嚴筱永　鄭曉

［摘 要］郵政通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物流管理專業(yè)的一門專業(yè)核心課程。傳統(tǒng)的課程實驗都是基于物理計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成的，計算機需配置多塊網(wǎng)卡連接不同的網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng)。隨著虛擬仿真技術(shù)的興起，出現(xiàn)了利用Packet Tracer、eNSP等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件就能在單臺PC上完成的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗，但其無法在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的互通實驗進行仿真。隨著云計算的普及、桌面即服務(wù)的理念的提出，文章提出一種以虛擬實驗為基礎(chǔ)、基于云桌面的郵政通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程實驗方案，供專業(yè)教學參考。

［關(guān)鍵詞］郵政通信網(wǎng)絡(luò)；虛擬化實驗；云計算；DaaS

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0132-03

一、傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗教學模式

郵政通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究郵政通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊婚T專業(yè)課程。在“新工科”背景下，該課程強調(diào)培養(yǎng)學生的知識點轉(zhuǎn)化能力、應(yīng)用能力和實踐能力[1-2]。該課程的實踐環(huán)節(jié)主要包括交換機配置、路由器配置和各種應(yīng)用服務(wù)器的配置等。

在課程開展實驗過程中，傳統(tǒng)做法是實驗室使用安裝兩塊網(wǎng)卡的PC，2～6人一組，一塊網(wǎng)卡連接實驗室局域網(wǎng)，一塊網(wǎng)卡連接分組的獨立內(nèi)網(wǎng)。獨立內(nèi)網(wǎng)用來進行組網(wǎng)實驗，連接實驗室局域網(wǎng)的網(wǎng)卡用來教學、提交實驗報告等操作。基于這種物理設(shè)備的組網(wǎng)實驗在教學和實驗室管理過程中存在一些弊端，主要集中在以下幾個方面：

（1）需要雙網(wǎng)卡，普通單網(wǎng)卡的PC無法完成網(wǎng)絡(luò)課程實驗。現(xiàn)在普通PC只集成1塊網(wǎng)卡，另外安裝的PCI接口網(wǎng)卡，容易造成卡槽松動，導致無法識別網(wǎng)卡、計算機藍屏等現(xiàn)象，造成學生實驗無法順利完成。

（2）課程實驗需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多，投資較大。為完成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實驗教學任務(wù)，在實體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選擇上，一般會選擇功能比較完善的企業(yè)級設(shè)備。一般情況下，1個自然班6人一組，需要6～8組設(shè)備，實驗室的建設(shè)成本在40萬元～60萬元，如果再考慮到防火墻等安全產(chǎn)品，AP、AC等無線產(chǎn)品，NAS、IP SAN等網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備，實驗室的建設(shè)成本將進一步增加，而花大量資金建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)實驗室還會面臨因網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新快而不斷被淘汰的風險。

（3）設(shè)備在使用過程中被學生反復(fù)拔插，對接口有一定的磨損，尤其是Console口，一旦損壞，設(shè)備將無法完成配置實驗。

二、基于虛擬仿真的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗教學模式

（一）采用虛擬仿真軟件進行實驗教學

虛擬仿真軟件是在實體PC上安裝如Packet Tracer、eNSP、Dynamips、BosonNetsim等類似網(wǎng)絡(luò)模擬器軟件，其中Packet Tracer 和eNSP軟件最適合網(wǎng)絡(luò)初學者。Packet Tracer是Cisco網(wǎng)絡(luò)學院推出的一款基于思科設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，而eNSP是基于華為的數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品推出的網(wǎng)絡(luò)模擬器軟件，兩者工作方式和工作原理基本相同，但eNSP的仿真度更高，更加貼合實際的物理設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)模擬器軟件將常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、各種網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)配置過程，通過虛擬化的方式模擬出組網(wǎng)過程，讓學生切實地感受到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、組建、配置與測試的全過程[3]，更好地理解抽象的計算機網(wǎng)絡(luò)理論知識，對數(shù)據(jù)報文的構(gòu)成以及傳送過程有更加深刻的認識，從而提高學生的計算機網(wǎng)絡(luò)實踐操作能力。

虛擬仿真軟件雖然可以滿足計算機網(wǎng)絡(luò)實驗的基本需求，但網(wǎng)絡(luò)模擬器不能仿真出所有的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)命令，更無法仿真出所有網(wǎng)絡(luò)實驗項目。同時，仿真操作必定和實體PC的操作有所區(qū)別，對于課程中的復(fù)雜實驗、網(wǎng)絡(luò)故障排除的技能訓練無法起到輔助效果。

（二）采用虛擬化軟件進行實驗教學

通過在實體PC上安裝虛擬化軟件如VMware workstations、Visualbox等，創(chuàng)建多臺虛擬機（Virtual Machine），按虛擬機的網(wǎng)卡的不同類型，如橋接、NAT或僅主機模式，完成虛擬機與主機之間的網(wǎng)絡(luò)組建，完成課程中不同類型應(yīng)用服務(wù)器搭建的實驗項目[4]。這種實驗?zāi)Ｊ酱嬖谝韵虏蛔悖?/p>

（1）實驗用到的虛擬機在一臺物理主機中，如果物理主機出現(xiàn)故障，實驗步驟的中間過程將無法保持。

（2）對物理主機的性能有一定要求，當網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要開啟多臺虛擬機時，物理主機往往會出現(xiàn)資源不夠用的情況。

（3）不利于遠程移動實驗，尤其是受新冠肺炎疫情影響，線上教學、遠程實驗的迫切需求出現(xiàn)后，教師無法檢查學生本地的實驗結(jié)果、學生缺少滿足實驗要求的實體PC等矛盾突出。

從以上兩個虛擬仿真解決網(wǎng)絡(luò)實驗方案來看，基于實體主機的網(wǎng)絡(luò)模擬器和虛擬化軟件無法全面地完成郵政通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實驗，也不能發(fā)揮出虛擬化實驗的優(yōu)勢。

三、基于云計算的實驗教學模式

本文提出了一種基于云計算的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗方案[5]，可以解決上述的不足。利用云端的虛擬化技術(shù)構(gòu)建的郵政通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗平臺具有以下優(yōu)點：

（1）云端的實驗系統(tǒng)，可以突破傳統(tǒng)的實驗室固定時間、固定地點的教學模式，讓學生隨時隨地練習，打破了時空限制。

（2）突破資源限制，通過云計算平臺的虛擬化技術(shù)，在物理資源池的保障下，可以虛擬出多個網(wǎng)卡、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，供學生搭建出功能復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲。

（3）學生可以通過多樣化的移動設(shè)備接入，按需自助申請實驗資源，用戶桌面內(nèi)容完全自定義，到期后資源自動回收，實現(xiàn)自動化管理。

云計算平臺的實現(xiàn)有多種方式，如公有云、私有云等，本文研究選擇具有更好的安全性和隱私性的私有云系統(tǒng)。我們調(diào)研了現(xiàn)有的云操作系統(tǒng)，如：VMware的vSphere，利用CentOS搭建基于內(nèi)核的虛擬機服務(wù)器虛擬化平臺的底層系統(tǒng)，利用噢易云桌面搭建了VDI，利用DaaS搭建了面向校園的自助式桌面云服務(wù)平臺。

（一）KVM虛擬化與VDI

在服務(wù)器虛擬化技術(shù)中，基于內(nèi)核的虛擬機（Kernel-based Virtual Machine，簡稱KVM）是一種內(nèi)建于Linux操作系統(tǒng)中的開源虛擬化技術(shù)。KVM 已經(jīng)發(fā)展成為Linux的一部分，無須額外購買授權(quán)，節(jié)約了一部分采購成本。本案例中服務(wù)器安裝CnetOS 7.6，通過KVM對服務(wù)器的物理資源進行整合，統(tǒng)一管理，包括底層的CPU、內(nèi)存等，然后分配給上層虛擬機使用。

虛擬機桌面基礎(chǔ)架構(gòu)（Virtual Desktop Infrastructure，簡稱VDI）是利用虛擬化技術(shù)，將計算機的終端系統(tǒng)（也稱為桌面）進行虛擬化，通過將多臺X86服務(wù)器組建成桌面云資源池，以達到桌面使用的安全性和靈活性要求?？稍谫Y源池中的虛擬桌面上運行用戶所需的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)連接，利用經(jīng)過優(yōu)化的協(xié)議將操作系統(tǒng)桌面視圖以圖像或者視頻的方式傳送到用戶終端?；谧烂嬖瀑Y源池集中部署的方式，靈活配置和統(tǒng)一監(jiān)控、調(diào)度服務(wù)器資源，降低運行維護的復(fù)雜性。學生可以利用現(xiàn)有PC、手機終端或任何設(shè)備，在任何地點、任何時間通過網(wǎng)絡(luò)訪問屬于自己的個人桌面系統(tǒng)。

噢易教育桌面云服務(wù)平臺是一套可融合VDI、VOI（Virtual OS Infrastructure，虛擬系統(tǒng)架構(gòu)）和IDV（Intelligent Desktop Virtualization，智能桌面虛擬化）3種桌面技術(shù)架構(gòu)的新型桌面云產(chǎn)品，專為教育場景量身定制，面向不同教學使用場景需求，交付不同桌面架構(gòu)的教學環(huán)境，適用于公共機房、實訓室等大規(guī)模、復(fù)雜、混合場景。噢易教育桌面云服務(wù)平臺打破了VDI、VOI 和IDV的技術(shù)界限，同時具備VDI桌面的移動特性、VOI桌面和IDV桌面的高性能，以及桌面的漂移功能，并通過一致的Web視圖界面、一致的交互體驗實現(xiàn)機房、設(shè)備、桌面統(tǒng)一管理和集中運維，讓教學更順暢、管理更方便。

本文研究實驗使用3臺服務(wù)器，把集群的方式作為實驗室云端。其中1臺做主控節(jié)點服務(wù)器，2臺做計算節(jié)點服務(wù)器。主控節(jié)點服務(wù)器型號及配置如下：Dell PowerEdge R720，2xIntel E5-2630 CPU、64GB內(nèi)存，2×512GB SSD+2×10K 1.2T硬盤。計算機節(jié)點服務(wù)器型號及配置如下：Dell PowerEdge R840，4xIntel E5-4650 CPU、256GB 內(nèi)存，2×512GB SSD+6×10K 1.2T硬盤，2×1000Mbps網(wǎng)卡。整個硬件條件可同時運行120臺虛擬機，每臺虛擬機分配4GB內(nèi)存，安裝Windows 7操作系統(tǒng)，并為不同桌面配置不同的虛擬仿真軟件環(huán)境。

（二）DaaS與租戶管理

桌面即服務(wù)（Desktop as a Service）作為云計算提供的服務(wù)之一，將桌面作為服務(wù)的形式提供給用戶，可以理解為DaaS是SaaS（Software as a Service，軟件即服務(wù)）內(nèi)容的一個部分。它將用戶的桌面構(gòu)建在IaaS（Infrastructure as a Service）架構(gòu)上，通過桌面虛擬化的桌面協(xié)議，將桌面分發(fā)給最終用戶。噢易校園桌面云服務(wù)平臺是一款面向校園用戶的自助式桌面云服務(wù)平臺，以革新教學方式，強化教學實訓為目標，突破了學生在機房學習的界限，在不影響正常教學的前提下，將閑置的物理資源回收，并以實驗課程服務(wù)桌面的形式按需交付給學生和教師使用，將課堂教學和實驗拓展到課外。

將噢易DaaS平臺部署在學校本地機房，構(gòu)建校園私有的DaaS，授課教師可根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)的實驗項目，提前安裝好實驗需要的應(yīng)用軟件，并提供相關(guān)的指導書、教學視頻等教學資源，將滿足實驗需求的虛擬機鏡像打包成文件，供學生申請。學生可以通過自助管理平臺的Web頁面預(yù)約需要的網(wǎng)絡(luò)實驗桌面，服務(wù)桌面存在使周期，到期后，該申請用戶將不能訪問，計算資源自動回收，便于后續(xù)用戶申請使用。

通過租戶管理的方式申請的云桌面，可以實現(xiàn)實驗資源按需計時計量，最大限度地利用有限的資源環(huán)境，實現(xiàn)教學資源的分時復(fù)用，從而提高教與學的質(zhì)量以及增強人才培養(yǎng)方式的靈活性。

（三）構(gòu)建在線實驗平臺

郵政通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的理論知識非常復(fù)雜，同時其具有較強的實踐性，為此本課程教學團隊基于CDIO教學理念，采用工程項目案例驅(qū)動的方式開展教學活動，讓學生通過工程項目案例的實施訓練，更好地理解專業(yè)理論知識點、鍛煉專業(yè)技能，同時通過小組分工合作完成任務(wù)提高團隊協(xié)作意識。在教學過程中，將工程項目分配給小組，以小組為單位下達工作任務(wù)，圍繞網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求、設(shè)計、配置、測試和文檔撰寫，讓學生一起合作，對工程項目展開討論。課程結(jié)束時，學生須對項目的實施情況進行分析和評價。

針對在線課程的實驗需求，南京郵電大學郵政學院專門構(gòu)建了在線郵政通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗平臺，每組實驗設(shè)備包括4臺虛擬機，每臺虛擬機專門配置了1臺路由器或3層交換機。使用KVM平臺的遠程虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)多名學生遠程、異地在線聯(lián)合實驗，教師可以遠程同步在線指導與考查。學生在宿舍或家里可以像在實驗室一樣進行網(wǎng)絡(luò)實驗，完成遠程組網(wǎng)、配置路由器和交換機、分析網(wǎng)絡(luò)報文、搭建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等實驗操作。下面以配置DNS區(qū)域復(fù)制實驗為例，展示實驗過程。

1.實驗?zāi)康?/p>

DNS區(qū)域復(fù)制指將主DNS服務(wù)器上的某個區(qū)域的所有數(shù)據(jù)全部復(fù)制到該區(qū)域副本的輔助DNS區(qū)域服務(wù)器上，當修改主DNS服務(wù)器上的區(qū)域時，主DNS服務(wù)器會通知輔助DNS服務(wù)器已經(jīng)發(fā)生修改，然后通過“區(qū)域輔助”將修改的內(nèi)容復(fù)制到輔助DNS服務(wù)器。通過 DNS服務(wù)器的區(qū)域復(fù)制，可以確保承載同一區(qū)域主機的兩臺DNS服務(wù)器擁有同樣的區(qū)域數(shù)據(jù)信息。

2.實驗設(shè)備

實驗需要2臺Windows Server 2008服務(wù)器和1臺Windows 7客戶機，3臺虛擬機組成同一個局域網(wǎng)。其中1臺Windows Server 2008做主DNS服務(wù)器，1臺做輔助DNS服務(wù)器，Windows7 作為客戶進行實驗驗證。

3.實驗步驟

（1）根據(jù)項目需要申請相關(guān)服務(wù)器，并按照網(wǎng)絡(luò)拓撲進行IP地址規(guī)劃。

（2）配置3臺虛擬機的IP、網(wǎng)關(guān)、DNS地址、計算機名稱等信息，2臺Windows Server 2008服務(wù)器安裝DNS服務(wù)。

（3）配置服務(wù)器1的DNS服務(wù)，新建主要區(qū)域network.com，在該區(qū)域中再建2個主機，即添加A記錄，主機名“soft；IP 192.168.1.2”和主機名“it；IP 192.168.1.3”。

（4）配置服務(wù)器2的DNS服務(wù)，新建輔助區(qū)域network.com。

（5）配置服務(wù)器1的DNS區(qū)域復(fù)制功能，在DNS控制臺上，選擇“操作”菜單，單擊“屬性”，在DNS屬性對話框中，點擊“區(qū)域復(fù)制”選項卡，確認已選中“允許區(qū)域復(fù)制”，在“只允許下列服務(wù)器”選項下，通過“IP地址”選項，輸入輔助DNS服務(wù)器IP地址，即服務(wù)器2。

（6）在DNS區(qū)域“屬性”中的“區(qū)域復(fù)制”選項，單擊“通知”，在對話框中輸入將接受自動通知的DNS服務(wù)器IP地址，即輔助DNS服務(wù)器IP地址。

（7）在“區(qū)域?qū)傩浴边x項卡下，點擊“確定”，完成 DNS Server 服務(wù)器的區(qū)域委派。

4.實驗驗證

通過windows7客戶機 Ping 服務(wù)器1中的soft.network.com 和it.network.com 得到驗證結(jié)果， Ping通后，斷開服務(wù)器1的網(wǎng)絡(luò)，清空客戶機上的DNS緩存，命令為ipconfig/flushdns，再Ping兩個解析域名，如果仍然能Ping通，則說明實驗成功。

通過虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以實現(xiàn)許多綜合的網(wǎng)絡(luò)實驗應(yīng)用。例如，IIS 服務(wù)器的配置與訪問、FTP 服務(wù)器的配置與訪問、DHCP服務(wù)器的配置等各種應(yīng)用服務(wù)的綜合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建、配置和管理。

基于云計算的在線實驗平臺，能夠完成網(wǎng)絡(luò)實驗室的幾乎所有實驗，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置、綜合網(wǎng)絡(luò)組建等實驗，同時該實驗平臺具有良好的可擴展性，不僅能滿足基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的在線實驗，還能結(jié)合H3C公司的HCL或華為的eNSP網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，進行路由器、交換機、虛擬機與網(wǎng)絡(luò)模擬器結(jié)合的實驗，有效擴大實驗規(guī)模和提高實驗水平。利用虛擬機支持Linux和Windows操作系統(tǒng)的特點，可以支持學生自主提高實驗層次，通過在虛擬機上自主設(shè)計與實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法，并隨時可以與遠程平臺上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行聯(lián)調(diào)測試與驗證，為學生研究創(chuàng)新性實踐項目提供良好的支持。

四、結(jié)束語

在信息化高速發(fā)展的今天，云計算在教學中的應(yīng)用日趨常態(tài)化，給實驗教學和實驗室的建設(shè)增添了多元化的效果，讓用戶重復(fù)利用設(shè)備資源同時打破了實踐教學的時空界限，開拓了多元化的實踐教學空間。本文分析了郵政通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學的實體網(wǎng)絡(luò)搭建模式、虛擬化仿真實驗?zāi)Ｊ降牟蛔?，提出了一種基于云計算的桌面服務(wù)虛擬化實驗設(shè)計。在新冠肺炎疫情的考驗下，該實驗方案的實施取得了良好的效果，學生可以通過各種終端設(shè)備自助申請需要的實驗資源，解決了原有實驗室容量小、維護困難等問題，實現(xiàn)了遠程實驗預(yù)習、實驗操作、反復(fù)訓練，提高了實驗效果，鍛煉了實踐技能，有利于課程的能力產(chǎn)出。

［ 參 考 文 獻 ］

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[2］ 劉艷， 葛麗萍. 淺析計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國郵政企業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 信息通信， 2015（1）：152-153.

[3］ 李楠，孫鳳茹，張華衛(wèi).基于Packet Tracer虛擬仿真軟件的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學模式的探索[J].中國建材科技，2017（6）：144-145.

[4］ 陳國威.虛擬機技術(shù)在組網(wǎng)技術(shù)實訓教學中的應(yīng)用研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2014（5）：115-117，130.

[5］ 底曉強，韓登，楊凌翔，等.基于超融合構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學平臺探索[J］.實驗室研究與探索，2017（10）：195-198.

［責任編輯：鐘 嵐］