基于大數據的計算機網絡課程虛擬仿真實驗教學平臺建設研究

徐立艷

關鍵詞：大數據；計算機網絡課程；教學；虛擬仿真實驗平臺

傳統計算機網絡課程實驗教學在硬件設施和軟件服務平臺方面存在不足，大多數高校的計算機網絡課程實驗只能在機房完成虛擬仿真實驗學習，限制了學生的實踐效率，對于提高專業課教學質量不利。為了解決這個問題，基于B/S應用軟件架構、ASP.NET腳本語言、VMwarevSphere虛擬控制程序、SQLServer數據庫和應用服務器等軟硬件，構建一個計算機網絡課程教學的虛擬仿真實驗平臺。該實驗平臺包括計算機用戶權限管理模塊、實驗預約模塊、實驗模塊和教材資源庫模塊等組成結構，可以用于設計一系列計算機仿真實驗場景，并完成教學實訓實踐操作。該平臺為計算機網絡課程教學提供了實際支持，具有管理實驗用戶和指導實踐操作的重要意義。

1大數據環境下計算機網絡課程虛擬仿真實驗平臺設計的要求

在大數據、云計算和人工智能技術的發展環境下，計算機網絡虛擬仿真實驗平臺的設計與教學實現需要滿足以下幾方面的用戶需求：

1）實現“虛實結合”的計算機網絡課程教學環境需求。當前的計算機虛擬仿真實驗平臺主要是為了彌補現有計算機網絡課程無法滿足實際需求的情況而設計的。通過充分整合和利用計算機網絡教材大綱內容和課程實踐案例，設計計算機網絡實驗實訓項目，并通過虛擬化仿真實驗平臺進行模擬。這樣可以彌補原有實訓機房在進行網絡實驗時功能不足的問題。

2）實現計算機網絡課程教學資源的歸類需求。計算機虛擬仿真實驗平臺的教學資源庫和應用資源庫的設計主要目的是將分散的教學資源有序地整合、歸類和存儲，以方便教師和學生進行檢索、上傳、下載和調用。計算機網絡教材大綱體系較為完整，通過利用虛擬仿真實驗平臺的教學資源庫，可以針對計算機網絡教材中的章節內容，如“計算機網絡概述”“數據通信基礎”“物理層接口與標準”“數據鏈路層協議及功能”等，整合課內外的教學基礎理論和課程案例資源，為計算機網絡虛擬仿真實驗教學提供支持。

2計算機網絡課程虛擬仿真實驗平臺建設的大數據技術

2.1B/S應用軟件框架技術

B/S模式是基于瀏覽器/服務器模式的應用軟件設計模式，主要用于構建能實現不同軟件功能的系統框架。在B/S模式下，所有的軟件客戶端和軟件功能服務都集中在Web服務器中，客戶端只需安裝瀏覽器（如Chrome、MicrosoftEdge、InternetExplorer）和SQLServer數據庫等組件，就能進行網頁資源檢索、數據庫訪問、軟件任務實現等操作。

2.2HTML5網頁設計技術

HTML5網頁設計是一種用于繪制網頁拓撲圖的技術，通常涉及VML、SVG、Flex等子技術。不同的子技術用于編輯設計網頁導航欄、側邊欄、文本、超鏈接、圖像、表格和列表等要素。其中，VML是一種用于Web網頁圖形圖像編輯的技術，可在IE內核瀏覽器中運行，結合ASP.NET腳本語言，制作靜態矢量圖和動態圖；SVG是一種在IE內核瀏覽器中用于抓取二維矢量圖形的工具，可幫助用戶快速抓取網頁SVG圖形，并支持導出為PNG、SVG、PDF等格式；Flex技術是網頁前端開發和動態圖像生成的主要技術，可根據網頁導航欄和側邊欄布局要求，靈活地控制塊級盒子的布局模塊[1]。

基于瀏覽器/服務器網絡架構的Web網頁設計中，可以使用HTML5的

2.3ASP.NET腳本語言技術

ASP.NET是一種用于Web網頁組件開發的腳本語言，通常包括JavaScript和CSS等技術。JavaScript腳本用于在Web服務器內開發程序，主要用于添加客戶端事件和標記服務器控件屬性，例如將Web網頁正文標記為，或為客戶端添加事件的數據表格（Datagrid）。CSS3用于定義Web網頁界面的樣式，可以使用translate（）、scale（）、rotate（）和skew（）等函數來自定義網頁結構樣式和樣式表選擇符，并將網頁內容和設計格式分類存儲。通過執行修改網頁寬高比例和顏色條目的代碼，以保證Web網頁頁面的適配性和完整性。

2.4虛擬仿真技術

虛擬仿真技術，也稱為計算機模擬技術，主要用于模擬仿真軟件的運行環境和執行仿真實驗，并分析和驗證提出的理論的科學合理性。在當前的計算機網絡課程虛擬仿真實驗平臺建設中，需利用hypervi?sor、VMware、XEN等大數據虛擬化技術，以及人機交互技術、虛擬現實技術和網絡數據庫等虛擬仿真技術。通過設置可用于網絡數據監控和動態任務遷移的虛擬機，開發如BosonNetSim、PacketTracer等計算機網絡模擬仿真軟件，并設定數值模擬和物理模擬等功能模塊[2]。

通過將計算機網絡實訓數據代入微分方程，描述計算機仿真基本參數的相關關系和變化情況，采用比例縮放、溫度控制和顏色控制等方式，模擬不同環境下計算機實訓項目的仿真結果，以便于測量仿真數據量并研究屬性變化。

3基于大數據的計算機網絡課程教學的大數據云平臺架構設計

3.1云平臺架構設計

計算機網絡課程仿真實驗室平臺的建設通常是在大數據云計算平臺和VMwarevSphere虛擬化技術的支持下進行的。該平臺包括VMM虛擬機監視器、虛擬CPU、虛擬內存、虛擬I/O接口和虛擬文件系統等虛擬化組件。VMwarevCenterServer服務管理軟件和網絡服務協議負責管理和協調不同虛擬設備之間的連接。具體的云平臺服務架構如圖1所示。

在外部用戶向網絡云平臺發送服務請求后，VM?warevCenterServer服務軟件負責對物理主機資源進行池化，提供數據中心的多個訪問控制點，并設置硬件性能監控、用戶訪問控制和虛擬資源配置等功能模塊。隨后，云平臺根據實際業務需求分配虛擬CPU、虛擬內存和虛擬文件系統，使虛擬機資源在整個數據中心內共享，并實現不同物理主機之間的虛擬機動態遷移。一旦所有虛擬化資源完成遷移，虛擬機就可以在目標主機上正常運行。

3.2數據庫設計

根據云計算平臺內Web網頁資源和軟件數據資源的存儲需求，設置SQLServer數據庫和MySQL數據庫，統計并記錄不同類型的數據庫表結構和數據屬性信息，并將其轉換為具有一一映射對應關系的數據模型。目前，云計算平臺的SQLServer數據庫包含了用戶權限實體、班級實體、教材實體、計算機實驗實體和虛擬機實體等組成內容。在不同實體下，包括了用戶ID、訪問權限ID、標識號、類型描述符、虛擬機ID、交換機ID等詳細內容。按照以下數據標識符設定來組織數據：用戶姓名、用戶ID、訪問權限ID、虛擬機ID、交換機ID、類型描述符。根據這些設定，建立了計算機網絡課程教學的數據庫結構關系圖，如圖2所示[3]。

4基于大數據的計算機網絡課程虛擬仿真實驗教學平臺的總體架構

基于B/S應用軟件框架開發的虛擬仿真實驗平臺具有基礎層、存儲層、虛擬化層、業務邏輯層和顯示層等層級結構。具體的組成架構如圖3所示[4]。基礎層包括BS瀏覽器/服務器軟件結構、ASP.NET腳本語言、云計算平臺和Web服務器的軟硬件。它為虛擬仿真實驗教學平臺的搭建提供底層支持。存儲層包含SQLServer數據庫和MySQL數據庫的存儲結構。它負責存儲用戶數據、環境配置json文件、實驗手冊以及系統鏡像ISO等。通常會設置多臺服務器，以服務于不同時間段的海量數據資源和少量數據資源存儲需求，并完成不同類型數據的定時備份和存儲操作。

在計算機網絡仿真實驗教學平臺中，設置了一系列的VMM虛擬機、虛擬交換機、虛擬路由器等運行裝置。通過虛擬化層，能夠響應顯示層用戶的數據訪問和交互請求。同時，通過資源管理模塊對虛擬機資源進行監控、審核和配置調整，實現了系統化的資源管理。業務邏輯層作為外部用戶請求的傳遞發送層級，包含了用戶管理、班級管理、教材管理、實驗管理、環境管理、資源管理、實驗預約和權限管理等子模塊。高校教師、學生和管理員主體可以通過點擊各項功能服務，實現對用戶注冊、訪問權限控制、教材教案使用、實驗環境創建以及教學資源管理等業務操作的執行。

5大數據虛擬化仿真實驗平臺在計算機網絡課程教學中的應用研究

5.1用戶權限訪問的控制模型及實現

計算機網絡課程的教學參與者通常為教師、學生，而在高校引入虛擬化仿真實驗教學平臺后，教師、學生、管理員成為計算機網絡課程的重要參與者。為實現不同課程參與用戶的訪問控制，提出基于數據屬性的分組訪問控制模型（AttributeBasedAccessCon?trol，ABAC），以屬性為依據對外部用戶的數據訪問進行決策、授權，以驗證用戶數據訪問過程的合法性。

通常圍繞待訪問數據或任務的主體屬性SA、資源屬性RA、操作屬性OA、環境屬性EA等，首先定義用戶主體屬性，如“姓名”“ID”，將其整合設置為SA={UserName_Char，pzhuUser_ID，...}[5]。資源屬性RA主要針對Web網頁系統文件、申請訪問的數據記錄，具體到計算機網絡課程則包括教材資源訪問、實驗功能服務訪問的數據，每個資源都設定唯一的Res_ID標識，表示為RA={Res_Textbooks，Res_Experiments，...}。操作屬性OA為用戶主體的資源訪問動作屬性，主要用于定義用戶查詢、增加、修改或刪除等行為，每個操作行為都對應唯一屬性值，一般增、刪、改、查動作屬性表示為OA={op?er_ID，TYPE_create，TYPE_delete，TYPE_update，TYPE_retrieve...}。

在完成以上一系列屬性標識定義后，將用戶對不同數據或服務訪問的權限，設置為包含某一類屬性的表達式，存儲至訪問控制列表中，由訪問控制列表比對用戶標識、后臺存儲屬性標識的一致性，屬性的表達式表示為Permission=（PA，EA），PA=（SA，RA，OA）。其中只有SA、RA、OA的三元組屬性均一致才被允許訪問，否則不允許訪問。EA環境屬性通常情況下為空，若為空則表示用戶權限訪問不受到環境約束，若不為空則需要考慮環境約束。

5.2虛擬化仿真實驗軟件平臺的應用

基于B/S框架的虛擬仿真實驗平臺的開發依賴于云計算平臺、Web服務器和網絡計算機等硬件設備，需要安裝用于計算機仿真模擬的虛擬網絡控制臺（VMwarevSphere）。外部用戶可以通過遠程幀緩沖（RFB）協議的方式，通過輸入網絡控制臺的IP地址和I/O端口地址進行連接[6]。外部用戶可以使用Web瀏覽器打開HTML5網頁，在加載SQLServer數據庫和jQueryUI的支持后，即可加載出VMwarevSphereJa?vaScript虛擬控制臺程序。具體操作見圖4。

通過調用VMwarevSphereAPI，可以生成用于與遠程虛擬機建立連接的MKSticket腳本。將該MKSticket腳本嵌入HTML5網頁的執行代碼中，可以方便后臺服務器對不同虛擬機的資源分配和調用進行控制。同時，MKSticket腳本中還包含Managedobject組件，該組件可用于遠程監控計算機虛擬仿真實驗軟件的運行、客戶端對象操作服務管理以及系統服務管理，基本上滿足計算機網絡課程的虛擬仿真實驗教學需求。

6結語

計算機網絡是計算機專業課程的公共必修課，其中計算機網絡的基礎理論知識和課例實踐案例在教學中占有重要地位。因此，應用教學更傾向于計算機實踐實訓。根據不同計算機網絡實踐實訓項目和課例案例的安排，可以基于B/S軟件服務框架建立計算機網絡課程的虛擬化仿真實驗教學平臺。通過Web網頁，客戶機發送數據訪問和軟件功能處理請求，后臺Web服務器接收到特定的任務訪問請求后，調用相關的數據庫資源和虛擬機功能程序，并將結果返回給客戶機。服務器將返回的數據結果轉換為HTML文本形式，顯示在計算機前端面板中，能夠輔助并完成不同計算機項目的仿真模擬實驗。