朱力瓊

摘要：反思以往傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，不僅會(huì)受到儀器、材料、實(shí)驗(yàn)周期、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等多種成本的制約因素影響，還存在一定的危險(xiǎn)系數(shù)，十分不利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展?；诖?，該文提出一種利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路，并著重對(duì)于平臺(tái)搭建所需要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及體系架構(gòu)進(jìn)行介紹，以期助力我國(guó)高校的實(shí)驗(yàn)改革建設(shè)，夯實(shí)相關(guān)工具基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)? 建設(shè)實(shí)踐? 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Research on Construction Practice of Computer Network Virtual Simulation Experiment Platform

ZHU Liqiong

（Gansu Vocational College of Mechanical and Electrical Technology，Tianshui，GansuProvince，731001China）

Abstract： Reflecting on the traditional experiment， not only will be affected by the instrument， material， experimental period， experimental site and other cost constraints， but also there is a certain risk factor， is not conducive to the development of teaching experiment. Based on this， this paper puts forward an idea of using virtual simulation experiment platform to carry out experimental teaching of computer network specialty， and focuses on the introduction of technical standards and system architecture required by the platform construction， in order to help the experimental reform and construction of Chinese universities and consolidate the foundation of relevant tools.

Key Words： Computer network;Virtual simulation experiment platform; Construction practice; Network technology

如今高校教育中，不僅要注重學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，更要著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐操作能力，因此各類(lèi)的專(zhuān)業(yè)課題實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育院校培養(yǎng)全面素質(zhì)人才的關(guān)鍵教學(xué)路徑之一。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是指在Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、VR虛擬技術(shù)、視頻合成技術(shù)以及工程軟件等多個(gè)方面的技術(shù)與軟件應(yīng)用，來(lái)為學(xué)生搭建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的技術(shù)。它能夠?qū)F(xiàn)有的教學(xué)資源進(jìn)行數(shù)字化、虛擬化的整合，從而提供一個(gè)真實(shí)性高、可操作性強(qiáng)、自由開(kāi)放、安全效率的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)

1.1實(shí)驗(yàn)真實(shí)性的需求

如今共計(jì)有20余個(gè)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課題，均可以登錄到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)了。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)，鑒于它取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的目的來(lái)看，必須要確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的真實(shí)性。對(duì)于計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這樣需要龐大服務(wù)器作為實(shí)驗(yàn)操作設(shè)備的課件，不僅需要的服務(wù)器組價(jià)格昂貴，而且實(shí)驗(yàn)操作要求較高，需要學(xué)生不斷地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)攻防演練，以及服務(wù)組件的掃描來(lái)提高技能水平，所以想要滿足這個(gè)建設(shè)目標(biāo)，就需要GUIDE設(shè)計(jì)軟件以及圖形模型處理軟件的精細(xì)規(guī)劃[1-2]。

1.2平臺(tái)的穩(wěn)定性的需求

無(wú)論是哪種課題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展時(shí)，都會(huì)有多種需要提示反饋的信息處理分析環(huán)節(jié)，因此它對(duì)于框架的運(yùn)行穩(wěn)定性是有著較高要求的。這種穩(wěn)定性能分為兩部分，一是邏輯問(wèn)題;二是架構(gòu)問(wèn)題。因此，在平臺(tái)建設(shè)的開(kāi)發(fā)階段，必須要根據(jù)FMEA分析法來(lái)對(duì)平臺(tái)特定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)平臺(tái)運(yùn)行的故障可能性、嚴(yán)重性以及可預(yù)測(cè)性來(lái)對(duì)信息生成與處理的過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。其中，邏輯問(wèn)題的處理還是主要依靠開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)素養(yǎng)，按照理念正確、流程規(guī)范、刨根問(wèn)底三步來(lái)對(duì)關(guān)鍵的代碼語(yǔ)句進(jìn)行測(cè)試;而框架問(wèn)題，則需要借助外部測(cè)試軟件對(duì)軟件構(gòu)件的合理性進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，如果虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的框架問(wèn)題與邏輯性問(wèn)題得不到解決，那么很容易造成平臺(tái)的級(jí)聯(lián)故障，甚至是數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)表丟失，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開(kāi)展。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)的基本功能實(shí)現(xiàn)

2.1仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)置

計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包含了3個(gè)部分功能模塊：一是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模塊，真實(shí)地模擬廣域網(wǎng)（WAN）、局域網(wǎng)（LAN）、個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）以及城域網(wǎng)（MAN）等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景的組網(wǎng)結(jié)構(gòu);二是網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)模塊，讓學(xué)生理解通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信道將數(shù)據(jù)介質(zhì)從一個(gè)服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一個(gè)服務(wù)器的交換過(guò)程，分為數(shù)據(jù)傳輸控制與數(shù)據(jù)I/O設(shè)備模擬、數(shù)據(jù)電路終端模擬（DCE）、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通信控制器（DTE）模擬;三是網(wǎng)絡(luò)安全模塊，幫助學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕?，以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬盤(pán)、軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類(lèi)數(shù)據(jù)接口、篡改抵抗，還有HSM密鑰加密等保護(hù)機(jī)制的原理[3-4]。

2.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要是指在平臺(tái)上的試驗(yàn)課程，像是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析等課程與相關(guān)教學(xué)視頻。該模塊的設(shè)立是為了在虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)上，為教師開(kāi)設(shè)課堂教學(xué)提供載體環(huán)境，在對(duì)應(yīng)的課程章節(jié)中，學(xué)生能夠第一時(shí)間了解教師的課程安排、該學(xué)期的學(xué)習(xí)重點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的公告等。還能對(duì)歷史課程與作品進(jìn)行回放查看，便于學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作技巧進(jìn)行消化理解。

2.3網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊中實(shí)操性的科目課程比較大，主要是為了完成拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的路由與交換以及各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)鏈路與電路交換的基本原理。在課程基礎(chǔ)之上，模塊內(nèi)還為學(xué)生提供了相關(guān)學(xué)習(xí)課件與隨堂作業(yè)鏈接，在課件材料中，通過(guò)模擬圖形軟件建模以及邏輯編程，讓學(xué)生在模擬軟件的用戶界面與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，分析該材料中的組網(wǎng)架構(gòu)與應(yīng)用設(shè)備類(lèi)型。同時(shí)還支持學(xué)生自行操作進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立，在每個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，都支持教師同步閱覽批注，當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行實(shí)操時(shí)，出現(xiàn)了與操作要點(diǎn)不符的問(wèn)題時(shí)，課件還能夠提供糾錯(cuò)信息，讓學(xué)生在動(dòng)手實(shí)操的過(guò)程中，掌握網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)章節(jié)的知識(shí)內(nèi)容。

2.4網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊中重點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)的基本安全防護(hù)原理、數(shù)據(jù)加密流程、網(wǎng)絡(luò)接口與安全協(xié)議等內(nèi)容進(jìn)行拓展。其中的教學(xué)內(nèi)容主要面向于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、信息工程等多類(lèi)計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)[5]。除了配套課件以外，針對(duì)每個(gè)不同的知識(shí)點(diǎn)還提供了配套的強(qiáng)化訓(xùn)練，如傳輸加密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)加密、數(shù)據(jù)完整性加密以及密鑰管理四種主流數(shù)據(jù)加密技術(shù)的模擬設(shè)計(jì)訓(xùn)練，以更直觀生動(dòng)的形式，讓學(xué)生理解在網(wǎng)絡(luò)安全中，用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分配與保存銷(xiāo)毀等操作的定義與特點(diǎn)。

3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)實(shí)踐

該平臺(tái)是以網(wǎng)絡(luò)軟件應(yīng)用的形式，以校園網(wǎng)與學(xué)生網(wǎng)為載體，由校企合作的企業(yè)開(kāi)發(fā)的一款“網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室”應(yīng)用，意在將互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)代替學(xué)習(xí)大型服務(wù)器機(jī)組實(shí)驗(yàn)設(shè)備，達(dá)到提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程效果的最終目的。

3.1平臺(tái)體系架構(gòu)

在平臺(tái)開(kāi)發(fā)階段，出于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)穩(wěn)定性需求的原因，也是考慮到了平臺(tái)的開(kāi)放性與使用便捷性，應(yīng)用了兼容性與拓展性較強(qiáng)的B/S架構(gòu)，即瀏覽器與服務(wù)器架構(gòu)模式。其主要事務(wù)邏輯都通過(guò)服務(wù)器端（Server）來(lái)負(fù)責(zé)，而次要分支事務(wù)的邏輯處理由平臺(tái)前端（Browser）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的組網(wǎng)架構(gòu)使得它可以僅僅依靠一個(gè)Browser前端瀏覽器來(lái)運(yùn)行，在瀏覽器中安裝了SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)與瀏覽器的服務(wù)器端Web server進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的交互。在B/S架構(gòu)下，一些課件設(shè)計(jì)上存在的bug問(wèn)題可以隨時(shí)進(jìn)行修復(fù)，不會(huì)影響到服務(wù)器端Server其他事務(wù)的正常處理流程。且由于數(shù)據(jù)交互全程通過(guò)服務(wù)器端進(jìn)行，極大地降低了學(xué)校實(shí)驗(yàn)室電腦的負(fù)荷壓力，在能夠滿足所有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的前提要求下，最大程度縮減了校園實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本。此外，B/S架構(gòu)基礎(chǔ)上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，也不容易出現(xiàn)其他獨(dú)立運(yùn)行軟件不穩(wěn)定性的問(wèn)題。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與運(yùn)行均需要基于Linux操作系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)庫(kù)與軟件構(gòu)件均采用開(kāi)源技術(shù)，按照科技部推薦的教務(wù)信息系統(tǒng)方案標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軟件構(gòu)件的安裝。經(jīng)過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)兼容性與穩(wěn)定性測(cè)試后，開(kāi)始正式投入使用[6]。在這個(gè)虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)上，集成了教務(wù)信息處理、學(xué)生登記、實(shí)驗(yàn)智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)自動(dòng)批注、實(shí)驗(yàn)監(jiān)督、考試測(cè)驗(yàn)以及教學(xué)評(píng)價(jià)等功能。

3.2用戶功能

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)旨在打造便于教師授課、學(xué)生動(dòng)手實(shí)操，注重教學(xué)互動(dòng)與實(shí)效的信息服務(wù)平臺(tái)，針對(duì)師生關(guān)注度比較高的內(nèi)容以及各自用戶身份的功能需求，將用戶功能結(jié)構(gòu)分為如下幾個(gè)部分。

實(shí)驗(yàn)室管理員，在以該用戶權(quán)限訪問(wèn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，為其開(kāi)放綜合平臺(tái)管理功能，以平臺(tái)用戶界面的虛擬按鍵形式分別與如下子模塊功能進(jìn)行鏈路連接：實(shí)驗(yàn)室管理、教務(wù)信息管理、賬戶管理以及終端子端信息交互管理。其中實(shí)驗(yàn)室管理中，實(shí)驗(yàn)室管理員權(quán)限可以對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的課件中出現(xiàn)的參數(shù)、模型尺寸、模型關(guān)系以及模擬試驗(yàn)的邏輯流程進(jìn)行設(shè)置;而教務(wù)信息管理則是涉及學(xué)生的作品評(píng)閱、實(shí)操考試評(píng)分、課程信息發(fā)布以及實(shí)驗(yàn)公告與課后作業(yè)內(nèi)容的發(fā)布，通過(guò)教務(wù)信息管理，可以將實(shí)驗(yàn)室管理員用戶權(quán)限確認(rèn)的信息與數(shù)據(jù)，直接發(fā)送到學(xué)生用戶端。

教師權(quán)限，包括了教學(xué)安排、教學(xué)考核以及教學(xué)過(guò)程控制這3個(gè)部分。其中教學(xué)安排是指教師根據(jù)進(jìn)度要求與備課安排，將平臺(tái)中所有的教學(xué)資源進(jìn)行分類(lèi)，并給該學(xué)期內(nèi)所有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)課件與題庫(kù)進(jìn)行排序與分類(lèi)標(biāo)記，便于開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)能夠第一時(shí)間查找到需要的課件內(nèi)容。而教學(xué)考核則是依照教學(xué)大綱，對(duì)期末與階段性測(cè)試的內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)建與導(dǎo)入。同時(shí)在教學(xué)考核中，還有學(xué)生隨堂實(shí)驗(yàn)作品的評(píng)分內(nèi)容，為了減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，平臺(tái)中設(shè)置了部分課件的自動(dòng)批準(zhǔn)功能，教師只需要對(duì)用戶界面的生成結(jié)果進(jìn)行對(duì)照核查，就可以很輕松地進(jìn)行學(xué)生的考試測(cè)驗(yàn)與成績(jī)管理了。

學(xué)生權(quán)限，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室管理員注冊(cè)后方可獲得訪問(wèn)平臺(tái)的權(quán)限，包括了教學(xué)課程、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)與教學(xué)資源這3個(gè)子模塊功能。其中教學(xué)課程子模塊中包含了該學(xué)期所有的教學(xué)視頻、教學(xué)實(shí)驗(yàn)課件以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料，是學(xué)生完成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)課程的必須功能模塊，其中隨堂測(cè)驗(yàn)與結(jié)業(yè)考核等內(nèi)容，均需要實(shí)驗(yàn)室管理員統(tǒng)一發(fā)送到學(xué)生用戶端中查閱。教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)，在教師開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，后臺(tái)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)錄入學(xué)生用戶的登錄訪問(wèn)數(shù)量，以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)課件的完成情況，并根據(jù)此綜合生成授課教師教學(xué)質(zhì)量的對(duì)應(yīng)量化考核指標(biāo)，再結(jié)合教師工作日志與教師批閱情況，以及學(xué)期末由學(xué)生點(diǎn)擊鏈接填寫(xiě)的測(cè)評(píng)表，得到該課程的具體教學(xué)質(zhì)量情況，便于學(xué)校收集教學(xué)反饋信息，不斷完善教學(xué)方法提高教學(xué)質(zhì)量。而教學(xué)資源則是直接與校園網(wǎng)電子圖書(shū)館互通的網(wǎng)絡(luò)鏈路，當(dāng)學(xué)生需要課程參考以外的資料文獻(xiàn)作為實(shí)驗(yàn)知識(shí)儲(chǔ)備時(shí)，可以通過(guò)這個(gè)入口閱覽收集，有助于幫助學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目在我國(guó)還仍然處于起步階段，但從國(guó)內(nèi)外關(guān)于它的教學(xué)研討進(jìn)展來(lái)看，其具有一定的可行性與經(jīng)濟(jì)性適用的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中課時(shí)較短、概念較多、知識(shí)面較廣以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備成本昂貴的問(wèn)題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用能夠較好完成輔助教學(xué)功能。且在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠?yàn)閷W(xué)生帶來(lái)一種全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，便于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性。

參考文獻(xiàn)

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