王文學(xué)　沈文華

摘要：文章討論了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室利用率低、安全性差、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，提供了一種基于虛擬技術(shù)的低成本學(xué)習(xí)和研究方法。

關(guān)鍵詞：虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室；設(shè)計(jì)

前言

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)活動中必不可少的過程，很多學(xué)科都是以實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)，尤其是對于一些實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科。實(shí)驗(yàn)

對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和解決問題的能力是至關(guān)重要的，學(xué)生的大部分實(shí)踐能力都是通過實(shí)驗(yàn)得到的。但由于一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格不菲，一些學(xué)校無力購置，致使實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不足，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。

迅速崛起的現(xiàn)代教育技術(shù)把虛擬實(shí)驗(yàn)引入到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教育模式，使得教與學(xué)的方式發(fā)生了革命性的變化。當(dāng)前，豐富的軟件資源為虛擬實(shí)驗(yàn)的開設(shè)提供了必要的基礎(chǔ)條件。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠利用計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或是實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它不僅能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，更加重要的是對一些缺乏實(shí)驗(yàn)條件的學(xué)校，通過運(yùn)用虛擬技術(shù)同樣能使學(xué)生如身臨其境。

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展及特點(diǎn)

虛擬技術(shù)為實(shí)驗(yàn)室提供了一個獨(dú)特而又經(jīng)濟(jì)的方式來產(chǎn)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。它可以產(chǎn)生一個定制的并裝配有諸如路由器、交換機(jī)、安全設(shè)備和工作站等設(shè)備的虛擬環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室主要是基于軟件技術(shù)，從工作性質(zhì)來看，有三類這樣的軟件，分別是模擬硬件、模擬實(shí)驗(yàn)過程和設(shè)備共享。從架構(gòu)上來分，可以分為基于C/S（或B/S）架構(gòu)和獨(dú)立軟件。

設(shè)備共享模擬軟件接受用戶界面發(fā)送的實(shí)驗(yàn)請求和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使用實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置與之連接的硬件設(shè)備，由硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回服務(wù)端，最后返回到用戶端，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的共享與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享。該項(xiàng)技術(shù)主要采用真實(shí)的物理設(shè)備，虛擬多個終端實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享，典型的應(yīng)用如打印共享、超級終端等。

模擬過程模擬軟件接受用戶界面發(fā)送的實(shí)驗(yàn)請求，分析和處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算模擬最終將結(jié)果返回客戶端。整個系統(tǒng)不涉及具體的實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備，只是利用軟件模擬實(shí)驗(yàn)的過程。這種模擬實(shí)驗(yàn)過程的模擬器一般功能比較單一，僅能實(shí)現(xiàn)有限的實(shí)驗(yàn)。也就是模擬軟件具備了什么功能，就只能實(shí)現(xiàn)什么樣的實(shí)驗(yàn)，可擴(kuò)展性較差。典型的應(yīng)用有Boson公司推出的Boson NetSim模擬程序，Gambit軟件包中的Gambit Mimic Simulator Suite軟件，還有一些用Flash做的模擬器。

硬件模擬這是虛擬設(shè)備中最真實(shí)的一種虛擬技術(shù)，它模擬的是硬件環(huán)境，包括CPU內(nèi)核、存儲器、存儲器管理單元、緩存單元、串口、網(wǎng)絡(luò)芯片、時鐘等。在此虛擬設(shè)備的基礎(chǔ)上可以安裝運(yùn)行相關(guān)的軟件。典型的應(yīng)用有SkyEye、VMWare、Qemu、Dynamips、Pemu等軟件。

從以上分析的三種虛擬技術(shù)來看，“模擬過程”最容易實(shí)現(xiàn)，但局限性最大，不可擴(kuò)展是其最大的弊端；“設(shè)備共享”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為真實(shí)，但往往有其他方面的限制，如Linux的遠(yuǎn)程服務(wù)，如果各個終端用普通用戶登錄，則不能使用超級用戶的命令，如果用超級用戶登錄，則各個登錄的用戶之間會相互干擾；“硬件模擬”是完全模擬硬件的執(zhí)行指令，各種指令和硬件執(zhí)行一樣，這樣，就擁有了一臺“軟設(shè)備”，只不過在性能上大打折扣，但已能夠滿足學(xué)校建立虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的要求。本文將基于“硬件模擬”技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)加以論述。

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室相關(guān)軟件介紹

VMWare是被廣泛應(yīng)用于虛擬PC機(jī)的系統(tǒng)軟件，它可以提供基于CPU的虛擬PC機(jī)系統(tǒng)環(huán)境，包括CPU、BIOS、硬盤和其他外圍硬件設(shè)備，使用戶可以在一臺PC機(jī)上同時運(yùn)行多個操作系統(tǒng)。它甚至可以虛擬出不同型號的網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。例如，它默認(rèn)虛擬的是AMD PCNet AM79C970A網(wǎng)卡，但也可以改變網(wǎng)卡配置，虛擬出Intel(R) PRO/1000和VMware PCI Ethernet Adapter網(wǎng)卡。

Dynamips是一種模擬各種思科路由設(shè)備的一款模擬器，通過運(yùn)行不同的IOS來模擬不同型號的路由器。它目前可以模擬Cisco2691，3620，3640，3725，3745和7206硬件平臺，在虛擬的模塊化路由器中，可以通過配置文件為不同的插槽插入不同的模塊，如NM-4T、NM-4E、C7200-IO-FE等。通過加載NM-16ESW交換模塊還可以做交換的部分實(shí)驗(yàn)。此外，通過和本地網(wǎng)卡橋接，Dynamips模擬器還可以直接和外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，外部機(jī)器可以用Telnet、SSH、SNMP等多種有效的方法來配置和管理虛擬的路由器設(shè)備。

Qemu是一套模擬主機(jī)的自由軟件。它能模擬整個電腦系統(tǒng)，包括中央處理器及其他周邊設(shè)備。它最大的優(yōu)點(diǎn)在于它是開源的，可以通過修改相關(guān)代碼來虛擬其他硬件，在構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建中，可以用它虛擬Cisco的ASA和PIX設(shè)備。

Pemu是基于Qemu軟件開發(fā)出來的一個思科PIX防火墻模擬器。由于該模擬器是模擬思科PIX防火墻的硬件，所以，在此硬件基礎(chǔ)上的PIX OS軟件都可以支持，并可以通過在虛擬的PIX硬件上安裝相應(yīng)的ASDM版本來通過WEB界面進(jìn)行配置。Pemu模擬器虛擬的PIX防火墻支持TAP、PCAP和LCAP接口，通過這些接口可以與本機(jī)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)或虛擬網(wǎng)卡通訊，并且最多可以支持8個網(wǎng)絡(luò)接口，可以完成大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與設(shè)備技術(shù)的結(jié)合。虛擬設(shè)備技術(shù)與認(rèn)知模擬方法的結(jié)合也賦予虛擬實(shí)驗(yàn)室智能化特征，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作設(shè)備，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。不但為實(shí)驗(yàn)類課程的教學(xué)改革及遠(yuǎn)程教育提供了條件和技術(shù)支持，還可以隨時為學(xué)生提供更多、更新、更好的設(shè)備。

VMWare軟件可以在一臺計(jì)算機(jī)中虛擬另一臺或多臺從硬件配置到操作系統(tǒng)完全相同或完全不同的計(jì)算機(jī)。這些虛擬計(jì)算機(jī)可以像真正的計(jì)算機(jī)一樣設(shè)置BIOS、分區(qū)和格式化硬盤、安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。虛擬機(jī)作為重要的實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)工具被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)單機(jī)實(shí)驗(yàn)、對等網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，也可以用來實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)、廣域網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。Dynamips模擬器可以虛擬一臺或多臺互聯(lián)的路由/交換設(shè)備，Pemu和Qemu軟件可以虛擬一臺或多臺PIX/ASA安全設(shè)備。把這些虛擬的計(jì)算機(jī)、路由器、交換機(jī)、防火墻互聯(lián)，就構(gòu)成了一個完整的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)臺。該實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可知，要搭建一個虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)平臺，關(guān)鍵是需要一臺高性能的宿主機(jī)，在此基礎(chǔ)上可以虛擬出所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、路由交換機(jī)設(shè)備、防火墻設(shè)備。修改VMWare軟件的一些配置，甚至可以虛擬出Cisco模擬器的IDS、IPS、NAC、MARS、CCM等設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在使用時，通常都不是孤立的，而是互聯(lián)的。以上平臺的構(gòu)建是基于VMWare、Dynamips、Pemu和Qemu等軟件，各個軟件是孤立的，要把它們虛擬的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)起來，這個連接的橋梁就是虛擬HUB。虛擬HUB可以是VMnet、TUN/TAP，也可以是微軟回環(huán)適配器（Microsoft Loopback Adapter）。假設(shè)有如下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：

在該實(shí)驗(yàn)拓?fù)渲?，用VMWare軟件虛擬PC機(jī)，Pemu軟件虛擬PIX防火墻，Dynmamips軟件虛擬路由和交換機(jī)設(shè)備。要將各個設(shè)備互聯(lián)，則只需將PC機(jī)的網(wǎng)卡用自定義的方法連接到VMWare的VMnet1上，同時在虛擬交換機(jī)連接配置文件中，用虛擬交換機(jī)的以太網(wǎng)接口（如F0/0）連接到VMware的VMnet1上去。例如，連接語句F0/0=NIO_gen_eth:DeviceNPF_{BA68CE2E-1ACE-4DCB-AF5D-92179DD5F49C}，其中BA68CE2E-1ACE-4DCB-AF5D-92179DD5F49C為VMnet1的傳輸名稱，表示PC機(jī)的網(wǎng)卡連接到VMnet1，交換機(jī)機(jī)的F0/0也連接到VMnet1，這樣虛擬的PC機(jī)就可以與虛擬的交換機(jī)通訊了。同樣，PIX和交換機(jī)之間通過VMnet2連接，PIX和路由器之間用VMnet3連接。在這里，VMnet的功能形同一個HUB，這樣，就構(gòu)成了多個虛擬設(shè)備之間的互聯(lián)。

在一般的教學(xué)過程中，一臺PC機(jī)只能搭建一個設(shè)備互聯(lián)平臺，但如果某個實(shí)驗(yàn)拓?fù)浔容^復(fù)雜，涉及幾十臺路由器、交換機(jī)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由于內(nèi)存和CPU的限制，一臺PC機(jī)難以完成，這就需要用到分布式的試驗(yàn)環(huán)境，也就是有多臺PC機(jī)共同完成這一試驗(yàn)。Dynamips軟件支持分布式的試驗(yàn)環(huán)境，特殊的通訊配置方式也為遠(yuǎn)程試驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。

結(jié)論與展望

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為實(shí)踐教學(xué)與培訓(xùn)提供了一個交互式的、以實(shí)踐為主導(dǎo)的、獨(dú)特而經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)環(huán)境也為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)提供了可能，網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)已成為遠(yuǎn)程教學(xué)研究的重要方向。虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、部署簡單、操作靈活，實(shí)驗(yàn)過程中不會出現(xiàn)諸如物理連接故障、線纜故障等意外，可大大縮減實(shí)驗(yàn)時間，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。缺點(diǎn)是所有虛擬設(shè)備全部依賴于宿主機(jī)，一旦宿主機(jī)不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)將難以保證。此外，虛擬設(shè)備之間的連接需要手寫配置文件，這個過程容易出錯，造成虛擬設(shè)備之間無法連通。這也是該實(shí)驗(yàn)室需要改進(jìn)的地方，經(jīng)過改進(jìn)后，將通過一個可視化圖形界面，用鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳操作進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建新,凌亮,王偉平.基于WWW的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2005，（6）.

[2]楊永華,應(yīng)海盛,盧暢.高校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, （2）.

[3]孫智勇.計(jì)算機(jī)組網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶大學(xué),2006.

[4]郭緒坤.虛擬網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和關(guān)鍵問題研究[D].廣州：華南師范大學(xué)，2007.

[5]李向麗,李磊,陳靜.網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)仿真與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2006，(3).

作者簡介：

王文學(xué)(1976—)，男，臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系講師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。