虛擬實驗教學平臺的構建與實現

摘要: 本文論述了我國高職實驗教學中存在的主要問題，繼而提出了虛擬實驗平臺的概念，分析了其存在的優勢，并以一個網絡實驗為例，設計并實現網絡技術虛擬實驗平臺，通過虛擬實驗與真實實驗的有機合來促進實驗教學的改革，培養學生的綜合實踐能力和創新思維。

關鍵詞: 實驗教學虛擬網絡實驗平臺構建系統功能

1.前言

隨著計算機技術、通信技術、網絡技術和多媒體技術的發展，社會各領域對網絡工程應用人才的需求不斷增加，近年來眾多高校紛紛開設網絡技術專業。網絡技術專業是一個實踐性技能要求很強的技能型專業，要培養出高水平的網絡技能型人才，加強實驗和實訓環節非常重要。學生只有通過足夠的實踐動手的操作，才能真正理解和掌握該學科的理論知識，并在實際應用中得到提高，在工作崗位上發揮作用。然而當前各高校的實驗課教學大多存在著實驗形式、內容、要求與實驗設備、器材、場地、經費保障相對滯后的矛盾，實驗條件的制約在一定程度上影響了實驗教學的開展和學生實踐創新能力的培養。在實驗教學模式中建立一個基于網絡實體設備的虛擬實驗體系，是對傳統實驗的一個有效的補充，既能節約大量的教學經費，又能使實驗在時間和空間上得到有效的延伸。為了能夠應用這種新型的實踐教學模式，我們以建立網絡專業虛擬實驗教學平臺為例進行了研究。

2.虛擬網絡實驗平臺的構建

虛擬網絡實驗平臺是通過建立網絡設備的原型來構建實驗系統，一般安裝在真實實驗平臺上，是可以完全開放的，它充分利用了計算機技術，完善了數據傳輸、交換、模式識別、語言處理、智能技術等性能，對實驗系統的運行進行了仿真，學生可以從中靈活地組建網絡、學習和掌握實驗設計、操作知識。虛擬網絡實驗平臺還具有人機交互能力和可視化程度高等優勢。虛擬網絡實驗平臺的出現從根本上突破了傳統實驗教學實驗設備數量少、實驗時間緊張、實驗地點單一的弊端，凸顯了實驗系統的開放性和實驗操作的交互性，提高了實驗教學效果。虛擬網絡實驗平臺總架構如下:

圖1虛擬網絡實驗平臺架構

虛擬網絡實驗平臺根據網絡專業教學特點主要分為四個部分:

(1)網絡操作系統虛擬平臺。

主要分為Windows和Linux兩個虛擬平臺。網絡操作系統是一門實踐性較強的課程，在教學中教師要提供給學生相應的實驗環境，包括課堂上演示講解、實際操作練習，這樣學生才能更好地理解網絡，以及與網絡相關的知識。而目前的教學不具備這種環境，實驗室讓每個學生練習安裝網絡服務器或工作站也有相當大的難度。因此，在計算機網絡實驗中教師只能是紙上談兵地講解一些操作步驟，學生難以形成具體的印象和實際動手的技能。教師通過虛擬平臺提供對操作系統裝、設置和管理，可以使抽象的書本知識在虛擬平臺上具體化，彌補實驗條件所限帶來的不足。

(2)網絡集成虛擬平臺。

主要分為虛擬路由和交換兩個平臺。這兩個設備是網絡學習中的主要設備之一，路由器完成網絡之間數據的轉發，交換機是網絡內主要數據交換場所。由于這類設備購置成本較高，每個學生都要練習配置和管理，很難實現，因此通過虛擬平臺實現既能完成教學，又能節約成本。

(3)網絡安全虛擬平臺。

主要是針對常見硬件防火墻。由于信息技術的發展，信息安全越來越被人們所重視，防火墻是目前解決此安全問題的主要設備。通過防火墻構建的網絡安全虛擬的實驗平臺提供的是一個近于真實的環境，可充分保證實驗質量不受影響，完全符合教學要求。虛擬機系統與主機系統有良好的隔離性，在虛擬環境下，學生不用顧慮對主系統的破壞，可以放心地進行各種實驗操作，會有更好的實驗效果。

(4)綜合實驗平臺。

綜合性實驗是指實驗內容涉及的綜合知識或與課本相關的課程知識的實驗。教師針對不同綜合性、設計性實驗的特點、要求與難度，進行有效的實驗教學設計，使在整個實驗中學生都處于主動的學習狀態，學習目的明確，自覺獨立思維，尤其是在整個實驗過程中學生的創造性思維比較活躍。

3.系統功能的實現

綜合大多數計算機網絡技術實踐課的特征，可以將實踐課的內容分為操作系統部分和網絡部分。操作系統部分主要包括各種網絡操作系統的安裝、配置和應用系統的搭建和測試;網絡部分主要包括各種網絡設備(路由器、交換機、防火墻等)安裝、配置和平測試。操作系統部分和網絡部分的實踐課都需要儀器設備的支持，因此我們可以應用虛擬實驗軟件來搭建此類虛擬實驗平臺。

網絡操作系統部分的實踐課通常需要基于網絡的多機環境。虛擬實驗軟件“虛擬PC”能夠在一臺物理計算機上虛擬出多臺計算機，進而為學生在單機環境下實踐如何安裝網絡操作系統、搭建多機應用環境提供必要的條件。目前著名的“虛擬PC”工具軟件主要有VMware和VIRTUAL PC，VMware對網絡的支持比較好，它可以在一臺機器上同時運行兩個或更多操作系統，如Windows、Linux等。

VMware的完整使用過程為:建立一個新的虛擬機、配置安裝好的虛擬機、配置虛擬機的網絡這三個部分。

(1)虛擬系統安裝與配置

①選中一臺物理主機，安裝操作系統為Windows 2000 professional，然后在物理主機上安裝VMware 4.5，安裝完成后可以看到所有文件就在一個文件夾里。

②打開VMware，分別新建兩個虛擬機，虛擬機1 OS為Windows 2000 Server，虛擬機2 OS為Windows 2000 professional。

③虛擬機1安裝兩塊虛擬網卡，網卡1為橋接方式，網卡2為自定義方式，并指定虛擬交換機為VMlnet2，虛擬機2安裝一塊虛擬網卡，自定義方式，并指定交換機為VMnet2。

④在VM虛擬網絡配置中，將VMnet2網段設置為192.168.20.x/24。

(2)DHCP網絡服務的配置

①配置虛擬機1上的網卡2的IP為192.168.20.1，設置虛擬機2的網卡IP為自動獲取。

②在虛擬機1上安裝DHCP服務，并配置地址池192.168.20.10—192.168.20.20。

③在虛擬機2上利用IPCONFIG命令來查看IP，從而驗證DHCP服務是否生效。

(3)網絡部分虛擬平臺實現

虛擬實驗軟件“網絡設備模擬器”能夠在一臺計算機上模擬出幾臺甚至是幾十臺路由器、交換機、防火墻等網絡設備，學生用這些模擬出來的設備進行配置練習，虛擬真實企業的網絡環境，具有重要意義。目前著名的“網絡設備模擬核心”工具軟件主要有Dynamips、BOSON，Dynamips的真實性更強，靈活性更好，結合.NET面向對象開發軟件，能夠實現圖形化直觀操作平臺。具體實現代碼如下:

Private Sub Button1_Click(ByVal sender As System.Object，ByVal e As System.EventArgs) Handles Button1.Click

Shell(“D:/Program Files/SecureCRT/SecureCRT.exe”，AppWinStyle.NormalFocus)

End Sub//調用終端登錄程序

Private Sub Button2_Click(ByVal sender As System.Object，ByVal e As System.EventArgs)Handles Button2.Click

Shell(“bin/dynamips/dynamips-wxp.exe -H 7200”)

End Sub//調用虛擬程序

Private Sub Button20_Click(ByVal sender As System.Object，ByVal e As System.EventArgs) Handles Button12.Click

Shell(“bin/putty/putty.exe 127.0.0.1 3001”，AppWinStyle.NormalNoFocus)

End Sub//本地登錄測試

Private Sub Button6_Click(ByVal sender As System.Object，ByVal e As System.EventArgs) Handles Button16.Click

Shell(“bin/dynagen/dynagen.exe net/ccna_routing.net”，AppWinStyle.NormalNoFocus)

End Sub//調用設備配置

交換機的虛擬平臺的實現和路由器基本一致，但在防火墻的實現環境需要開啟Pemu的虛擬服務才可以進入實驗環境，Pemu和Dynamips一樣都是通過加載IOS，而且兩者可以通信。Pemu支持Windows XP和Linux，在Linux下面使用會更穩定些。

(4)綜合實驗

在上面的路由器實驗中，在學生掌握了基本的路由器協議配置后，為提高學生的綜合實踐能力，教師可安排一個綜合性實驗。該實驗要求學生利用四臺路由器一臺交換機和四臺主機組建一個網絡。學生要綜合利用所學的網絡中有關服務器、工作站、交換機和路由器的配置等方面的知識和技能，根據實驗的特點，在兩種實驗環境下進行設計、實驗，整個實驗過程集中體現了虛擬實驗系統與真實系統的之間的優勢互補，能達到設計性實驗和綜合性實驗的目的。

總之，利用虛擬實驗技術，根據實驗的特點和要求，把真實實驗和虛擬實驗有機地整合起來有明顯優勢，其建設方法簡單、成本低、效果好。它可以幫助學生和教師隨時在計算機上操作實驗，以彌補真實實驗設備緊張的局限性。

參考文獻:

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