网络虚拟实验室的研究

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摘要：本文阐述了一个在Web环境下虚拟实验系统的结构和工作流程，并给出了具体的实现方法。

关键词：虚拟实验室；NS2；B/S

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)22-759-02

Research on Network Virtual Laboratory

LI Jun

(College of Computer Science and Technology, Wuhan University of Science & Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract: The paper presents a virtual laboratory under Web environment. The main structure and working process in the system are discussed. In the end, the practical scheme to realize is provided.

Key words: virtual laboratory; NS2; B/S

1 引言

近十年以来，Internet网络已成为当今世界上覆盖面最广、规模最大、信息资源最丰富的信息网络。互联网技术在快速发展，各种新技术层出不穷，掌握这些新技术非常必要。对这些知识的学习，如果只停留在理论和书本上，将是非常抽象的，理解起来很困难。要很好地掌握计算机网络的理论知识，并把这些知识应用到实际中，就必须进行大量的实验。

对于计算机网络实验，涉及到交换机、路由器等设备，这些设备如果只通过图片来展示，要求学生有良好的空间想象能力，即便如此，学生也不可能获得切实的感受，也就更不用说理解网络的结构了。此外，计算机网络实验使用的设备一般都比较昂贵，而且新的设备也不断推出，要不断更新这些设备将是很大的开销。所以研究开发一个计算机网络实验系统来辅助教学就变得非常必要。

网络虚拟实验是指利用互联网络资源，使用仿真技术、虚拟现实技术等手段，完成实验的各个环节和过程。具体说来，用户使用虚拟软件，在Web中创建出一个可视化的三维环境（其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象），通过鼠标的点击以及拖曳操作，完成实验系统的设计和进行实验仿真操作，取得实验结果和填写实验报告等。通过网络虚拟实验不仅可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器，还可以较好地为学习者营造一种“自主学习”的环境。

2 虚拟实验系统设计原则

虚拟实验系统的设计遵循以下原则：

1) 开放性原则：基于校园网，任何只要接入校园网的师生都能使用本系统。

2) 交互性原则：虚拟实验可以给出可视化交互信息，对学生的操作做出实时反馈。

3) 简易方便原则：系统界面友好，学生操作易于上手。

4) 易于扩展原则：系统的软件设计必须采用跨平台方案，便于实验项目的及时更新。并且能为系统的扩展打下基础。

3 虚拟实验系统结构及工作机制

3.1 结构

系统采用B/S结构。用户可以通过浏览器向网络上的服务器发出请求。

系统根据功能分析可以划分为用户管理系统、教学管理系统、网上实验系统、交流互动系统等四个子系统。虚拟实验系统必须具有安全措施，系统能够做到拒绝非法用户，也可将合法用户的不当操作及时中止。例如：教师可以将自己创建的虚拟实验上传到数据库，以充实实验内容。而学生用户则无此权限。

下面的工作流程展示了用户如何进行网上实验。

3.2 基本工作流程

从图1的工作流程图可以看出，用户首先提出申请，获准后即可通过两种方式进行虚拟实验。第一种是用户输入实验参数，由服务器运行仿真软件，并将实验结果返回用户，在该过程中，教师还可以利用发送电子邮件、在线答疑等方式解答学生提出的问题。网络虚拟实验系统采用NS2模拟器来实现对用户提交的网络场景的模拟。系统以JavaApplet的形式实现用户操作界面；用JavaBean来实现虚拟试验设备和实验组件库；通过生成OTCL模拟脚本来描述用户在实验室操作界面上所定义的网络拓扑，统计数据的收集、链路故障的模拟、路由变化等网络场景信息。客户端和服务器端之间的远程通信由RMI远程调用机制来实现。图2为一个含四个节点的网络拓扑图，其对应的Otcl脚本语言为：

proc create_testnet { }

{

global s1 s2 r1 k1

set s1 [ns node]

set s2 [ns node]

set r1 [ns node]

set k1 [ns node]

ns_duplex $s1 $r1 8Mb 5ms drop-tail

ns_duplex $s2 $r1 8Mb 5ms drop-tail

set L [ns_duplex $r1 $k1 800Kb 100ms drop-tail]

[lindex $L 0] set queue-limit 6

[lindex $L 1] set queue-limit 6

}

第二种是用户下载仿真软件，直接在自己的PC机上运行仿真软件。仿真软件可以包括Boson NetSim等（如图3），也可以包括自行开发的网络嗅探器Sniffer、协议分析仪等小工具（如图4）。用户可以根据自己的需要进行各种模拟实验，不足之处在于交互不够。

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图3 NetSim网络模拟器

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图4 自行开发的网络小工具

4 结束语

随着网络仿真技术、虚拟现实技术、多媒体技术等的发展, 虚拟实验室能很大程度地辅助教学，虚拟实验室的研究会越来越受到人们的重视和关注。

参考文献：

[1] 谢慧, 聂峰, 周大伟. 网络实验室虚拟实验系统的规划与设计[J]. 实验科学与技术, 2004(2):68-70.

[2] 王建新, 凌亮, 王伟平. 基于WWW的“计算机网络”虚拟实验室的设计与实现[J]. 计算机工程, 2005,31(6):228-230.