一種B/S架構下基于NEMS的網絡實驗室教學輔助系統

劉捷 LIU Jie；胡倩 HU Qian

（①華南理工大學計算機科學與工程學院，廣州 510006；②華南理工大學經濟與貿易學院，廣州 510006）

（①School of Computer Science&Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China；②School of Economics and Commerce，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China）

0 引言

在網絡實驗室進行各種網絡實驗時，需要使用大量的交換機和路由器。以傳統方式進行實驗時，需要學生根據實驗內容，先使用交叉線或直通線連接不同設備，進行物理組網；然后再通過電腦的串口訪問設備，對交換機和/或路由器進行參數配置。這樣的方式有以下幾個缺點：

①每次實驗之前，學生都需要花費時間進行組網和配置；每次實驗之后，由需要拆線和恢復出廠配置，組網方案無法重用。②頻繁插拔容易造成設備接口的損壞，增加設備損耗。③由于設備有限，實驗中經常需要多人共用設備或搬動設備，造成管理混亂。④實驗需要物理設備的支持，使得學生需要到達實驗室才能進行實驗，無法隨時隨地進行遠程實驗。

針對以上的缺點，本文提出了一種采用B/S架構實現的基于NEMS的網絡實驗室教學輔助系統。該系統采用B/S架構實現，學生無需到達實驗室，即可遠程訪問，在頁面上進行邏輯組網，輸入實驗命令，查看實驗結果，擴展了網絡實驗空間。該系統基于NEMS，可以對實驗教學、實驗學員、實驗設備集中統一管理，邏輯組網方案可以保存和加載，實現了組網方案的重新，提升了網絡實驗效率。該系統不需要對實驗設備的連線進行物理上的改變，改善了實驗室的管理。

1 網絡實驗管理系統簡介

網絡實驗管理系統（NEMS）是一種專業的網絡實驗管理平臺，可以對實驗教學、實驗學員、實驗設備集中統一管理。NEMS針對網絡實驗生命周期（實驗定義、實驗準備、實驗過程、實驗結果）提供完整的智能的管理。教師可以通過NEMS系統進行實驗的定制、實驗環境部署和實驗過程的管理、監控，完成實驗環境的快速部屬、恢復，以及獲取、驗證實驗結果等工作，學生可以通過NEMS系統進行具體的實驗。

NEMS系統基于SOA的軟件架，教師和學員通過WEB瀏覽器就可以進行網絡教學實驗，不需要部署客戶端，僅僅需要部署服務器端，極大了減輕了網絡實驗室管理員的維護工作。NEMS網絡實驗管理系統通過與設備控制臺設備（DMC）聯動，提供全面實驗管理方面的功能。

2 硬件組成及拓撲結構

網絡實驗室教學輔助系統的硬件由核心機柜（Core RACK）和實驗機柜（RACK01～RACK08）構成。核心機柜中包含了1個交換機、1個路由器和1臺WEB服務器。每個實驗機柜中包含4臺路由器、2臺三層交換機、2臺二層交換機和1臺控制服務器。完整拓撲結構如圖1所示。

圖1 網絡實驗室教學輔助系統完整拓撲圖

由于實際硬件的限制，我們只部署了8個實驗小組，每個實驗小組的拓撲圖如圖2。每個實驗小組對應一個實驗機柜，實驗機柜中的控制管理服務器（CMS）與核心機柜中的NEMS服務器部署了兩條線路（線2），確保核心機柜對實驗機柜的狀態控制，CMS與各實驗設備之間使用控制線進行連接（線1）。每個實驗小組有8臺實驗主機，網卡1與核心機柜相連接（線3），可用于正常的網絡通訊，網卡2與實驗機柜相連接（線4），可用于實驗。網卡1的IP地址由實驗室內網分配，且與服務器在同一網段；后者的IP地址由學生根據實驗的需要自由分配。為了便于管理并減少設備端口的損耗，實驗主機的所有網線都匯聚于各自的信息盒，再由綜合布線分配到各自機柜的配線模塊，然后配線模塊與機柜的各實驗設備相連接。

圖2 實驗小組拓撲圖

3 網絡實驗室教學輔助系統組成

網絡實驗室教學輔助系統分為4個部分：實驗主機、WEB服務器、NEMS服務器、CMS、網絡實驗設備。各部分說明如下：

①實驗主機：安裝雙網卡，網卡1用于正常通訊，可通過核心路由訪問外網，也可訪問WEB服務器并對NEMS服務器進行操作；網卡2僅供學生測試實驗結果使用。②WEB服務器提供友好的操作界面，方便學生對NEMS服務器進行各項操作，并提供用戶登陸、學生管理、實驗管理、組網方案管理、控制命令輸入和實驗結果輸出等輔助功能。③NEMS服務器可以實現登陸物理設備、配置物理設備參數、下發實驗命令、遠程操作CMS等核心功能。④CMS位于NEMS服務器與網絡實驗設備之間，負責匯集設備并提供遠程操作的接口。NEMS服務器下發的實驗命令以IP數據的形式封裝，CMS接收到命令后轉為字符數據形式，并轉發到網絡實驗設備，同時在完成實驗后上傳所需網絡設備的配置信息。⑤網絡實驗設備是指實驗機柜中的其它實驗設備，用于實驗中的邏輯組網及響應。

4 網絡實驗室教學輔助系統所實現的功能

網絡實驗需要進行大量重復的工作，如物理組網、實驗環境配置、實驗設備管理、學生管理、實驗方案管理等，而對于網絡技術的科學研究又需要靈活的實驗環境。基于此，我們設計了基于B/S架構的網絡實驗室教學輔助系統，提供以下的功能，可以很好地滿足實際需求：

①實驗設備管理。管理員可以對CMS、實驗設備的配置文件進行管理，包括獲取實驗設備信息，獲取、查看、編輯、保存、恢復、比較實驗設備配置、設置實驗設備缺省配置等。②實驗方案管理。教師可以為每個網絡實驗定義所需的實驗設備、實驗設備間的邏輯組網情況、各實驗設備的初始配置，保存、加載、查看、編輯實驗方案內容，并可以將實驗方案進行分類，組成不同的實驗課程，便于管理和使用。③實驗課程管理。教師可以定義實驗課程所包含的實驗、所使用的實驗方案、實驗報告模板和實驗指導書等資料，并指定參與課程的學生。④實驗人員管理。教師可以導入學生信息、指定學生參與的實驗課程、學生提交的查看實驗報告、對實驗結果進行評分。⑤實驗過程管理。學生在實驗過程中，可以隨時將實驗環境恢復到初始狀態。系統自動記錄實驗過程中學生輸入的命令及實驗設備反饋的結果，并將這部分內容作為實驗報告的附件，防止學生間互相抄襲實驗報告。同時，教師還可以預定義所需屏蔽的命令，以達到所需的實驗結果。⑥并發控制。控制學生對實驗設備的訪問，確保每臺實驗設備在同一時刻只能由一個用戶訪問，避免不可預料的實驗結果。⑦邏輯組網代替物理組網。系統部署之后，不需要再頻繁插拔網線和控制線，減少了設備端口的損耗。學生只需在圖形界面上拖動設備圖標及連接線圖標，即可組成可視的邏輯拓撲圖，然后進行命令輸入。系統將自動識別所組成的拓撲結構，并反饋與物理組網相同的操作結果。⑧遠程進行實驗。在系統正常運行時，只需有合法的用戶身份，即可使用瀏覽器隨時隨地進行網絡實驗，突破了時空的限制，使網絡實驗更加人性化。

5 網絡實驗室的維護與管理

網絡實驗室教學輔助系統在原有的網絡設備基礎上進行了改造和升級，引入了額外的控制設備和服務器，其設備和功能的復雜性為網絡實驗室的維護與管理增加了難度。為此，我們采取實驗室管理與教學相結合的辦法，以實驗室管理保障教學、教學輔助實驗室管理的工作思路。實驗室管理員與任課教師、助教合作，助教負責在課前錄入和管理實驗課程信息、部署實驗內容，課后恢復初始實驗環境；任課教師負責課中的教學輔導；實驗室管理員負責整個實驗室的安全和實驗設備的完好等工作。

為了有效預防病毒的破壞，系統中的軟件部分安裝在虛擬機上，無論服務器遇到任何問題，如機械故障、系統崩潰等，都可以方便快捷地使用備份文件快速恢復，保證系統的正常運行，保障實驗課的正常開展。同時在各實驗主機上安裝硬盤保護卡，指定的分區在重啟后可以自動恢復原始狀態。

6 結論

在實際部署和運行之后，網絡實驗室教學輔助系統確實能夠提供所需的功能，實現了遠程訪問、邏輯組網、實驗方案重用，擴展了網絡實驗空間，提升了網絡實驗效率，改善了實驗室的管理。

[1]李敏等.基于虛擬原型技術的虛擬網絡實驗室[J].計算機工程與應用,2002(07):151-153.

[2]何建新,曾偉.網絡虛擬實驗室的設計與實現[J].微計算機應用,2008(07):34-37.

[3]倪林.基于B/S架構的NEMS網絡實驗室應用[J].實驗室研究與探索,2011(04):57-60.

[4]王淖等.基于Internet的計算機網絡虛擬實驗室的設計與實現[J].玉林師范學院學報,2013(02):134-138.

[5]郭志強,王云亮.基于B/S模式的網絡實驗系統的設計與實現[J].天津理工大學學報,2010(02):80-83.

[6]李世收,李婷.網絡實驗室的設計與實現[J].鄭州大學學報(工學版),2002(01):66-69.