基于模拟器的网络工程实验室建设方案探讨
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摘要：针對高校网络工程实验室的建设和实验教学过程中存在的问题，分析高校网络工程实验室的类型及各自的优缺点，并對当前使用的网络设备模拟器进行分析和选择，提出结合网络设备模拟器构建网络工程实验室的方案和相应的实验教学方式。
关键词：网络工程实验室；网络设备模拟器；实验教学方式
文章编号：1672-5913（2013）01-0041-04
中图分类号：G642
随着信息产业在全球的迅猛发展，社会對网络工程人才的需求不断增加。在此背景下，许多院校开设了网络工程专业，以适应社会對网络工程人才的需要。而网络实验是网络课程教学中必不可少的环节，因此只有建立配套的网络工程实验环境，提供充足的网络实验，才能培育出合格的计算机网络工程人才。
1 基于硬件的网络工程实验室方案
网络工程实验室的建设大致经历了三个阶段，从初期的离散式网络工程实验室，到后来的集中管理式网络工程实验室，再到最近的综合开放式网络工程实验室。每一次的变化，网络工程实验室在功能、管理、利用率等方面都有不同程度的改善。
1.1离散式网络工程实验室
离散式网络工程实验室中的每台设备是独立的。在进行网络实验时，实验者需要将Console线直接连接到Console口和计算机的串口上，并自行搬设备、连线、形成拓扑，没有任何实验管理的工具。以基础网络知识培训、网络设备认知为主要目的，只能满足初级课程的教学需求。这种类型的网络工程实验室主要具有以下特点：
1）实验设备缺乏管理，实验者自行搬设备、连线、形成拓扑；
2）实验者直接插拔控制线和网线，容易造成网络实验设备的损坏；
3）实验者恶意修改开机密码，甚至卸掉设备的IOS，影响下一组人员的实验；
4）多个班级进行不同课程的实验，设备数量难以满足需求；
5）实验中的设备配置若没有及时清除，会影响后来的实验。
1.2集中管理式网络工程实验室
集中管理式网络工程实验室利用串口控制服务器或者路由器改装的控制器，将所有网络设备的Console口连接在一起，再通过网络进行调试，使串口控制服务器或者路由器改装的控制器成为一组设备的管理核心，然后将若干个串口控制服务器连接到网上，形成集中管理的网络工程实验室。教师机和服务器都连接在网络上，配备基于串口控制器的实验设备管理系统，對实验设备进行分组集中管理。这种类型实验室具有以下特点：
1）将设备进行分组，一组设备放置一个机柜，以组为单位连线，形成拓扑，开展实验；
2）每组包含一个网络设备串口控制服务器，對网络设备进行分组集中管理；
3）配置实验设备管理系统，往往利用Web方式對一组设备进行统一管理；
4）设置“一键清”功能，方便把实验设备恢复到初始配置；
5）對用户权限进行限制，避免恶意操作。
1.3综合开放式网络工程实验室
综合开放式网络工程实验室是集中管理式网络工程实验室的升级。综合开放式网络工程实验室在利用串口控制服务器對设备进行集中管理的基础上，还配备了统一的网络工程实验室管理系统和多媒体辅助教学软件。
网络工程实验室管理系统提供多种功能，如统一的设备管理功能，包括“一键清”功能等，方便管理；提供统一的用户管理功能，用户需要登录以后才能使用网络设备、设置用户权限等；提供统一的实验过程管理功能，可以安排实验课程、实验内容等；提供统一的实验行为管理功能，可以配置实验设备、验证实验等；提供统一的实验资料管理功能，可以添加实验指导、上传实验报告、批阅实验等。另外，综合开放式网络工程实验室还可能提供网络设备的逻辑拓扑连接、实验预约和远程实验等功能。
多媒体辅助教学软件可以提供广播教学、学生演示、屏幕录制、文件分发、电子举手、分组教学等丰富功能，使教学过程更加有效。
特别要说的是，目前锐捷、神州数码、H3C和Cisco等网络设备制造商都提供了自己的综合开放式网络工程实验室方案。
1.4网络工程实验室优缺点分析
1）离散式网络工程实验室方案优缺点分析。
离散式网络工程实验室方案的缺点非常明显，如实验设备缺乏管理，实验者可能直接插拔控制线和网线，无法避免恶意操作，不能及时清除实验配置，影响后面的实验。但它有一个突出的优点，就是用户开始学习网络设备时，能够直接插拔配置线和网络，形成拓扑图，有利于初学者学习了解设备。
2）集中管理式网络工程实验室方案优缺点分析。
集中管理式网络工程实验室方案克服了离散式网络工程实验室方案的缺点，主要体现在對设备进行分组集中管理，通过串口控制服务器對设备进行控制，避免了经常插拔控制线；为网络设备配置“一键清”功能；對用户权限进行了限制，避免了恶意操作。而且，用户管理设备往往通过Web页面选定设备，就可以进行配置，操作简单。实验时也是直接插拔网线，形成拓扑，有利于初学者了解设备。
集中管理式网络工程实验室方案的缺点是相對于综合开放式网络工程实验室方案来说的。集中管理式网络工程实验室方案将实验室设备的管理和实验行为的管理分散到每个实验组，以组为单位进行管理；没有用户管理功能，不提供实验过程管理功能，也不提供实验指导资料，而且不能进行远程实验，学生离开实验室，无法完成实验。另外，组建集中管理式网络工程实验室需要的网络设备多，需要大量建设资金。
3）综合开放式网络工程实验室方案优缺点分析。
综合开放式网络工程实验室方案是集中管理式网络工程实验室方案的升级，其优点是通过网络工程实验室管理系统软件实现了所有设备的统一管理，统一的用户管理、统一的实验过程管理、统一的实验行为管理、统一的实验资料管理，而且能够提供网络设备的逻辑拓扑连接功能、实验预约和远程实验功能等。该方案一般还会配置多媒体辅助教学软件，提供广播教学、学生演示等丰富功能，使教学效果更加有效。
综合开放式网络工程实验室方案解决了集中管理式网络工程实验室方案的不足，实验室管理功能得到很大提高，却失去了集中管理式网络工程实验室方案中一个非常重要的优点：实验操作的简单性。例如，用户要完成一个实验，必须等待一组用户都登录后，才能开始实验，浪费时间；实验过程中每个用户只能使用申请到的网络设备，单个学生使用设备少；如果有人對设备配置不熟悉或配置错误，会影响全组实验的进度，实验成功率极低。这些问题极大地影响了网络工程实验室的实验效果。
综上所述，网络工程实验室构建方案，还需要进一步研究，提出更加合理的构建方案。
2 网络设备模拟器
利用网络设备模拟器构建模拟网络工程实验环境，可以弥补网络工程实验教学过程中的许多不足，如不需要大量网络硬件设备，就能开展实验教学；不存在设备的损坏问题，避免了设备损耗；走出网络工程实验室，学生也能利用模拟设备进行网络实验。
2.1网络设备模拟器概述
目前，网络设备模拟器的种类很多，主要包括Dynamips、Qemu/Pemu、Cisco Packet Tracer、Boson Netsim、Cisco Router eSim、KnowledgeNet Lab（flash）等。这些模拟器大致分为三类。
第一类是基于Cisco ION的Cisco设备模拟器，目前有Dynamips、Qemu/Pemu。Dynamips是直接运行Cisco IOS来模拟Cisco Router；Pemu是一个基于开源的Qemu处理机模拟器的思科防火墙模拟器。GNS3软件同时集成了Dynamips和Qemu/Pemu模拟器，支持Cisco防火墙设备。
第二类是基于Cisco CLI的Cisco设备模拟器，能支持Cisco网络设备的大部分CLI命令，并能够自主定义网络拓扑图、设计实验内容。这类模拟器主要包括Cisco Packet Tracer、Boson Netsim。
第三类是基于专门Cisco认证实验设计的模拟器，功能有限，所支持的CLI命令较少，一般只能支持具体实验對应的命令，且不能定义网络拓扑图和定制实验内容。这类模拟器主要包括Cisco Router eSim、KnowledgeNet Lab（Flash）等。
2.2网络设备模拟器软件选择
基于专门Cisco认证实验设计的模拟器，由于功能有限，所支持的CLI命令较少，一般只能支持具体实验對应的命令，且不能定义网络拓扑图和定制实验内容，现在已经基本被淘汰。
基于Cisco CLI的Cisco设备模拟器，目前主要使用Packet Tracer。Packet Tracer是由Cisco公司开发并推出的，随着Packet Tracer不断升级，它的功能不断增强，支持的Cisco设备类型和实验类型不断增加。Packet Tracer在网络初学者中得到广泛应用。
基于Cisco IOS的Cisco设备模拟器中，Dynamips、Qemu/Pemu都是自由软件。由Jeremy Grossmann开发的集成Dynamips与Qemu/Pemu的模拟器GNS3是一款优秀的网络设备模拟器，提供了图形化的网络拓扑设计界面和方便的设备配置方法。GNS3支持Cisco Rotuer、Cisco ASA、Cisco PIX，Cisco IDS/IPS、Juniper Router、Qemu Guest等设备，而且随着版本的不断升级，GNS3的功能不断增强，GNS3得到网络使用者的广泛支持。
基于以上分析，构建基于模拟器的网络实验环境，可以选择Packet Tracer和GNS3的组合。Packet Tracer模拟器操作简单方便，适合网络初学者学习网络基础知识和原理，认识网络设备；GNS3模拟器是真实设备的完整模拟，适用于Packet Tracer不能完成的高级实验。两者结合可以构建网络实验环境，完成交换实验、路由实验、无线网络实验、VoIP实验、网络安全实验、协议分析等大量实验。
3 新建网络工程实验室的建设方案推荐
3.1网络工程实验室的建设原则
网络工程实验室应该是一个开放的实验教学平台，具有实践性强、设备先进的特点。为了充分发挥网络工程实验室的作用，网络工程实验室建设应该遵循一定的原则，避免由于过时、重复建设、设备利用率不高和实验效率低等问题而导致的财力物力浪费。
网络工程实验室的设计和建设要遵循前瞻性、系统性、科学性、发展性的原则。
1）前瞻性：网络工程实验室的建设应符合学校人才培养的定位，符合本专业学科的发展方向，满足本科实验教学需求，既有利于教师进行教学与科研，又有利于提高学生的操作能力，增强学生在就业中的竞争力。
2）系统性：网络工程实验室的建设要考虑学生应具备的知识体系，以便在实验课程、实验项目、实验教材等方面进行统一部署，使学生通过实验掌握专业知识。
3）科学性：网络工程实验室的建设要充分考虑本专业的实验课程体系，听取各方人员的意见，科学合理地设计实验课程。
4）发展性：网络工程实验室的建设要考虑实验室的可发展性，立足当前，着眼长远，使实验室的建设的保持可发展性。
3.2基于模拟器的网络工程实验室建设方案
通过分析各类基于硬件的网络工程实验室的优缺点，以及各类网络设备模拟器的功能和使用情况，结合网络工程实验室的建设原则，给出新建网络工程实验室的建设方案。
新建网络工程实验室可以采用综合开放式网络工程实验室建设方案的组网方式，但只需要1～2个实验分组（不用根据学生人数购买分组设备）。这1～2组的实验设备主要用于教师演示实验，学生观摩及实验，另外还可用于教师和学生开展研究。其他学生全部利用网络设备模拟器完成实验。该方案建议采用手动插拔网络线形成拓扑方式，不提供逻辑拓扑连接和远程实验功能（如果课后需要继续进行实验可利用网络模拟器完成），有利于初学者学习、了解设备，提高实验的真实感。
以组建一个容纳48人同时实验的网络工程实验室为例，新的建设方案需要购买一组实验设备（4台路由器、2台三层交换机和2台二层交换机）、48台计算机、1台管理计算机、1台服务器、3台网络设备串口控制器互联用的交换机，在服务器中安装网络工程实验室管理系统、多媒体辅助教学软件。48台计算机全部安装Packet Tracer和GNS3软件，这样就形成了模拟器实验环境。
采用这种基于模拟器的网络工程实验室建设方案构建网络工程实验室，实验教学过程为：教师利用一组实验设备，结合多媒体辅助教学软件，边做实验演示边讲解，学生观摩实验。演示完成后，教师4～8人用一组实验设备，完成实验，体验真实设备。其他学生利用模拟器独立或协作完成实验。同一班级在下一次实验时，学生轮换使用实验设备，体验真实设备的操作。
4 结语
这种基于模拟器的网络工程实验室建设方案，既保持了实验设备的先进性、实验室建设的发展性，又避免过时、重复建设，节省了实验室建设资金。同时网络设备模拟器支持的设备类型全、实验类型多，实验过程操作简单，实验设备数量不受限制，实验人员互不影响，明显地提高了实验效率，而且未完成的实验可以保存，在课外继续进行，是非常可行的网络工程实验室建设方案。