一种在线计算机网络实验教学系统

1.本发明涉及电子信息和计算机网络领域，尤其涉及用于远程控制网络设备进行计算机网络教学实验的系统。


背景技术：

2.当存在一些特殊的情况下，学生不能在现场进行计算机网络实验，学生通过在线计算机实验系统进行实验，这有效的解决了学生不能在是现场进行实验的矛盾。
3.但目前大多数的网络教学均采用交换机进行网络操作，但这样的连接操作方式存在较大的延迟，特别是使用人群过多时，延迟卡顿现象更为严重。


技术实现要素：

4.本发明所要解决网络拥塞，实现一种在线计算机网络实验系统，通过组播方式向学生进行授课和下发实验资料，这有效的降低了网络流量。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种在线计算机网络实验教学系统，系统设有多个用于教学实验的网络设备区域，所述网络设备区域内的每个实验设备均连接至接入交换机，每个所述网络设备区域配有一个机架，每个所述机架上安装有2台路由器、2台三层交换机、2台二层交换机、1台防火墙、1台ac和2台ap，所述机架上设备均通过rj45端口连接到接入交换机，所述二层交换机连接三层交换机，所述三层交换机连接至路由器，所述路由器通过防火墙分别接入校园网，以及与组播rp路由器通信，所述rp路由器通过视频服务器连接教师使用的电脑，所述rp路由器将视频服务器的教学直播信号经防火墙、校园网发送给接入网络的学生电脑。
6.aaa服务器和网络服务器均通过核心交换机连接至路由器，所述aaa服务器和网络服务器与实验教学系统通信，所述aaa服务器用于学生的认证、授权和审计，并负责对学生的实验操作进行记录和分析，所述网络服务器用于对整个系统的网络设备进行管理。
7.所述aaa服务器安装有认证和授权软件，教师电脑通过aaa服务器认证授权后进行学生权限设置，所述aaa服务器通过tacas协议通信。
8.学生电脑通过校园网使用telnet或者ssh协议远程登陆，登录时将学生的用户名和密码发送至aaa服务器进行认证，aaa服务器认证成功后会根据用户名称进行赋权，所述学生权限设置包括设置学生操作网络设备的权限，禁止学生访问实验设备的带外管理端口，所述权限包括学生登录设备的区域、时长。
9.系统将单个机架作提供给学生实验，获将多个机架组合提供给学生实验，每个学生电脑登录后完成相关的计算机网络实验，其每一步操作日志均输送至 aaa服务器存储。
10.所述网管服务器通过snmp协议通信，所述网管服务器上安装有网管软件，并录入相关网络设备的信息，用于对对网络设备进行管理，完成网络设备的初始化设置。
11.所述网管服务器获取操作日志，并根据预先设置的评价规则对学生的实验效果进行相关的评价，所述操作日志包括学生电脑实验过程中到达了哪个阶段，以及完成每个阶
段所耗费的时间和得到的结果。
12.所述组播rp路由器、防火墙、校园网网络、路由器和三层交换机上部署有 igp路由协议。
13.所述三层交换机上设置有pim sm协议，所述二层交换机上打开igmp协议，用于保障教师的直播信号能够通过组播rp路由器下发到校园网的每个学生电脑。
14.本发明教学网络系统利用在线计算机网络实验系统通过组播方式向学生进行授课和下发实验资料，这有效的降低了网络流量。
15.为了保障实验系统安全，在线计算机网络实验系统通过带外网管的方法对实验设备进行管理，给学生仅分配进行实验的设备操作权限，这有效的提高了实验设备的安全性。
16.在线计算机网络实验系统支持vlan划分、静态路由、rip路由、ospf路由、 bgp路由和acl等基本的计算机网络实验，这保障了计算机网络实验系统内容的完备性。
附图说明
17.下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
18.图1为在线计算机网络实验教学系统原理图；
19.图2为机架物理结构图；
20.图3为流量复制图；
21.图4为bgp实验的机架物理结构图；
22.图5为学生登录流程图；
23.图6为通过实验系统操作网络设备图；
24.图7为学生提交界面图。
具体实施方式
25.下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
26.本发明是一种在线的计算机网络实验教学系统，该系统能够满足教师在线上进行实验指导，学生在线上控制真实的网络设备进行计算机网络实验的要求。本发明通过交换机、服务器、防火墙、服务器和网络管理软件建立了一个计算机在线网络实验系统，单个学生通过网络远程登陆网络设备进行实验；多个学生可以分组进行网络验证实验；教师可以通过在线实验系统进行远程授课；教师可以通过实验系统统计和分析学生实验情况。这满足了计算机网络实验远程教学的要求，有效的提高了学生们的实验能力和他们对计算机网络知识的掌握，也培养了他们的团队合作能力，也为教师提供了便捷的教学手段。
27.如图1所示，在线网络实验系统主要由网络设备、aaa(认证管理计费)系统和网管服务器组成。系统设有多个用于教学实验的网络设备区域，网络设备区域内设有一个连接网络的实验设备，也可以在一个网络设备区域设置多个实验设备，例如设置100个机架，则一个机架对应一个区域，即每个机架负责一个网络设备区域的全部实验设备，在每个机架内安装有：2台路由器、2台三层交换机、2台二层交换机、1台防火墙、1台ac和2台ap，机架内
的每台网络设备都通过一个rj45端口连接到接入交换机，机架的物理结构如图2所示。
28.二层接入交换机再上联到三层核心交换机，三层交换机再通过防火墙和校园网进行通信，这样就保障了实验所需的网络设备接入如校园网。
29.教师通过视频服务器把教学直播信号通过组播发送给进行实验的学生，其中一个课堂对应一棵多播树，直播信号只在网络中路径分叉时进行复制，这大大节省了网络干线的带宽，流量复制图图3所示。
30.此时教师把直播信号发送给进行上实验课的学生1、学生2和学生3，直播信号在视频服务器到校园网之间只需要发送一份信号。
31.学生通过校园网使用telnet或者ssh协议远程登陆网络设备，每个机架可以单独进行实验，也可以把多个机架组合进行综合实验。学生登录网络设备后完成相关的计算机网络实验，其每一步操作的日志都会被送到aaa服务器。
32.aaa服务器和网管服务器接入到核心交换机,它们与实验网络设备互通，也能通过防火墙和校园网进行通信，aaa服务器负责学生的认证、授权和审计，并负责对学生的实验操作进行记录和分析，教师可以通过aaa服务器查看学生实验完成情况，实验室管理员通过网管服务器对整个系统的网络设备进行管理。核心交换机负责接入服务器和对接入交换机进行汇聚，路由器负责数据的路由转发，防火墙对所传输的数据做安全检测后发送到校园网。
33.首先在组播rp路由器、防火墙、校园网网络、路由器和三层交换机等设备上部署igp路由协议，保障这些网络设备可以相互通信，启动组播(multicast 进程)，在这些设备的三层接口上设置pim sm协议，在这些设备的二层接口上打开igmp协议，以保障教师的直播信号能够通过组播下发到校园网的每个学生终端。
34.其次教师在网管服务器上安装网管软件，并录入相关网络设备的信息；教师在aaa服务器安装认证和授权软件；教师在aaa系统里设置学生操作网络设备的权限，禁止学生访问实验设备的带外管理端口；教师通过网络管理系统完成网络设备的初始化设置；教师需要设置好实验所需的网络设备之间的网络物理操作，相关的具体操作包括：对网络设备加电和给网络设备连线，比如一个 bgp实验需要：使用两台三层交换机和两台路由器；连接三根网线，具体如图4 所示，教师需要完成相关的设备加电和线路连接。
35.第三，教师对学生登陆设备进行认证授权和计时管理，控制学生登录设备的区域、时长和权限，学生登录设备的验证流程图如图5所示。
36.学生通过telnet或者ssh协议登录网络实验设备，学生的用户名和密码先要送到aaa系统进行认证，如果认证通过，aaa系统会根据学生的用户名称进行赋权，比如对一个区域内的网络设备有60分钟的配置权限，赋权后学生可以成功登录到相应的网络设备进行实验，而对于其他区域的网络设备，此学生是无权限登录的，学生登陆到实验系统对设备进行操作如图6所示。
37.网络管理系统通过snmp(简单网络管理)协议进行实现，其主要功能是：对网络设备进行管理。认证授权系统通过tacas协议实现，其记录学生的实验步骤，验证学生的实验效果并实时展示学生的实验结果，比如一个实验分成四个阶段，学生们在进行实验时，网络管理系统能实时展示每个学生的实验到达了哪个阶段，完成每个阶段所耗费的时间，根据预先设置的评价规则，对学生的实验效果进行相关的评价,学生进行实验提交后的界面如
图7所示。
38.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。