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)
在網(wǎng)絡實驗室進行各種網(wǎng)絡實驗時,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)實驗內容,先使用交叉線或直通線連接不同設備,進行物理組網(wǎng);然后再通過電腦的串口訪問設備,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備接口的損壞,增加設備損耗。③由于設備有限,實驗中經(jīng)常需要多人共用設備或搬動設備,造成管理混亂。④實驗需要物理設備的支持,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架構實現(xiàn)的基于NEMS的網(wǎng)絡實驗室教學輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用B/S架構實現(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,查看實驗結果,擴展了網(wǎng)絡實驗空間。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)絡實驗效率。該系統(tǒng)不需要對實驗設備的連線進行物理上的改變,改善了實驗室的管理。
網(wǎng)絡實驗管理系統(tǒng)(NEMS)是一種專業(yè)的網(wǎng)絡實驗管理平臺,可以對實驗教學、實驗學員、實驗設備集中統(tǒng)一管理。NEMS針對網(wǎng)絡實驗生命周期(實驗定義、實驗準備、實驗過程、實驗結果)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)絡教學實驗,不需要部署客戶端,僅僅需要部署服務器端,極大了減輕了網(wǎng)絡實驗室管理員的維護工作。NEMS網(wǎng)絡實驗管理系統(tǒng)通過與設備控制臺設備(DMC)聯(lián)動,提供全面實驗管理方面的功能。
網(wǎng)絡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臺控制服務器。完整拓撲結構如圖1所示。
圖1 網(wǎng)絡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。每個實驗小組對應一個實驗機柜,實驗機柜中的控制管理服務器(CMS)與核心機柜中的NEMS服務器部署了兩條線路(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地址由實驗室內網(wǎng)分配,且與服務器在同一網(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備相連接。
圖2 實驗小組拓撲圖
網(wǎng)絡實驗室教學輔助系統(tǒng)分為4個部分:實驗主機、WEB服務器、NEMS服務器、CMS、網(wǎng)絡實驗設備。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服務器并對NEMS服務器進行操作;網(wǎng)卡2僅供學生測試實驗結果使用。②WEB服務器提供友好的操作界面,方便學生對NEMS服務器進行各項操作,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果輸出等輔助功能。③NEMS服務器可以實現(xiàn)登陸物理設備、配置物理設備參數(shù)、下發(fā)實驗命令、遠程操作CMS等核心功能。④CMS位于NEMS服務器與網(wǎng)絡實驗設備之間,負責匯集設備并提供遠程操作的接口。NEMS服務器下發(fā)的實驗命令以IP數(shù)據(jù)的形式封裝,CMS接收到命令后轉為字符數(shù)據(jù)形式,并轉發(fā)到網(wǎng)絡實驗設備,同時在完成實驗后上傳所需網(wǎng)絡設備的配置信息。⑤網(wǎng)絡實驗設備是指實驗機柜中的其它實驗設備,用于實驗中的邏輯組網(wǎng)及響應。
網(wǎng)絡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、實驗設備管理、學生管理、實驗方案管理等,而對于網(wǎng)絡技術的科學研究又需要靈活的實驗環(huán)境。基于此,我們設計了基于B/S架構的網(wǎng)絡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實驗設備管理。管理員可以對CMS、實驗設備的配置文件進行管理,包括獲取實驗設備信息,獲取、查看、編輯、保存、恢復、比較實驗設備配置、設置實驗設備缺省配置等。②實驗方案管理。教師可以為每個網(wǎng)絡實驗定義所需的實驗設備、實驗設備間的邏輯組網(wǎng)情況、各實驗設備的初始配置,保存、加載、查看、編輯實驗方案內容,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備反饋的結果,并將這部分內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果。⑥并發(fā)控制。控制學生對實驗設備的訪問,確保每臺實驗設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,減少了設備端口的損耗。學生只需在圖形界面上拖動設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構,并反饋與物理組網(wǎng)相同的操作結果。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)絡實驗,突破了時空的限制,使網(wǎng)絡實驗更加人性化。
網(wǎng)絡實驗室教學輔助系統(tǒng)在原有的網(wǎng)絡設備基礎上進行了改造和升級,引入了額外的控制設備和服務器,其設備和功能的復雜性為網(wǎng)絡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)。
在實際部署和運行之后,網(wǎng)絡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)絡實驗空間,提升了網(wǎng)絡實驗效率,改善了實驗室的管理。
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