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摘要：职业类计算机网络应用课程教学旨在培养学生企业网络的规划、设计、配置与维护的能力，着重于职业院校学生专业技能的培养，由此企业组网实践教学项目的实践教学尤其重要。计算机网络应用实践项目实操性较强，综合程度高，本文研究了一种基于虚拟化技术的在线实验室的可行性方案，搭建学院私有云，将服务器集群虚拟化管理，构建线上实验系统，实现学生课堂内实验室登录访问和课堂外远程登录访问，实时或回看教师教学视频，上传或下载实验，提高实践教学的效率。
关键词：私有云;虚拟化技术;在线实验室
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）14-01 85-02
计算机网络应用课程是计算机网络技术专业的核心基础课，培养学生中小企业网络的规划、设计、配置与维护的技能能力。该课程的核心教学内容包括以太网交换技术、VLAN、IP路由技术、网络安全技术等。该课程的职业定位精确，重在培养学生的网络方案规划能力、IP地址规划能力、网络设备连线能力、网络设备的管理和配置能力及网络故障排除应用能力。
在传统交换路由机房：
1）路由器设备、交换机设备、PC机数量有限，不能满足每位同学独立完成综合企业网络项目实施需求。
2）使用实验室路由器、交换机网络设备搭建并完成企业网络实验项目耗时较长，无法在正常课堂中及时完成。
3）实验室教学缺乏实时视频指导，且教师无法在课堂外视频教学指导。
4）实验软件的硬件运行平台要求较高，实验软件也日新月异，学校不可能对机房及时更新换代。
基于以上原因本文提出一种基于虚拟化技术的在线实验室的可行性方案，在线实验室包括装有仿真软件的实验虚拟机和实验指导视频网站，可实现学生课堂内本地登录访问和课堂外公网远程登录访问。课堂内外学生可通过PC端和手机端实时点播实验指导视频，不需要在现有实验室基础上额外增加软硬件环境。
1虚拟化技术和私有云
虚拟化技术是指将服务器的硬件物理资源如内存、CPU、磁盘等进行统一整合，通过虚拟软件对运行的计算机程序进行按需分配，达到资源利用最大化的解决方案。虚拟化方式包括硬件虚拟化、操作系统虚拟化和应用程序虚拟化等。虚拟化技术也是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等组成集群，虚拟化资源包括计算能力和资料存储。
私有云是单位或者企业单独构建的，可提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制。私有云是专有资源，职业学校可架设私有云，供学校用户访问。利用学校私有云资源，在私有云上虚拟化管理，由管理主机统一管理分配虚拟主机。在私有云服务器上申请资源创建虚拟主机供云用户访问。
在线实验室结构图如图1，公有网络经由私有网络访问私有云服务器，私有云服务器通过虚拟化技术进行服务器集群管理，实现如下功能模块，包括在线实验室登录模块、实验指导视频点播模块、实验室镜像系统及克隆虚拟主机。管理主机通过客户端统一管理云服务器，云用户（学生）可通过公网或私网访问云服务器分配的虚拟主机独立操作实验内容。实验室环境可根据实践教学需要适时更改，不需要额外增设软硬件设备和实验耗材。
教师可提前访问云服务器上传实验指导视频到私有云供学生访问，也可在课前上传实践实验内容和课后下载学生作业。可灵活根据实践教学需要增设实验量，可根据实验难度设置整体实验时间，释放实验资源。
学生可课前提前下载实验内容，点播实验指导视频，预习实践实训。课堂上登录在线实验室使用分配的虚拟主机进行仿真实验，若课堂内实验未完成，学生可课堂外在教师规定时间内使用公网远程登录访问虚拟主机，达到在线实验的目的。
2方案设计
2.1虚拟化平台简介
本文方案使用了VmwarevSphere可伸缩、可扩展的虚拟化平台，VMware vSphere将应用程序和操作系统从底层硬件分离出来，可通过客户端看到专有资源，也可用服务器端将云服务器作为资源池进行管理。其核心组件是VMware ESXi和VM-waI’e vCenter Servero
VMware vCenter Server是一个可伸缩、可扩展的平台，可集中管理VMware vSphere环境，可统一管理私有云上的所有主机和虚拟机，虚拟机数量可几百台甚至几千台。图2是VMwarevCenter Server的安装界面。
VMware ESXi是一款可以独立安装的主机操作系统，可以使用VmwarevSphere Client远程连接控制。ESXi服务器上可创建系统模板并克隆多个虚拟机，此类虚拟机可提供普通硬件服务器的功能。图3是ESXi主机安装界面。
2.2整体方案设计
计算机网络应用课程传统实验室教学的缺陷在于实际路由器、交换机网络设备搭建配置耗时较长，且没有足够的网络设备供学生单人单用，且目前市面上的网络模拟器的硬件运行环境较高，比如H3C公司的HCL模拟器。借助云服务器和虚拟化平台的统一管理，可达到可访问的云主机根据具体硬件要求来配置，不需要更换实验机房的PC机。
根据图1的在线实验室的结构图部署在线实验室平台，首先需要保证私有云服务器所连接的内网与学校实验室互通，使学校实验室用户可通过校内网课内访问私有云。其次私有云需要直连控制台即管理主机，这样管理主机方可统一管理私有云上的所有虚拟机。最后公有网络的接人为课堂外远程访问私有云提供了保障。
私有云是整个在线实验室的数据中心，是整个在线实验室的资源池，供云用户申请资源并使用。私有云上安装VMwareEXSi主机并创建虚拟机。VMware EXSi的虚拟机有以下几种类型：第一种类型是安装了VMware vCenterServer的虚拟机，其中安装VMware vCenter Server的虚拟主机的操作系统必须是Windows server 2012操作系统;第二种类型的虚拟机是根据实验需求安装有网络类组网模拟软件的Windows操作系统;第三种类型的虚拟机是可架设实验视频点播网站的WEB服务器;第四种类型的虚拟机是根据实验镜像文件克隆出的云用户使用主机，可根据学生人数灵活生成。
管理主机是在线实验室的另一个重要组件。管理主机上安装VCenterer Client客户端后，连接云服务器的VCenter serv-er，并将所有VMwareEXSi主机添加到集群中统一管理。为了使私有云与公有网络互通，添加公网映射功能使互联网用户（课堂外用户）访问;为了便于用户域名访问可申请域名绑定公网IP。其中VMware vCenter Server虚拟机的IP地址就是服务器群的统一管理地址也就是在线实验室的访问口。
实驗视频点播网站架设在云服务虚拟主机中，可『P地址访问也可域名访问，为了保证学生可课内外实时点播实验指导视频，引人手机端访问功能，申请微信号或生成二维码，方便学生在无PC端的情况下点播实验指导视频。实验视频文件需要教师提前录屏并上传。
实验模板需要教师提前准备好软件，准备好操作系统盘，制作操作系统镜像文件并在云服务虚拟主机中安装。实践教学前根据学生人数克隆生成对应数量的主机。
该方案实现了学生课前点播实验指导视频预习实践内容，课后未完成的实验在教师规定时间内下载完成并上传，不受实验地点的限制。
3总结
本文研究虚拟化技术在计算机网络应用实践教学的应用，利用学校现有私有云服务器搭建计算机网络组建在线实验室，不需要额外购买云实验室平台。该实验室的优势在于实验器材和实验设备可随时变更，节省实验室开销。并增加视频指导点播功能，大大提高教学质量。且该方案也可迁移到其他计算机软件类实践教学中，教师可针对不同操作系统或者不同实验软件独立定制实验室模板，在云服务器上克隆出实验主机，需要时使用，不需要时释放资源，大大地降低了实验管理员的工作量。
关键词：私有云;虚拟化技术;在线实验室
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）14-01 85-02
计算机网络应用课程是计算机网络技术专业的核心基础课，培养学生中小企业网络的规划、设计、配置与维护的技能能力。该课程的核心教学内容包括以太网交换技术、VLAN、IP路由技术、网络安全技术等。该课程的职业定位精确，重在培养学生的网络方案规划能力、IP地址规划能力、网络设备连线能力、网络设备的管理和配置能力及网络故障排除应用能力。
在传统交换路由机房：
1）路由器设备、交换机设备、PC机数量有限，不能满足每位同学独立完成综合企业网络项目实施需求。
2）使用实验室路由器、交换机网络设备搭建并完成企业网络实验项目耗时较长，无法在正常课堂中及时完成。
3）实验室教学缺乏实时视频指导，且教师无法在课堂外视频教学指导。
4）实验软件的硬件运行平台要求较高，实验软件也日新月异，学校不可能对机房及时更新换代。
基于以上原因本文提出一种基于虚拟化技术的在线实验室的可行性方案，在线实验室包括装有仿真软件的实验虚拟机和实验指导视频网站，可实现学生课堂内本地登录访问和课堂外公网远程登录访问。课堂内外学生可通过PC端和手机端实时点播实验指导视频，不需要在现有实验室基础上额外增加软硬件环境。
1虚拟化技术和私有云
虚拟化技术是指将服务器的硬件物理资源如内存、CPU、磁盘等进行统一整合，通过虚拟软件对运行的计算机程序进行按需分配，达到资源利用最大化的解决方案。虚拟化方式包括硬件虚拟化、操作系统虚拟化和应用程序虚拟化等。虚拟化技术也是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等组成集群，虚拟化资源包括计算能力和资料存储。
私有云是单位或者企业单独构建的，可提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制。私有云是专有资源，职业学校可架设私有云，供学校用户访问。利用学校私有云资源，在私有云上虚拟化管理，由管理主机统一管理分配虚拟主机。在私有云服务器上申请资源创建虚拟主机供云用户访问。
在线实验室结构图如图1，公有网络经由私有网络访问私有云服务器，私有云服务器通过虚拟化技术进行服务器集群管理，实现如下功能模块，包括在线实验室登录模块、实验指导视频点播模块、实验室镜像系统及克隆虚拟主机。管理主机通过客户端统一管理云服务器，云用户（学生）可通过公网或私网访问云服务器分配的虚拟主机独立操作实验内容。实验室环境可根据实践教学需要适时更改，不需要额外增设软硬件设备和实验耗材。
教师可提前访问云服务器上传实验指导视频到私有云供学生访问，也可在课前上传实践实验内容和课后下载学生作业。可灵活根据实践教学需要增设实验量，可根据实验难度设置整体实验时间，释放实验资源。
学生可课前提前下载实验内容，点播实验指导视频，预习实践实训。课堂上登录在线实验室使用分配的虚拟主机进行仿真实验，若课堂内实验未完成，学生可课堂外在教师规定时间内使用公网远程登录访问虚拟主机，达到在线实验的目的。
2方案设计
2.1虚拟化平台简介
本文方案使用了VmwarevSphere可伸缩、可扩展的虚拟化平台，VMware vSphere将应用程序和操作系统从底层硬件分离出来，可通过客户端看到专有资源，也可用服务器端将云服务器作为资源池进行管理。其核心组件是VMware ESXi和VM-waI’e vCenter Servero
VMware vCenter Server是一个可伸缩、可扩展的平台，可集中管理VMware vSphere环境，可统一管理私有云上的所有主机和虚拟机，虚拟机数量可几百台甚至几千台。图2是VMwarevCenter Server的安装界面。
VMware ESXi是一款可以独立安装的主机操作系统，可以使用VmwarevSphere Client远程连接控制。ESXi服务器上可创建系统模板并克隆多个虚拟机，此类虚拟机可提供普通硬件服务器的功能。图3是ESXi主机安装界面。
2.2整体方案设计
计算机网络应用课程传统实验室教学的缺陷在于实际路由器、交换机网络设备搭建配置耗时较长，且没有足够的网络设备供学生单人单用，且目前市面上的网络模拟器的硬件运行环境较高，比如H3C公司的HCL模拟器。借助云服务器和虚拟化平台的统一管理，可达到可访问的云主机根据具体硬件要求来配置，不需要更换实验机房的PC机。
根据图1的在线实验室的结构图部署在线实验室平台，首先需要保证私有云服务器所连接的内网与学校实验室互通，使学校实验室用户可通过校内网课内访问私有云。其次私有云需要直连控制台即管理主机，这样管理主机方可统一管理私有云上的所有虚拟机。最后公有网络的接人为课堂外远程访问私有云提供了保障。
私有云是整个在线实验室的数据中心，是整个在线实验室的资源池，供云用户申请资源并使用。私有云上安装VMwareEXSi主机并创建虚拟机。VMware EXSi的虚拟机有以下几种类型：第一种类型是安装了VMware vCenterServer的虚拟机，其中安装VMware vCenter Server的虚拟主机的操作系统必须是Windows server 2012操作系统;第二种类型的虚拟机是根据实验需求安装有网络类组网模拟软件的Windows操作系统;第三种类型的虚拟机是可架设实验视频点播网站的WEB服务器;第四种类型的虚拟机是根据实验镜像文件克隆出的云用户使用主机，可根据学生人数灵活生成。
管理主机是在线实验室的另一个重要组件。管理主机上安装VCenterer Client客户端后，连接云服务器的VCenter serv-er，并将所有VMwareEXSi主机添加到集群中统一管理。为了使私有云与公有网络互通，添加公网映射功能使互联网用户（课堂外用户）访问;为了便于用户域名访问可申请域名绑定公网IP。其中VMware vCenter Server虚拟机的IP地址就是服务器群的统一管理地址也就是在线实验室的访问口。
实驗视频点播网站架设在云服务虚拟主机中，可『P地址访问也可域名访问，为了保证学生可课内外实时点播实验指导视频，引人手机端访问功能，申请微信号或生成二维码，方便学生在无PC端的情况下点播实验指导视频。实验视频文件需要教师提前录屏并上传。
实验模板需要教师提前准备好软件，准备好操作系统盘，制作操作系统镜像文件并在云服务虚拟主机中安装。实践教学前根据学生人数克隆生成对应数量的主机。
该方案实现了学生课前点播实验指导视频预习实践内容，课后未完成的实验在教师规定时间内下载完成并上传，不受实验地点的限制。
3总结
本文研究虚拟化技术在计算机网络应用实践教学的应用，利用学校现有私有云服务器搭建计算机网络组建在线实验室，不需要额外购买云实验室平台。该实验室的优势在于实验器材和实验设备可随时变更，节省实验室开销。并增加视频指导点播功能，大大提高教学质量。且该方案也可迁移到其他计算机软件类实践教学中，教师可针对不同操作系统或者不同实验软件独立定制实验室模板，在云服务器上克隆出实验主机，需要时使用，不需要时释放资源，大大地降低了实验管理员的工作量。