楊健 劉熹 陳慶華

陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院 南京 210007

0 引言

通信網(wǎng)絡(luò)類課程概念多、原理多。對(duì)很多學(xué)生來說，要在較短的時(shí)間內(nèi)理解和掌握較為困難。一個(gè)好的解決方法是盡量多做實(shí)驗(yàn)，把理論與實(shí)踐結(jié)合起來。但課程涉及的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電信設(shè)備較昂貴，一般實(shí)驗(yàn)室較難配備，或數(shù)量不足。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)也較難了解實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、電信機(jī)房。如何運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建更好的原理展現(xiàn)、實(shí)物展示、設(shè)備實(shí)操環(huán)境，提升這類課程的理論和實(shí)踐教學(xué)效果，非常值得探索研究。

唐燈平等[1]闡述通過搭建虛擬仿真環(huán)境將實(shí)驗(yàn)帶入課堂，對(duì)學(xué)生實(shí)踐過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)模式改變以及教師工作效率提高；重在探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的教學(xué)模式。孫良旭等[2]總結(jié)了在工程認(rèn)證發(fā)展背景下，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面存在的問題，分析了采用模擬器和虛擬機(jī)技術(shù)解決上述問題的可行性，對(duì)比了Cisco Packet Tracer和GNS3的軟件特性，描述了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)示例和使用建議，證明了基于上述模擬器和虛擬機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可行性和有效性，提出了在模擬器和虛擬機(jī)軟件上做計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的方案，但該方案不能解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論教學(xué)中理論演示等問題。曹雪峰等[3]使用EVE-NG進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的搭建，該方法可使用瀏覽器以B-S方式開展網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，并可實(shí)現(xiàn)EVE-NG虛擬網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)與現(xiàn)實(shí)因特網(wǎng)的通信，達(dá)到了很好的實(shí)踐教學(xué)效果。夏燕[4]提出在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建具有交互性、沉浸感強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，供教師和學(xué)生在其中設(shè)計(jì)、組建網(wǎng)絡(luò)，提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)成效。李曉艷等[5]在NS2軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)應(yīng)用性和工程性很強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生掌握通信網(wǎng)絡(luò)的建模方法和仿真技能，理解網(wǎng)絡(luò)中各層的設(shè)計(jì)機(jī)制、算法和協(xié)議。

上述文獻(xiàn)從不同角度提出了針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程虛擬仿真教學(xué)的做法與思路，而對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中的其他網(wǎng)絡(luò)如傳輸網(wǎng)、電話網(wǎng)的相關(guān)課程教學(xué)則較少涉及。針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程教學(xué)要求和特點(diǎn)，綜合上述研究中的做法并加以擴(kuò)展，構(gòu)建一個(gè)綜合多種手段的通信網(wǎng)絡(luò)類課程虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，對(duì)改進(jìn)課程教學(xué)，提升教學(xué)效果，將有重要作用。

1 通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程體系與教學(xué)內(nèi)容

通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程包括通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信網(wǎng)基礎(chǔ)、現(xiàn)代通信網(wǎng)、現(xiàn)代交換原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等理論課程，以及交換設(shè)備原理與組網(wǎng)應(yīng)用等實(shí)踐課程，在許多高校通信、電子以及信息等專業(yè)都有開設(shè)，其中不少是相關(guān)專業(yè)核心課程。

2 通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程教學(xué)中存在的問題

以筆者所在學(xué)校通信工程專業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為例，課時(shí)多、涉及網(wǎng)絡(luò)類型多樣、知識(shí)點(diǎn)密集，學(xué)生普遍反映內(nèi)容抽象、不直觀，學(xué)習(xí)難度很大。

究其原因，除課程本身的特點(diǎn)外，在配套的實(shí)物和實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，主要存在以下幾個(gè)問題。

1）缺乏實(shí)地實(shí)習(xí)條件，難以建立通信網(wǎng)及其設(shè)備的整體直觀印象。學(xué)生學(xué)習(xí)之前大都只對(duì)通信終端稍有了解，基本沒有仔細(xì)觀察接觸過通信網(wǎng)的臺(tái)站、線路、設(shè)備。因此只能通過教材學(xué)習(xí)各類通信網(wǎng)系統(tǒng)組成及原理，學(xué)生學(xué)習(xí)中往往只聞其名，不見其形，感覺非常抽象，學(xué)習(xí)和理解起來往往印象不深。

2）課程中的原理性內(nèi)容較多。例如，課程中各類通信協(xié)議原理占據(jù)了大量篇幅，通信協(xié)議涉及各類通信實(shí)體之間按時(shí)序協(xié)同配合的過程，這些過程也非常復(fù)雜，是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)上采用時(shí)序圖或協(xié)作圖來展示實(shí)體間的協(xié)同配合關(guān)系，盡管比僅采用文字?jǐn)⑹鲆桌斫獾枚啵圆粔蛑庇^。

3）課程中的計(jì)算公式及需驗(yàn)證性內(nèi)容較多。例如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)涉及網(wǎng)絡(luò)性能如時(shí)延、利用率等的計(jì)算，電話網(wǎng)中涉及話務(wù)量等的計(jì)算。

對(duì)這些內(nèi)容的教學(xué)，若在傳統(tǒng)的板書式教學(xué)基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)手段，將理論融入實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，并由學(xué)生自己測(cè)試所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的性能，將激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

4）操作性實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)際設(shè)備，實(shí)裝環(huán)境搭建困難。通信網(wǎng)中的各類設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室中難以大量配備。特別是組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，需要的設(shè)備更多。面對(duì)數(shù)量、品種有限的設(shè)備，在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)中，學(xué)員很難真正熟悉這些設(shè)備。課外時(shí)間里，往往又很少有上機(jī)的機(jī)會(huì)。

5）不便于開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)。線上教學(xué)具有學(xué)習(xí)時(shí)空不受限制、學(xué)習(xí)資源利用最大化、學(xué)習(xí)互動(dòng)形式多樣化、學(xué)習(xí)過程個(gè)性化、教學(xué)管理網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的基于實(shí)物展現(xiàn)和操作的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，難以在線上開展，亦不易評(píng)估教學(xué)效果。

3 通信網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)分類

以上種種問題，需要在實(shí)物和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式上采取創(chuàng)新的教學(xué)方式予以化解。綜合課程教學(xué)需求和虛擬仿真工具與技術(shù)現(xiàn)狀，擬開展實(shí)物展現(xiàn)型、原理展示型、模擬仿真型、虛實(shí)結(jié)合型四類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)。

3.1 實(shí)物展現(xiàn)型

運(yùn)用3D建模技術(shù)對(duì)通信臺(tái)站、通信設(shè)備等進(jìn)行建模。利用3DSMax、Maya、Sketch Up、Blender和Auto CAD等工具設(shè)計(jì)靜態(tài)模型，從視覺上模仿真實(shí)世界的實(shí)際物體，通過屏幕展現(xiàn)或3D頭盔、3D眼鏡、3D裸眼顯示器等工具，為學(xué)生提供一個(gè)身臨其境的展現(xiàn)，建立對(duì)通信網(wǎng)、通信臺(tái)站、通信機(jī)房、通信機(jī)柜、通信車輛以及各類傳輸、交換通信設(shè)備外觀的直觀認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)使學(xué)生快速熟悉和了解課程工程背景，進(jìn)入課程情境的效果。

3.2 原理展示型

主要是通過3D模型、2D或3D動(dòng)畫等方式展示設(shè)備組成及各組成部分間的相互關(guān)聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中實(shí)體間的交互過程、電話網(wǎng)中信令跟蹤分析以及設(shè)備工作原理等內(nèi)容，著重以動(dòng)畫方式展現(xiàn)時(shí)序過程，使學(xué)生能夠更直觀地了解通信網(wǎng)原理。

3.3 模擬仿真型

使用NS2、NS3、OpNet、OMNet++等通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)構(gòu)建仿真模型，使學(xué)生大致了解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，或更進(jìn)一步自行實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真模塊，開展網(wǎng)絡(luò)性能分析評(píng)估，在布魯姆分類教育理論的分析、評(píng)價(jià)、改造層次上開展教學(xué)工作，達(dá)成對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)工作機(jī)制更深程度的理解和掌握。

3.4 虛實(shí)結(jié)合型

虛實(shí)結(jié)合型教學(xué)，旨在模擬真實(shí)工作場(chǎng)景，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，運(yùn)用虛擬化、仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬設(shè)備與真實(shí)設(shè)備協(xié)同工作、虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景有機(jī)融合的教學(xué)仿真環(huán)境，開展以設(shè)備配置、綜合組網(wǎng)等實(shí)踐教學(xué)為主的教學(xué)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建中，虛實(shí)結(jié)合型仿真實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)放在虛擬部分。

虛擬化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是通過虛擬化和云計(jì)算技術(shù)，模擬物理場(chǎng)景中不同廠商、不同型號(hào)、不同功能的組網(wǎng)設(shè)備，通過虛擬交換機(jī)將虛擬設(shè)備連接形成所需的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，通過統(tǒng)一配置界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。采用虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行一體化管理，方便數(shù)據(jù)采集和功能性能評(píng)估。虛實(shí)結(jié)合型實(shí)驗(yàn)，主要利用eNSP、Packet Tracer、GNS3、EVE-NG等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真平臺(tái)提供。

4 通信網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)

4.1 通信網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)規(guī)劃

針對(duì)上述四類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)如表1所示仿真實(shí)驗(yàn)。

表1 通信網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類型

表2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真軟件比較

4.2 虛實(shí)結(jié)合型仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選型

在通信網(wǎng)絡(luò)類課程教學(xué)中，在理解設(shè)備原理的基礎(chǔ)上，更重要的是使學(xué)生能夠?qū)W會(huì)具體設(shè)備特別是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作與使用。四種虛擬訓(xùn)練教學(xué)類型中，對(duì)學(xué)生實(shí)際操作能力培養(yǎng)最為關(guān)鍵的是虛實(shí)結(jié)合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

表1通信網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類型中虛實(shí)結(jié)合型實(shí)驗(yàn)列出了eNSP、Packet Tracer、GNS3、EVE-NG等平臺(tái)。從實(shí)際教學(xué)出發(fā)，對(duì)各平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

從上表可以看出，上述軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)。有的簡(jiǎn)單易用便于單機(jī)使用，有的擴(kuò)展性強(qiáng)。從大規(guī)模多類設(shè)備在線虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要出發(fā)，以EVE-NG為主構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以其他軟件為輔的方案較為理想。

EVE-NG的優(yōu)點(diǎn)在于它是一種基于云計(jì)算的虛擬化網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)使用了虛擬化技術(shù)，通過將各大廠商不同型號(hào)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)造為虛擬機(jī)鏡像，可以很好地模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作，可支持思科、華為、Juniper、Check Point、Palo Alto、F5等主流廠商的設(shè)備。

此外，該平臺(tái)還可以運(yùn)行虛擬磁盤格式為qcow2的虛擬機(jī)，擴(kuò)展性強(qiáng)。在虛擬仿真訓(xùn)練中，只要服務(wù)端正常運(yùn)行，用戶端就可以通過瀏覽器訪問所有功能，這種交互模式比eNSP、GNS3等常見仿真器更具有優(yōu)勢(shì)。該平臺(tái)還可對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置操作過程以配置文件的形式自動(dòng)保存，在教學(xué)中，便于教師對(duì)學(xué)生的操作進(jìn)行復(fù)盤指導(dǎo)。

4.3 系統(tǒng)構(gòu)建

針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)課程虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)如圖1所示通信網(wǎng)絡(luò)課程虛擬仿真教學(xué)環(huán)境。環(huán)境整體采用B-S架構(gòu)。虛擬仿真教學(xué)素材包括視頻、圖像、3D模型、動(dòng)畫等，存儲(chǔ)于服務(wù)端模型庫，通過Web服務(wù)器以網(wǎng)頁方式支撐實(shí)物展現(xiàn)與原理展示教學(xué)，或以3D模型或動(dòng)畫形式，通過VR眼鏡為學(xué)生提供VR實(shí)景仿真展示與訓(xùn)練。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

針對(duì)虛擬設(shè)備配置操作與組網(wǎng)訓(xùn)練，在服務(wù)端配置虛擬仿真系統(tǒng)，調(diào)度運(yùn)行通信網(wǎng)設(shè)備仿真模型的虛擬機(jī)群，并與實(shí)訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互通，提供模擬仿真和虛實(shí)結(jié)合的仿真教學(xué)。

4.4 虛擬訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)管理功能

通信網(wǎng)虛擬訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)功能組成如圖2所示。系統(tǒng)中有教師、學(xué)生、管理員三類用戶。教師可維護(hù)教學(xué)中用到的視頻、動(dòng)畫、圖像、3D模型等素材，在課程教學(xué)中引用素材進(jìn)行展示，設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境、課目、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌M(jìn)行實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。學(xué)生可在教師設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課目下進(jìn)行虛擬仿真操作，查詢實(shí)驗(yàn)成績(jī)，進(jìn)行個(gè)人信息管理。管理員則可以進(jìn)行系統(tǒng)配置管理、用戶管理、終端管理，以及數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)等系統(tǒng)操作。

圖2 通信網(wǎng)虛擬訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)功能組成

5 結(jié)束語

運(yùn)用虛擬仿真教學(xué)建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)課程虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，結(jié)合線上線下混合式教學(xué)，是提升課程教學(xué)質(zhì)量、強(qiáng)化學(xué)生能力培養(yǎng)的有效途徑，是網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、元宇宙時(shí)代課程建設(shè)走向深入的必然要求。

本文梳理了課程教學(xué)中開展虛擬仿真教學(xué)的類型，進(jìn)行了通信網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)，通過比較分析，提出了基于EVE-NG構(gòu)建設(shè)備實(shí)操與組網(wǎng)訓(xùn)練環(huán)境的主體方案，并在課程建設(shè)實(shí)踐中進(jìn)行了部分應(yīng)用和驗(yàn)證。后續(xù)將根據(jù)方案開展建設(shè)，更好地提升課程教學(xué)效果。