基于Web的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的設(shè)計

任元超++吳許俊++董奇++王巍

摘要：針對專業(yè)實驗室網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能不足以及模擬器的使用限制，提出采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法設(shè)計一個B/S結(jié)構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室。本文分析了國內(nèi)外部分虛擬實驗室的典型案例和開發(fā)技術(shù)，介紹了虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的系統(tǒng)組成、體系架構(gòu)和PHP開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，闡述了IOU系統(tǒng)的的組件與工作原理，以及仿真實驗的操作流程。本系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程開展虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗的功能，具有一定的實際使用價值。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室；B/S結(jié)構(gòu)；Web編程

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.07.006

0 引言

虛擬化（Virtualization）技術(shù)可以將宿主計算機的實體資源進行抽象、轉(zhuǎn)換后供多個邏輯表示，得到了廣泛應(yīng)用。使用Boson NetSim、Packet Trancer、Dynamips等模擬器已經(jīng)成為學(xué)生自主學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的常用手段，也是實驗室教學(xué)資源的有益補充。但是，模擬器也有很多局限，如不同模擬器的運行環(huán)境和操作方法差別較大，模擬較多虛擬設(shè)備時會導(dǎo)致宿主計算機性能降低，虛擬設(shè)備不支持遠(yuǎn)程操作等。

虛擬實驗室（Virtual Laboratory）最早于1989年由美國的William Wulf教授提出，用來描述一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。虛擬實驗室本質(zhì)是一個在線實驗平臺。使用在線實驗平臺有助于突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式進行創(chuàng)新，提升實驗教學(xué)水平和學(xué)生的實踐能力。虛擬實驗室的構(gòu)建技術(shù)已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。

通過分析國內(nèi)外虛擬實驗室的典型案例和開發(fā)技術(shù)，本文提出采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法設(shè)計一個B/S結(jié)構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)。

1 相關(guān)研究

國外學(xué)者率先采用虛擬化技術(shù)成功構(gòu)建了很多虛擬實驗室。其中代表性的有，美國Gentral Florida大學(xué)的虛擬系統(tǒng)實驗室（Virtual Systems Laboratory，VSL）、UCB的MASH系統(tǒng)、MIT的微電子網(wǎng)絡(luò)實驗室（Microelectronics WebLab）、CMU的虛擬實驗室（Virtual Lab）、UNC的虛擬物理實驗室（Learn AnytimeAnywhere Physics，LAAP）以及德國JHU的虛擬工程與科學(xué)實驗室（Virtual Engineering/Science Laboratory）等。

近些年，國內(nèi)學(xué)者也對虛擬實驗室技術(shù)進行了大量實踐研究。文獻(xiàn)提出了使用VMware和Dynamips等仿真軟件搭建虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的建設(shè)方案，方法簡單、成本低，究其本質(zhì)是在兩個不同的模擬器中分別開展各自的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗。文獻(xiàn)闡述了計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要模塊設(shè)計，使用C#語言開發(fā)實驗管理系統(tǒng)，應(yīng)用Flash技術(shù)、VRML插件在網(wǎng)頁中演示不同的實驗?zāi)_本。文獻(xiàn)提出利用Matlab的數(shù)值分析及圖形處理功能，結(jié)合Web服務(wù)器技術(shù)，開發(fā)了B/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)。文獻(xiàn)從理論層面探討了B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的參考模型、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、虛擬器件的建模等技術(shù)。文獻(xiàn)提出以LabVIEW為開發(fā)平臺，利用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通信功能，構(gòu)建B/S或C/S混合模式的遠(yuǎn)程虛擬實驗室，以實現(xiàn)軟件共享和硬件共享。

研究表明，虛擬實驗室大致可以分為兩類：仿真類虛擬實驗室和遠(yuǎn)程操作類虛擬實驗室。構(gòu)建虛擬實驗室主要采用了虛擬化技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和編程技術(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

根據(jù)實現(xiàn)原理，虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室屬于仿真類虛擬實驗室。方案采用思科的虛擬化IOU技術(shù)結(jié)合Web編程技術(shù)，構(gòu)建一個分布式環(huán)境下共享的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室。系統(tǒng)體系采用B/S結(jié)構(gòu)的三層架構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。

表示層使用PHP5編寫虛擬實驗室的網(wǎng)站程序和實驗管理，業(yè)務(wù)邏輯層使用IOU仿真服務(wù)器和Apache服務(wù)器分別實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真控制功能和響應(yīng)HTTP請求命令，數(shù)據(jù)訪問層使用SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的讀取或存儲。

用戶使用瀏覽器訪問虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)實驗的參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)腳本，加載具備IOS特性的IOU軟件，自行啟動或關(guān)閉仿真實驗。用戶使用虛擬終端遠(yuǎn)程操作虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?；赪eb的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室可以彌補實驗室網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能不足，可以不受時間和地域的限制供學(xué)生自由使用。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于Web的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室主要有五個組成部分，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1） Apache服務(wù)器：用于響應(yīng)瀏覽器端的命令請求。

（2）仿真服務(wù)器：用于運行IOU仿真軟件，處理實驗操作數(shù)據(jù)。

（3） SQLite數(shù)據(jù)庫：用于讀取或存儲實驗數(shù)據(jù)。

（4）（5）瀏覽器端：用于生成網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的人機對話界面。

（5）虛擬終端：用于遠(yuǎn)程登錄虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行操作。

2.3 系統(tǒng)功能模塊

基于B/S結(jié)構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室網(wǎng)站主要包括系統(tǒng)登錄、實驗管理、賬號管理、系統(tǒng)維護和數(shù)據(jù)備份等功能模塊，如圖3所示。

3 關(guān)鍵Web技術(shù)

PHP（ Hypertext Preprocessor）是一種簡單、輕便的服務(wù)器端腳本語言。PHP5支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法。虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室網(wǎng)站采用PHP5設(shè)計腳本，應(yīng)用了Aj ax、iQuery、PDO、SQLite和IOU等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 Aj ax技術(shù)

Aj ax全稱為Asynchronous Javascript and XML（異步Javascript和XML），是一種支持異步請求、創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁應(yīng)用的開發(fā)技術(shù)。Aj ax的核心是Javascript的XmlHttpRequest對象，該對象在IE5中開始支持。XmlHttpRequest對象使用Javascript向服務(wù)器發(fā)送異步請求，從服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)，然后用Javascript來操作DOM （Document Object Model）更新頁面。通過在后臺與服務(wù)器進行少量數(shù)據(jù)交換，AJAX可以使網(wǎng)頁的局部內(nèi)容實現(xiàn)異步更新。例如本項目中，在PHP網(wǎng)頁中實現(xiàn)異步提交表單信息，通過調(diào)用aj ax.php中腳本實現(xiàn)，代碼如下所示：

3.2 iQuery技術(shù)

iQuery是一個開源的小型JavaScript庫。iQuery兼容CSS3，兼容多種瀏覽器，使用戶能夠方便地處理HTML、events、制作動畫效果和AJAX交互。iQuery能夠?qū)崿F(xiàn)頁面中JavaScript代碼和html內(nèi)容的分離，通過調(diào)用iQuery庫定義的方法ID或API。頁面中可以本地調(diào)用從官網(wǎng)下載的iQuery庫，也可以遠(yuǎn)程調(diào)用CDN（Content Delivery Network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）服務(wù)器上的iQuery庫，后者可以提高因特網(wǎng)用戶訪問網(wǎng)站的響應(yīng)速度。使用HTML5重構(gòu)的頁面可省略掉type=”text/javascript”。例如本項目中，使用iQuery庫提示用戶端瀏覽器版本，代碼如下所示：

3.3 SQLite技術(shù)

SQLite是一個開源的輕量型、嵌入式、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它占用較少的系統(tǒng)資源，適合在嵌入式設(shè)備中運行。同時能夠支持Windows、Linux、Unix等操作系統(tǒng)，能夠支持Tcl、C#、PHP、Java等編程語言，帶有ODBC接口，處理速度比Mysql和PostgreSQL都快。SQLite最新版本是SQLite 3。例如本項目中，使用devices表存儲所有實驗中的虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息，查詢結(jié)果如下所示：

sqlite> select * from devices；

3.4 PDO技術(shù)

PDO全稱是PHP Data Objects（PHP數(shù)據(jù)對象），是PHP擴展的訪問數(shù)據(jù)庫的兼容性接口。PDO擴展提供了一個數(shù)據(jù)訪問抽象層，支持多種數(shù)據(jù)庫，通過調(diào)用一致的函數(shù)執(zhí)行查詢和獲取數(shù)據(jù)。PDO擴展本身不能執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作，需要使用一個針對特定數(shù)據(jù)庫的PDO驅(qū)動（database-specific PDO driver）訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。PDO在PHP5.1后續(xù)版本中支持，PDO需要在PHP編譯時與特定數(shù)據(jù)庫驅(qū)動一起構(gòu)建為共享擴展，并讓PHP運行時自動加載。例如本項目中，在PHP網(wǎng)頁中使用PDO初始化SQLite數(shù)據(jù)庫，部分代碼如下所示：

try{

$db=new PDO（SQLite：/data/db.sdb）；

$db->setAttribute（PDO：：ATTR_ERRMODE， PDO：：ERRMODE_EXCEPTION）；

$query=‘CREATE TABLE bin （bin_fa TEXT PRIMARY KEY， bin_name TEXT）；'；

$statement= $db->prepare（$query）；

$statement->execute（）；

} catch （PDOException $e）{

error_log（DB： error "'.$e->getMessage（）."' （query was….$query.…，）；

return false； }

}

3.5 IOU技術(shù)

IOU全稱是IOS On Unix，是在Unix環(huán)境下以用戶模式運行Cisco互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)IOS（ Internet OperatingSystem）的仿真程序。IOU早期只在Solaris （SPARC）平臺運行，現(xiàn)在可以在Linux環(huán)境運行。根據(jù)功能特性，IOU有多種軟件版本，虛擬設(shè)備可以模擬真實思科網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能，甚至可以與GNS3、eNSP仿真實驗中的虛擬設(shè)備進行互聯(lián)。相比其它網(wǎng)絡(luò)模擬器，它的優(yōu)勢顯著，一是運行時占用較少的宿主機系統(tǒng)資源，虛擬設(shè)備數(shù)量沒有嚴(yán)格限制，二是支持網(wǎng)卡橋接技術(shù)使得用戶可以使用宿主機的端口號遠(yuǎn)程登錄虛擬設(shè)備。

在本系統(tǒng)中，使用IOU管理控制程序Wrapper-linux管理IOU程序的啟動或停止。使用Shell腳本可以一次性啟動多個IOU程序，模擬多個虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并通過指定啟動參數(shù)來設(shè)置虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的具體狀態(tài)，如運行內(nèi)存大小、遠(yuǎn)程管理端口號等。例如以用戶模式啟動一個虛擬路由器，設(shè)置Ethernet模塊數(shù)為4，Serial模塊為4，默認(rèn)內(nèi)存為128M，路由器的進程名為1，Telnet端口為2000，代碼如下所示。

./wrapper-linux -m ./i86bi_linux-adventerprisek9-ms-p 2000-- -e 4-S 4 1

4 仿真實驗的基本原理

4.1 基本服務(wù)組件及其功能

基本服務(wù)組件主要為Iourc、IOS管理器、Wrapper-linux、NETMAP和SQLite。Iourc程序負(fù)責(zé)錄入系統(tǒng)注冊的License信息，否則系統(tǒng)無法正常運行。IOS管理器負(fù)責(zé)管理IOU程序。Wrapper-linux為IOU管理控制程序。NETMAP文件是根據(jù)用戶實驗設(shè)置生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溏R像文件，內(nèi)容具有特殊的格式，臨時存儲實驗運行時的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。SQLite數(shù)據(jù)庫用于存取系統(tǒng)配置信息和用戶設(shè)置的所有實驗數(shù)據(jù)。各服務(wù)組件與仿真實驗之間的關(guān)系如圖4所示。

4.2 用戶操作流程

用戶通過Web方式登錄虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室，根據(jù)管理員與非管理員的身份差別被賦予不同的操作權(quán)限。假設(shè)以非管理員身份登錄本系統(tǒng)，開展虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗，用戶操作流程如圖5所示。

5 結(jié)束語

本項目組在對現(xiàn)有虛擬實驗室的典型案例和開發(fā)技術(shù)進行分析、比較的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的組成結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)以及PHP開發(fā)使用的關(guān)鍵技術(shù)。B/S結(jié)構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室實現(xiàn)了遠(yuǎn)程開展思科網(wǎng)絡(luò)實驗的功能，具有一定的實際使用價值。