摘要：针对高职院校网络工程相关课程的实训需求，构建了一套适合高职院校特点的仿真实训平台。分析了Dynamips软件前端程序的优缺点，并进行了二次系统开发。该系统平台具有直观便捷、安全稳定、考核过程智能化自动化等特点。
关键词：网络仿真；Dynamips；路由器；交换机
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)08-1836-03
The Research of the Development of Training Platform for Network Instruction Based on Dynamips
GUO Deng-ke1, GUI Wei-hua2
(1.College of Software and Engineering, Changsha 4100075, China; 2.Central South University, Changsha 410075, China）
Abstract： This article carries on a secondary development to the Dynamips softwareprocedure by analyzing it’s merits and shortcomings. And it sets up a suit of simulation training platform in accordance with the training demands for the courses related with network engineering in higher vocational school. This system is of some advantages such as easy to handle, high security,stability, automatic testing and intelligent.
Key words: network simulation; dynamips; router; switch
近年来，随着3G技术、物联网技术的推广应用，我国网络、通信行业得到迅猛发展，网络技术的应用范围不断延伸，网络组建、网络运营、网络设备研发等领域的用人需求剧增，网络技能型人才紧缺的情况日益严重。为了满足日益紧缺的网络技术人才的需要，大多数职业院校（高职、中职）都开设了计算机网络技术及相关专业。然而，最近几年来的教育实践证明，各类学校培养出来的计算机网络技术专业的毕业生，普遍与用人单位的实际工作需要有一定的差距。据用人单位反映，很多应届毕业生动手能力差，不能很好地将课本上的理论知识与实践相结合，不能解决生产服务一线中遇到的实际问题。
作为技能型人才培养基地的职业院校也充分认识到了这一尴尬局面，纷纷加强实验、实训教学环节建设，但由于设备、经费、师资等因素，导致在网络工程的教学、实训等环节存在如下问题：
首先，网络工程是集成网络硬件开发、网络组网技术、服务器技术等技术及应用于一体的复杂综合网络应用系统。各系统之间布局纵横交错，内部结构复杂，从而给教师讲解、学生学习网络架构和原理带来不少困难。现今课堂教学，教师一般以书本为主，辅以挂图、PowerPoint、Flash、视频等方式来讲解网络工程的结构，导致学生只是被动接受这些信息，交互性差，不够直观，只能对网络工程结构进行初步了解。学生进入实验室、实训室或企业以后，由于教学条件限制，不能保证每个学生都可以亲自动手对网络设备进行操作，进而学习相关网络设备在整个网络工程中的应用。这就制约了学生的学习效率，影响学生的学习积极性，教学效果难以提高。
其次，在网络工程教学中，由于网络设备是高技术产品，价格较昂贵，且升级换代周期较短，许多职业院校受资金或办学场地的限制，无法购置大量网络设备来供学生实训，尤其是高性能核心网络设备更是一台难求。另一方面，学生直接在网络设备上进行操作练习，容易因为学习中的误操作而导致昂贵设备的损坏（尤其是插接件、电源）。而在网络工程实训中，对于某些比较复杂网络环境，没有一种有效的技术手段来快速、有效地测试和验证网络配置的正确性，更谈不上提高网络工程实施效率。
最后，由于职业院校的教师在网络方面普遍缺乏工程实践经验，也没有系统化的网络工程实际案例库、项目库可供参考，无法在教学及实训环节有效地实现工学结合，教学内容往往与工程实际脱节。同时，由于网络工程存在地域性、阶段性特点，公司或企业又不能充分接纳学生进入现场教学或顶岗实训。
这些客观存在的问题制约了网络工程教学、实训的有效展开，为计算机网络专业教学提出了新的课题。在信息化不断发展的今天，网络工程教学及实训迫切需要数字化、信息化的实训平台。
1 原型系统介绍
Dynamips是一款非常优秀的开源网络设备虚拟软件，可运行于Windows(XP /2000/2003)或者Linux系统平台上，该软件可以模拟CISCO 800、1800、1900、2800、2900、3200、3600、3800、3900、7200、7300、7500、7600、10000、12000等全系列路由器、PIX5500系列防火墙以及IDS、以太网交换机，由于CISCO系列路由、交换产品具有典型的代表性和影响力，国内其他网络设备厂商如H3C、锐捷、神州数码等公司的网络通信产品与其高度兼容。
Dynamips 软件通过加载CISCO 的IOS 软件，可在一台PC 上模拟多台CISCO 交换机、路由器设备，其最大优势在于可自行设计网络拓扑，在PC 上构建一个虚拟的网络环境。Dynamips不同于传统的纯软件式模拟器，能模拟多种型号的CISCO路由器的硬件平台，用户可以在模拟器中直接加载并运行真正的IOS镜像，这使得Dynamips可以成功模拟出99%以上的IOS功能，并且确保在绝大多数情况下得到的结果与真实设备的结果相同。[1]
但Dynamips是一个纯粹的命令行程序。当模拟一个由多台设备组成的复杂网络时，纯粹的命令行配置会显著地增加配置复杂度，需要手工设置大量参数，而且参数的修改和配置比较烦琐，给实验实训环境的搭建带来了很多不便。许多第三方团体或个人基于Dynamips开发了各种前端程序来简化Dynamips的配置过程，最著名的前端程序是Dynagen，但Dynagen配置拓扑文件较繁琐，在运行多台路由器时，对硬件要求过高，容易出现死锁现象。国内开发者在Dynagen的基础上开发了图形化界面的DynamipsGUI 软件, 此软件通过一系列向导可产生相应的实验配置文件, 方便了用户的使用，但不具备模拟以太网交换机的功能,对系统内存和CPU要求比较高。[2]
根据中、高职网络技术专业网络工程相关课程的实验、实训要求，目前需要开发一套操作直观便捷，费用投入较少，运行安全稳定，实训内容全面的仿真实训平台，并使考核鉴定的过程智能化、自动化。考虑到Dynamips的良好特性和业内认可度，拟在分析研究目前已有前端程序的优缺点基础上，使用Dynamips进行二次开发，构建一套适合中、高职院校教、学、练、考实际需求的网络工程仿真实训系统。
开发团队在分析了几类常见网络工程项目后，在Dynamips平台的基础上进行二次开发，已初步完成网络工程仿真软件的原型系统。目前已在此基础上编写了一系列网络工程项目试验文档，并已在网络工程实训课程中进行了试用，其实验效果已大体接近真实网络工程效果。该原型系统简化了Dynamips的系统控制；实现了对CISCO硬件平台的模拟仿真，可有效地控制网络拓扑连接，对模拟路由器等网络设备进行启动、登入、配置、测试等操作。但目前该原型系统仍沿用命令行方式，需要手工设置较多的参数，运行效率还有待提高。
2 系统设计目标
网络工程仿真实训系统是针对目前网络工程教学、实训的不足和局限提出的完整解决方案。首先，我们提出的网络工程仿真实训系统综合利用了多媒体技术、计算机虚拟现实技术、仿真模拟技术、网络通信技术等手段来模拟网络工程的实施过程。其次，网络工程仿真实训系统可以解决上述三方面的问题，并实现如下目标：
1) 解决职业院校网络设备不足或场地受限的问题，减少固定资产投入。网络仿真实训系统采用虚拟现实技术，实现网络化教学，采用基于Dynamips的网络设备虚拟仿真平台，能在PC平台下加载真实路由、交换、安全设备的操作系统，虚拟设备的配置界面、过程、命令集等，与真实设备无异，完全可以代替种类繁多、价格昂贵的真实设备，在普通计算机机房即可完成教学任务，从而在教学过程中降低对网络设备的依赖及教学场地的限制，减少教学实训所需网络设备固定资产方面的投入，最大限度地节省职业院校的办学经费。
2) 解决职业院校网络技术专业教学资源匮乏的问题，提供丰富的工程案例。在仿真实训系统中，我们在合作开发企业、网络系统集成商、网络设备生产商提供的大量网络工程实际案例库、项目库的基础上，整理出一整套适合中、高职学生实训需求的案例库、项目库，并可由用户学校的专业教师导入的其他的大、中、小型网络工程项目。另外，学生也可按实训需求自行搭建网络工程项目环境，并在虚拟仿真环境中实现网络配置，进一步检验项目的可行性和设计中存在的问题。通过以上措施，能在实训过程中实现工学结合，各职业院校老师设计并检验过的项目也可以上传至系统案例库，实现项目资源的共享与推广。
3) 解决职业院校网络教学、实训课堂实效性不高的问题，提高人才培养质量。在教学、实训过程中，仿真实训系统的学生端可以实现网络工程项目的核心层、汇聚层、接入层、终端等各层之间的连接，设备的配置、调试和检测，并能模拟数据的封装、路径选择、传输过程，能将实际项目环境中设备中网络信息流的传输过程，以生动、形象、学生易于理解和接受的方式展现出来，从而让学生更容易理解网络设备之间的数据传输过程，进而提高教学、实训课堂的实效性，让每位学生有更多的机会参与项目工程的实施过程，使学生的专业技能迅速提升，提高中、高职网络技术专业人才培养质量。[3]
4) 解决职业院校网络专业技能评测、考核手段单一落后的问题，提供训练、考核、竞赛的标准平台。传统的网络教学、实训考核，由于受到条件的限制，在缺设备、缺项目、缺平台的情况下，往往采用侧重于理论的考核模式，重理论轻实践，考核手段单一，无法对学生的网络专业技能进行全面、合理、公平的评测。网络仿真实训系统通过模拟网络设备实现网络工程实施的过程再现，让学生能够在虚拟的环境下进行专业技能的训练，提高学生的实践动手能力，并对学生的网络专业技能水平进行科学合理的考核与评价，也可作为省级、校级网络技能竞赛的标准平台，从而降低竞赛的设备和资金投入。
综上所述，网络仿真实训系统能够弥补现有网络工程教学、实训、考核过程中存在的缺陷，降低专业办学成本，增强学生的实践动手能力，提高专业人才培养质量，更好地满足用
人单位的实际需求，提供技能训练、考核、测评、竞赛的标准平台，能从“教、学、练、考”多方面满足当今网络专业教学、实训的需求，进而提升我省职业教育中、高职网络专业人才培养质量。因此，本项目的成果具有极大的经济效益和社会效益。
3 系统拓扑结构
3.1 开发流程
以现有BFN网络实验平台为基础，在Dynamips开源平台上进行二次开发，综合运用仿真模拟技术、智能分析技术、GUI技术和多媒体技术构建网络工程仿真实训系统，模拟真实网络设备的运行和调试过程，将技能训练和考核鉴定涉及的内容直观化、具体化，从“教、学、练、考”四个方面满足网络工程实验、实训的需求。
系统的总体网络拓扑结构如图1所示。省教育厅服务器通过Web应用系统进行院校用户的授权管理，发布新增工程案例库、考核库，并收集技能评测、技能竞赛的上报数据。使用院校的教师机与学生机通过网络工程虚拟仿真实验室的局域网，利用网络教学通讯软件，使用网络工程仿真实训系统提供的“教、学、练、考”四大功能。学生机完成基于Dynamips的网络设备仿真，在PC上构建网络工程虚拟仿真环境，完成相应的实训任务。[4]
网络工程仿真实训系统围绕教、学、练、考四方面的要求，紧密结合企业一线网络工程案例，着眼于学生技能训练和培养，突出实训内容的模块化、阶段递进的特色，客观呈现真实工作情景，努力达到“做中学、学中做”的目的。
项目开发的主要流程：按照“项目可行性研究，制定项目开发计划——需求确认——概要设计——初步设计——详细设计——编码——单元测试、集成测试和系统测试——维护”的流程进行项目开发。
3.2 系统的软、硬件环境
在开发该软件时，对系统的软硬件有基本的要求，即：
1) 硬件需求：硬件要求 CPU 速度1.6GHz 以上，内存容量2G 以上，硬盘容量80G以上。
2) 软件需求：Windows XP操作系统，网络视频系统学生端；SVN软件实现版本控制，Redmine作为项目协作平台，以QT、VS 2008、SQL Server 2005等作为开发软件。
3) 网络需求：网络工程虚拟仿真实验室需调通100M局域网，如需从省教育厅下载、上传相关数据，则教师机需接通Internet。
3.3 平台特点
该网络工程课实训平台特点如表1所示。
4 总结
充分发挥模拟软件的优势，将理论与实践相结合，以往如OSPF 路由配置等需要大量的网络设备的实验，如今只要在一台PC 客户机上就可实现，加深学生理解理论知识。
在实验过程中无需担心学生误操作或是恶意操作，如修改网络设备密码或删除Flash 文件等。由于所有的网络配置实验均在远端服务器上由软件完成，即使在操作过程中出现了无法恢复的错误时，也无需担心，只要将软件复位，即可重新开始实验。[5]
减轻实验室维护教师的维护负担，每次实验完毕后，无需对网络设备进行一一复原。
大量节约成本，使学生能在虚拟环境中配置价格昂贵的网络设备，有效提高学生的实践技能。
提高学生的创新能力，使实验不受设备等硬件因素的制约，充分调动学生学习的主动性。
便于组织开放性实验。学生可以利用网络访问在线虚拟网络实验平台，可以在任何时间、任何地点完成实验。
参考文献：
[1] 王丽娜,何军,侯健敏,等.基于DynamipsGUI的两类路由协议仿真通信实验[J].实验室研究与探索,2010(6).
[2] 王晓梅.在线虚拟网络实验平台的设计与实现[J].计算机教育,2009(18).
[3] 李旭章,白艳宇,孙勇毅,等.基于仿真软件构建虚拟网络实验室[J].电脑知识与技术,2009(16).
[4] 张晓东,雷根平,梁振东.基于Dynamips和Vmware构建网络实验的应用[J].科技信息,2010(29).
