容振邦，趙鐵柱，徐　沛

(1.五邑大學(xué)　計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東　江門　529020；2.東莞理工學(xué)院　計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東　東莞　523808)

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基于J2EE的銳捷網(wǎng)絡(luò)工程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

容振邦1，趙鐵柱2，徐沛1

(1.五邑大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東江門529020；2.東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東東莞523808)

銳捷網(wǎng)絡(luò)工程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和成熟的B/S架構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行整合，使之成為一個(gè)在線操作的、面向教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。系統(tǒng)基于SpringMVC+Hibernate框架，采用MVC設(shè)計(jì)模式進(jìn)行開發(fā)，具有用戶管理、實(shí)驗(yàn)管理和系統(tǒng)管理三大功能。通過(guò)該系統(tǒng)，教師可以發(fā)布實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可以自主預(yù)約實(shí)驗(yàn)，在自選的時(shí)間內(nèi)開展遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室；實(shí)踐教學(xué)；網(wǎng)絡(luò)工程；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)工程是一個(gè)工程性、應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，其目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生成為從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施和維護(hù)等工作的高級(jí)工程技術(shù)人才[1]。五邑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)本科教學(xué)存在的主要問(wèn)題是專業(yè)課程學(xué)時(shí)壓縮，學(xué)生實(shí)踐課程課時(shí)相對(duì)不足。實(shí)驗(yàn)室是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開展實(shí)踐教學(xué)的主要場(chǎng)所，實(shí)踐教學(xué)課時(shí)的減少直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室利用率降低，學(xué)生動(dòng)手能力弱化，因此，如何提高學(xué)生的實(shí)踐技能成為亟待解決的問(wèn)題。本文主要利用B/S架構(gòu)開發(fā)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，學(xué)生只要在開放時(shí)間內(nèi)通過(guò)校園網(wǎng)登錄系統(tǒng)即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。

1　實(shí)驗(yàn)室教學(xué)現(xiàn)狀

目前，網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)室主要采用銳捷網(wǎng)絡(luò)公司的解決方案。實(shí)驗(yàn)室一共有6組設(shè)備，每組設(shè)備主要包括2臺(tái)S2126G二層交換機(jī)，2臺(tái)S3760三層交換機(jī)，2臺(tái)R1762路由器和2臺(tái)R2632路由器，8臺(tái)路由交換設(shè)備通過(guò)串口線與控制臺(tái)RCMS相連，由RCMS進(jìn)行接入控制，9臺(tái)設(shè)備擺放在一個(gè)機(jī)柜里。每個(gè)機(jī)柜通過(guò)接線器與8臺(tái)學(xué)生機(jī)相連，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室最多可以提供48名學(xué)生同時(shí)使用。每個(gè)機(jī)柜通過(guò)局域網(wǎng)互連，并且可以連入校園網(wǎng)。學(xué)生機(jī)是配備雙網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)，一塊網(wǎng)卡用來(lái)連接實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)，另一塊網(wǎng)卡接入校園網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)室拓?fù)淙鐖D1所示。

RCMS控制臺(tái)有兩個(gè)以太網(wǎng)接口，一個(gè)接口與所在機(jī)柜的學(xué)生機(jī)直連在同一臺(tái)交換機(jī)中，另一個(gè)接口備用。學(xué)生機(jī)通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)http://RCMS的IP地址:8080，即可打開RCMS控制頁(yè)面，顯示所有的路由器和交換機(jī)，如圖2所示。

若要配置其中的某一個(gè)設(shè)備，直接點(diǎn)擊即可進(jìn)入配置界面，其原理是采用Telnet協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄配置。RCMS用端口號(hào)2001至2008從左到右標(biāo)識(shí)8臺(tái)路由器或交換機(jī)。若要配置第3臺(tái)設(shè)備，也可以直接在命令行上輸入Telnet命令即可進(jìn)入配置界面。

圖1　實(shí)驗(yàn)室拓?fù)鋱D

圖2　RCMS控制頁(yè)面

2　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

雖然實(shí)驗(yàn)室學(xué)生機(jī)區(qū)域主機(jī)可以訪問(wèn)校園網(wǎng)，但是在校園網(wǎng)不能直接連接到每個(gè)機(jī)柜的路由器和交換機(jī)。原因有兩點(diǎn):1)每個(gè)機(jī)柜中的路由器和交換機(jī)的默認(rèn)配置沒(méi)有設(shè)置IP地址，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要自行配置；2)每個(gè)機(jī)柜中只有RCMS配置了靜態(tài)私有IP地址(10.1.X.2/24，其中X表示機(jī)柜的號(hào)碼，用1-6表示)，并且沒(méi)有與校園網(wǎng)直接相連。具體解決方案是將6臺(tái)RCMS的備用網(wǎng)卡與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)所在的服務(wù)器一起連接在實(shí)驗(yàn)室出口的同一臺(tái)三層交換機(jī)上，配置同一網(wǎng)段的IP地址即可。服務(wù)器所在位置如圖1橢圓虛線框所示。

在銳捷網(wǎng)絡(luò)工程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)中，主要提供用戶管理、實(shí)驗(yàn)管理和系統(tǒng)管理三大功能。每個(gè)功能包括不同的模塊，詳細(xì)的系統(tǒng)權(quán)限角色與主要功能模塊如表1所示。

表1　系統(tǒng)權(quán)限角色與功能模塊

1)用戶管理。

系統(tǒng)包括游客、學(xué)生、教師和管理員4種類型的用戶。游客屬于臨時(shí)用戶，只能瀏覽界面基本信息，不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；學(xué)生和教師用戶第一次登錄均需以游客身份進(jìn)行注冊(cè)，只有提出賬號(hào)驗(yàn)證申請(qǐng)，待管理員驗(yàn)證身份通過(guò)后，方可轉(zhuǎn)為學(xué)生或教師身份；管理員具有最高權(quán)限，主要負(fù)責(zé)用戶管理、系統(tǒng)管理以及協(xié)助學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

2)實(shí)驗(yàn)管理。

這是系統(tǒng)最主要的功能。系統(tǒng)可以開展自主實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)。自主實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室允許使用的閑置時(shí)間里，學(xué)生根據(jù)需要提前預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間以及設(shè)備的類型和數(shù)量，管理員根據(jù)實(shí)驗(yàn)室硬件資源能滿足實(shí)驗(yàn)需求的前提下對(duì)學(xué)生的申請(qǐng)進(jìn)行審批。審批通過(guò)后，管理員協(xié)助學(xué)生做一些基本的實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備(例如簡(jiǎn)單的接線需求)，學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可以登錄系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)是指教師可以在系統(tǒng)上發(fā)布實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)要求，學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改。

3)系統(tǒng)管理。

為了方便管理員了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)日志管理和系統(tǒng)狀態(tài)查詢4個(gè)模塊。實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理包括設(shè)備類型、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備接口信息、設(shè)備接口數(shù)量等信息的增加、刪除和修改功能。設(shè)備狀態(tài)包括正常狀態(tài)、工作狀態(tài)和維護(hù)狀態(tài)(不可用狀態(tài))，通過(guò)查詢方式可以及時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的可用資源數(shù)量，為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的申請(qǐng)做好資源分配的準(zhǔn)備。管理員還可以通過(guò)設(shè)備管理對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行一鍵清(清空原來(lái)的配置信息)，為下次實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備工作。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊可以讓管理員實(shí)時(shí)監(jiān)控正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)配置界面；系統(tǒng)日志負(fù)責(zé)記錄每個(gè)用戶的詳細(xì)操作過(guò)程；系統(tǒng)狀態(tài)查詢主要顯示服務(wù)器當(dāng)前CPU、內(nèi)存的利用率和Web服務(wù)器的工作參數(shù)等信息。

3　遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用B/S[2-4]架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性。軟件系統(tǒng)采用Windows Server 2008+JDK 1.7+Tomcat 7.0+MySQL 5.6.35+Mongo DB 2.6.0。系統(tǒng)采用的核心技術(shù)有Spring Framework、Spring MongoDB、Hibernate、Ajax和Jquery。

3.1Spring+Hibernate+MongoDB

Spring是一個(gè)開源的輕量級(jí)的J2EE企業(yè)級(jí)應(yīng)用框架，本質(zhì)上是一個(gè)利用控制反轉(zhuǎn)(IOC)和面向切面(AOP)技術(shù)構(gòu)建的容器框架。系統(tǒng)主要應(yīng)用Spring Framework 提供的輕量級(jí)J2EE框架，采用MVC模式開發(fā)。

Hibernate是一個(gè)開放源代碼的基于Java平臺(tái)的對(duì)象關(guān)系映射(ORM)框架。它采用對(duì)JDBC底層操作進(jìn)行輕量級(jí)封裝，引入數(shù)據(jù)庫(kù)二次加載，連接池等技術(shù)的方式，為Java程序的開發(fā)提供了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)操作。通過(guò)使用Hibernate作為程序的數(shù)據(jù)庫(kù)持久層，Java開發(fā)者可以用操縱內(nèi)存對(duì)象的方式操作數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象，讓對(duì)象的修改與持久化無(wú)縫過(guò)渡。

Spring Data MongoDB的項(xiàng)目提供一體化的MongoDB的文檔型數(shù)據(jù)庫(kù)。Spring MongoDB的數(shù)據(jù)重點(diǎn)功能區(qū)是一個(gè)POJO中心的模型與MongoDB的DBCollection交互。通過(guò)利用Spring Data MongoDB，開發(fā)者可以很輕松地編寫基于MongoDB的數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。

在本系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，采用HTML+DIV+CSS進(jìn)行Web界面開發(fā)，使用Ajax技術(shù)控制客戶端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互。為了在系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性之間平衡，系統(tǒng)采用MySQL+MongoDB的雙體架構(gòu)，使用MySQL來(lái)處理格式較為固定的系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)，使用MongoDB來(lái)對(duì)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化。

3.2系統(tǒng)登錄模塊實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)要求使用用戶名與密碼進(jìn)行登錄，并在用戶注冊(cè)時(shí)要求采用實(shí)名驗(yàn)證。用戶登錄時(shí)，在系統(tǒng)界面輸入對(duì)應(yīng)的用戶名與密碼，點(diǎn)擊登錄后，前臺(tái)的腳本語(yǔ)言會(huì)自動(dòng)把相關(guān)信息打包成對(duì)應(yīng)的model，通過(guò)Ajax請(qǐng)求向服務(wù)器端發(fā)送。后端在接收到model以后，先從model中解包得到關(guān)鍵的數(shù)據(jù)(用戶名和密碼)，根據(jù)用戶名從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取相應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)，生成對(duì)應(yīng)的UserDomain，接下來(lái)由UserDomain完成密碼的校驗(yàn)并生成返回結(jié)果，Controller根據(jù)UserDomain的鑒別結(jié)果生成對(duì)前段的響應(yīng)。前端接收到響應(yīng)后，檢查響應(yīng)數(shù)據(jù)，如果響應(yīng)數(shù)據(jù)為成功，則執(zhí)行對(duì)響應(yīng)結(jié)果的跳轉(zhuǎn)，進(jìn)入系統(tǒng)；如果響應(yīng)失敗，則提示失敗原因，其時(shí)序圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)登錄模塊時(shí)序圖

3.3系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K是系統(tǒng)的核心模塊，包括Telnet轉(zhuǎn)換Http子模塊、控制器論詢子模塊、Socket線程管理子模塊、Socket線程維護(hù)子模塊、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控子模塊。下面重點(diǎn)介紹Telnet轉(zhuǎn)換Http和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控兩個(gè)子模塊。

3.3.1Telnet轉(zhuǎn)換Http子模塊

該子模塊的主要原理是，服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)機(jī)維持與控制臺(tái)的Telnet連接，把來(lái)自瀏覽器的命令代理送入控制臺(tái)，并把控制臺(tái)的響應(yīng)緩存起來(lái)，把結(jié)果以Http協(xié)議送回用戶端[5]。整個(gè)過(guò)程的原理圖如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)Telnet協(xié)議，本系統(tǒng)采用了Java的套接字與多線程來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，在連接啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)底層根據(jù)參數(shù)打開與控制中心的連接，并在經(jīng)過(guò)端口協(xié)商后，獲取到連接的輸入流和輸出流；然后，把輸入流與輸出流分別送入特定的線程組中，由線程組控制實(shí)現(xiàn)協(xié)議的讀寫。

圖4　Telnet轉(zhuǎn)換Http子模塊示意圖

3.3.2遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控子模塊

該模塊主要用于管理員實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。本模塊的實(shí)現(xiàn)原理為，當(dāng)Telnet轉(zhuǎn)換Http子模塊執(zhí)行緩存響應(yīng)或?qū)懭朊顣r(shí)，同步寫入監(jiān)控緩存。管理員登錄監(jiān)控頁(yè)面時(shí)，首先，向控制中心查詢當(dāng)前正在進(jìn)行中的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與操作用戶；然后，管理員選擇某一設(shè)備，即可對(duì)監(jiān)控緩存進(jìn)行輪詢請(qǐng)求，以第一視角監(jiān)控到實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。其時(shí)序如圖5所示。

圖5　遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊運(yùn)行時(shí)序圖

4　遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)應(yīng)用

4.1學(xué)生訪問(wèn)系統(tǒng)的主要流程

學(xué)生用戶通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)提出實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)。在實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)中，學(xué)生需要指定實(shí)驗(yàn)時(shí)段，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備類型和數(shù)量以及填寫實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的接線情況。管理員檢查申請(qǐng)的內(nèi)容，若實(shí)驗(yàn)室能滿足申請(qǐng)的要求，則批準(zhǔn)該申請(qǐng)；否則拒絕申請(qǐng)，學(xué)生需要重新提出申請(qǐng)。待實(shí)驗(yàn)批準(zhǔn)生效后，學(xué)生需要在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)登錄系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

學(xué)生在系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)配置過(guò)程如圖6所示。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)界面上可以看出，在Web頁(yè)面上內(nèi)嵌了一個(gè)命令輸入終端，學(xué)生正在通過(guò)命令的方式在交換機(jī)S3760上進(jìn)行交換機(jī)命令配置，效果與C/S的Telnet方式訪問(wèn)是類似的。

4.2對(duì)比分析

作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助教學(xué)系統(tǒng)，銳捷網(wǎng)絡(luò)工程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)與采用模擬器Boson NetSim、Packet Tracer、Dynamips和GNS3構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐教學(xué)方式[6-10]相比，具有以下特點(diǎn):1)與

圖6　遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)界面

采用Boson NetSim和Packet Tracer方式相比，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)采用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能支持更多的模擬器上不支持的網(wǎng)絡(luò)命令，因而能執(zhí)行更多復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)；2)與Dynamips和GNS3方式相比，系統(tǒng)對(duì)學(xué)生用戶的計(jì)算機(jī)的性能要求不高，只需要保證網(wǎng)絡(luò)暢通即可，在校園網(wǎng)的環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)性能比較容易得到保障。詳細(xì)的比較如表2所示。

表2　性能對(duì)比

從上面的分析可知，采用遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)具備了Boson NetSim、Packet Tracer、Dynamips和GNS3等模擬器的優(yōu)勢(shì)。

5　結(jié)束語(yǔ)

基于J2EE的銳捷網(wǎng)絡(luò)工程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在校園網(wǎng)上提供了一種通過(guò)遠(yuǎn)程登錄實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的方法，是實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)有益補(bǔ)充。其打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生能夠自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放性和靈活性，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺(jué)性、主動(dòng)性和創(chuàng)新性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果[11]。

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[10]顧春峰，李偉斌，蘭秀風(fēng).基于VMware、GNS3實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(1):73-75.

[11]戴成梅，戴成建.基于LabVIEW的電子電工網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(2)：74-77.

Design of Ruijie Network Engineering Remote Laboratory Based on J2EE

RONG Zhenbang1，ZHAO Tiezhu2，XU Pei1

(1.School of Computer Science，Wuyi University，Jiangmen 529020，China；2.Computer Institute，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China)

Ruijie network engineering remote laboratory system makes good use of existing network teaching resources and mature B/S structure to integrate an online network experimental teaching platform.System is designed in using MVC pattern based on SpringMVC and Hibernate framework with three functions including user management，experiment management and system management.Students can make an application for a remote experiment and carry out the experiment in appointed time by themselves.Teachers can also publish practical teaching content with the system.Thus the system provides a network of experimental teaching platform with autonomy，which promotes the experimental teaching quality of computer network in our school.

remote laboratory; experimental teaching; network engineering; computer network

2014-11-24；修改日期: 2015-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61402106);五邑大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目(201209260831431)。

容振邦(1979-)，男，講師，博士生，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)算與量子信息方面的研究。

G434；TP393

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.018