基于云计算的计算机网络虚拟化实验设计
摘 要： 计算机网络是核心基础课程，传统实体实验室需要使用双网卡计算机，对机房提出了特殊硬件需求，导致无法大规模推广。虚拟化实验兴起之后，虽然出现了采用Packet Tracer和Virtualbox等虚拟仿真软件的替代方案，但此类软件无法真实模拟设备、搭建复杂拓扑。文章提出了一种基于云计算平台的虚拟化实验设计方案，以解决上述问题。
关键词： 云计算； 计算机网络； 虚拟化实验； NSX
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）08-85-03
Design of cloud computing based computer network virtual Lab
Chen Shengkai， Liu Jun
（Wenzhou University， College of Mathematics， Physics and Electronic Information Engineering， Wenzhou， Zhejiang 325035， China）
Abstract： Computer network is a core fundamental course， traditional laboratory need using dual-network-adapter computer， therefore it has special hardware requirements， and can"t be large scale application. After the popular of virtual lab， there are some labs use the simulation software to take the experiment such as Packet Tracer and Virtualbox， but these software can"t fully simulate the real devices， and can"t design complicate topology. This article proposes a computer network virtual lab design scheme based on cloud computing platform， to overcome the problems.
Key words： cloud computing； computer network； virtual lab； NSX
0 引言
在计算机专业课程体系中，《计算机网络基础》是一门核心课程，该课程包括DNS、DHCP服务等实验。在实践中，实体实验室使用具备双网卡的计算机。两位学生一组，利用与外网隔绝的独立内网进行知识点实验，同时利用外网进行提交实验报告等操作。该教学模型下的网络结构如图1所示。
使用实体网络实验室面临着一些普遍的难题。
⑴ 需要双网卡，普通单网卡计算机无法完成課程实验。
⑵ 对于实验室来说，集成网卡更方便维护。双网卡必须使用PCI接口网卡，该类网卡容易发生卡槽松动等现象，使计算机产生蓝屏，导致学生无法顺利完成实验项目。
⑶ 如果实体机发生故障，学生必须转移继续实验时，已完成的实验步骤无法保存。
基于上述问题，目前高校实验室正越来越多采用虚拟化技术来代替实体网络实验室。
1 虚拟化实验的现状与不足
通过调查文献发现，国内普遍采用如下两种计算机网络课程虚拟化方案。
1.1 采用仿真软件模拟
该类方案是在实体机上安装Packet Tracer仿真软件来进行实验教学。该软件是美国CISCO公司开发的虚拟仿真软件，它能够模拟真实的网络环境，在软件里完成所有计算机网络课程需要的实验，比如服务器配置（DHCP、DNS、WWW、FTP）等[1]。Packet Tracer 网络模拟器软件能够使学生对所研究的问题做出分析，为学生提供模拟、可视化、设计、制作及评估等功能，从而使学生能够深刻理解抽象的计算机网络理论[2]。在一定程度上解决了实体计算机网络实验所面临的问题。
该方案虽然能满足实验基本需求，但由于只是简单的命令行仿真，并不是基于真实的计算机映像。其支持的命令有限，实验操作跟实体机有所差别。
1.2 采用虚拟化软件
第二类方案是在实体机上安装Virtualbox等虚拟机软件，采用客户端虚拟化。基于实体机操作系统，直接运行两个虚拟机操作系统，组成内网。该模型结构如图2所示。
在该方案下，虽然能够模拟双网卡实体机，但仍存在一些缺点。
⑴ 由于所有虚拟机在一台实体机上，两个学生配合操作困难。不利于培养学生团队合作的精神，提升共同解决问题的能力。
⑵ 学生实验步骤进度无法在实体机故障时通过网络保存。
⑶ 对实体机CPU和内存的要求很高，导致无法增加虚拟机数量，模拟更复杂的网络拓扑结构。
基于上述问题，可以发现目前国内的一般计算机网络虚拟仿真实验方案并没有完全发挥出虚拟化实验的优势。
2 基于Vsphere和Vra云平台的虚拟化实验
本文提出了一种新的基于云计算平台的计算机网络虚拟化实验方案，完全解决了前述问题与不足。该方案采用云端虚拟化，在使用VMware Vsphere的云服务器集群中虚拟出每组实验机。学生通过实体机浏览器连接到云端虚拟机，完成实验。该类实验教学网络结构如图3所示。
该虚拟化方案具有如下优点：
⑴ 通过云平台提供的虚拟网卡、虚拟交换机技术，使所有虚拟机拥有两张虚拟网卡，以近似实体实验室的效果完成实验项目；
⑵ 基于云端的实验，使学生不再局限于固定的机房，可以随时随地练习，学习时长和效果得到了保证；
⑶ 由于采用了云端虚拟化架构，依托强大的服务器集群资源，教师可以通过增加每组虚拟机数量，设计复杂的拓扑结构，完成客户端虚拟化方案不能实现的实验。
云计算平台的实现有多种方式，通过对现有的云服务架构进行调研，我们采用VMware的Esxi服务器、Vsphere软件和Vrealize Automation实现了本方案中的云计算平台。相较于阿里云、亚马逊AWS等公有云，私有云平台能提供更好的隐私性，在校园内网中能为学生提供更高的带宽。并且VMware的Esxi云集群具有很好的稳定性，技术简单，适合高校实验室教学。
2.1 Esxi服务器与Vsphere
在服务器虚拟化市场领域，VMware推出了基于x86架构的代表性产品Vsphere。通过Vsphere可以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。Esxi是Vsphere中的核心组件，作为虚拟化管理程序，负责服务器硬件的资源调度。VMware还提供了Vcenter，它可以作为一个中央的管理节点来控制和管理所有的Esxi服务器，是形成云计算平台的基础。
2.2 Vrealize Automation平台
Vrealize Automation，简称VRA，是一个基于Vsphere架构的IAAS平台，IT组织能够通过该平台实现云服务的编排与自提供。在本方案中，教师可以通过该平台在课前设计实验拓扑结构，学生可以在实验时通过该平台申请生成一组实现该拓扑的虚拟机。整个过程不需要实验技术人员的参与，保证了虚拟化平台的简单易用性。图4是实验拓扑的搭建界面，可以通过拖拉组件来实现拓扑的搭建。
3 SDN实现独立组网需求
计算机网络课程实验要求每组实验的客户机/服务器独立组网。以便在进行DHCP和DNS等实验时，不同组之间不会干扰。在实体机房中这是通过独立组网的网卡实现的，在本方案中，我们通过VMware的新一代SDN技术NSX，满足这一需求。
SDN是Software Defined Network的缩写，即软件定义网络。它是一种体系框架和设计理念。使用户可以通过软件和编程，实现网络拓扑的改变。NSX是VMware遵循SDN理念推出的网络虚拟化技术。NSX网络虚拟化包括Controller、Manager、Edge、虚拟交换机等多个组件。其中虚拟交换机能够按照网络实验的要求，构建隔离网络。图5是一组学生的实验界面，可以看到，每组设备由一台Linux虚拟服务器、一台Win7虚拟机和基于虚拟交换机的路由组件构成。
4 结束语
本文分析了传统计算机网络实体实验室所面临的问题和普通虚拟化实验方案的不足，提出一种新的云计算虚拟化实验设计。通过近几年的教学实践，本虚拟化方案在我校网络工程专业实验教学中取得了良好的效果。突破了原有实体实验室容量小、维护困难的问题。学生不仅在实验课上可以进行网络实验，还可以在寝室通过校园网，远程进行实验内容的预习和复习。真正利用虚拟化和云计算技术，极大的改善和提高了实验教学效果。
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