計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的建設實踐探究

朱力瓊

摘要：反思以往傳統的實驗，不僅會受到儀器、材料、實驗周期、實驗場地等多種成本的制約因素影響，還存在一定的危險系數，十分不利于教學實驗的開展。基于此，該文提出一種利用虛擬仿真實驗平臺，開展計算機網絡專業實驗教學的思路，并著重對于平臺搭建所需要的技術標準以及體系架構進行介紹，以期助力我國高校的實驗改革建設，夯實相關工具基礎。

關鍵詞：計算機網絡? 虛擬仿真實驗平臺? 建設實踐? 網絡技術

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Research on Construction Practice of Computer Network Virtual Simulation Experiment Platform

ZHU Liqiong

（Gansu Vocational College of Mechanical and Electrical Technology，Tianshui，GansuProvince，731001China）

Abstract： Reflecting on the traditional experiment， not only will be affected by the instrument， material， experimental period， experimental site and other cost constraints， but also there is a certain risk factor， is not conducive to the development of teaching experiment. Based on this， this paper puts forward an idea of using virtual simulation experiment platform to carry out experimental teaching of computer network specialty， and focuses on the introduction of technical standards and system architecture required by the platform construction， in order to help the experimental reform and construction of Chinese universities and consolidate the foundation of relevant tools.

Key Words： Computer network;Virtual simulation experiment platform; Construction practice; Network technology

如今高校教育中，不僅要注重學生理論知識的學習，更要著重培養學生的動手實踐操作能力，因此各類的專業課題實驗教學是高等教育院校培養全面素質人才的關鍵教學路徑之一。虛擬仿真實驗平臺是指在Web網絡技術、VR虛擬技術、視頻合成技術以及工程軟件等多個方面的技術與軟件應用，來為學生搭建虛擬實驗場地的技術。它能夠將現有的教學資源進行數字化、虛擬化的整合，從而提供一個真實性高、可操作性強、自由開放、安全效率的實驗平臺。

1虛擬仿真實驗平臺的建設目標

1.1實驗真實性的需求

如今共計有20余個專業的實驗課題，均可以登錄到虛擬仿真實驗平臺來進行實驗教學了。虛擬仿真實驗平臺的建設目標，鑒于它取代傳統實驗的目的來看，必須要確保虛擬仿真實驗平臺的真實性。對于計算機與網絡技術這樣需要龐大服務器作為實驗操作設備的課件，不僅需要的服務器組價格昂貴，而且實驗操作要求較高，需要學生不斷地通過網絡技術攻防演練，以及服務組件的掃描來提高技能水平，所以想要滿足這個建設目標，就需要GUIDE設計軟件以及圖形模型處理軟件的精細規劃[1-2]。

1.2平臺的穩定性的需求

無論是哪種課題的實驗教學，在虛擬仿真實驗平臺開展時，都會有多種需要提示反饋的信息處理分析環節，因此它對于框架的運行穩定性是有著較高要求的。這種穩定性能分為兩部分，一是邏輯問題;二是架構問題。因此，在平臺建設的開發階段，必須要根據FMEA分析法來對平臺特定運行風險進行評估，根據平臺運行的故障可能性、嚴重性以及可預測性來對信息生成與處理的過程進行檢測評估。其中，邏輯問題的處理還是主要依靠開發設計人員的技術素養，按照理念正確、流程規范、刨根問底三步來對關鍵的代碼語句進行測試;而框架問題，則需要借助外部測試軟件對軟件構件的合理性進行運行測試，如果虛擬仿真實驗平臺的框架問題與邏輯性問題得不到解決，那么很容易造成平臺的級聯故障，甚至是數據庫、數據表丟失，嚴重影響實驗教學的正常開展。

2虛擬仿真實驗平臺的建設的基本功能實現

2.1仿真實驗模塊設置

計算機虛擬仿真實驗平臺主要包含了3個部分功能模塊：一是計算機網絡模塊，真實地模擬廣域網（WAN）、局域網（LAN）、個人局域網（PAN）以及城域網（MAN）等網絡應用場景的組網結構;二是網絡實用技術模塊，讓學生理解通過網絡信道將數據介質從一個服務器轉移到另一個服務器的交換過程，分為數據傳輸控制與數據I/O設備模擬、數據電路終端模擬（DCE）、計算機系統和通信控制器（DTE）模擬;三是網絡安全模塊，幫助學生了解網絡拓撲的建立，以及網絡系統硬盤、軟件數據庫中的各類數據接口、篡改抵抗，還有HSM密鑰加密等保護機制的原理[3-4]。

2.2計算機網絡虛擬仿真實驗模塊

計算機網絡虛擬仿真實驗模塊主要是指在平臺上的試驗課程，像是計算機網絡技術、計算機網絡原理、通信技術以及網絡協議分析等課程與相關教學視頻。該模塊的設立是為了在虛擬仿真試驗平臺上，為教師開設課堂教學提供載體環境，在對應的課程章節中，學生能夠第一時間了解教師的課程安排、該學期的學習重點、實驗教學的公告等。還能對歷史課程與作品進行回放查看，便于學生課后自主學習對實驗操作技巧進行消化理解。

2.3網絡實用技術虛擬仿真實驗模塊

該模塊中實操性的科目課程比較大，主要是為了完成拓撲網絡結構、數據的路由與交換以及各類網絡鏈路與電路交換的基本原理。在課程基礎之上，模塊內還為學生提供了相關學習課件與隨堂作業鏈接，在課件材料中，通過模擬圖形軟件建模以及邏輯編程，讓學生在模擬軟件的用戶界面與網絡環境中，分析該材料中的組網架構與應用設備類型。同時還支持學生自行操作進行網絡拓撲結構的建立，在每個虛擬仿真實驗中，都支持教師同步閱覽批注，當學生在進行實操時，出現了與操作要點不符的問題時，課件還能夠提供糾錯信息，讓學生在動手實操的過程中，掌握網絡實用技術章節的知識內容。

2.4網絡安全虛擬仿真實驗模塊

該模塊中重點將網絡的基本安全防護原理、數據加密流程、網絡接口與安全協議等內容進行拓展。其中的教學內容主要面向于計算機網絡設計以及軟件工程、物聯網、信息工程等多類計算機科學專業[5]。除了配套課件以外，針對每個不同的知識點還提供了配套的強化訓練，如傳輸加密、數據存儲加密、數據完整性加密以及密鑰管理四種主流數據加密技術的模擬設計訓練，以更直觀生動的形式，讓學生理解在網絡安全中，用戶權限、數據傳輸、數據分配與保存銷毀等操作的定義與特點。

3計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的建設實踐

該平臺是以網絡軟件應用的形式，以校園網與學生網為載體，由校企合作的企業開發的一款“網絡虛擬實驗室”應用，意在將互聯網信息技術與傳統實驗教學相結合，利用虛擬仿真實驗的方式來代替學習大型服務器機組實驗設備，達到提高計算機網絡專業實驗教學課程效果的最終目的。

3.1平臺體系架構

在平臺開發階段，出于網絡架構穩定性需求的原因，也是考慮到了平臺的開放性與使用便捷性，應用了兼容性與拓展性較強的B/S架構，即瀏覽器與服務器架構模式。其主要事務邏輯都通過服務器端（Server）來負責，而次要分支事務的邏輯處理由平臺前端（Browser）來實現。這樣的組網架構使得它可以僅僅依靠一個Browser前端瀏覽器來運行，在瀏覽器中安裝了SQL Server數據庫與瀏覽器的服務器端Web server進行用戶數據的交互。在B/S架構下，一些課件設計上存在的bug問題可以隨時進行修復，不會影響到服務器端Server其他事務的正常處理流程。且由于數據交互全程通過服務器端進行，極大地降低了學校實驗室電腦的負荷壓力，在能夠滿足所有虛擬仿真實驗的前提要求下，最大程度縮減了校園實驗室的建設成本。此外，B/S架構基礎上運行的網絡虛擬實驗室應用，也不容易出現其他獨立運行軟件不穩定性的問題。系統開發設計與運行均需要基于Linux操作系統，它的數據庫與軟件構件均采用開源技術，按照科技部推薦的教務信息系統方案標準進行軟件構件的安裝。經過獨立的數據庫兼容性與穩定性測試后，開始正式投入使用[6]。在這個虛擬仿真試驗平臺上，集成了教務信息處理、學生登記、實驗智能指導、實驗自動批注、實驗監督、考試測驗以及教學評價等功能。

3.2用戶功能

虛擬仿真實驗室平臺旨在打造便于教師授課、學生動手實操，注重教學互動與實效的信息服務平臺，針對師生關注度比較高的內容以及各自用戶身份的功能需求，將用戶功能結構分為如下幾個部分。

實驗室管理員，在以該用戶權限訪問虛擬仿真實驗平臺時，為其開放綜合平臺管理功能，以平臺用戶界面的虛擬按鍵形式分別與如下子模塊功能進行鏈路連接：實驗室管理、教務信息管理、賬戶管理以及終端子端信息交互管理。其中實驗室管理中，實驗室管理員權限可以對虛擬仿真實驗室的課件中出現的參數、模型尺寸、模型關系以及模擬試驗的邏輯流程進行設置;而教務信息管理則是涉及學生的作品評閱、實操考試評分、課程信息發布以及實驗公告與課后作業內容的發布，通過教務信息管理，可以將實驗室管理員用戶權限確認的信息與數據，直接發送到學生用戶端。

教師權限，包括了教學安排、教學考核以及教學過程控制這3個部分。其中教學安排是指教師根據進度要求與備課安排，將平臺中所有的教學資源進行分類，并給該學期內所有的教學實驗課件與題庫進行排序與分類標記，便于開展實驗教學時能夠第一時間查找到需要的課件內容。而教學考核則是依照教學大綱，對期末與階段性測試的內容進行創建與導入。同時在教學考核中，還有學生隨堂實驗作品的評分內容，為了減輕教師的教學負擔，平臺中設置了部分課件的自動批準功能，教師只需要對用戶界面的生成結果進行對照核查，就可以很輕松地進行學生的考試測驗與成績管理了。

學生權限，需要通過實驗室管理員注冊后方可獲得訪問平臺的權限，包括了教學課程、教學質量評價與教學資源這3個子模塊功能。其中教學課程子模塊中包含了該學期所有的教學視頻、教學實驗課件以及實驗指導材料，是學生完成計算機網絡專業課程的必須功能模塊，其中隨堂測驗與結業考核等內容，均需要實驗室管理員統一發送到學生用戶端中查閱。教學質量評價，在教師開展虛擬仿真實驗教學時，后臺會自動統計錄入學生用戶的登錄訪問數量，以及學生實驗課件的完成情況，并根據此綜合生成授課教師教學質量的對應量化考核指標，再結合教師工作日志與教師批閱情況，以及學期末由學生點擊鏈接填寫的測評表，得到該課程的具體教學質量情況，便于學校收集教學反饋信息，不斷完善教學方法提高教學質量。而教學資源則是直接與校園網電子圖書館互通的網絡鏈路，當學生需要課程參考以外的資料文獻作為實驗知識儲備時，可以通過這個入口閱覽收集，有助于幫助學生養成自主學習的良好習慣。

4結語

綜上所述，盡管虛擬仿真實驗平臺項目在我國還仍然處于起步階段，但從國內外關于它的教學研討進展來看，其具有一定的可行性與經濟性適用的優勢。針對計算機網絡課程中課時較短、概念較多、知識面較廣以及實驗教學設備成本昂貴的問題，虛擬仿真實驗平臺的應用能夠較好完成輔助教學功能。且在平臺上進行實驗教學，能夠為學生帶來一種全新的學習體驗，便于培養學生的學習興趣與積極性。

參考文獻

[1] 張衛強.計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的建設探討[J].電腦知識與技術，2021，17（26）：38-39，44.

[2] 林劍，石向榮，謝鳳華.智能計算虛擬仿真實驗教學平臺建設與實踐[J].高教學刊，2021，7（18）：71-74.

[3] 王戰偉，王香寧，王麗麗.計算機虛擬仿真實驗平臺建設與實踐[J].電腦知識與技術，2021，17（17）：85-86，93.

[4] 張慰，張嘉鷺.虛擬仿真實驗教學資源支撐平臺建設與實踐[J].中國教育信息化，2020（13）：57-60.

[5] 陳陽.面向網絡仿真的虛擬網絡映射方法研究[D].無錫：江南大學，2020.

[6] 李蔚恒.云邊架構中大規模目標網絡構建關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2020.