劉捷 LIU Jie；胡倩 HU Qian

（①華南理工大學計算機科學與工程學院，廣州 510006；②華南理工大學經(jīng)濟與貿(mào)易學院，廣州 510006）

（①School of Computer Science&Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China；②School of Economics and Commerce，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China）

0 引言

在網(wǎng)絡(luò)實驗室進行各種網(wǎng)絡(luò)實驗時，需要使用大量的交換機和路由器。以傳統(tǒng)方式進行實驗時，需要學生根據(jù)實驗內(nèi)容，先使用交叉線或直通線連接不同設(shè)備，進行物理組網(wǎng)；然后再通過電腦的串口訪問設(shè)備，對交換機和/或路由器進行參數(shù)配置。這樣的方式有以下幾個缺點：

①每次實驗之前，學生都需要花費時間進行組網(wǎng)和配置；每次實驗之后，由需要拆線和恢復出廠配置，組網(wǎng)方案無法重用。②頻繁插拔容易造成設(shè)備接口的損壞，增加設(shè)備損耗。③由于設(shè)備有限，實驗中經(jīng)常需要多人共用設(shè)備或搬動設(shè)備，造成管理混亂。④實驗需要物理設(shè)備的支持，使得學生需要到達實驗室才能進行實驗，無法隨時隨地進行遠程實驗。

針對以上的缺點，本文提出了一種采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)的基于NEMS的網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)，學生無需到達實驗室，即可遠程訪問，在頁面上進行邏輯組網(wǎng)，輸入實驗命令，查看實驗結(jié)果，擴展了網(wǎng)絡(luò)實驗空間。該系統(tǒng)基于NEMS，可以對實驗教學、實驗學員、實驗設(shè)備集中統(tǒng)一管理，邏輯組網(wǎng)方案可以保存和加載，實現(xiàn)了組網(wǎng)方案的重新，提升了網(wǎng)絡(luò)實驗效率。該系統(tǒng)不需要對實驗設(shè)備的連線進行物理上的改變，改善了實驗室的管理。

1 網(wǎng)絡(luò)實驗管理系統(tǒng)簡介

網(wǎng)絡(luò)實驗管理系統(tǒng)（NEMS）是一種專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)實驗管理平臺，可以對實驗教學、實驗學員、實驗設(shè)備集中統(tǒng)一管理。NEMS針對網(wǎng)絡(luò)實驗生命周期（實驗定義、實驗準備、實驗過程、實驗結(jié)果）提供完整的智能的管理。教師可以通過NEMS系統(tǒng)進行實驗的定制、實驗環(huán)境部署和實驗過程的管理、監(jiān)控，完成實驗環(huán)境的快速部屬、恢復，以及獲取、驗證實驗結(jié)果等工作，學生可以通過NEMS系統(tǒng)進行具體的實驗。

NEMS系統(tǒng)基于SOA的軟件架，教師和學員通過WEB瀏覽器就可以進行網(wǎng)絡(luò)教學實驗，不需要部署客戶端，僅僅需要部署服務(wù)器端，極大了減輕了網(wǎng)絡(luò)實驗室管理員的維護工作。NEMS網(wǎng)絡(luò)實驗管理系統(tǒng)通過與設(shè)備控制臺設(shè)備（DMC）聯(lián)動，提供全面實驗管理方面的功能。

2 硬件組成及拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)的硬件由核心機柜（Core RACK）和實驗機柜（RACK01～RACK08）構(gòu)成。核心機柜中包含了1個交換機、1個路由器和1臺WEB服務(wù)器。每個實驗機柜中包含4臺路由器、2臺三層交換機、2臺二層交換機和1臺控制服務(wù)器。完整拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)完整拓撲圖

由于實際硬件的限制，我們只部署了8個實驗小組，每個實驗小組的拓撲圖如圖2。每個實驗小組對應(yīng)一個實驗機柜，實驗機柜中的控制管理服務(wù)器（CMS）與核心機柜中的NEMS服務(wù)器部署了兩條線路（線2），確保核心機柜對實驗機柜的狀態(tài)控制，CMS與各實驗設(shè)備之間使用控制線進行連接（線1）。每個實驗小組有8臺實驗主機，網(wǎng)卡1與核心機柜相連接（線3），可用于正常的網(wǎng)絡(luò)通訊，網(wǎng)卡2與實驗機柜相連接（線4），可用于實驗。網(wǎng)卡1的IP地址由實驗室內(nèi)網(wǎng)分配，且與服務(wù)器在同一網(wǎng)段；后者的IP地址由學生根據(jù)實驗的需要自由分配。為了便于管理并減少設(shè)備端口的損耗，實驗主機的所有網(wǎng)線都匯聚于各自的信息盒，再由綜合布線分配到各自機柜的配線模塊，然后配線模塊與機柜的各實驗設(shè)備相連接。

圖2 實驗小組拓撲圖

3 網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)組成

網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)分為4個部分：實驗主機、WEB服務(wù)器、NEMS服務(wù)器、CMS、網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備。各部分說明如下：

①實驗主機：安裝雙網(wǎng)卡，網(wǎng)卡1用于正常通訊，可通過核心路由訪問外網(wǎng)，也可訪問WEB服務(wù)器并對NEMS服務(wù)器進行操作；網(wǎng)卡2僅供學生測試實驗結(jié)果使用。②WEB服務(wù)器提供友好的操作界面，方便學生對NEMS服務(wù)器進行各項操作，并提供用戶登陸、學生管理、實驗管理、組網(wǎng)方案管理、控制命令輸入和實驗結(jié)果輸出等輔助功能。③NEMS服務(wù)器可以實現(xiàn)登陸物理設(shè)備、配置物理設(shè)備參數(shù)、下發(fā)實驗命令、遠程操作CMS等核心功能。④CMS位于NEMS服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備之間，負責匯集設(shè)備并提供遠程操作的接口。NEMS服務(wù)器下發(fā)的實驗命令以IP數(shù)據(jù)的形式封裝，CMS接收到命令后轉(zhuǎn)為字符數(shù)據(jù)形式，并轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備，同時在完成實驗后上傳所需網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置信息。⑤網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備是指實驗機柜中的其它實驗設(shè)備，用于實驗中的邏輯組網(wǎng)及響應(yīng)。

4 網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能

網(wǎng)絡(luò)實驗需要進行大量重復的工作，如物理組網(wǎng)、實驗環(huán)境配置、實驗設(shè)備管理、學生管理、實驗方案管理等，而對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的科學研究又需要靈活的實驗環(huán)境。基于此，我們設(shè)計了基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)，提供以下的功能，可以很好地滿足實際需求：

①實驗設(shè)備管理。管理員可以對CMS、實驗設(shè)備的配置文件進行管理，包括獲取實驗設(shè)備信息，獲取、查看、編輯、保存、恢復、比較實驗設(shè)備配置、設(shè)置實驗設(shè)備缺省配置等。②實驗方案管理。教師可以為每個網(wǎng)絡(luò)實驗定義所需的實驗設(shè)備、實驗設(shè)備間的邏輯組網(wǎng)情況、各實驗設(shè)備的初始配置，保存、加載、查看、編輯實驗方案內(nèi)容，并可以將實驗方案進行分類，組成不同的實驗課程，便于管理和使用。③實驗課程管理。教師可以定義實驗課程所包含的實驗、所使用的實驗方案、實驗報告模板和實驗指導書等資料，并指定參與課程的學生。④實驗人員管理。教師可以導入學生信息、指定學生參與的實驗課程、學生提交的查看實驗報告、對實驗結(jié)果進行評分。⑤實驗過程管理。學生在實驗過程中，可以隨時將實驗環(huán)境恢復到初始狀態(tài)。系統(tǒng)自動記錄實驗過程中學生輸入的命令及實驗設(shè)備反饋的結(jié)果，并將這部分內(nèi)容作為實驗報告的附件，防止學生間互相抄襲實驗報告。同時，教師還可以預定義所需屏蔽的命令，以達到所需的實驗結(jié)果。⑥并發(fā)控制?？刂茖W生對實驗設(shè)備的訪問，確保每臺實驗設(shè)備在同一時刻只能由一個用戶訪問，避免不可預料的實驗結(jié)果。⑦邏輯組網(wǎng)代替物理組網(wǎng)。系統(tǒng)部署之后，不需要再頻繁插拔網(wǎng)線和控制線，減少了設(shè)備端口的損耗。學生只需在圖形界面上拖動設(shè)備圖標及連接線圖標，即可組成可視的邏輯拓撲圖，然后進行命令輸入。系統(tǒng)將自動識別所組成的拓撲結(jié)構(gòu)，并反饋與物理組網(wǎng)相同的操作結(jié)果。⑧遠程進行實驗。在系統(tǒng)正常運行時，只需有合法的用戶身份，即可使用瀏覽器隨時隨地進行網(wǎng)絡(luò)實驗，突破了時空的限制，使網(wǎng)絡(luò)實驗更加人性化。

5 網(wǎng)絡(luò)實驗室的維護與管理

網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)在原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)上進行了改造和升級，引入了額外的控制設(shè)備和服務(wù)器，其設(shè)備和功能的復雜性為網(wǎng)絡(luò)實驗室的維護與管理增加了難度。為此，我們采取實驗室管理與教學相結(jié)合的辦法，以實驗室管理保障教學、教學輔助實驗室管理的工作思路。實驗室管理員與任課教師、助教合作，助教負責在課前錄入和管理實驗課程信息、部署實驗內(nèi)容，課后恢復初始實驗環(huán)境；任課教師負責課中的教學輔導；實驗室管理員負責整個實驗室的安全和實驗設(shè)備的完好等工作。

為了有效預防病毒的破壞，系統(tǒng)中的軟件部分安裝在虛擬機上，無論服務(wù)器遇到任何問題，如機械故障、系統(tǒng)崩潰等，都可以方便快捷地使用備份文件快速恢復，保證系統(tǒng)的正常運行，保障實驗課的正常開展。同時在各實驗主機上安裝硬盤保護卡，指定的分區(qū)在重啟后可以自動恢復原始狀態(tài)。

6 結(jié)論

在實際部署和運行之后，網(wǎng)絡(luò)實驗室教學輔助系統(tǒng)確實能夠提供所需的功能，實現(xiàn)了遠程訪問、邏輯組網(wǎng)、實驗方案重用，擴展了網(wǎng)絡(luò)實驗空間，提升了網(wǎng)絡(luò)實驗效率，改善了實驗室的管理。

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