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计算机网络教学中虚拟化技术的应用

2021-12-11 75 上传者：管理员

摘要：为了弥补计算机网络课程教学中，实验室和网络仿真软件的不足，本文采用实验室搭建虚拟环境测试的方法进行实验数据采集，并采用问卷调查对虚拟化技术的应用效果进行评估。结果表明，在计算机网络的7个实验课程中，所构建的虚拟实验室都能满足实验需求，学生对应用效果的评分的平均值高于70%。这说明，构建虚拟化网络实验室是实现低成本高利用率的计算机实验课程教学的一个可行方法。

关键词：
数据采集
网络实验室
网络服务教学
虚拟化技术
计算机教学
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1、引言

如果没有专门的网络实验室或其他适合此类课程的工具，就很难教授计算机网络概念。近年来，在计算机网络教学中出现了采用有效工具的新方法和新技术。所有的努力都是为了尽可能地消除专业实验室的缺点[1]。真正的网络实验室的主要缺点有：一是非常昂贵的，二是需要投入大量资金来升级这些实验室。此外，这样的实验室并不灵活，不适合各种网络拓扑[2]。最重要的是，由于严格的物理限制（每台计算机只有两到三个学生），这些实验室只能同时供少数学生使用。教授计算机网络和网络概念的另一种方法是仿真软件。这种方法是应用不同的技术和拓扑模拟小型和大型网络的有效方法。常用的网络模拟工具有OPNETITGuruAkademicEdition™网络模拟器NS–2或BosonNetSim™。这类软件的唯一问题是学生没有完全参与网络设备和网络的实际配置，没有足够的操作经验[3]。鉴于此，本文采用创建虚拟实验室来进行计算机网络仿真教学，以弥补上述缺点。

2、虚拟化技术

虚拟化技术的基础是虚拟机监视器（VMM）。VMM是一个软件层，模拟完整计算机系统的硬件。VMM创建的抽象称为虚拟机。第一批虚拟机从20世纪60年代开始开发和使用，但商业虚拟化软件只在市场上出现几年。有趣的是，当硬件非常昂贵时，虚拟化技术非常流行[4]。随着硬件成本的大幅降低，普及率下降。如今，虚拟化再次流行起来。

虚拟化最初是为了在一台物理计算机上模拟多个虚拟计算机而开发的。一般来说，仿真计算机可以安装任何其他操作系统，充当完全独立的节点。虚拟计算机称为虚拟机，使用物理机上的现有硬件。仿真计算机能够在一个物理网卡上模拟多个网卡，用来建立虚拟网络通信和模拟虚拟网络。虚拟化技术领域的所有软件包可以根据其结构（图1）或构建它们的主机平台分为三类。第一种类型VMMs（单机版）直接在物理硬件上实现（如IBM的VM/370、VMware的ESX服务器）。第二种类型VMM（托管）完全构建在主机操作系统（用户模式Linux）上。第三种类型VMMs是第一种类型和第二种类型的混合型。它们主要在物理硬件上运行，但使用主机操作系统执行I/O操作（VMwareWorkstation、MicrosoftVirtualPC、VirtualServer2005)[5]。

另外，根据软件的使用情况，虚拟化软件可以分为两类：

(1）服务器型软件。设计用于远程访问和控制虚拟机的软件（MicrosoftvirtualServer2005和VMWareServerGSX）。

(2）单用户类型软件。专为单独在单台计算机上使用而设计的软件（MiscrosoftVirtualPC2007、VMWareWorkstation5.5和Xen）。

虚拟化软件适用于创建虚拟网络实验室。通过对各种虚拟网络实验室项目的分析，可以很容易地证明这一点。

3、虚拟网络实验室

过去几年，有些实验室项目的目标基本相同。其思想是将虚拟化技术作为实现虚拟网络实验室的基本工具。以这种方式创建的虚拟实验室有多种用途，如IPv6协议的实验联网、教育实验和研究。

(1)VNUML是用于虚拟化的开源工具。它被设计用来模拟计算机网络。它基于用户模式Linux(UML），开发于2004年。马德里技术大学远程通信工程系（UPM）作为Euro6IX研究项目的一员，利用zebra/quagga开源路由软件进行IPv6网络模拟研究项目的一部分[6]。

(2)Netkit是一个最初用于计算机网络领域的实验环境。NetML（基于XML的语言）是为网络拓扑描述而设计的。Netkit基于开源软件和用户模式Linux。项目于2005年启动。计算机网络研究组（罗马特雷大学）为了创造低成本的教育环境，将其作为Linux用户组的一部分。

(3)Imunes是为计算机网络和分布式系统领域的研究而设计的研究工具。该网络仿真器基于改进的FreeBSD内核。项目于2003年启动。它是以太网、路由、IPv4和IPv6网络模拟开发项目的一部分。

(4)Einar是路由器模拟器，以liveCD的形式提供。它是瑞典皇家理工学院为教育目的和教学路由概念而开发的。它基于Knoppix平台，带有Xen虚拟化软件和Quagga路由软件[6]。

(5)VELNET是基于VMWare工作站软件和各种客户操作系统的计算机网络课程虚拟实验室。

4、虚拟实验室的实现

实施基于所描述的其他研究项目的经验。一个设计好的虚拟网络实验室必须满足几个特殊要求。

该实验室计划用于计算机网络课程，教授IP地址、静态和动态路由（RIP和OSPF）、防火墙概念和网络服务（Web和FTP）。它是基于windows平台的低成本、易用的解决方案，用于其他几个课程。

由于项目实现的软件工具在VMWare和虚拟PC上受到限制。在没有测试其他选项的情况下，选择MicrosoftVirtualPC2007。来宾操作系统必须分别安装在每个虚拟机上，并且可能与基本操作系统不同。考虑到要开发一个低成本的环境，合理的选择是Linux或其他开源操作系统（图1)[7]。有几种Linux发行版适合使用。本研究测试的操作系统之一是TrustixLinux服务器。它是一种紧凑的操作系统，安装量小，硬件要求低，特别是内存要求低。

所选平台提供完成所需网络模拟所需的所有剩余软件。Linux有各种各样的软件包可供实验练习使用。对于IP地址，可以使用标准的Linux命令ifconfig和netconfig。静态路由可以通过路由命令完成。防火墙概念可以通过将iptables软件作为一个包安装在Linux操作系统中来实现[8]。

现考虑如何组织动态路由练习。使用各种免费路由软件套装可以做到这一点。市场上有许多可用且稳定的开源软件解决方案，如Zebra、Quagga和XORP。上述练习中使用的软件是GNUZebrafree路由软件，支持RIP、OSPF和BGP4动态路由协议。

最后，选择合适的服务器软件来教授互联网服务并不难。像其他情况一样，有许多开源解决方案，而且很容易实现其中一个[9]。选择Apache服务器作为web服务，proftpd作为FTP服务。在这两种情况下，它都是广泛使用和可靠的开源软件。

安装完成后，在启动和实验室练习期间对带有Linux操作系统和所需软件的虚拟机进行测试[10]。

对于实验室练习，必须在真实计算机实验室的每台PC机上安装和启动虚拟机。所有使用过的虚拟机都可以在一台用于准备环境的PC上形成。形成的虚拟机可复制到教室里的所有其他计算机上[11]。

5、实验室练习

接着为设计的虚拟实验室创建实验室练习[12]。在这一阶段，需要为所有练习规划和设计网络拓扑。考虑到实验室练习结构和课程需求，最合适的虚拟网络拓扑如图2所示[13]。演习所需网络有5个路由器（RT1、RT2、RT3、RT4和RT5）、2个工作站（WS1和WS2）和1个服务器（SRV1），共8台虚拟机[14]。

在信息管理与信息系统专业的计算机网络课程中，已经测试了七个实验室练习。表1给出了每个练习说明，包括涵盖的主题和所需的软件组件。

有意思的是，Zebra路由软件用于动态路由协议练习（RIP和OSPF），具有类似Cisco路由器的CLI。表1给出了路由器配置的示例（清单1）。

在网络服务教学（实验练习6）中，学生能够学习如何编译和安装服务器软件（apache或proftd），或者逐步配置Web和FTP服务。最后，学生可以访问服务并分析服务器日志。

6、虚拟实验室测试

虚拟实验室在两种不同的计算机配置上进行了测试。使用Microsoft®管理控制台进行测试。测试的主要性能是启动时和训练期间处理器的使用情况。此外，还测试了内存和硬盘空间的使用情况。计算机性能测试见表2。在表2中，C为计算机配置；NVM为虚拟机数量；ST为启动时间(min);PU为进程中的处理器使用情况(百分比)；PMU为可用物理内存（MB);HDU为硬盘使用率（GB);C1为Windows7CPU:Core-i53.2GHzRAM=2GB。NVM列显示在实验室场景中使用的虚拟机的数量。

虚拟实验室性能的另一项测试是在完成练习后进行。问卷由参加练习的学生填写（共79人）。问卷中有三个问题。（1）学生们被要求对VirtualPC2007的使用情况进行评分。（2）学生们被要求对这种教学方法对网络概念有多大帮助进行评分。（3）学生们被要求对同样的方法在让他们准备使用真实系统时的用处进行评分。成绩在1-5之间，5分为最佳成绩。问卷调查结果（平均分）见表3。在表3中，Q为问题；AG为平均等级；N1～N5为给定等级数。

从表3的结果可知，虽然本次问卷调查显示对本次虚拟化技术应用有一定帮助，但由于实验系统的局限性以及所提问题仅针对本次虚拟化技术应用，结果没有普遍性。而且，本次问卷调查问题只是大概摸底，没有涉及到具体问题。具体的对比实验数据调查分析，将在后续实验中展开。

7、结论

根据上述测试，可以创建基于虚拟化技术的实验室练习来教授网络概念课程。虚拟网络实验室的基本工具是用户虚拟化应用程序-VirtualPC2007。Linux被用作虚拟机操作系统。虚拟实验室中使用的所有其他软件都是开源软件。硬件要求并不高，在一台性能一般的计算机上创建可用于实验室练习的虚拟实验室是可能的。

参考文献:

[1]蔡俊才.虚拟化技术在计算机网络技术专业中的应用探索[J].电子世界,2016,000(015):33.

[2]曹香港,韩臻,李彬彬,等.虚拟化技术在计算机网络对抗中的应用研究[J].微计算机信息,2009,000(036):33-35.

[3]张英香.虚拟化技术在高职计算机网络课程实验教学中的应用[J].高教学刊,2015,000(007):65-65.

[4]顾红燕.虚拟化技术在计算机网络教学中的运用[J].电脑知识与技术,2018,014(034):148-149.

[5]侯海燕.虚拟化技术在计算机网络应用实践教学的应用[J].电脑知识与技术,2020,16(14):191-192.

[6]陈曦,吴涛.轻量级虚拟化技术在计算机网络教学中的应用研究[J].教育教学论坛,2020,484(38):380-381.

[7]窦如林,施卫娟.虚拟化技术在网络实验教学中的应用[J].时代教育(教育教学),2011(05):147-148.

[8]于鹏,秦超逸,张宇.一种基于虚拟化技术的域际路由模拟平台[J].智能计算机与应用,2020,10(03):340-344.

[9]庄小凡,倪嘉.基于虚拟化技术的计算机网络认证系统和方法,中国,CN101414913A,2008.

[10]刘许刚.刘向阳,霍士伟.虚拟化技术在《计算机网络管理》实训教学中的应用研究[J].网络安全技术与应用,2020,231(03)92-93.

[11]肖碧波.虚拟化技术在《计算机网络基础》教学中的应用[J].华章,2011(14):155.