基于Virtools的路由交換技術虛擬實驗室設計與實現

劉云朋，鄧小飛

（焦作大學信息工程學院，河南 焦作 454003）

虛擬實驗室融合了計算機技術、網絡技術、虛擬現實技術、人機交互技術等，構建出與真實環境高度一致的實驗環境。學生可隨時隨地登錄到虛擬實驗室進行學習、實驗，將學習過程延伸到了課前、課中、課后，能激發學生的學習熱情、提高學習效率，還打破了時空限制，大幅度減少了實驗耗材的消耗，提高了實驗效率。

目前，虛擬實驗室在國內外高校中已經開始應用。虛擬實驗室建設作為教育部《教育信息化2.0行動計劃》中的一項重要內容，對于解決實驗室存在的問題具有重大意義[1]。

“路由交換技術”作為高等職業院校計算機網絡技術專業、通信技術專業的一門核心課程，實驗部分占有較大比重。學生在掌握交換機、路由器的基本原理的基礎上，需要掌握虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）、端口安全、鏈路聚合、路由協議、訪問控制列表的配置，并能夠根據公司或企業的需要組建網絡、維護網絡安全，這對學生的操作能力提出了更高要求。

目前，很多高等職業院校建立的路由交換實驗室在培養學生的實踐能力方面起到了很大作用，然而也存在一些問題。一方面，由于信息技術（Information Technology，IT）行業發展迅速，新技術不斷出現，傳統實驗室面臨更新換代問題；另一方面，在“路由交換技術”課程實踐教學過程中，前期需要實驗室工作人員和教師做大量的準備工作，包括數據預設、設備維修、還原等，嚴重影響了課程教學效率。

針對這些問題，筆者借助各種現代技術，設計與實現了基于Virtools 的路由交換技術虛擬實驗室，為“路由交換技術”課程實驗部分的教學實踐提供幫助。

1 路由交換技術實驗目前存在的問題

1.1 實驗設備陳舊且數量不足

高等職業教育作為高等教育的一個重要組成部分，目的是培養具有創新能力的技術技能型人才。為了達到這個目的，實驗實訓中心對“路由交換技術”課程的實踐教學內容進行了改革，更新了大量的實驗項目。

同時，隨著學校的不斷擴招，計算機網絡技術專業和通信技術專業的學生人數也不斷增加，無論是在數量上還是在實驗內容上，原有的實驗條件均已無法滿足學生的學習需要，影響了實驗教學的正常進行。

1.2 傳統的實驗教學方法創新性不足

傳統的實驗教學大多為驗證性教學，教師在進行實驗指導時往往根據實驗指導書的內容，要求學生按照既定的實驗步驟逐步操作，并記錄每步實驗的結果。整個實驗過程是機械、死板的，難以激發學生的學習興趣，影響學生的學習效率。

另外，由于實驗室本身實驗條件的限制，教師難以將實際項目融入到實踐教學環節，學生的獨立實踐能力、團隊協作能力和創新能力的培養也無法有效進行。

1.3 實驗室開放力度不夠

“路由交換技術”課程的實踐教學環節使用到的設備種類和數量較多，包括交換機、路由器、防火墻、服務器、虛擬交換單元（Virtual Switching Unit，VSU）堆疊電纜、無線接入點（Access Point，AP）、出口網關等。

在實驗教學過程中，通常只能采用分組的形式進行，由于學時限制，學生缺少動手操作機會，因此嚴重影響了學生學習的積極性。另外，受限于實驗室管理及教學安排，學生課前無法進入實驗室進行預習、課后無法進入實驗室鞏固訓練，一些創新性、探究性的實驗無法進行，嚴重影響了學生對“路由交換技術”課程的深入理解。

2 虛擬實驗室的特點

虛擬實驗室分為兩類：一類利用網絡對遠程真實儀器設備進行操作；另一類以軟件的形式實現所有的儀器設備以及實驗過程。前者主要以科研為主，交互性差，維護成本高。后者以教學為主，支持多人同時在線，維護成本低。

圖1 基于B/S 架構的三維路由交換技術虛擬實驗室系統基本架構示意圖

1）打破了時間與空間的制約。由于虛擬實驗室一般采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）模式，因此學生只要有手機或電腦就可以隨時隨地通過網絡訪問實驗室資源，進行課前預習、課后復習，這就打破了實體實驗室存在的儀器設備和開放時間有限的束縛，充分利用了實驗資源，擴大了實驗室教學范圍。

2）沉浸式體驗。結合虛擬仿真技術、虛擬交互技術，可以構造出和真實設備高度一致的虛擬設備，用戶在操作時有身臨其境的感覺。同時，用戶能夠以超越現實的角度觀察實驗現象，提高了學習效率。此外，由于采用了虛擬仿真技術，以往一些危險性較高的實驗也可以開展。

3）實時的人機交互。虛擬實驗室不僅能模擬真實實驗的實驗步驟、實驗結果，而且能結合實驗內容對操作者提供步驟指引、錯誤分析以及其他輔助功能。用戶在虛擬實驗室操作時，不是機械地按照實驗步驟進行操作，而是需要不斷地思考，真正融入實驗過程中，從而能夠獲得更好的學習效果。

4）良好的系統可擴展性。虛擬實驗室采用軟件仿真實現，能不斷根據教學需要進行擴展和升級，比傳統實驗室硬件設備的擴展和升級更方便。

5）降低了建設及維護成本。由于虛擬實驗室采用軟件仿真的方式，成本較低，硬件只需要一臺或者幾臺服務器。而傳統的實驗室需要購入大量的硬件設備，成本往往達到幾百萬元甚至上千萬元，并且后期的升級、維護成本較高，對于一般的院校而言負擔較大，難以大規模推廣。

3 路由交換技術虛擬實驗室的設計與實現

基于路由交換技術實驗室現狀、存在的問題和虛擬實驗室具有的優點，本文采用Virtools 三維可視化整合編程開發平臺，結合3D Max 建模軟件以及Oracle 數據庫，設計完成了三維路由交換技術虛擬實驗室。

3.1 虛擬實驗室的系統基本架構

本文設計了基于B/S 架構的三維路由交換技術虛擬實驗室，其系統基本架構見圖1。

由于路由交換技術虛擬實驗室采用Virtools 開發平臺進行開發，因此當用戶通過瀏覽器登錄以進行實驗操作時，需要安裝3D Life Player 插件以創建Virtools 運行環境。服務器端采用JAVA 服務器頁面（Java Server Pages，JSP）創建虛擬實驗網站，Oracle 數據庫存放數據，Tomcat 進行發布，同時采用Virtools 多用戶服務器（Multiuser Server）與數據庫連接，實現多用戶操作。

當用戶登錄系統后，點擊對應的實驗鏈接，服務器將HTM/HTML 和VMO Virtools 通過互聯網傳輸到客戶端瀏覽器并運行。同時，在服務器端，Virtools 多用戶服務器會實時監聽客戶端，一旦客戶端有數據交互的請求，客戶端的Array 陣列和服務器端的Oracle 數據庫就建立連接，從而完成數據的傳遞。

3.2 虛擬實驗室的開發方法

虛擬實驗室的目的是構建一個三維的、具有交互功能的沉浸式場景。

由于Virtools 沒有建模功能，因此，首先采用3D Max 軟件創建三維場景，并對網絡設備進行建模；其次通過Virtools 提供的Max Expoter 插件，將模型轉換為可以識別的NMO 文件格式；最后使用Virtools 進行邏輯編程，實現交互功能。虛擬實驗室開發方法見圖2。

圖2 虛擬實驗室開發方法示意圖

3.3 虛擬實驗室的組成及設計實現過程

虛擬實驗室系統采用模塊化設計，整個系統分兩大模塊：系統模塊和功能模塊。系統模塊主要實現用戶注冊、系統設置、功能介紹等內容。功能模塊包含了所有的實驗模塊，每個實驗模塊又包含實驗簡介、設備選擇、參數設置、數據處理等內容。功能模塊的具體設計過程如下。

1）實驗分析。實驗分析是虛擬實驗室開發過程中最重要的一個階段，如果實驗分析做得不夠細致全面，則會導致后面的工作很難開展，甚至無法實現。因此，在開始階段需要對要實現的虛擬實驗進行全面分析。首先，確定虛擬實驗室是針對一個實驗還是多個實驗，這樣才能確定虛擬實驗室系統的結構體系；其次，根據每個實驗的實驗目的、實驗內容，分析每個實驗需要用到的設備、器材，并對這些設備、器材的特征進行分析，在此基礎上使用3D Max 軟件構建模型；最后，根據實驗步驟、實驗要求，分析每次不同操作產生的結果，以便實現對實驗過程的真實仿真。

2）實驗交互功能設計。虛擬實驗室最重要的內容是提供用戶和設備、器材之間的交互。用戶應該能夠通過鼠標、鍵盤選擇設備、器材并進行連線，系統能夠根據用戶的選擇反饋與真實實驗一樣的結果。另外，虛擬實驗室需要指導幫助用戶如何進行實驗。因此，系統應提供播放動畫、視頻的交互功能。

3）交互操作界面的設計。交互操作界面是用戶和系統交互的窗口，良好的交互操作界面更能吸引用戶。在設計交互操作界面時，一方面要考慮到美觀，可以采用Photoshop 進行按鈕和菜單的設計；另一方面要考慮到用戶的操作習慣，所有操作盡量以鼠標完成。

4）實驗場景、設備模型的建構。本文采用3D Max 軟件構建實驗室場景、設備和器材。3D Max 軟件構建三維模型一般有3 種方法：多邊形法、面片法和NUEBS 法，其中多邊形法適合建筑物建模，面片法能夠用較少的細節表示非常光滑的實際輪廓。該方法首先用長方體將實驗室的整體結構勾勒出來；其次轉換為可編輯的多邊形，并利用擠出功能實現凸出和縮進；最后根據實際環境對不同的面塊賦予不同的材質和貼圖。由于路由器、交換機、服務器、PC 機等設備和器材需要更多的交互行為，因此設計了精細的模型構建，主要過程是：首先新建長方體模擬路由器機箱；其次對網絡端口、電源接口等涉及交互操作的幾何塊采用快速切片及分離的方法分割出來，單獨進行材質貼圖；最后對于不涉及交互且只單純起展現作用的塊面，可利用貼圖方式將從數碼相機獲取的真實圖像附著在虛擬設備表面。

5）實驗交互的實現。本文采用Virtools 來實現實驗的交互功能。為了方便開發，建立一個命名為Resource 的資源庫，先將實驗場景、設備、按鈕、貼圖等素材導入庫里相應的文件夾中后，再將模型和場景文件導入到Virtools 的3D Layout 窗口，并調節到合適的位置。實驗操作界面中的按鈕和菜單的動態效果通過創建2DFrame，并運用Push Button 來進行交互，然后通過Send Message 和Wait Message與BB 進行交互信息的發送和接收，完成對所控對象相應動作的控制。

6）虛擬實驗的發布。虛擬實驗開發完成后，不可避免地存在一些設計及實現上的問題，需要一些授課教師和虛擬實驗室用戶進行使用體驗，以便提出相關的改進建議。開發人員收集相關的改進建議和意見并進行整理，對系統進行優化完善。如此重復多次，直到虛擬實驗室系統沒問題后，再進行產品發布。

4 結束語

本文以3D Max 軟件建立實驗場景和設備模型，以Virtools 開發平臺實現交互，以Oracle 數據庫完成數據存儲，開發完成的路由交換技術虛擬實驗室可以為學生提供在線沉浸式、交互性的虛擬仿真操作，不僅可以有效提升學生的學習積極性，而且可以有效提高學生的學習效果。