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摘 要：虚拟化技术的快速发展为构建灵活、高效的网络环境提供了新的可能。针对计算机网络相关课程的实训环境搭 建,探讨了相关的技术和工具,并提出了一种综合的网络环境构建方案。分析了虚拟化技术在网络环境中的重要性和应用场 景。选择合适的虚拟化技术和工具,对网络资源进行隔离和抽象,并实现网络资源的共享和管理。设计了适合的网络拓扑结 构,包括节点规划和布局、链路连接方式以及主机部署等。通过实验测试,验证了所提方案的可行性和效果。
Design and Implementation of a Network Environment Based on Virtualization
LIU Qing
(Chongqing Creation Vocational College, Chongqing 402160)
【Abstract】：The rapid development of virtualization technology provides new possibilities for building flexible and efficient network environments. Establish a practical training environment for computer network related courses, explored relevant technologies and tools, and proposed a comprehensive network environment construction plan. Analyzed the importance and application scenarios of virtualization technology in network environments. Choose the appropriate virtualization technology and tools, isolate and abstract network resources, and achieve the sharing and management of network resources. Designed a suitable network topology structure, this includes node planning and layout, link connection methods, and host deployment. Through experimental testing, verified the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.
【Key words】：virtualization;network environment;construction plan
0 引言
目前,职业院校实训条件日趋完善, 实训环境得到 了极大改善。但投入也较大,在竞争激烈的当下,办学 的成本迅速提高。在计算机网络相关专业,实训室种类 繁多,不管是管理还是软硬件投入成本都非常大,学生 实训体验也不如人意,对学校的网络实训教育的认同感 偏弱 [1]。如何利用虚拟化技术,构建虚拟化网络实训环 境,让每位学生在一台计算机上都拥有一个基于虚拟化 的网络实训环境,尤为重要 [2]。
1 虚拟化概述
虚拟化是一种将计算资源(如硬件、操作系统、存 储器等)进行抽象和隔离,使其能够被多个虚拟实例 或用户共享的技术。在虚拟化环境中,物理资源被划 分为多个虚拟的逻辑实体,每个逻辑实体被称为虚拟机(VM)。每个虚拟机都可以独立运行其操作系统和应用 程序,就好像是独立的计算机一样。将物理资源划分为 多个虚拟实例的方式可以提高资源的利用率,减少硬件 成本,并且使系统更灵活和可扩展。虚拟化技术可以应 用于多个领域,包括服务器虚拟化、网络虚拟化、存储 虚拟化等 [3]。
1.1 服务器虚拟化
服务器虚拟化技术有 VMware vSphere、Microsoft Hyper-V、KVM 等。
1.2 桌面虚拟化
桌面虚拟化允许将多个用户的桌面环境作为虚拟 机运行在服务器上,用户可以通过终端设备访问。常 见的桌面虚拟化技术有 Citrix XenDesktop、VMware Horizon、1Microsoft Remote Desktop Services 等。
1.3 网络虚拟化
网络虚拟化使得网络设备和功能可以进行虚拟化, 从而改善网络资源管理和提供更好的网络服务。常见的 网络虚拟化技术有 SDN(软件定义网络)和 NFV(网 络功能虚拟化)。
1.4 存储虚拟化
存储虚拟化技术允许将多个物理存储设备进行抽象 和隔离,提供统一的存储资源管理和访问接口。常见 的存储虚拟化技术有 SAN(存储区域网络)虚拟化和 NAS(网络附加存储)虚拟化。虚拟化技术为企业和组 织提供了更灵活、高效和可靠的计算资源管理方式,同 时也为云计算的发展提供了基础 [4]。
2 虚拟化网络环境构建方案
2.1 网络实训应用需求
教师在进行计算机网络相关课程实训教学过程中, 需要一台服务器、两台工作站的网络环境。服务器用于 安装各类网络服务, 如 DNS、DHCP、Web、FTP 等 ; 而工作站用于使用服务器提供的各类服务。网络实训应 用结构如图 1 所示。
2.2 虚拟网络拓扑结构设计
根据网络应用结构需求,需要设计一个三节点的网 络拓扑结构。同时利用网络设备和传输介质将三节点相 互连接,实现相互通信、资源共享的功能。网络拓扑结 构图如图 2 所示。
2.3 虚拟化平台
如果采用硬件为每一位学生搭建一个三节点的网络 环境,其投入成本巨大。同时,管理和维护成本也较 高。因此,在每一台计算机上选择一个虚拟平台构建一 个虚拟化的网络环境,学生只需使用一台物理计算机, 就可以使用一个三节点的网络环境,将会大大提高设备 使用效率,提高学生的实训质量。
网络虚拟化平台是一种技术框架,用于实现网络 资源的抽象和隔离,从而提供更灵活和可扩展的网络 服务 [5]。
(1) VMware NSX ：VMware NSX 是一款软件定 义的网络(SDN)解决方案,它可以在基础网络设备上 实现虚拟化网络功能。NSX 提供了虚拟交换机、虚拟 防火墙、虚拟路由器等功能,可以以软件定义的方式构 建、管理和保护虚拟网络。(2) Cisco ACI(Application Centric Infrastructure) ：Cisco ACI 是一种基于 SDN 和物理网络的网络虚拟化平台。它通过将应用程序和网络 服务进行集中管理, 实现了基于应用的网络策略和自动 化的网络部署。ACI 可以提供高度可伸缩和可靠的网络服 务。(3)OpenStack Neutron ：OpenStack Neutron 是 OpenStack 项目中负责网络虚拟化的模块。Neutron 提供了软件定义网络(SDN)功能,可以创建和管理虚 拟网络、子网、路由器等网络资源。它支持多种网络技 术, 如 VLAN、VXLAN 等, 并提供了 API 供用户进行 自动化管理。(4) Microsoft Azure Virtual Network ： Azure Virtual Network 是 微 软 Azure 云 平 台 的 网 络 虚拟化解决方案。它允许用户在云中创建和管理虚拟网 络,实现云资源和本地网络之间的连接。Azure Virtual Network 提供了高级网络功能, 如防火墙、负载均衡 等,并且与 Azure 其他服务紧密集成。(5) Juniper Contrail ：Juniper Contrail 是一种开源的网络虚拟化 平 台, 采用 了 SDN 和 NFV 的技术。Contrail 提供 了 虚拟化路由器、虚拟防火墙、虚拟交换机等功能,支持 多租户和弹性扩展,并提供了集中式的管理和控制。
网络虚拟化平台都提供了丰富的功能和灵活的资源 管理方式,可以帮助用户实现网络资源的集中管理和优 化利用。本文选择 VMware NSX 平台,VMware NSX 平台提供了非常强大的软件定义网络的方法,同时实现 的方式也比较简单。
2.4 虚拟化网络的参数规划
由于服务器和客户机在同一个网络环境中,其名称 和 IP 地址必须满足唯一性要求。服务器为客户机提供各 类网络服务,其名称规划为 WinSrv,其 IP 地址规划为192.168.47.100/24.两台客户机的名称分别规划为 PCA 和 PCB, 其 IP 地址分别规划为 192.168.47.101/24 和192.168.47.102/24.
3 虚拟化网络环境实现
3.1 搭建服务器
(1) 在物理计算机中安装 VMware Workstation
软件。 并在 VMware Workstation 建立一 台虚拟机, 在配置虚拟机时应考虑安装 Windows Server 2016 所 需的磁盘空间、内存大小等参数。(2)虚拟机建立后, 使用准备好的 Windows Server 2016 安装映像文件安 装操作系统。(3)Windows Server 2016 安装完成后, 需要配置网络参数 ：1)计算机名称 ：WinSrv ;2)联 网方式 ：NAT ;3)IP 地址 ：192.168.47.100/24.
3.2 搭建客户机
使用同样的方法, 在 VMware Workstation 中建 立两个虚拟机, 分别安装 Windows Server 2003 操作 系统。操作系统安装完成后,需要分别配置网络参数。
3.2.1 PCA 客户机网络参数
(1)计算机名称 ：PCA ;(2)联网方式 ：NAT ;(3) IP 地址 ：192.168.47.101/24.
3.2.2 PCB 客户机网络参数
(1)计算机名称 ：PCB ;(2)联网方式 ：NAT ;(3) IP 地址 ：192.168.47.102/24.
4 虚拟网络环境测试
4.1 虚拟网络环境测试的方法
由于三个节点均使用 NAT 联网方式,理论上三台 计算机应处在 同一个 网络 192.168.47.0/24 中。 使用 Ping 命令测试连通性,应该相互之间保持连通。
4.2 虚拟网络环境测试
4.2.1 关闭 Windows Server 2016 防火墙
Windows Server 2016 安装完成后, 默认打开防火 墙,为了不影响测试的连通性,应将防火墙关闭。
4.2.2 网络测试
(1) 在 PCA 中, 使用 Ping 命令测试与 PCB 的连 通性。测试结果如图 3 所示。
从图 3 可知, PCA 向 PCB 连续发送 4 个测试包, 均得到回应,即发送 4 个包、收到 4 个回应包,说明 PCA 与 PCB 之间连通。
(2) 在 PCA 中, 使用 Ping 命令测试与服务器WinSrv 的连通性。测试结果如图 4 所示。
从图 4 可知, PCA 向服务器连续发送 4 个测试包, 均得到回应,即发送 4 个包、收到 4 个回应包,说明 PCA 与 WinSrv 之间连通。
至此,由 PCA、PCB 两台客户和一台服务器 WinSrv 组成的三节点虚拟化网络组建完成。学生在做相关网络 应用实训时,只需要同时打开三台虚拟机,即可在虚拟 化网络环境中做实训,就像在三台物理计算机组成的网 络中做实训一样的体验。
5 结论
本文旨在利用虚拟化技术构建一个灵活、可扩展且高 效的网络环境。通过实施该方案,取得了以下主要成果 ：
(1)实现了基于虚拟化的网络环境 ：通过搭建一个
以虚拟化技术为基础的网络环境,包括虚拟机、虚拟交 换机等组件,实现了网络资源的虚拟化和隔离。(2)提 高了资源利用率 ：通过使用虚拟化技术,能够将物理服 务器的资源划分为多个虚拟机,使得资源利用率得到显 著提高。(3)实现了快速部署和扩容 ：利用虚拟化技 术,可以快速、灵活地部署和扩展网络环境。通过克隆 和复制虚拟机模板,能够在短时间内创建多个相同配置 的虚拟机实例,以满足不同业务需求。(4)提升了网络安全性 ：虚拟化环境提供了更好的网络隔离性,通过使 用虚拟交换机实现虚拟网络的隔离,能够将不同虚拟机 间的网络流量进行隔离,从而提升了网络的安全性。
基于虚拟化的网络环境构建方案能够提供更好的资 源利用率、部署灵活性和安全性。为网络环境的构建和 管理提供了一种新的方法,并具有广泛的应用前景。
参考文献
[1] 尹弘飚,杨柳,林闻凯.大学生对网络教学的认同感及其影响因素分析[J].西北师大学报(社会科学版),2021.58(5):84-95.
[2] 师白珂.浅淡虚拟现实技术在教学中的应用[J].电脑知识与 技术,2021.17(18):153-154+157.
[3] 韩淼,李贺,马慧娟,等.微机原理课程模块化虚拟仿真教学平 台的设计[J].实验室科学,2018.21(1):57-59+63.
[4] 刘若琳.网络攻防虚拟场景构建技术的研究与实现[D].北京: 北京邮电大学,2019.
[5] 谢海睿.基于云桌面技术的网络攻防教学演练系统研究与实 现[D].南京:南京理工大学,2018.
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