王文學(xué)　沈文華

摘要：文章討論了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬技術(shù)，為實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室的構(gòu)建，解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室利用率低、安全性差、維護困難等缺點，提供了一種基于虛擬技術(shù)的低成本學(xué)習(xí)和研究方法。

關(guān)鍵詞：虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室；設(shè)計

前言

實驗是教學(xué)活動中必不可少的過程，很多學(xué)科都是以實驗課程為基礎(chǔ)，尤其是對于一些實踐性較強的學(xué)科。實驗

對于培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力和解決問題的能力是至關(guān)重要的，學(xué)生的大部分實踐能力都是通過實驗得到的。但由于一些實驗設(shè)備價格不菲，一些學(xué)校無力購置，致使實驗室設(shè)備不足，嚴(yán)重影響了實驗教學(xué)的開展。

迅速崛起的現(xiàn)代教育技術(shù)把虛擬實驗引入到了實驗教學(xué)中。虛擬實驗的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教育模式，使得教與學(xué)的方式發(fā)生了革命性的變化。當(dāng)前，豐富的軟件資源為虛擬實驗的開設(shè)提供了必要的基礎(chǔ)條件。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，能夠利用計算機在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實驗現(xiàn)象或是實驗設(shè)備，它不僅能夠提高實驗教學(xué)效果，更加重要的是對一些缺乏實驗條件的學(xué)校，通過運用虛擬技術(shù)同樣能使學(xué)生如身臨其境。

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室的發(fā)展及特點

虛擬技術(shù)為實驗室提供了一個獨特而又經(jīng)濟的方式來產(chǎn)生真實的實驗室環(huán)境。它可以產(chǎn)生一個定制的并裝配有諸如路由器、交換機、安全設(shè)備和工作站等設(shè)備的虛擬環(huán)境。虛擬實驗室主要是基于軟件技術(shù)，從工作性質(zhì)來看，有三類這樣的軟件，分別是模擬硬件、模擬實驗過程和設(shè)備共享。從架構(gòu)上來分，可以分為基于C/S（或B/S）架構(gòu)和獨立軟件。

設(shè)備共享模擬軟件接受用戶界面發(fā)送的實驗請求和實驗參數(shù)，使用實驗參數(shù)配置與之連接的硬件設(shè)備，由硬件設(shè)備進行實驗，并將實驗結(jié)果返回服務(wù)端，最后返回到用戶端，實現(xiàn)了設(shè)備的共享與實驗數(shù)據(jù)的共享。該項技術(shù)主要采用真實的物理設(shè)備，虛擬多個終端實現(xiàn)實驗設(shè)備共享，典型的應(yīng)用如打印共享、超級終端等。

模擬過程模擬軟件接受用戶界面發(fā)送的實驗請求，分析和處理實驗參數(shù)，經(jīng)過計算模擬最終將結(jié)果返回客戶端。整個系統(tǒng)不涉及具體的實驗硬件設(shè)備，只是利用軟件模擬實驗的過程。這種模擬實驗過程的模擬器一般功能比較單一，僅能實現(xiàn)有限的實驗。也就是模擬軟件具備了什么功能，就只能實現(xiàn)什么樣的實驗，可擴展性較差。典型的應(yīng)用有Boson公司推出的Boson NetSim模擬程序，Gambit軟件包中的Gambit Mimic Simulator Suite軟件，還有一些用Flash做的模擬器。

硬件模擬這是虛擬設(shè)備中最真實的一種虛擬技術(shù)，它模擬的是硬件環(huán)境，包括CPU內(nèi)核、存儲器、存儲器管理單元、緩存單元、串口、網(wǎng)絡(luò)芯片、時鐘等。在此虛擬設(shè)備的基礎(chǔ)上可以安裝運行相關(guān)的軟件。典型的應(yīng)用有SkyEye、VMWare、Qemu、Dynamips、Pemu等軟件。

從以上分析的三種虛擬技術(shù)來看，“模擬過程”最容易實現(xiàn)，但局限性最大，不可擴展是其最大的弊端；“設(shè)備共享”的實驗結(jié)果最為真實，但往往有其他方面的限制，如Linux的遠程服務(wù)，如果各個終端用普通用戶登錄，則不能使用超級用戶的命令，如果用超級用戶登錄，則各個登錄的用戶之間會相互干擾；“硬件模擬”是完全模擬硬件的執(zhí)行指令，各種指令和硬件執(zhí)行一樣，這樣，就擁有了一臺“軟設(shè)備”，只不過在性能上大打折扣，但已能夠滿足學(xué)校建立虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室的要求。本文將基于“硬件模擬”技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)加以論述。

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室相關(guān)軟件介紹

VMWare是被廣泛應(yīng)用于虛擬PC機的系統(tǒng)軟件，它可以提供基于CPU的虛擬PC機系統(tǒng)環(huán)境，包括CPU、BIOS、硬盤和其他外圍硬件設(shè)備，使用戶可以在一臺PC機上同時運行多個操作系統(tǒng)。它甚至可以虛擬出不同型號的網(wǎng)卡來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。例如，它默認(rèn)虛擬的是AMD PCNet AM79C970A網(wǎng)卡，但也可以改變網(wǎng)卡配置，虛擬出Intel(R) PRO/1000和VMware PCI Ethernet Adapter網(wǎng)卡。

Dynamips是一種模擬各種思科路由設(shè)備的一款模擬器，通過運行不同的IOS來模擬不同型號的路由器。它目前可以模擬Cisco2691，3620，3640，3725，3745和7206硬件平臺，在虛擬的模塊化路由器中，可以通過配置文件為不同的插槽插入不同的模塊，如NM-4T、NM-4E、C7200-IO-FE等。通過加載NM-16ESW交換模塊還可以做交換的部分實驗。此外，通過和本地網(wǎng)卡橋接，Dynamips模擬器還可以直接和外部網(wǎng)絡(luò)進行通信，外部機器可以用Telnet、SSH、SNMP等多種有效的方法來配置和管理虛擬的路由器設(shè)備。

Qemu是一套模擬主機的自由軟件。它能模擬整個電腦系統(tǒng)，包括中央處理器及其他周邊設(shè)備。它最大的優(yōu)點在于它是開源的，可以通過修改相關(guān)代碼來虛擬其他硬件，在構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室構(gòu)建中，可以用它虛擬Cisco的ASA和PIX設(shè)備。

Pemu是基于Qemu軟件開發(fā)出來的一個思科PIX防火墻模擬器。由于該模擬器是模擬思科PIX防火墻的硬件，所以，在此硬件基礎(chǔ)上的PIX OS軟件都可以支持，并可以通過在虛擬的PIX硬件上安裝相應(yīng)的ASDM版本來通過WEB界面進行配置。Pemu模擬器虛擬的PIX防火墻支持TAP、PCAP和LCAP接口，通過這些接口可以與本機真實網(wǎng)絡(luò)或虛擬網(wǎng)卡通訊，并且最多可以支持8個網(wǎng)絡(luò)接口，可以完成大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實驗。

構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室實現(xiàn)的基礎(chǔ)是計算機軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與設(shè)備技術(shù)的結(jié)合。虛擬設(shè)備技術(shù)與認(rèn)知模擬方法的結(jié)合也賦予虛擬實驗室智能化特征，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地進入虛擬實驗室操作設(shè)備，進行各種實驗。不但為實驗類課程的教學(xué)改革及遠程教育提供了條件和技術(shù)支持，還可以隨時為學(xué)生提供更多、更新、更好的設(shè)備。

VMWare軟件可以在一臺計算機中虛擬另一臺或多臺從硬件配置到操作系統(tǒng)完全相同或完全不同的計算機。這些虛擬計算機可以像真正的計算機一樣設(shè)置BIOS、分區(qū)和格式化硬盤、安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。虛擬機作為重要的實驗或?qū)嶒灩ぞ弑粡V泛應(yīng)用于實現(xiàn)單機實驗、對等網(wǎng)實驗、服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)實驗，也可以用來實現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)、廣域網(wǎng)絡(luò)實驗。Dynamips模擬器可以虛擬一臺或多臺互聯(lián)的路由/交換設(shè)備，Pemu和Qemu軟件可以虛擬一臺或多臺PIX/ASA安全設(shè)備。把這些虛擬的計算機、路由器、交換機、防火墻互聯(lián)，就構(gòu)成了一個完整的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗臺。該實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可知，要搭建一個虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗平臺，關(guān)鍵是需要一臺高性能的宿主機，在此基礎(chǔ)上可以虛擬出所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、路由交換機設(shè)備、防火墻設(shè)備。修改VMWare軟件的一些配置，甚至可以虛擬出Cisco模擬器的IDS、IPS、NAC、MARS、CCM等設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在使用時，通常都不是孤立的，而是互聯(lián)的。以上平臺的構(gòu)建是基于VMWare、Dynamips、Pemu和Qemu等軟件，各個軟件是孤立的，要把它們虛擬的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)起來，這個連接的橋梁就是虛擬HUB。虛擬HUB可以是VMnet、TUN/TAP，也可以是微軟回環(huán)適配器（Microsoft Loopback Adapter）。假設(shè)有如下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：

在該實驗拓?fù)渲?，用VMWare軟件虛擬PC機，Pemu軟件虛擬PIX防火墻，Dynmamips軟件虛擬路由和交換機設(shè)備。要將各個設(shè)備互聯(lián)，則只需將PC機的網(wǎng)卡用自定義的方法連接到VMWare的VMnet1上，同時在虛擬交換機連接配置文件中，用虛擬交換機的以太網(wǎng)接口（如F0/0）連接到VMware的VMnet1上去。例如，連接語句F0/0=NIO_gen_eth:DeviceNPF_{BA68CE2E-1ACE-4DCB-AF5D-92179DD5F49C}，其中BA68CE2E-1ACE-4DCB-AF5D-92179DD5F49C為VMnet1的傳輸名稱，表示PC機的網(wǎng)卡連接到VMnet1，交換機機的F0/0也連接到VMnet1，這樣虛擬的PC機就可以與虛擬的交換機通訊了。同樣，PIX和交換機之間通過VMnet2連接，PIX和路由器之間用VMnet3連接。在這里，VMnet的功能形同一個HUB，這樣，就構(gòu)成了多個虛擬設(shè)備之間的互聯(lián)。

在一般的教學(xué)過程中，一臺PC機只能搭建一個設(shè)備互聯(lián)平臺，但如果某個實驗拓?fù)浔容^復(fù)雜，涉及幾十臺路由器、交換機設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由于內(nèi)存和CPU的限制，一臺PC機難以完成，這就需要用到分布式的試驗環(huán)境，也就是有多臺PC機共同完成這一試驗。Dynamips軟件支持分布式的試驗環(huán)境，特殊的通訊配置方式也為遠程試驗提供了基礎(chǔ)。

結(jié)論與展望

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為實踐教學(xué)與培訓(xùn)提供了一個交互式的、以實踐為主導(dǎo)的、獨特而經(jīng)濟的實驗環(huán)境。獨特的實驗環(huán)境也為遠程實驗提供了可能，網(wǎng)上實驗已成為遠程教學(xué)研究的重要方向。虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗室的優(yōu)點是經(jīng)濟實惠、部署簡單、操作靈活，實驗過程中不會出現(xiàn)諸如物理連接故障、線纜故障等意外，可大大縮減實驗時間，從而提高實驗效率。缺點是所有虛擬設(shè)備全部依賴于宿主機，一旦宿主機不穩(wěn)定，實驗將難以保證。此外，虛擬設(shè)備之間的連接需要手寫配置文件，這個過程容易出錯，造成虛擬設(shè)備之間無法連通。這也是該實驗室需要改進的地方，經(jīng)過改進后，將通過一個可視化圖形界面，用鼠標(biāo)的點擊以及拖曳操作進行虛擬實驗。

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作者簡介：

王文學(xué)(1976—)，男，臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機系講師，研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全。