基于虚拟化的邮政通信网络技术实验设计
来源:用户上传
作者:严筱永 郑晓
［摘 要］邮政通信网络技术是物流管理专业的一门专业核心课程。传统的课程实验都是基于物理计算机和网络设备完成的，计算机需配置多块网卡连接不同的网络进行组网。随着虚拟仿真技术的兴起，出现了利用Packet Tracer、eNSP等网络仿真软件就能在单台PC上完成的网络仿真实验，但其无法在复杂的网络环境下对网络设备和服务器的互通实验进行仿真。随着云计算的普及、桌面即服务的理念的提出，文章提出一种以虚拟实验为基础、基于云桌面的邮政通信网络技术课程实验方案，供专业教学参考。
［关键词］邮政通信网络；虚拟化实验；云计算；DaaS
［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0132-03
一、传统网络技术实验教学模式
邮政通信网络技术是利用计算机网络技术研究邮政通信系统传输的一门专业课程。在“新工科”背景下，该课程强调培养学生的知识点转化能力、应用能力和实践能力[1-2]。该课程的实践环节主要包括交换机配置、路由器配置和各种应用服务器的配置等。
在课程开展实验过程中，传统做法是实验室使用安装两块网卡的PC，2～6人一组，一块网卡连接实验室局域网，一块网卡连接分组的独立内网。独立内网用来进行组网实验，连接实验室局域网的网卡用来教学、提交实验报告等操作。基于这种物理设备的组网实验在教学和实验室管理过程中存在一些弊端，主要集中在以下几个方面：
（1）需要双网卡，普通单网卡的PC无法完成网络课程实验。现在普通PC只集成1块网卡，另外安装的PCI接口网卡，容易造成卡槽松动，导致无法识别网卡、计算机蓝屏等现象，造成学生实验无法顺利完成。
（2）课程实验需要的网络设备多，投资较大。为完成网络技术的实验教学任务，在实体网络设备选择上，一般会选择功能比较完善的企业级设备。一般情况下，1个自然班6人一组，需要6～8组设备，实验室的建设成本在40万元～60万元，如果再考虑到防火墙等安全产品，AP、AC等无线产品，NAS、IP SAN等网络存储设备，实验室的建设成本将进一步增加，而花大量资金建设的网络实验室还会面临因网络设备更新快而不断被淘汰的风险。
（3）O备在使用过程中被学生反复拔插，对接口有一定的磨损，尤其是Console口，一旦损坏，设备将无法完成配置实验。
二、基于虚拟仿真的网络技术实验教学模式
（一）采用虚拟仿真软件进行实验教学
虚拟仿真软件是在实体PC上安装如Packet Tracer、eNSP、Dynamips、BosonNetsim等类似网络模拟器软件，其中Packet Tracer 和eNSP软件最适合网络初学者。Packet Tracer是Cisco网络学院推出的一款基于思科设备的网络模拟软件，而eNSP是基于华为的数据通信产品推出的网络模拟器软件，两者工作方式和工作原理基本相同，但eNSP的仿真度更高，更加贴合实际的物理设备。网络模拟器软件将常用的网络设备、各种网络终端设备及网络配置过程，通过虚拟化的方式模拟出组网过程，让学生切实地感受到网络的设计、组建、配置与测试的全过程[3]，更好地理解抽象的计算机网络理论知识，对数据报文的构成以及传送过程有更加深刻的认识，从而提高学生的计算机网络实践操作能力。
虚拟仿真软件虽然可以满足计算机网络实验的基本需求，但网络模拟器不能仿真出所有的网络产品和网络命令，更无法仿真出所有网络实验项目。同时，仿真操作必定和实体PC的操作有所区别，对于课程中的复杂实验、网络故障排除的技能训练无法起到辅助效果。
（二）采用虚拟化软件进行实验教学
通过在实体PC上安装虚拟化软件如VMware workstations、Visualbox等，创建多台虚拟机（Virtual Machine），按虚拟机的网卡的不同类型，如桥接、NAT或仅主机模式，完成虚拟机与主机之间的网络组建，完成课程中不同类型应用服务器搭建的实验项目[4]。这种实验模式存在以下不足：
（1）实验用到的虚拟机在一台物理主机中，如果物理主机出现故障，实验步骤的中间过程将无法保持。
（2）对物理主机的性能有一定要求，当网络结构复杂，需要开启多台虚拟机时，物理主机往往会出现资源不够用的情况。
（3）不利于远程移动实验，尤其是受新冠肺炎疫情影响，线上教学、远程实验的迫切需求出现后，教师无法检查学生本地的实验结果、学生缺少满足实验要求的实体PC等矛盾突出。
从以上两个虚拟仿真解决网络实验方案来看，基于实体主机的网络模拟器和虚拟化软件无法全面地完成邮政通信网络技术的实验，也不能发挥出虚拟化实验的优势。
三、基于云计算的实验教学模式
本文提出了一种基于云计算的计算机网络实验方案[5]，可以解决上述的不足。利用云端的虚拟化技术构建的邮政通信网络技术实验平台具有以下优点：
（1）云端的实验系统，可以突破传统的实验室固定时间、固定地点的教学模式，让学生随时随地练习，打破了时空限制。
（2）突破资源限制，通过云计算平台的虚拟化技术，在物理资源池的保障下，可以虚拟出多个网卡、交换机等网络设备，供学生搭建出功能复杂的网络拓扑。
（3）学生可以通过多样化的移动设备接入，按需自助申请实验资源，用户桌面内容完全自定义，到期后资源自动回收，实现自动化管理。
云计算平台的实现有多种方式，如公有云、私有云等，本文研究选择具有更好的安全性和隐私性的私有云系统。我们调研了现有的云操作系统，如：VMware的vSphere，利用CentOS搭建基于内核的虚拟机服务器虚拟化平台的底层系统，利用噢易云桌面搭建了VDI，利用DaaS搭建了面向校园的自助式桌面云服务平台。
nlc202302101733
（一）KVM虚拟化与VDI
在服务器虚拟化技术中，基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine，称KVM）是一种内建于Linux操作系统中的开源虚拟化技术。KVM 已经发展成为Linux的一部分，无须额外购买授权，节约了一部分采购成本。本案例中服务器安装CnetOS 7.6，通过KVM对服务器的物理资源进行整合，统一管理，包括底层的CPU、内存等，然后分配给上层虚拟机使用。
虚拟机桌面基础架构（Virtual Desktop Infrastructure，简称VDI）是利用虚拟化技术，将计算机的终端系统（也称为桌面）进行虚拟化，通过将多台X86服务器组建成桌面云资源池，以达到桌面使用的安全性和灵活性要求。可在资源池中的虚拟桌面上运行用户所需的操作系统、应用软件、网络连接，利用经过优化的协议将操作系统桌面视图以图像或者视频的方式传送到用户终端。基于桌面云资源池集中部署的方式，灵活配置和统一监控、调度服务器资源，降低运行维护的复杂性。学生可以利用现有PC、手机终端或任何设备，在任何地点、任何时间通过网络访问属于自己的个人桌面系统。
噢易教育桌面云服务平台是一套可融合VDI、VOI（Virtual OS Infrastructure，虚拟系统架构）和IDV（Intelligent Desktop Virtualization，智能桌面虚拟化）3种桌面技术架构的新型桌面云产品，专为教育场景量身定制，面向不同教学使用场景需求，交付不同桌面架构的教学环境，适用于公共机房、实训室等大规模、复杂、混合场景。噢易教育桌面云服务平台打破了VDI、VOI 和IDV的技术界限，同时具备VDI桌面的移动特性、VOI桌面和IDV桌面的高性能，以及桌面的漂移功能，并通过一致的Web视图界面、一致的交互体验实现机房、设备、桌面统一管理和集中运维，让教学更顺畅、管理更方便。
本文研究实验使用3台服务器，把集群的方式作为实验室云端。其中1台做主控节点服务器，2台做计算节点服务器。主控节点服务器型号及配置如下：Dell PowerEdge R720，2xIntel E5-2630 CPU、64GB内存，2×512GB SSD+2×10K 1.2T硬盘。计算机节点服务器型号及配置如下：Dell PowerEdge R840，4xIntel E5-4650 CPU、256GB 内存，2×512GB SSD+6×10K 1.2T硬盘，2×1000Mbps网卡。整个硬件条件可同时运行120台虚拟机，每台虚拟机分配4GB内存，安装Windows 7操作系统，并为不同桌面配置不同的虚拟仿真软件环境。
（二）DaaS与租户管理
桌面即服务（Desktop as a Service）作为云计算提供的服务之一，将桌面作为服务的形式提供给用户，可以理解为DaaS是SaaS（Software as a Service，软件即服务）内容的一个部分。它将用户的桌面构建在IaaS（Infrastructure as a Service）架构上，通过桌面虚拟化的桌面协议，将桌面分发给最终用户。噢易校园桌面云服务平台是一款面向校园用户的自助式桌面云服务平台，以革新教学方式，强化教学实训为目标，突破了学生在机房学习的界限，在不影响正常教学的前提下，将闲置的物理资源回收，并以实验课程服务桌面的形式按需交付给学生和教师使用，将课堂教学和实验拓展到课外。
将噢易DaaS平台部署在学校本地机房，构建校园私有的DaaS，授课教师可根据计算机网络的实验项目，提前安装好实验需要的应用软件，并提供相关的指导书、教学视频等教学资源，将满足实验需求的虚拟机镜像打包成文件，供学生申请。学生可以通过自助管理平台的Web页面预约需要的网络实验桌面，服务桌面存在使周期，到期后，该申请用户将不能访问，计算资源自动回收，便于后续用户申请使用。
通过租户管理的方式申请的云桌面，可以实现实验资源按需计时计量，最大限度地利用有限的资源环境，实现教学资源的分时复用，从而提高教与学的质量以及增强人才培养方式的灵活性。
（三）构建在线实验平台
邮政通信网络技术课程的理论知识非常复杂，同时其具有较强的实践性，为此本课程教学团队基于CDIO教学理念，采用工程项目案例驱动的方式开展教学活动，让学生通过工程项目案例的实施训练，更好地理解专业理论知识点、锻炼专业技能，同时通过小组分工合作完成任务提高团队协作意识。在教学过程中，将工程项目分配给小组，以小组为单位下达工作任务，围绕网络建设的需求、设计、配置、测试和文档撰写，让学生一起合作，对工程项目展开讨论。课程结束时，学生须对项目的实施情况进行分析和评价。
针对在线课程的实验需求，南京邮电大学邮政学院专门构建了在线邮政通信网络技术实验平台，每组实验设备包括4台虚拟机，每台虚拟机专门配置了1台路由器或3层交换机。使用KVM平台的远程虚拟化技术，可以实现多名学生远程、异地在线联合实验，教师可以远程同步在线指导与考查。学生在宿舍或家里可以像在实验室一样进行网络实验，完成远程组网、配置路由器和交换机、分析网络报文、搭建网络服务器等实验操作。下面以配置DNS区域复制实验为例，展示实验过程。
1.实验目的
DNS区域复制指将主DNS服务器上的某个区域的所有数据全部复制到该区域副本的辅助DNS区域服务器上，当修改主DNS服务器上的区域时，主DNS服务器会通知辅助DNS服务器已经发生修改，然后通过“区域辅助”将修改的内容复制到辅助DNS服务器。通过 DNS服务器的区域复制，可以确保承载同一区域主机的两台DNS服务器拥有同样的区域数据信息。
2.实验设备
实验需要2台Windows Server 2008服务器和1台Windows 7客户机，3台虚拟机组成同一个局域网。其中1台Windows Server 2008做主DNS服务器，1台做辅助DNS服务器，Windows7 作为客户进行实验验证。
nlc202302101733
3.实验步骤
（1）根据项目需要申请相关服务器，并按照网络拓扑进行IP地址规划。
（2）配置3台虚拟机的IP、网关、DNS地址、计算机名称等信息，2台Windows Server 2008服务器安装DNS服务。
（3）配置服务器1的DNS服务，新建主要区域network.com，在该区域中再建2个主机，即添加A记录，主机名“soft；IP 192.168.1.2”和主机名“it；IP 192.168.1.3”。
（4）配置服务器2的DNS服务，新建辅助区域network.com。
（5）配置服务器1的DNS区域复制功能，在DNS控制台上，选择“操作”菜单，单击“属性”，在DNS属性对话框中，点击“区域复制”选项卡，确认已选中“允许区域复制”，在“只允许下列服务器”选项下，通过“IP地址”选项，输入辅助DNS服务器IP地址，即服务器2。
（6）在DNS区域“属性”中的“区域复制”选项，单击“通知”，在对话框中输入将接受自动通知的DNS服务器IP地址，即辅助DNS服务器IP地址。
（7）在“区域属性”选项卡下，点击“确定”，完成 DNS Server 服务器的区域委派。
4.实验验证
通过windows7客户机 Ping 服务器1中的soft.network.com 和it.network.com 得到验证结果， Ping通后，断开服务器1的网络，清空客户机上的DNS缓存，命令为ipconfig/flushdns，再Ping两个解析域名，如果仍然能Ping通，则说明实验成功。
通过虚拟网络技术还可以实现许多综合的网络实验应用。例如，IIS 服务器的配置与访问、FTP 服务器的配置与访问、DHCP服务器的配置等各种应用服务的综合网络环境搭建、配置和管理。
基于云计算的在线实验平台，能够完成网络实验室的几乎所有实验，包括网络设备配置、综合网络组建等实验，同时该实验平台具有良好的可扩展性，不仅能满足基于网络设备的在线实验，还能结合H3C公司的HCL或华为的eNSP网络模拟软件，进行路由器、交换机、虚拟机与网络模拟器结合的实验，有效扩大实验规模和提高实验水平。利用虚拟机支持Linux和Windows操作系统的特点，可以支持学生自主提高实验层次，通过在虚拟机上自主设计与实现网络协议或算法，并随时可以与远程平台上的网络设备进行联调测试与验证，为学生研究创新性实践项目提供良好的支持。
四、结束语
在信息化高速发展的今天，云计算在教学中的应用日趋常态化，给实验教学和实验室的建设增添了多元化的效果，让用户重复利用设备资源同时打破了实践教学的时空界限，开拓了多元化的实`教学空间。本文分析了邮政通信网络技术教学的实体网络搭建模式、虚拟化仿真实验模式的不足，提出了一种基于云计算的桌面服务虚拟化实验设计。在新冠肺炎疫情的考验下，该实验方案的实施取得了良好的效果，学生可以通过各种终端设备自助申请需要的实验资源，解决了原有实验室容量小、维护困难等问题，实现了远程实验预习、实验操作、反复训练，提高了实验效果，锻炼了实践技能，有利于课程的能力产出。
［ 参 考 文 献 ］
[1］ 陈胜凯，刘军.基于云计算的计算机网络虚拟化实验设计[J].计算机时代，2018（8）：85-87.
[2］ 刘艳， 葛丽萍. 浅析计算机网络技术在我国邮政企业中的应用与发展[J]. 信息通信， 2015（1）：152-153.
[3］ 李楠，孙凤茹，张华卫.基于Packet Tracer虚拟仿真软件的计算机网络实验教学模式的探索[J].中国建材科技，2017（6）：144-145.
[4］ 陈国威.虚拟机技术在组网技术实训教学中的应用研究［J］.实验技术与管理，2014（5）：115-117，130.
[5］ 底晓强，韩登，杨凌翔，等.基于超融合构架的网络安全虚拟仿真实验教学平台探索[J］.实验室研究与探索，2017（10）：195-198.
［责任编辑：钟 岚］
nlc202302101733
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15445079.htm
