小议网络工程在线实验室的开发

一、系统工作模式及网络结构

基于Web的网络工程在线虚拟实验室采用典型的浏览器/服务器（B/S）三层结构，如图1所示。第一层是用户界面层（即客户端），其功能主要通过中间层部件提供的业务服务来实现，故客户端所需安装软件少，配置也很简单。第二层是应用服务层（即中间层），包含若干提供应用服务的中间层部件，用于对实验环境、实验过程进行仿真。实验时，应用服务器通过Web页面接受来自客户端的实验操作请求，并根据客户端的操作，读取数据库中的相应数据，经过仿真运算，模拟输出实验结果。第三层是数据服务层，用于存放实验方案、实验过程数据和实验结果等。

二、系统体系结构

为方便学生开展网络工程实验，基于Web的网络工程在线虚拟实验室按图2进行总体设计。1.用户登录模块用于系统登录和统一身份认证。分系统超级管理员（实验管理员）、实验指导教师和学生三种角色。[2]2.教学管理模块用于针对教师、学生和实验管理员的三种教学管理。（1）教师教学管理。为实验指导教师提供实验项目新建、实验内容、实验过程监控、实验数据统计、实验报告批改、实验效果评价、实验成绩和在线答疑与辅导等服务。（2）学生学习管理。供学生进行实验室预约、选择实验、在线虚拟实验、实验数据保存、实验报告提交和实验成绩查询等。（3）实验管理员的管理。包括账号管理、权限管理、实验课程管理、系统审计和系统维护等。3.信息模块用于实验公告，下发实验通知，提供实验课件及资源下载等。4.在线实验模块为系统核心模块,包括以下三个子模块：[3]（1）实验预习子模块。主要以文字、图形、图像或动画等形式对实验设备、实验器材、实验原理、实验操作及其它注意事项进行介绍。要求界面友好、清晰、美观，并为学生实验提供相关的课程资源及资源链接。（2）实验操作子模块。构成本实验系统的虚拟实验操作单元，包括用户参数设定、实验过程呈现和实验结果呈现三部分。用户参数的设定，如路由器IP地址的设定、网关的设定等在客户端进行，服务器在对实验参数进行处理后，将实验运算数据返回至客户端来控制实验模型的变化，并返回实验结果。（3）实验报告子模块。通过该模块，教师可以对每个实验的实验流程进行配置，对每个被记录下的学生实验过程进行检查，并在实验结束后自动生成相应的实验报告，供学生修改、上传和教师调阅、批改等。5.交流互动模块该模块主要完成两大功能：一是在线交流功能，借助该功能，师生之间可以相互交流、对话，通过相互协作和协商共同完成实验任务；二是留言功能，借助留言板，学生可以向教师请教，教师也可以针对不同学生的提问及时作出回答或进行个别化的指导。

三、关键技术及其实现

1.网络设备/器材的建模网络工程实验中的设备/器材都是一个个独立的实体,因此，可采用面向对象技术对这些设备/器材进行建模。建模的方法如下：①确定系统中的虚拟设备/器材对象；②确定每个虚拟设备/器件的属性和动态行为，并将其映射为对象的属性值和行为；③确定每个虚拟设备/器材对象的接口。由于网络工程实验中每一种设备/器材都对应一个Java类，设备/器材之间具有相似性，因此，可通过面向对象的继承与组合机制从原有模型中派生新的设备/器材模型，从而实现虚拟设备/器材模型的可重用性。所示为虚拟设备/器材类的关系。可以看出，每一种虚拟设备/器材都继承自VDevice类。2.虚拟实验操作单元结构设计由于网络工程虚拟实验中涉及到诸多对象（如网络设备/器材、单元流程等的抽象）的管理和调度,因此应该采用基于类库的系统结构,通过Java线程机制对相关对象进行调度,通过Java容器对单元对象实施管理。为此，在虚拟实验操作单元中设计了以下类：系统类、窗口界面类、设备/器材类、信息呈现类、数据处理类和操作评价类等。为对同类对象实行统一管理，采用Java包对这些对象进行封装。如图4所示。“系统”类：位于系统顶层，负责协调和管理其它所有类。系统类通过消息传递机制完成对其它类的调用。“窗口界面”类：依赖于由虚拟设备/器材组成的实验模型及系统对它的调度，实验信息也通过操作界面传递给用户。[6]“设备/器材”类：提供基本的设备/器材单元及其数学模型。“信息呈现”类：给出实验操作错误信息，提供各种智能帮助等。“数据处理”类：结合相关算法等对实验数据进行在线或离线处理。“操作评价”类：根据实验操作过程及实验结果对学生实验操作行为进行评价。3.虚拟实验操作单元窗口界面设计本实验平台采用拖拉式的实验设计界面，通过接近于实际操作的过程模拟，高仿真模拟实验过程与实验结果。其窗口界面设计如下：（1）设备/器材栏主要用来展示各种网络设备与器材，供用户实验时选择。设备/器材栏中列出了计算机、集线器、交换机和路由器等网络设备与器材。用户可以根据实验需要，用鼠标单击所需设备/器材，拖入到实验区中进行实验。（2）设备/器材属性栏当用户在器材栏中选中某一设备/器材时，设备/器材属性栏窗口将会显示该器材的一些属性信息，供用户了解该器材的功能与作用。（3）实验区该区域供用户添加实验设备与器材，设置网络参数，构建网络拓朴，执行联网操作，运行仿真和观察实验结果等。当操作某一网络设备时，该区域可能会弹出一个Tab窗口供用户进行相关配置。该区域在设计上应支持包括设备/器材的拖动、连线、删除和右键菜单等操作。（4）信息提示区该区域用于显示设备与器材操作中的一些提示信息和实验信息，提示信息包括：①当前选中的器材；②右键菜单提示；③正在进行的操作；④图形界面操作中某些不支持的功能等。

四、结束语

网络工程实验是网络工程专业教学中十分重要的一环。合理开发和利用基于Web的网络工程在线虚拟实验室，不仅能降低学校办学成本，满足实践教学需要，而且可以突破传统实验的种种限制，将实践教学环节由校内延伸至校外。这对于远程教育的开展及创新人才的培养都有着较为重要的意义，这也是普通高校理工科专业实践教学改革的一个发展方向。

作者：杨建良 李勇帆 单位：湖南第一师范学院