模塊的程序設計中，筆者采用面向對象的程序設計方法，每一個設備對應一個設備類，每一種端口對應一個端口類，每一種線也必須有一個連接線類，所有的虛擬設備組件都必須有一個數據模型類，最后所有的設備都要在視圖類上顯示出來。

通過對于每一種設備的不同接口和屬性的設計，最終可以在程序左邊的設備備選區添加所需要的備選網絡設備。從左邊的設備備選區可以拖拽相應的設備到組網區，利用已有的一些連接線進行網絡拓撲設計。在實現網絡拓撲設計以后，用戶通過選擇檢測網絡圖功能，實現設備硬件連接檢測功能和智能糾錯功能。另一方面，當網絡設計和錯誤檢測已經完成之后，可以進入運行模式，此時左鍵單擊某一設備可以對該設備進行軟件配置，右鍵單擊某設備，可以進行設備的三維展示。這些功能的實現均在相應的消息響應函數中實現。組網設計模塊的程序運行效果如圖4所示。

2.3 軟件配置模塊的實現

軟件配置模擬程序主要實現網絡設備的軟件配置功能，采用 VC+ + 6.0創建的Win32 Console Application 的工程來實現。程序主體流程如圖5所示。在程序初始化時，從網絡設備信息文件中讀取網絡物理連接信息，然后進入命令配置狀態。在這種情況下，所有的輸入都是從鍵盤輸入到命令行，然后再進行操作。 所以，程序的主要操作就是對輸入的字符串命令進行分析和處理，并根據獲得的配置命令的不同，調用不同的處理函數來修改設備信息或完成某種操作，所有的設備信息都保存到設備配置信息文件中。軟件配置模塊運行效果如圖6所示。 

3 結束語

本文以計算機網絡實驗為背景，利用 Form+ + 類庫搭建程序框架，并將VRML技術融合進來，設計并實現了虛擬計算機網絡組網平臺VNDP。該系統現已成功應用于本科計算機網絡實驗教學中，有效地解決了學校無法進行計算機網絡組網配置實驗的問題。通過使用該系統，學生學習到了大量的網絡組網知識和網絡設備配置命令，并且對許多網絡設備有了直觀的了解。通過實踐證明，該虛擬實驗平臺具有較好的實用價值。同時，通過對該虛擬實驗室系統設計和技術的闡述，希望能對從事虛擬實驗室系統和虛擬現實技術研究開發的工程技術人員提供幫助。

參考文獻：

[1] Jianxin Wang， Weini Lu. A Web based Environment for Virtual Laboratory with CORBA Technology [J]. International Journal of Computer Processing of Oriental Languages， 2003，16(4):261-274.

[2] Iva Bogdannova， Pierre Vandergheynst，Murat Kunt. Virtual Classroom for Multimedia Teaching on WWW[C].Proceedings of the 32nd ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference， 2002.7-11.

[3] 周前祥，姜世忠，姜國華.虛擬現實技術的研究現狀與進展[J].計算機仿真，2003，20(7)：1-46.

[4] 賈皓麗，宋端智，馮雪君.網絡虛擬實驗室應用研究[J].計算機工程與科學，2002，24(1)：46-48.

[5] Boson NetSim User’ s Guide[EB/OL].http://www.boson.com/netsim/bd/NetSim_Docs.pdf，2003.

[6] T he Virtual Reality Modeling Language(VRML)[S].ISO/IEC，14772-1，1997.

[7] MSDN Library Visual Studio 6.0 版[M/CD].USA：Microsoft，2002.

[8] Form+ + MFC Library技術白皮書[R].USA：UCanCode Software，2002. 

作者簡介：李華(1962-)，女，山西原平人，副教授，碩士，主要研究方向為現代遠程教育技術、計算機網絡與通信、互聯網應用；孫智勇(1981-)，男，湖北嘉魚人，碩士研究生，主要研究方向為現代遠程教育技術、虛擬實驗、計算機網絡與通信、互聯網應用；吳中福(1941-)，男，四川內江人，教授，博導，主要研究方向為電子商務、計算機網絡與通信、計算機安全。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。