朱志強(qiáng)， 李瀅潞， 任國強(qiáng)

（山東科技大學(xué)電氣信息系，濟(jì)南 250031）

0 引言

高校通過教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)等形式，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力和創(chuàng)新能力，為國家培養(yǎng)更多適應(yīng)新時(shí)代建設(shè)的專業(yè)技術(shù)人才。教學(xué)環(huán)節(jié)可以采取線下教學(xué)和線上教學(xué)等方式，高校運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)工具，通過國家級(jí)和省級(jí)精品在線開放課程，以及MOOC、Zoom、雨課堂、騰訊會(huì)議、學(xué)習(xí)通、智慧樹等平臺(tái)為學(xué)生提供線上教學(xué)課堂，不僅彌補(bǔ)了線下教學(xué)受時(shí)間、地點(diǎn)等因素的限制，又為不同需求的學(xué)生提供了較為豐富的學(xué)習(xí)方式。國家高等教育智慧教育平臺(tái)自2022 年3 月28 日上線以來，受到廣大師生熱烈歡迎［1］。雖然在線課堂教學(xué)也存在一些不足，但整體能較好地為學(xué)生提供課堂教學(xué)的環(huán)境和效果。

高等學(xué)校正常教學(xué)除課堂教學(xué)外，還有大量的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。對于實(shí)施新工科教育的高校，更加注重工程教育和實(shí)踐教學(xué)［2］。許多高校對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了大量研究［3-5］，建設(shè)了一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［6-8］，提供開放式的遠(yuǎn)程連接功能，滿足學(xué)生線上實(shí)踐教學(xué)要求［9-12］。對于硬件設(shè)備要求較高的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，部分高校也進(jìn)行了相關(guān)課程的研究［13-16］。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)雖然能完成實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，但與實(shí)際的硬件實(shí)踐教學(xué)效果還是存在不少的差距。如何能力所能及地為學(xué)生提供線下實(shí)踐教學(xué)的環(huán)境及效果，減少實(shí)驗(yàn)室學(xué)生聚集，滿足部分校外學(xué)生完成線下實(shí)踐教學(xué)要求，是我們應(yīng)該重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

本文結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)備，通過ToDesk軟件的支持，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程端口鏡像實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程連接的端口鏡像線下實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，充分利用實(shí)驗(yàn)室的交換機(jī)和協(xié)議分析系統(tǒng)等硬件實(shí)踐設(shè)備，彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)受時(shí)間地點(diǎn)等因素的限制，為學(xué)生提供遠(yuǎn)程連接的線下實(shí)踐教學(xué)環(huán)境及效果。

1 硬件環(huán)境搭建

本文以交換機(jī)端口鏡像實(shí)驗(yàn)環(huán)境為例，給出遠(yuǎn)程端口鏡像硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境的連接示意圖（見圖1）。實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備按圖1 虛線框內(nèi)所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，主要涉及的硬件設(shè)備有3 層交換機(jī)S3750-24 和S3760-24、RCMS控制服務(wù)器、協(xié)議分析服務(wù)器及安裝協(xié)議分析系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)等。

圖1 遠(yuǎn)程端口鏡像硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境連接示意圖

在圖1 中，實(shí)驗(yàn)室3 臺(tái)主機(jī)配置比較特殊，每臺(tái)主機(jī)均配置硬盤保護(hù)系統(tǒng)，最好安裝硬件的硬盤保護(hù)卡，以保護(hù)每臺(tái)主機(jī)安裝的各種軟件不會(huì)被誤刪除。每臺(tái)主機(jī)均配置兩塊網(wǎng)卡，其中一塊網(wǎng)卡用于主機(jī)連接校園網(wǎng)；另一塊網(wǎng)卡則用于連接實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備，如連接S3760-24 交換機(jī)。另外，圖1 中所有主機(jī)均安裝ToDesk軟件，是遠(yuǎn)程連接線下實(shí)踐教學(xué)環(huán)境實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是確保遠(yuǎn)程端口鏡像硬件實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的重要條件。

2 ToDesk軟件作用

ToDesk軟件是免費(fèi)的國內(nèi)自主研發(fā)遠(yuǎn)程控制軟件，其安全性網(wǎng)上說法各異，考慮到本文是將該軟件應(yīng)用高校的實(shí)踐教學(xué)，只要實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)使用的主要軟件保護(hù)功能防范充足，且實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用軟件符合國家安全要求的規(guī)定，ToDesk 軟件端到端對稱加密算法和TLS1.2 傳輸協(xié)議可以提供較安全的保護(hù)，可放心使用該軟件。若高校某實(shí)踐教學(xué)安全程度要求較高，則在遠(yuǎn)程連接中根據(jù)情況謹(jǐn)慎使用。

ToDesk軟件的作用就是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)，在遠(yuǎn)程完成相關(guān)實(shí)踐教學(xué)任務(wù)時(shí)，如同在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行一樣。也就是在校園之外的任何地方，只要計(jì)算機(jī)能連接到互聯(lián)網(wǎng)上，就可以通過ToDesk軟件，遠(yuǎn)程操作學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)，如同身臨其境，完成相關(guān)實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。

3 硬件設(shè)備連接

圖1 中實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的連接可根據(jù)自己的實(shí)際需求進(jìn)行連接，本文提供的連接方法是通過RCMS 控制服務(wù)器來管理交換機(jī)，用八爪魚線與S3760-24 交換機(jī)的Console接口相連；協(xié)議分析系統(tǒng)服務(wù)器以及其余的設(shè)備均使用雙絞線連接，S3750-24 交換機(jī)連接實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)內(nèi)各硬件設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室主機(jī)其中一塊網(wǎng)卡與S3750-24 交換機(jī)連接，可上校園網(wǎng)；另一塊網(wǎng)卡則用于連接S3760-24 交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)端口鏡像的相關(guān)功能。表1 給出圖1 實(shí)驗(yàn)室相關(guān)硬件設(shè)備各接口功能或IP地址設(shè)置情況。

表1 實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備各接口功能或地址設(shè)置

圖2 為實(shí)驗(yàn)室交換機(jī)硬件連接圖，最上層交換機(jī)即為S3760-24-1，其中fastEthernet 0/1、fastEthernet 0/10、fastEthernet 0/15 分別通過圖2 最下面的轉(zhuǎn)接接口與主機(jī)A、主機(jī)B和主機(jī)C的第2 塊網(wǎng)卡相連。

圖2 實(shí)驗(yàn)室交換機(jī)硬件連接

4 遠(yuǎn)程連接

實(shí)驗(yàn)室各硬件設(shè)備按圖1 結(jié)構(gòu)正常連接開啟后，主機(jī)A、B、C上分別運(yùn)行ToDesk 軟件，啟動(dòng)后的部分界面截圖如圖3 所示，其中圖3 隱藏的設(shè)備代碼和臨時(shí)密碼這兩個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)提前發(fā)給遠(yuǎn)程主機(jī)的學(xué)生。遠(yuǎn)程主機(jī)啟動(dòng)ToDesk軟件后，按界面提示輸入要連接的實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)對應(yīng)的設(shè)備代碼和密碼，就可以正常連接主機(jī)A、B、C，圖4 為遠(yuǎn)程主機(jī)D連接控制主機(jī)A的界面，圖5 為遠(yuǎn)程主機(jī)E連接控制主機(jī)C 的界面。同樣遠(yuǎn)程主機(jī)F也可連接控制主機(jī)B。

圖3 ToDesk軟件啟動(dòng)后部分界面截圖

圖4 遠(yuǎn)程主機(jī)D連接主機(jī)A的界面

圖5 遠(yuǎn)程主機(jī)E連接主機(jī)C的界面

這樣就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程主機(jī)控制學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)，具體連接控制的IP 地址等信息詳見表2，其中遠(yuǎn)程主機(jī)D在學(xué)校濟(jì)南校區(qū)的校園網(wǎng)外，遠(yuǎn)程主機(jī)E和F則在濟(jì)南之外的其他城市。雖然學(xué)校提供校外VPN連接方式，但在遠(yuǎn)程連接實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備時(shí)遇到諸多困難，以至于不能連接實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備，而通過ToDesk軟件則可簡捷方便地連接實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備。

表2 遠(yuǎn)程主機(jī)連接控制情況

5 主要設(shè)置

5.1 交換機(jī)端口鏡像配置

若主機(jī)A 登錄S3760-24-1 交換機(jī)后，輸入以下命令：

這樣就將交換機(jī)fastEthernet 0/1 接口數(shù)據(jù)鏡像到fastEthernet 0/15 接口。

5.2 協(xié)議分析系統(tǒng)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)室硬件協(xié)議分析系統(tǒng)使用的是RG-PATSV2，在主機(jī)C 上啟動(dòng)RG-PATS-V2，在圖6 的RGPATS-V2 登錄界面輸入用戶名、密碼、協(xié)議分析服務(wù)器地址，主機(jī)網(wǎng)卡可以選擇網(wǎng)卡2，是遠(yuǎn)程主機(jī)E 通過ToDesk軟件控制實(shí)驗(yàn)室主機(jī)C 啟動(dòng)RG-PATS-V2 系統(tǒng)后顯示的內(nèi)容。

圖6 RG-PATS-V2登錄界面

5.3 協(xié)議分析系統(tǒng)捕獲數(shù)據(jù)包設(shè)置

當(dāng)主機(jī)A在ping 主機(jī)B 網(wǎng)卡2 的IP 地址時(shí)，在主機(jī)C上啟動(dòng)協(xié)議數(shù)據(jù)分析模塊，選擇菜單欄中“適配器”選項(xiàng)，出現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選擇”界面后選擇捕獲數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即選擇網(wǎng)卡2，開始捕獲數(shù)據(jù)包后的界面如圖7 所示。

圖7 RG-PATS-V2捕獲數(shù)據(jù)包后界面

從圖7 可以看出，當(dāng)主機(jī)A 在ping 主機(jī)B 時(shí)，主機(jī)C的協(xié)議分析系統(tǒng)捕獲到的數(shù)據(jù)包有40 個(gè)，說明主機(jī)C捕獲到了主機(jī)A（IP地址為172.168.1.10）和主機(jī)B（IP地址為172.168.1.20）之間的數(shù)據(jù)包，端口鏡像功能設(shè)置成功。

5.4 WireShark軟件捕獲數(shù)據(jù)包

為進(jìn)一步對比數(shù)據(jù)包捕獲情況，也可以在主機(jī)C上安裝WireShark 軟件，用該軟件捕獲通過端口鏡像配置將交換機(jī)fastEthernet 0/1 接口數(shù)據(jù)鏡像到fastEthernet 0/15 接口的情況。在主機(jī)C 上啟動(dòng)WireShark軟件，選擇網(wǎng)卡2 進(jìn)行數(shù)據(jù)包捕獲，具體捕獲的結(jié)果如圖8 所示。

圖8 WireShark捕獲數(shù)據(jù)包結(jié)果

從圖8 可以看出，當(dāng)主機(jī)A 在ping 主機(jī)B 時(shí)，主機(jī)C的WireShark軟件捕獲到了相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，即源地址為172.168.1.10 目標(biāo)地址為172.168.1.20 的ICMP請求包，以及源地址為172.168.1.20 目標(biāo)地址為172.168.1.10 的ICMP響應(yīng)包，說明端口鏡像功能設(shè)置成功。

圖7 和圖8 結(jié)果僅是應(yīng)用ICMP 協(xié)議得到的數(shù)據(jù)，作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程端口鏡像的一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，學(xué)生可以較好地完成工程訓(xùn)練任務(wù)。WireShark軟件捕獲數(shù)據(jù)包與RG-PATS-V2 協(xié)議分析系統(tǒng)相似，但WireShark 軟件不能對發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編輯，而RG-PATS-V2 協(xié)議分析系統(tǒng)則可根據(jù)實(shí)踐教學(xué)要求，發(fā)送端啟動(dòng)協(xié)議分析系統(tǒng)協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)生器，選擇相應(yīng)協(xié)議編輯數(shù)據(jù)包，發(fā)送給接收端。

6 相關(guān)實(shí)踐環(huán)境性能對比

用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、交換路由等模擬器軟件也可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目如端口鏡像功能，但與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際硬件設(shè)備環(huán)境和遠(yuǎn)程實(shí)踐教學(xué)環(huán)境存在一定的差別。表3 給出相關(guān)實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的對比結(jié)果。

表3 相關(guān)實(shí)踐環(huán)境性能對比

從表3 可以看出，在設(shè)備直觀性、工程訓(xùn)練性和操作難度等方面，交換路由等模擬器軟件體現(xiàn)的性能一般；在綜合設(shè)計(jì)程度和實(shí)驗(yàn)成本等方面，交換路由等模擬器軟件體現(xiàn)的性能較好［17］。實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備環(huán)境初期建設(shè)成本高，還需要一定的設(shè)備維護(hù)運(yùn)行成本，雖然實(shí)驗(yàn)成本高，只要條件允許還是滿足學(xué)生實(shí)踐教學(xué)要求的首選，但在特殊時(shí)期，如高校實(shí)行線上教學(xué)情況下學(xué)生就無法到實(shí)驗(yàn)室做相關(guān)實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)初期建設(shè)成本較高，也需要一定的維護(hù)運(yùn)行成本，隨著共享平臺(tái)的建設(shè)，與實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備環(huán)境相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)成本則較低，也適合線上實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，但在綜合設(shè)計(jì)程度和實(shí)際工程訓(xùn)練方面存在一定的不足。遠(yuǎn)程實(shí)踐教學(xué)環(huán)境依托實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備環(huán)境，通過互聯(lián)網(wǎng)為學(xué)生提供線上實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，既能滿足實(shí)踐教學(xué)的要求，也能在正常教學(xué)情況下為學(xué)生提供課下開放實(shí)踐環(huán)境，為學(xué)生的工程訓(xùn)練和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)踐提供有力的支撐。

7 結(jié)語

高校實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要手段，特別是實(shí)施新工科教育的高校則更加重要，綜合應(yīng)用多種形式的實(shí)踐教學(xué)有助于學(xué)生實(shí)踐能力的不斷提高，為學(xué)生提供線下實(shí)踐教學(xué)環(huán)境及效果是高校面對的重要問題。本文給出一種通過遠(yuǎn)程連接的形式為學(xué)生提供學(xué)校實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的方法，可快速高效地搭建遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，有效地滿足學(xué)生實(shí)踐教學(xué)要求。在做好實(shí)驗(yàn)室設(shè)備安全和網(wǎng)絡(luò)安全前提下，該方法不僅可進(jìn)一步推廣到其他相近專業(yè)或相似條件下的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，也可以為高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的資源共享提供一種快速高效可借鑒的方法，使實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備得到充分有效的利用。