高可用性高校网络虚拟仿真实验
本虚拟仿真实验项目共设计了5个模块的教学内容,覆盖局域网vlan设计与ip规划、局域网冗余及网络流量负载均衡、路由及NAT技术、VPN隧道、网络安全等。代表计算机网络与通信实验课程的核心技术和知识点。 通过实验项目案例实施掌握中小型校园网常见路由综合搭建规划设计思路及方法掌握局域网vlan划分及ip规划,实现校园网内部网络连通。掌握局域网冗余及负载均衡,实现核心层到汇聚层的网络冗余及不同vlan负载均衡。掌握路由及NAT(PAT),实现局域网络连接到Internet,外部能访问内部web服务器。掌握VPN,实现不同地域的两个网络之间的内部互联。掌握网络安全,实现园区内部网络安全,禁止外网访问内部服务器,限制外网访问服务器部分端口,禁止外网访问内网部分端口。对每个vlan的接入pc进行数量控制。掌握网络测试方法及常见网络故障排查技巧及网络优化方法。
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实验教学项目负责人情况
姓名 王勋 性别 出生年月 1967-07-01
学历 博士研究生 学位 博士 专业技术职务 教授
行政职务 院长 院系 计算机科学与技术学院
教学研究情况

主持的教学研究课题(含课题名称、来源、年限,不超过5项)

1.新工科背景下财经院校计算机类工程认证专业改革探索与实践,浙江省高等教育“十三五”第一批教学改革研究项目,2019.01-2020.12

2.计算机类专业开源软件教学的改革与实践,浙江省新世纪教改项目,2010.01-2011.12

3.开放实验教学改革与质量评价体系研究,浙江省高教学会重点研究课题,2009.06-2010.08

4.计算机科学与技术专业建设,国家一流本科专业建设项目,2019.12

5.计算机工程与技术省级实验教学示范中心,浙江省教育厅,2010.01-2012.12

作为第一署名人在国内外公开发行的刊物上发表的教学研究论文(含题目、刊物名称、时间,不超过10项)

1.基于开源软件的中小企业网络实验教学平台构建, 实验室研究与探索, 2012, 31(6): 74-78.

2.The Experimental Teaching Content Design of Network Courses Based on Open Source Software, Advances in intelligent and soft computing. Vol 108, 2011: 771-778. Education and Educational Technology 2011.01

3.基于开源软件的开放课程教育模式与应用研究,浙江省高教学会计算机教学专业委员会2010年学术年会优秀论文一等奖

4.数据可视分析,西北工业大学出版社,2018年10月第1版

5.《数据库系统原理》,浙江工商大学出版社,2018年8月第二版(省高校重点教材)

6.数据库系统原理学习指导,浙江工商大学出版社,2012年3月

获得的教学表彰/奖励(不超过5项)。

1.2017浙江省“万人计划”教学名师

2.基于“分层组合、工管融合、多元结合”的三创型智慧商务人才培养探索与实践,2018年国家教学成果奖二等奖,排名第一
3.基于科研团队的财经高校信息类硕士生“三协同、一中心”培养探索与实践, 2019浙江省研究生教学成果奖一等奖,排名第一
4.面向智慧商务的“分层组合、工管融合、多元结合”三创人才培养探索与实践,2016年浙江省教学成果奖一等奖
5.构建服务聚合大平台、培养电子商务学生创新创业能力,2014浙江省教学成果奖二等奖,排名第三

学术研究情况

近五年来承担的学术研究课题(含课题名称、来源、年限、本人所起作用,不超过5项)
1. 面向移动电子商务的可视体验计算(U1609215),国家自然科学基金重点项目,2017.1-2020.12,250万元,主持
2. 混合现实环境下的观演空间支撑技术研发(2018YFB1404100),国家重点研发计划项目,2019.07-2022.06,1400万元,主持
3. 影像文化与演艺事业的内容处理、展示和装备研发及示范(2014BAK14B00),国家科技支撑计划项目,2014.1-2016.12,1827万元,主持
4. 基于生成式对抗网络的交通场景目标检测(61976188),国家自然科学基金面上项目2020.1-2023.12,61万元,主持
5. 面向二维视频立体化的时空一致性补全技术研究(61379075),国家自然科学基金面上项目,2014.1-2017.12,75万元,主持

在国内外公开发行刊物上发表的学术论文(含题目、刊物名称、署名次序与时间,不超不超过5项)
1. Semantic annotation for complex video street views based on 2D-3D multi-feature fusion and aggregated boosting decision forests. Pattern Recognition. 2017.2, 62: 189-201, 第一作者
2. Video object matching across multiple non-overlapping camera views based on multi-feature fusion and incremental learning. Pattern Recognition. 2014.12, 47: 3841~3851, 通讯作者
3. Recognition of low-resolution logos in vehicle images based on statistical random sparse distribution. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2015.3, 16(2): 681~691, 通讯作者
4. Manifold Learning by Curved Cosine Mapping. IEEE Transaction on Knowledge and Data Engineering. 2017.10, 20(10): 2236~2248, 通讯作者
5. Multi-scale Hierarchical Residual Network for Dense Captioning. Journal of Artificial Intelligence Research. 2019.1, 64: 181-196, 通讯作者

获得的学术研究表彰/奖励(含奖项名称、授予单位、署名次序、时间,不超过5项)
1. 2017年入选国家“百千万人才”工程,获国家级中青年突出贡献专家称号
2. 2010年获浙江省“151人才工程”重点资助
3. 网络互动媒体计算关键技术及应用,2017浙江省科技技术二等奖,排名第一
4. 城市多元异构数据集成计算关键技术及产业化应用,2017年高等学校科学研究成果奖(科学技术进步奖)二等奖,排名第一
5. 地理空间数据智能处理与安全共享基础平台研发与应用,2015浙江省科技技术二等奖,排名第一

实验教学项目教学服务团队情况
团队主要成员
序号 姓名 所在单位 专业技术职务 行政职务 承担任务 备注
团队其他成员
序号 姓名 所在单位 专业技术职务 行政职务 承担任务 备注
{xh} {xm} {xx} {zyzw} {xzzw} {cdrw} {bz}
项目团队总人数:9 人高校人员数量:4人 企业人员数量:5人
实验目的

《计算机网络与通信实验》是我院的独立实验课,其目的是让学生掌握网络基本理论和网络常用技术,并能完成中小型园区网的组建和维护,为就业岗位做好网络的理论和技术基础准备,本实验项目(高可用性高校网络虚拟仿真实验)主旨是实现中小型校园网的核心路由网络功能,具体要求是:1、校内网络互连,vlanip设计与规划。2、校内网络核心层交换机双热备,实现局域网冗余及负载均衡。3、利用学校向ISP申请的少数公网IP,使用NAT技术实现校内主机上网,以及一个映射到web服务器实现。4、与老校区通过VPN实现内部互联。5该学校对安全性要求较高,外网只允许访问web服务器的80端口,禁止外网访问内网部分端口。对每个vlan的接入pc进行数量控制。

该项目通过虚拟仿真手段使学生以在线学习的方式掌握中小型校园网综合网络搭建所需的相关技术,包括网络规划、设计、实施、测试、故障诊断和优化的全过程,旨在巩固之前所学的路由交换技术,同时将其进行综合应用解决实际的网络问题,该实验项目具体实验目的为:

 通过实验项目案例实施掌握中小型校园网常见路由综合搭建规划设计思路及方法

 掌握局域网vlan划分及ip规划,实现校园网内部网络连通。

 掌握局域网冗余及负载均衡,实现核心层到汇聚层的网络冗余及不同vlan负载均衡。

 掌握路由及NATPAT),实现局域网络连接到Internet,外部能访问内部web服务器。

 掌握VPN,实现不同地域的两个网络之间的内部互联。

 掌握网络安全,实现园区内部网络安全,禁止外网访问内部服务器, 限制外网访问服务器部分端口,禁止外网访问内网部分端口。对每个vlan的接入pc进行数量控制。

 掌握网络测试方法及常见网络故障排查技巧

 掌握网络优化方法

实验强调以学生为中心的教学理念,以项目式教学方法为主,让学生亲自动手,小组分工协作,模拟校园网中综合网络从规划到搭建、实施、调试、优化的全过程。实验中,教师负责实验项目的介绍、实验方法的讲解、实验过程监控,并对学生操作、模拟仿真中出现的问题加以引导、启发,使学生认识问题出现的关键所在,掌握故障排查方法,增强学生对知识的获取兴趣和获取能力,培养学生发现问题、解决问题的能力。
实验课时

(1)实验所属课程所占课时:32课时。

(2)该实验项目所占课时:2课时。
实验原理

知识点:共  5 

本虚拟仿真实验所设计的详细具体原理或知识点请参阅相关教材。本虚拟仿真实验共设计了5个模块的教学内容,覆盖局域网vlan设计与ip规划、局域网冗余及网络流量负载均衡、路由及NAT技术、VPN隧道、网络安全等。代表计算机网络与通信实验课程的核心技术和知识点。

本虚拟仿真实验包括多个计算机网络技术及其综合应用,涉及的核心技术如下:

1vlanvlan通信

虚拟局域网(VLAN)是一组逻辑上的设备和用户,这些设备和用户并不受物理位置的限制,可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来,相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样,由此得名虚拟局域网。VLAN是一种比较新的技术,工作在OSI参考模型的第2层和第3层,一个VLAN就是一个广播域,VLAN之间的通信是通过第3层的路由器来完成的。与传统的局域网技术相比较,VLAN技术更加灵活,它具有以下优点:网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少;可以控制广播活动;可提高网络的安全性。

本实验主要对局域网进行vlan划分及ip规划,实现校园网内部网络连通

2stphsrp技术

STP(Spanning Tree Protocol)是生成树协议的英文缩写,可应用于计算机网络中树形拓扑结构建立,主要作用是防止网桥网络中的冗余链路形成环路工作。

热备份路由器协议(HSRP)的设计目标是支持特定情况下 IP 流量失败转移不会引起混乱、并允许主机使用单路由器,以及即使在实际第一跳路由器使用失败的情形下仍能维护路由器间的连通性。实现HSRP的条件是系统中有多台路由器,它们组成一个“热备份组”,这个组形成一个虚拟路由器。换句话说,当源主机不能动态知道第一跳路由器的 IP 地址时,HSRP 协议能够保护第一跳路由器不出故障。

本实验主要实现核心层到汇聚层的网络冗余及不同vlan负载均衡。

3)动态路由、静态路由、默认路由,静态NATPAT

路由(routing)是指分组从源到目的地时,决定端到端路径的网络范围的进程。路由工作在OSI参考模型第三层——网络层的数据包转发设备。路由器通过转发数据包来实现网络互连。

静态路由指的是有一些路由器使用者或是一些网络管理人员手工进行配置的一些路由信息。

动态路由是指路由器能够自动地建立自己的路由表,并且能够根据实际实际情况的变化适时地进行调整。

默认路由(Default route),是对IP数据包中的目的地址找不到存在的其他路由时,路由器所选择的路由。

NAT(Network Address Translation),中文意思是“网络地址转换”,它允许一个整体机构以一个公用IPInternet Protocol)地址出现在Internet上。顾名思义,它是一种把内部私有网络地址(IP地址)翻译成合法网络IP地址的技术。NAT的实现方式有三种,即静态转换Static Nat、动态转换Dynamic Nat和端口多路复用PAT

本实验主要实现局域网络通过少量有效IP地址连接到Internet,外部能访问内部web服务器。

4VPN隧道技术

VPN(Virtual Private Network),即“虚拟专用网络”。它可以通过特殊的加密的通讯协议在连接在Internet上的位于不同地方的两个或多个企业内部网之间建立一条专有的通讯线路,就好比是架设了一条专线一样,但是它并不需要真正的去铺设光缆之类的物理线路,而是在利用公共网络建立虚拟私有网。

本实验主要实现不同地域(两个校区)的两个网络之间,在Internet基础上建立一条虚拟通道,实现网络内部互联。

5ACL及端口安全

ACL即访问控制列表,就是对经过网络设备的数据包根据一定的规则进行数据包的过滤。通常ACL可以用于以下情况:内网布署安全策略,保证内网安全权限的资源访问;内网访问外网时,进行安全的数据过滤;防止常见病毒、木马、攻击对用户的破坏。本实验主要用于限制外网对内网服务器及主机的访问。

从基本原理上讲,Port Security特性会通过MAC地址表记录连接到交换机端口的以太网MAC地址(即网卡号),并只允许某个MAC地址通过本端口通信。其他MAC地址发送的数据包通过此端口时,端口安全特性会阻止它。使用端口安全特性可以防止未经允许的设备访问网络,并增强安全性。

本实验主要用于限制对每个vlan接入pc的数量。

实验仪器设备

1.服务端:

硬件:

服务器1台(机架式2U,intel E5-2650八核以上双CPU128G DDR3 RDIMM以上内存,1TB以上硬盘,四口千兆以上以太网接口)。

软件:

高可用性高校网络虚拟仿真软件。

2.学生端:

硬件:个人电脑一台,能够访问互联网及校园网。
        软件:浏览器(Google Chrome或其他),Web方式登录操作。

实验材料(或预设参数等)
本虚拟仿真实验主要依托于虚拟仿真环境,无需额外消耗类或易损类实验材料,实验教学全过程只需要可以上网的电脑、并且安装了要求的浏览器和软件。
实验教学方法

一、使用目的

信息化时代背景下,学生需求及学习方式发生了巨大的转变,将多种先进的信息技术与实验教学深度融合,创建了信息时代下以学生为中心师生互动探究式学习模式,达到学生自发积极学习的良好实验教学效果。

高可用性高校网络虚拟仿真实验平台基于 B/S架构进行设计和开发,将计算机网络课程的虚拟仿真实验资源统一部署到平台上,达到高效管理和开放共享的目的。该平台可以让学生突破时间和空间的限制,更加合理和自由地安排实验学习,完成相应实验内容并反复练习。

通过基于原理性的互动仿真和工程性的界面仿真,旨在通过该平台克服传统的实体实验中协议运行的可感知性,突破学生学习中概念抽象、想象力和分析力要求高、不便于掌握的困难,为学生的基础性学习和探究性学习以及进一步深入了解和掌握网络技术在网络系统工程中的应用,提供互动、启发、探究式的研学辅助手段与工具。

二、实施过程

在电脑上使用浏览器登录“高可用性高校网络虚拟仿真实验系统”进行虚拟仿真实验。

        三、实施效果

该虚拟仿真实验项目紧密结合专业特色和行业需求,在实验教学、人才培养、资源共享等方面取得显著效果。

虚拟仿真实验有效弥补了真实实验如下一些固有缺陷:

1、网络运行机理的可见性差。通过虚拟仿真实验,学生可以直观了解网络设备上运行的各个网络协议的运行机理和数据情况。而这些协议运行原理的可视化,对学生理解网络协议的机制和原理至关重要。

2、实验特性的可扩展性弱。通过虚拟仿真实验,学生做计算机网络实验不受设备数量和类型限制。可以实现网络设备种类和数量庞大、拓扑结构复杂多样的综合设计性网络实验,而这在传统实验室中难以操作进行。

3、建设与维护成本高。通过虚拟仿真实验,有效解决了实体实验室设备通常价格高昂,产品生命周期有限,运维成本高等缺点,可作为实体实验室的有效补充。

4、资源的开放共享性差。通过虚拟仿真实验,学生进行计算机网络实验不受设备资源、学习地点等限制,实现随时随地进行实验,可实现共享开放。

通过虚拟仿真实验项目的建设,能够进一步改进现有传统实验教学体系,解决计算机网络传统实验和新兴虚拟仿真实验教学的诸多问题。虚拟仿真实验教学管理平台可以依托校园网建设,面向全校学生开展计算机网络技术的虚拟仿真实验教学,并通过校园网的对外访问,提供校外访问平台的认证访问途径。

软件仿真不仅以直观、友好的人机界面改善了学生实验体验,还针对计算机类的专业特点,进行了多用户协作、逐步调试以及对照自评等独有教学设计,引学生浓厚的兴趣,也能取得极好效果。

该实验平台与真实设备有一致的交互体验、不受限制自主构建网络拓扑、保存当前实验进度以及使用便捷等优点使。教师的授课管理和学生的实际操作能力和网络知识应用能力都能得到大幅度提升,并显著提高学生的学习兴趣。
实验方法与步骤要求

1、实验方法

本虚拟仿真实验共分5个模块,每个模块设置2个学时,共需要8个学时。

仿真实验分为5个模块,循序渐进式进行实验。

实验模块一:局域网vlan划分及ip规划。实验目的:实现校园网内部网络连通。实验任务:1.配置vtp,2.新建vlan,3.配置trunk,4.配置svi,5.配置接口地址,6.开启路由功能,7.配置DHCP,8.查看配置信息。

实验模块二:局域网冗余及负载均衡。实验目的:实现核心层到大楼的网络冗余,实现不同vlan负载均衡。实验任务:1.配置stp,2.配置端口聚合,3.配置hsrp,4.修改dhcp中的网关,5.查看配置信息。

实验模块三:路由及NAT。实验目的:实现局域网络连接到internet,外部能访问内部web服务器。实验任务:1.配置路由器接口ip,2.配置到内网动态路由,3.配置到外网的默认路由,4.配置静态NAT,映射web服务器,5.配置pat,内网连接internet,6.查看配置信息。

实验模块四:VPN。实验目的:实现新校区网络与老校区网络的内部互联。实验任务:1.配置接口ip,2.配置到外网默认路由,3.配置vpn,4.查看配置信息。

实验模块五:网络安全。实验目的:实现新校区内部网络安全,禁止外网访问内部服务器server2, 外网只允许访问web服务器server1的80端口,禁止外网访问内网135/137/139/445端口。对每个vlan的接入pc进行数量控制。对接入pc的数量控制。实验任务:1.配置端口安全,2.配置acl,3.查看配置信息。

学生需要准备Google Chrome 55.0以上版本、Firefox50.0以上版本等浏览器,电脑能够上网,虚拟仿真平台将提供实验操作平台以及实验所需资源,包括实验目的、实验原理、实验步骤、实验微课视频、实验问题答疑、实验调试、实验扩展思考等。学生可根据平台提供的资源以及老师的引导答疑,自主完成实验的课前、课中、课后各环节任务,实现真正以学生为中心的先进教学理念。

2、实验步骤(以实验模块一为例)

实验步骤主要包括分课前预习,课中实验实施,课后实验总结评价。

步骤一:预习

利用微信公众号发布实验预习要求,登录虚拟仿真平台,查看实验项目预习文档,包括实验目的、原理、步骤等。

步骤二:分组讨论

打开虚拟仿真平台,分组对实验项目分析、讨论,画操作流程图。

步骤三:场景漫游
        学生可以在实验中进行漫游,对A学校的情况进行了解。

步骤四:查看IP规划表

学生常看IP规划表。

步骤五:拓扑图

学生通过拖拽的方式,选择设备库中的设备,放置到对应的位置,搭建网络拓扑图。

步骤六:设备部署
        学生通过点击设备包,选取需要部署的设备,点击pc机部署在行政部门、教学部门等其他部门。

在设备包中点击二层交换机、三层交换机等部署在对应的机房机柜里面。

步骤七:设备配置规划

根据拓扑图及设备规划内容,对设备进行配置规划。



选择中心机房中三层交换的Gig0/1端口,链接到A大楼的二层交换机的Gig0/1端口上,选择中心机房中三层交换的Gig0/2端口,链接到B大楼的二层交换机的Gig0/2端口上,选择选择中心机房中三层交换的Gig0/3端口,链接到中心机房的二层交换机的Gig0/3端口上。

根据设备规划,选择对应的端口,将各个部门PC机汇聚到对应大楼的二层交换机上。

步骤八:根据实验任务需求进行设备配置:

选择需要配置的内容,再选择需要配置的设备,输入配置命令,敲击“enter”键进行实验配置。

该实验模块包含命令指导和一键配置功能,帮助学生完成配置内容。所有配置内容完成后,关闭配置框,根据配置信息查看配置情况。

步骤九:选择查看设备

在仿真平台已建好的拓扑图中,点击要配置完成设备的图标,如二层交换机S1的图标,在弹出菜单中点击VLAN信息,即进入该设备的信息查看配置界面。

步骤十:查看配置信息(以S1的VLAN信息为例)

在配置界面中输入“show ip interfaces brief”,敲击“enter”键,即出现配置情况信息。关闭此页面,即返回上已界面,可以查看所有已配置信息的内容或进行此网络的连通性测试。

步骤十一:连通性测试

查看IP地址,点击PC机进行网络连通性测试,选择教学部门PC机进行测试,点击即进入测试命令界面。

步骤十二:观看数据包传输效果

连通性测试成功后可查看数据包传输的效果。

步骤十三:实验任务一完成

实验任务一完成,点击确定返回到实验任务选择界面进行实验二学习与操作。


实验结果与结论要求

(1)    是否记录每步实验结果:R是 £否

(2)    实验结果与结论要求:R实验报告 £心得体会 其他           

(3)    其他描述:

本系列实验为虚拟仿真实验,并鼓励学生间和师生间的交流,当学生实验中遇到问题时可通过各种课上课下/线上线下的方式与老师交流。学生可以保存每一次的实验配置文件,并按照要求撰写实验报告电子文档。系统自动对配置过程进行评测,老师根据系统评测和对实验报告的评分形成课程成绩的主要部分。

考核要求

实验既可以用来考查学生对知识的掌握程度,又可以提升学生学习的能动性。实验成绩只能反映学生对某一个实验内容的掌握程度,更为重要的是通过各个实验,引导学生动手联系和综合运用。我们对计算机网络与通信实验课程采用实验报告和课后项目两种方式结合,更加注重学生的实践技能和综合设计能力,真正培养学生通过实验积累和经验解决实际计算机网络问题的能力。

实验设计考核:该部分考核占据实验总成绩的40%,主要根据学生实验的完成情况和实验报告撰写情况进行评判。每个实验完成情况的评价标准包括完成度和正确性(20%)、花费时间和方法的创新性(5%)、报告撰写的规范性和完整性(15%)。

课后项目考核:该部分考核占据实验总成绩的60%,让学生根据一学期所讲述的各类实验,完成2~3 个综合性项目。项目分为个人和团队两种,归纳总结并综合运行实验教学所学的各个知识点,完成综合性和复杂性的课题任务。项目需要提交报告(占30%),还要求学生制作PPT在课堂上汇报交流(占30%)。

面向学生要求

(1)    专业与年级要求

计算机类专业,包括计科专业、软件专业、信息安全专业和数据科学与技术专业。

(2)    基本知识和能力要求
要求学习过计算机网络基本理论知识。

实验项目应用及共享情况

(1)    本校上线时间 : 2020年11月上线。

(2)    已服务过的本校学生人数:200

(3)    是否纳入到教学计划: 是 

(勾选“是”,请附所属课程教学大纲)

(4)    是否面向社会提供服务:是

(5)    社会开放时间 :  2020年11月 ,已服务人数:427      

网络条件要求

(1)说明客户端到服务器的带宽要求(需提供测试带宽服务)

1)基于公有云服务器部署的系统,5M-10M带宽

2)基于局域网服务器部署的系统,10M-50M带宽

(2)说明能够支持的同时在线人数(需提供在线排队提示服务)

支持100个学生同时在线并发访问和请求,如果单个实验被占用,则提示后面进行在线等待,等待前面一个预约实验结束后,进入下一个预约队列。

用户操作系统要求

(1)计算机操作系统和版本要求

建议Windows7及以上。

(2)其他计算终端操作系统和版本要求

    无。

(3)支持移动端:否
用户非操作系统软件配置要求

(1)   需要特定插件:否

(2)其他计算终端非操作系统软件配置要求(需说明是否可提供相关软件下载服务)

浏览器推荐使用谷歌(Google Chrome)浏览器55.0以上版本、火狐(Firefox)浏览器50.0以上版本。

用户硬件配置要求

计算机硬件配置需求(最低)
中央处理器: Intel® Core™ i5-7400-3.0GHz-4核4线程

内存:8GB

硬盘空间:100GB

图形处理器:NVIDIA® GeForce® GTX 960

显存:2G及以上

显示器: 16:9 分辨率1280*720及以上

网络带宽:10Mbps

操作系统:Windows 7

计算机硬件配置需求(推荐)

中央处理器: Intel® Core™ i5-8500-3.0GHz-6核6线程

内存:16GB

硬盘空间:500GB

图形处理器:NVIDIA® GeForce® GTX 1060

显存:4G及以上

显示器:16:9分辨率1920*1080

网络带宽:50Mbps

操作系统:Windows 10

浏览器:ChromeFirefox、遨游、猎豹、360QQ、搜狗、Edge
用户特殊外置硬件要求
网络安全

(1)项目系统是否完成国家信息安全等级保护:是

(勾选“是”,请填写) 二  级
系统架构图及简要说明

高可用性高校网络虚拟仿真实验项目的开放运行依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑,二者通过数据接口无缝对接,保证用户能够随时随地的通过浏览器访问该项目,并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能,尽可能帮助用户实现自主的实验,加强实验项目的开放服务能力,提升开放服务效果。

开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托,采用面向服务的软件架构开发,集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体,是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台。

总体架构图如下:


如图所示,支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为五层,每一层都为其上层提供服务,直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。下面将按照从下至上的顺序分别阐述各层的具体功能。

1)数据层

高可用性高校网络虚拟仿真实验项目涉及到多种类型虚拟实验组件及数据,这里分别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

2)支撑层

支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的的核心框架,是实验项目正常开放运行的基础,负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统:安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等。

3)通用服务层

通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台,提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件,以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验。通用服务包括:实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、互动交流、实验结果自动批改、实验报告管理、教学效果评、项目开放与共等,同时提供相应集成接口工具,以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理。

4)仿真层

仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器,最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。

5)应用层

基于底层的服务,最终高可用性高校网络虚拟仿真实验项目教学与开放共享。该框架的应用层具有良好的扩展性,实验教师可根据教学需要,利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型,设计各种典型实验实例,最后面向学校开展实验教学应用。
实验教学项目
开发技术:3D仿真
开发工具:Unity3D  3D Studio Max   Maya
运行环境:务器 CPU 核、内存 64 GB、磁盘 2×1.2 TB、显存 0  GB、GPU型号    操作系统 Windows Server 数据库 Mysql

项目品质:单场景模型总面数:900000面 贴图分辨率:1024*1024 动作反馈时间:1秒以内 显示刷新率:高于30Hz(fps) 正常分辨率 1920*1080

实验教学项目特色

(1)实验方案设计思路:

现有的计算机网络现场实验存在以下问题:

1、网络运行机理的可见性差。真实物理网络设备上几乎没有办法直接显示网络设备的状态和运行情况,实验过程中没有办法直接看到物理设备上运行的各个网络协议的运行机理和数据情况,而这些协议运行原理的可视化,对学生理解网络协议的机制和原理至关重要。

2、实验特性的可扩展性弱。实体实验室可提供的设备数量往往有限,而且设备类型固定受限,可实现的设备组合少、特性丰富度低。

3、建设与维护成本高。实体实验室设备通常价格高昂,产品生命周期有限,运维成本高。

4、资源的开放共享性差。实验室设备资源、学习地点受物理场地限制,无法实现随时随地进行实验,难以实现共享开放。

一般的计算机网络仿真软件在解决了传统网络实验室缺点的基础上,还存在以下缺点:学生需要安装软件,配置软件环境等技术困难。没法进行学生实验过程管理,师生无法互动。支持虚拟仿真的网络设备较少。

本系统高可用性高校网络虚拟仿真系统, 采用B /S架构,将实验管理系统和虚拟仿真教学系统结合,统一部署在服务器上。学生无需安装客户端软件,在自己的电脑上用浏览器登陆到该平台即可进行实验,避免了学生自己部署虚拟仿真环境困难,版本不一致等一系列问题。该平台可以让学生突破时间和空间的限制,更加合理和自由地安排实验学习,完成教师在实验平台上布置的相应实验内容并反复练习,与老师在线进行互动,寻求实验帮助,提交实验结果等。通过该平台的建设,能够进一步改进现有传统实验教学体系,有效弥补传统现场实验和一般的单机计算机网络仿真软件的不足。实现实体与虚拟实验之间的优势互补,并提供校内外开放共享的实验教学服务。

(2)教学方法创新:

该系统为计算机专业计算机网络与通信课程需求搭建了虚拟仿真系统平台,最大程度激发了学生的学习内驱力和动手热情,从而培养其终身学习的能力,解决实际问题的能力,为成为当代社会亟需的计算机网络技术工程人才做好了充分的理论和实践及工程素养的全面准备,为就业打下良好的基础。主要的创新如下:

该系统可以让学生突破时间和空间的限制,更加合理和自由地安排实验学习,完成相应实验内容并反复练习。通过虚拟仿真实验教学管理平台的建设,能够进一步改进现有传统实验教学体系,解决计算机网络传统实验和新兴虚拟仿真实验教学的诸多问题。

该系统包括计算机网络虚拟仿真实验教学管理网站、实验教学管理、实验知识理论学习、实验过程智能指导、实验结果自动批改、实验资源和素材管理、师生问答讨论、系统管理功能等模块。

(3)评价体系创新:

我们对计算机网络课程实验采用实验报告和课后项目两种方式结合,更加注重学生的实践技能和综合设计能力,真正培养学生通过实验积累和经验解决实际计算机网络问题的能力。

实验设计考核:该部分考核占据实验总成绩的60%,主要根据学生实验的完成情况和实验报告撰写情况进行评判。每个实验完成情况的评价标准包括完成度、正确性、花费时间、方法的创新性、报告撰写的规范性和完整性。

课后项目考核:该部分考核占据实验总成绩的40%,让学生根据一学期所讲述的各类实验,完成2~3 个综合性项目。项目分为个人和团队两种,归纳总结并综合运行实验教学所学的各个知识点,完成综合性和复杂性的课题任务。项目需要提交报告,还要求学生制作PPT在课堂上汇报交流

(4)对传统教学的延伸与拓展:

传统计算机网络实验教学方式,对于学生理解网络原理、设计和实施网络工程等,具有举足轻重的作用。但传统实验室也存在以下缺点:(1)诸如网络运行机理的可见性差。(2)实验特性的可扩展性弱。(3)建设和维护成本高。(4)资源的开放共享性差等缺点。

而一般的计算机网络仿真软件在解决了传统网络实验室缺点的基础上,还存在以下缺点:(1)学生需要安装软件,配置软件环境等技术困难。(2)没法进行学生实验过程管理,师生无法互动。(3)支持虚拟仿真的网络设备较少。

采用B /S架构的计算机网络与通信虚拟仿真实验平台可以有效弥补传统现场实验和一般仿真软件的不足。实现实体与虚拟实验之间的优势互补,并提供校内外开放共享的实验教学服务。
实验教学项目持续建设服务计划

(1)项目持续建设与服务计划:

课程将在今后的五年内持续进行更新扩展。

1、持续更新课程内容,完成课程内容从计算机网络与通信基础实验,扩展到计算机网络专业实验,可作为独立的一门开放实验。

2、更新网络实验范围,完成课程内容从计算机网络与通信实验,扩展到到信息安全实验,可作为信息安全实验的虚拟仿真实验平台。

3、结合线上教学内容,根据平台三年开放性运转数据,完成配套实验教材的编写。

(2)面向高校的教学推广应用计划:

我校为财经类特色高校,实验将根据财经类高校计算机网络与通信教学的特点,进一步拓展对商科方向的支持,为广大财经类高校计算机网络与通信教学提供支持,同时也欢迎更多的院校参与到课程建设的过程中来,共建、共享相关实验资源。

(3)面向社会的推广与持续服务计划:

计算机网络与通信虚拟仿真实验教学管理平台可以依托校园网建设,面向全校学生开展计算机网络与通信的虚拟仿真实验教学,并通过校园网的对外访问,提供校外访问平台的认证访问途径。

知识产权

软件著作权登记情况

软件著作权登记情况

已登记

完成软件著作权登记的,需填写以下内容

软件名称

高可用性高校网络虚拟仿真实验系统

是否与项目名称一致

 

著作权人

浙江工商大学

权利范围

全部权利

登记号

2020SR1619490

附件材料清单

1.政治审查意见(必须提供)

(本校党委须对项目团队成员情况进行审查,并对项目内容的政治导向进行把关,确保项目正确的政治方向、价值取向。须由学校党委盖章。无统一格式要求。)


2.校外评价意见(可选提供)

(评价意见作为项目有关学术水平、项目质量、应用效果等某一方面的佐证性材料或补充材料,可由项目应用高校或社会应用机构等出具。评价意见须经相关单位盖章,以1份为宜,不得超过2份。无统一格式要求。)

申报学校承诺意见

本学校已按照申报要求对申报的虚拟仿真实验教学项目在校内进行公示,并审核实验教学项目的内容符合申报要求和注意事项、符合相关法律法规和教学纪律要求等。经评审评价,现择优申报。

本虚拟仿真实验教学项目如果被认定为“浙江省虚拟仿真实验教学项目”,学校将严格贯彻省教育厅的要求,承诺将监督和保障该实验教学项目面向高校和社会开放,并提供教学服务不少于5年,支持和监督教学服务团队对实验教学项目进行持续改进完善和服务。

实验交流
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项目属性
  • 专业大类:计算机类
  • 所属学科:计算机类
  • 所属学校:浙江工商大学
  • 项目评分:
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共享应用
  • 实验浏览量:1330
  • 做实验人数:2
  • 实验通过率:0%
  • 优秀:0人
  • 达标:0人
  • 不达标:2人
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