虛擬化實驗室推進計算機網絡專業實踐教學的解決方案

諶璽

天朝下　重慶市　辛苦街　累死路

摘要：經過幾年來對高校計算機網絡及信息安全專業的教學與實驗課程的關注與分析，發現在實施“實踐性”教學改革時的許多困難。比如：用于教學的實驗環境限制，實驗設備短缺，實驗經費不足，實驗環境靈活性差，不能集中演示等。在分析困難并結合多年研究的基礎上。本文闡述使用虛擬實驗室計劃讓高校網絡及信息安全的實驗方法走向世界教育行業的前沿。徹底執行高教改革中加強實踐性教育的思想，結合多年來工程與教學經驗，在計算機網絡與信息安全課程設計與實驗開發方面取得非常明顯效果。

關鍵詞：實驗環境限制；計算機網絡；信息安全課程；虛擬實驗室；創新方法

隨著國內高等教育體制改革不斷深化，我國高校的計算機網絡及信息安全專業所開設的課程難度加深，實用性加強，在教學過程中教師們為了完成一個項目測試或者技術知識的講解往往需要一個復合的實驗環境，為構建實驗環境可能需要多臺高端的網絡設備，比如高端的路由器、二層交換機、三層交換機、硬件防火墻、***檢測、***防御、服務器等網絡元件，面對復雜的實驗環境。需要創新一種方法：在不投入或者低投入硬件成本的前提條件下讓每一位教師與同學擁有一套高端的計算機網絡及信息安全仿真設備。

1中國高校的計算機網絡與信息安全實驗課有那些困難

由于實踐化教學的深入，各大高校相關專業、系部、教研室，對學生實驗質量要求越來越高，但是本人多年來對高校實踐教學改革環節的關注，發現最多的問題是在教學過程中師生們對實驗硬件環境的限制所困擾。在這種困擾下，無論是單純的增加硬件資產投入，還是使用行政條規進行科學的管理都不能從根本上解決問題。因為信息化技術的發展永遠大于硬件投資，單純的增加硬件投資估計會變成一種“無底洞”，事倍功半。而教學管理的行政手段應該是建立在先進的、具有實踐性意義的教學平臺上。

1.1教師們提出實驗環境限制，缺泛靈活性，不能集中演示將直接影響教學權威

在教學過程中提出理論是教學的第一步，為相關理論做取證實驗是建立教學權威的核心，沒有被證實的理論必定不是真理，如何建立理論取證的教學權威，實驗室是關鍵，而面對現今傳統模式的實驗室，高校教師們的困難是：實驗室的網絡拓撲環境在建設初期就被固定，不能根據實時的情況靈活的改變實驗拓撲，或者改變起來很困難，缺泛靈活性，原因在于實驗室建設是計劃，而教學過程是進行時，進行時中的情況總是高于計劃。不能集中演示也是非常頭痛的事情，集中演示在于完整性與系統性，這方便學生理解。比如：在網絡建設項目實驗中，同時需要多臺網絡設備，安全設備，服務器，計算機等，如何把這些不同設備上的配置放到一個集中的演示平臺上進行演示讓同學們觀模完整的項目配置，教師們省去反復撥接線纜，切換不同投影儀的時間提高教學效率。

1.2 由于教學任務繁忙，高校實驗室擁擠，實驗設備類型不完備：

全國高校全面擴招，實驗室的調配變得擁擠，實驗硬件資源變得短缺，合理的教學規則與行政制度只能在某種程度上使現有資源利用更充分，緩解實驗室擁擠的現象。但是不能從根本上解決困難。還可能會出現實驗設備型號不齊全的情況。

1.3 不能達到高校教師預計劃的實驗目標或者在實驗過程中遇到故障耽誤時間：

實驗室缺泛靈活性，教師們時常會向“系部”反映一種情況：不能達到預計劃的實驗目標，由于在實驗過程中不可控因素太多，如果沒有相關的實驗故障應急方案。一旦遇到實驗故障就會耽誤時間，延長整個實驗周期，影響教學質量。

2使用虛擬實驗室的創新法，中國高校的實驗教學將走向新的時代：

根據本人多年來實踐，證實虛擬實驗室的產生可以解決上述在計算機網絡及信息安全實驗教學中的困難，做到讓每一位高校教師與學生都擁有一間與真實實驗室一樣的高端網絡實驗室。而且具備更強大的靈活性。虛擬實驗室創新方法的特點如下圖1虛擬實驗室的特性所示。這是一個讓中國高校教育走向“新時代”的決解方案，下面將論證它的可行性：

2.1 為什么可以100%仿真網絡設備，它與傳統教學中的模擬器有什么區別？

首先需要知道一臺專業的網絡設備，無論是思科、華為、或者別的生產商的產品，根據嵌入式設備的工作原理，它們由兩個層面的構件組成。一是專業的硬件載體，另外一個則是體現各大廠商核心技術的IOS（Internet Operating System）鏡像系統。它提供配置與實現網絡設備各種功能的接口，它是網絡設備真正的靈魂。那么虛擬實驗室的高仿真度就是靠復制這個“靈魂”而得到。具體工作原理如下圖2鏡像設備核心IOS到普通計算機所示。把IOS與專業硬件載體分離（通常情況下廠商為了升級方便IOS是可以從真實設備上導出）然后加載到計算機上，使普通的計算機成為IOS的硬件載體，試想此時這臺運載IOS的計算機與真實的網絡設備在配置上的仿真程度會是怎樣？值得肯定的是如果不考慮硬件的吞吐量與工程項目中的穩定性，就單純從教學這個角度講：運載IOS的計算機就是一臺網絡設備。IOS的編寫是采用“精簡指令集計算機”完成，是MIPS技術的體現，比如Cisco的很多網絡設備都是采用的MIPS處理器。而計算機是采用x86開發，x86架構是采用CISC（Complex Instruction SetComputer，復雜指令集計算機）完成，事實上，虛擬平臺通過將MIPS處理器指令轉換成X86指令，通過加載IOS從而完美的模擬成路由器與交換機，甚至可以是防火墻等。

　　它與傳統教學過程中的模擬器有重大區別，傳統教學中所使用的幾種網絡設備模擬器，如Packet Tracer、BosonNetSim、Hw-RouteSim都是用于模擬全球各大廠商的網絡設備的配置，是一款獨立軟件，不提供與其它仿真軟件的集成，只能用于網絡設備的模擬，與虛擬實驗室相比較傳統的模擬器只能是一個獨立的功能模塊，而不是一個實驗系統平臺。因為虛擬實驗室除了必須有設備仿真模塊以外，還需要有各種不同操作系統的服務器、防火墻、***檢測、***防御、網絡集中管理、存儲、陣列、語音等功能模塊，既然是虛擬實驗室，它就是一個整體解決方案，而不是一個單純的軟件。另外一個重大區別，就是從仿真程度上講傳統的模擬器遠不及虛擬實驗室的仿真程度高。因為傳統的模擬器只是為了讓網絡設備的學習者或者用戶熟悉網絡設備的指令配置，而編寫的模仿真實設備IOS的應用程序，并沒有把真實設備的IOS載入到該平臺上。雖然它具備與真實設備一樣的IOS配置界面，但是運行態狀并不是真實的，不能完整執行IOS中的全部功能與指令。因為在模擬程序的開發過程中已嵌入的IOS指令就可以被執行，如果某些指令沒有被事先嵌入，就不能執行，所以在某種程度上這種傳統的模擬器更向是一種“指令”練習系統。而虛擬實驗室中的設備仿真模塊是將真實網絡設備IOS載入到計算機中，只更換了硬件載體而已，所以真實網絡設備支持的功能，虛擬實驗室都支持，而且靈活性更高。

2.2 虛擬實驗室不是一個單純的軟件，是由多個“仿真學”部件構成的集成平臺。

虛擬實驗室是一個解決高校計算機網絡實驗課程的整體解決方案，是由多個使用虛擬化技術的部件組成，一般使用這種技術的平臺，仿真程度可以與真實設備基本相同。虛擬實驗室中最典型的兩個部件是VMware和Dynamips。VMare是虛擬機技術，這早已被高校教學們所熟悉，它擁有能100%仿真計算機而著名，但是在本文中需要提出的是它只是虛擬實驗室的一個組件，它提供了一個橋接方式將VMare連接到本文2.1小節所述的網絡設備仿真組件上形成一個整體的網絡實驗解決方案。而Dynamips正是本文2.1小節所述的網絡設備仿真平臺。

2.3 實踐證明可以完成基于計算機網絡及信息安全的所有實驗

通過本人多年在教學以及工程實踐證明：如果在中國高校計算機網絡實驗改革中全面實施虛擬實驗室解決方案，就再也沒有由于設備限制，環境限制而不能完成的實驗。并且可以保證每個學生都能擁有一套高端網絡實驗室。虛擬實驗室可完成的典型技術實驗范圍如下：網絡基礎、協議分析、流量分析、各種網絡設備的配置、基于不同操作系統服務器的配置、幀中繼、專線、ATM、×××、MPLS、QOS、病毒分析、***檢測、***防御、***演示、網絡存儲、災難保護、數據加密、IP語音、IPv6部署與研究等、大型工程項目測試。

2.4 強大的靈活性可滿足教員的一切演示需求

如果在推動中國高校實驗改革的過程中，試過實施虛擬實驗室，應該會體到它具備強大的靈活性，網絡拓撲可隨任課教師根據課程與實驗需求靈活的搭建。在真實設備上能做的實驗，在虛擬實驗室肯定能完成，由于虛擬實驗室的整個部署過程可以被實施到一臺物理計算機上，所以當面對網絡環境中的多臺計算機或者設備執行配置時，可以集中演示出完整的過程。對于信息安全專業具有破壞性的實驗如：病毒分析、***分析、***演示等，將被限制到虛擬實驗室中，既可讓學生看到破壞性的實驗結論又能控制破壞性的洪泛，也不至于殃及整個校園網。

2.5 關于虛擬實驗室的論據

《企業網絡整體安全—***技術內幕大剖析》國標書號 ISBN 978-7-121-13370-1在本書的隨書光盤教學錄像中的所有演示過程全部架構在虛擬實驗室中完成的，其中包括各種網絡協議分析與取證、流量的統計與分析、網絡協議的***演示、各種網絡設備與安全設備的***演示、操作系統安全加固、設備安全加固等，應該是完面體現了虛擬實驗室強大的仿真特性、集中演示、靈活建設的優勢。

2.6 將虛擬實驗室解決方案形成一種可復制的模型并加強推廣

通過本文的描述，相關專業的實驗人可根據所提從的論據進一步的考究證實，如果考究結果證實虛擬實驗室的概念確實能為中國實踐教育產生變革性價值，那么需要將這種價值轉變成一種可復制的模型，在中國的高教產業中廣泛推廣與使用，因為本身這種虛擬化技術也是未來“云計算”方法中不可少的一部分，遲早都會被全世界所應用，為什么我們中國人不可以走到世界行業發展的前沿。信息模型與解決方案要共享才有價值；要不斷深入才有成果；要不斷改良才會完善；教育的“實踐性”要不斷良性變革整個民族才會因此而強大。

3結論

通過上述對中國高校計算機網絡及信息安全專業部署實驗課程困難的分析，并提出使用虛擬實驗室的方案來解決所述困難，論證了虛擬實驗室高仿真性的特點、組成部件等，并提供了虛擬實驗室在實踐應用環境中的論據，充分證明了虛擬實驗室是中國高校計算機網絡及信息安全專業部署實驗課程的最佳增值方案，如果全國高校的相關專業大量實施虛擬實驗實，這將全面推進實踐性教學的改革，解放實踐性教學的投入的部分資金，使教育資產利用率更充分，實驗教學質量得到全面提升，這將是一件事半功倍的事情。

英文摘要

The Virtualizationlaboratory advancement computer network specialized practice teaching solution

Xi Chen

(ChongQing electronics industry Trainingcollege computer department )

Zip code: 401147

Abstract: After for several years, to computer network and informationsecurity specialized experiment curriculum attention and analysis，Discovery inimplementation “practicality” time educational reform many difficulties. Forinstance: Uses in the teaching the experiment environmental limit, the testinstallation is short, the experiment funds are insufficient, the experimentenvironment flexibility is bad, cannot concentrate the demonstration and so on.In the analysis difficult and unifies many year research in the foundations 。This articleelaborated that the use hypothesized laboratory plan lets the universitynetwork and the information security experimental technique moves toward theworld education profession the front. Carries out in the higher educationreform to strengthen the practice sex education thoroughly the thought that, Union for many years project and teaching experience,Develop the aspect in the computer network and information security'scurriculum project and the experiment to make the very tangible progress.

Key word: Experiment environmental limit; Computernetwork; Information security curriculum; Hypothesized laboratory; Innovationmethod

作者簡介：諶璽，性別：男，職稱：MCSE、 CCIE，研究方向為：計算機網絡、信息安全、安全聯動分析、高校計算機網絡及信息安全類課程設計與資源建設。

轉載于:https://blog.51cto.com/7658423/1307675

總結

以上是生活随笔為你收集整理的虚拟化实验室推进计算机网络专业实践教学的解决方案（论文体）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。