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计算机网络与系统管理教学的教材建设模式
摘要：计算机网络和系统管理教育往往是基于理论信息构建的，由于各种原因（如可用的材料和硬件的不足）而不被认为是有效和高效的。此外，由于该领域特定成本较高，投资者不愿意提供教育材料。然而，近来虚拟化技术的发展导致了计算机网络和系统管理教育的新趋势的出现。本文介绍了虚拟化技术在计算机网络教育中的应用，实际网络设备的使用情况，定义了新一代网络培训平台。该研究的目的是为基于网络的计算机教育提供一种使用虚拟化技术的新模式。此处另外提出的拓扑结构涉及使用真实硬件而不是虚拟硬件，这将其与类似拓扑区分开来。该模型有望指导未来的网络和系统管理人员开发和使用比模拟程序更有效的真实网络和系统管理培训平台。
关键词：计算机网络教育；虚拟化；在学科领域的应用；改善课堂教学；模拟；远程教育
介绍
计算机和信息网络对于大型和小型机构的成功至关重要；它 将个人彼此连接起来，支持各种应用程序和服务，并提供机构维护其运营所需的资源。计算机网络也越来越复杂，以满足机构的日常需求。今天，我们大多数人使用通过IP服务建立的计箄机网络来交流和分享我们的意见。计算机网络设计师是以这种新方式发挥主导作用的个人通讯。为了满足这种日益增长的需求，我们需要可扩展，融合和管理的计算机网络。这些计算机网络提供的应用程序和服务预计易于访问和可靠。另外，随着计算机网络变得越来越复杂，支持和管理这些网络成为网络设计人员最关心的问题。我们应该相信他们确保网络符合我们的期望。精心设计的计算机网络确保了对网络技术的投资，并提高了机构的竞争力。最后，计算机网络设计领域的职业机会可能会随着小型和大型公司意识到建立健全有效网络的重要性而飘升。在当今世界，基于互联网的经济需要不间断的客户服务，只有几乎100％的面向商业的网络能够正常运行才能实现。因此，采取必要的预防措施以防止或在问题发生时自动解决是至关重要的。这些面向业务的网络应该能够根据不断调整的操作负载来适应自己，以确保准确和一致的操作流程。没有仔细的规划和设计，连接多个组件就更加不够了。在这一点上，一个好的计算机网络并不是巧合；这是网络设计人员和技术人员努力的结果，他们能够选择可能满足公司需求的最佳解决方案，并确定特定网络的要求。计算机网络和系统管理教育是一种专门的教育，培训具备上述技能的技术人员，并制定政策，为他们的个人发展作出贡献。许多私立礼国立机构都将此类培训作为在职培训计划提供。同样，这项教育是为土耳其国民教育部职业技术学校信息技术课程的网络管理部门的学生提供的。这些培训计划的目的是教育具备一定技能的计算机网络专业人员，例如设计各级信息网络基础设施，处理工作流程计划以及寻找可能的物理和基于服务的问题的解决方案。从全球角度来看，可以说在很多行业对计算机网络相关技能的需求越来越高。正因为如此，研究人员一直专注于计算机网络和系统管理教育意义上的教育方法[1-5]。
计算机网络和系统管理教育通常基于理论信息进行构建，由于各种原因（如可用材料和硬件不足）而不被认为是有效和有效的。事实上．应用教育方法对于获得计算机网络和系统管理意义上的必要知识和能力来说太重要了。在文献中，研究工作往往侧重于应用教育在计算机网络和相关学科教学中的有效性[3,6-8］。另一方面,虽然在应用教育过程之前应该建立一个理论基础设施，但这样的理论培训课程也会导致相关课程的学科变得抽象和难以理解 [8-10] 。所以．这些课程的成果不能达到预期的水平。另外，由于该领域的成本相对较高，投资者不愿意提供教育材料的投资。这些问题促使研究人员找到另一种教授计算机网络的方法，而不是仅仅讨论理论学科[7,10-20]。此外，最近的作品不仅为教育目的提供了机会，也为科学或工程作品提供了机会[21]。从教育角度来看，开发材料提供了可以降低成本的灵活解决方案很可能会提高计算机网络和系统管理教育的质量。此时，虚拟化技术的快速发展也揭示了相关学科教学的新趋势。从这个意义上说，这项研究提供了另一种教育材料模型来弥补上述计算机网络和系统管理教育中观察到的弱点。该模型试图为学生提供新的机会，通过使用真实的设备而不是使用以前的模拟来接受培训。更详细地说，它的目的是提供一种简单的方法，它是基于对教育目标使用的虚拟化技术的支持，用一个安全和强大的系统。因此，这种模式有望使未来的计算机网络和系统管理人员能够开发和使用比模拟程序更有效的真实网络和系统管理培训平台。作者认为该模型将使教师和学生都能体验到积极的教育过程，这要归功于廉价，简单和灵活的开发平台，它涵盖了虚拟化技术和物理硬件的优势。
从上面的解释来看，本文的其余部分组织如下；第二部分介绍了用于计算机网络和系统管理教育的模拟程序，并简要介绍了这些程序的一些不足之处。在本节的旁边，第三部分将介绍虚拟化技术及其使用领域。第四部分介绍了本研究中设计和开发的教育材料开发模式。在该部分之后，报告了体验该模型的工程专业学生的反馈信息，并且通过讨论结论和未来工作结束本文。
计算机网络仿真程序与系统管理教育
基于先进技术在教育环境中开发的想法的应用为教学和学习过程做出了宝贵的贡献，并且该领域的研究数量增长非常迅速。特别是信息技术为教材的开发提供了很多机会。这些机会包括基于网络的教育，丰富的内容开发平台和模拟程序。这些应用程序现在己经成功地用于许多教育领域。
计算机网络和系统管理教育实践往往利用虚拟网络实验室或模拟程序。仿真是真实情境的表现，模型的发展与真实情况相似，或者构建虚拟系统。模拟程序指的是某些软件系统，当教师不能通过参考真实的事件，情况和对象来进行教学时，教师可以创建虚构的情景，事件或代表真实情况的对象。当从教育的角度来考虑时，模拟程序使我们能够在计算机环境中创建这样的虚拟情境/事件；从而使教育过程更加有效和高效[22-25]。
典型的仿真程序比自学课程的结构更少，以及市场上可用的修订和实践课程。他们也可能为学生之间的互动提供一个平台。模拟程序可以用两个不同的组进行检查。即“教学主题”和“教学如何完成任务”。为了教授一个主题而开发的程序可以引导学生了解在屏幕上呈现给他们的对象和事件。另一方面，教授如何完成某项任务的计划旨在教导完成某项特定任务的步骤[26]。
确定选择模拟程序时使用的标准是相当困难的。最常用的标准是在情景或事件的反应方面，节目与现实的相似性。许多教育工作者认为模拟课程对于教学过程是有用的。然而，也有一些教育工作者提到一些担忧。例如，学生可以将受控环境中的情况视为真实情况，并且认真评估未来的实际情况。另外，通常认为在受控环境中给出的反应对于实际情况是有效的；然而，并不总是如此。因此，教育工作者强调模拟器应该尽可能反应真实情况[26]。
当今计算机网络和系统管理教育中使用的模拟程序和虚拟网络设备远远没有提供足够的机会来执行大多数在真实网络设备上构建的应用程序。尽管市场上有许多程序可用，但它们仅支持有限数量的命令，并且大多数命令不能真实地实现。可以说，这样的模拟程序是获得关于理论和应用方面知识的好工具[27-29] 。但它们主要是为了执行某些命令或模拟特定机制而设计的，因此它们远非真实意义上模拟真实硬件（如 Boson 路由器模拟器和 Cisco Packet Tracer ）。另一方面， GND Dynamips能够模拟真实的硬件并允许运行真正的思科处理系统。 GNS Dynamips不仅支持预定功能，还支持系统的所有功能[30]。换句话说，它提供了与真正的思科设备一起工作的感觉。虽然这些设备提供了很多优点，但它们不支持大量的命令。 GNS Dynamips 程序使用真实网络设备中使用的处理系统；但是，随着虚拟设备数量的增加，由于数量太多，系统会产生问题。上面提到的弱点清楚地表明，模拟程序在网络和系统管理教育过程中效率不高。在接受计算机网络和系统管理教育的学生中使用网络布线和基础网络教育中的真实设备至关重要，因为这种做法将增加他们在未来工作职业中的自信心。尽管网络实验室适合这种操作，但投资的金额相当高。从这个意义上说，最好的解决方案将是设计一个可扩展，易于管理且需要低成本的计算机网络实验室。在这方面，本研究提出的模型有望满足这种需求。这种模式提供了一种新一代的教材，它结合了真实的用户计算机，真正的网络平台和虚拟化平台。
虚拟化技术及其在教育环境中的应用
虚拟化技术越来越多地在机构网络基础设施中被广泛应用。机构公司和国有机构己经在他们的数据处理单元中采用了虚拟化平台，这为他们带来了相当大的优势。因此，现在正在对这些技术在教育环境中的使用进行许多研究。创新和教育技术总局最近启动了很多项目来提高土耳其的电脑知识水平。同样， FATIH 项目是信息技术实验室的一个里程碑。毫无疑问，这种做法和应用将有助于发展中国家进行技术研究和开发，这只有通过有效的投资和有效的教学和学习才能实现。
虚拟化是IBM在20世纪60年代发起的技术[31]。这项技术背后的想法是制作物理系统的虚拟副本。虚拟机技术在同一硬件平台上运行的多个系统之间建立了绝缘[32,33]。如图1所示，通过虚拟化[34]，通过将现有物理资源（例如处理器，内存，硬盘和网络适配器）分配到某些逻辑单元，可以使每个逻辑单元作为单独的计算机运行。在计算机科学中，虚拟机被定义为机制的软件适配，使得程序能够像在真实计算机系统中一样运行。虚拟机在处理系统和计算机平台之间形成一个虚拟环境，并允许在该虚拟环境中运行软件。 Gerald J.Popek和 Robert P.Goldberg于 1974 年在一篇题为“虚拟化第三代架构的形式化需求” ( 1974；图 2 ）的文童中介绍了第一台虚拟机。在介绍虚拟机时， PoPek和Goldberg 说它是一个真实机器的有效和抽象的副本，并将其定义为由虚拟机监视器创建的环境[35]。换句话说，虚拟机提供了生产力，资源控制和等价性。
在传统方法中，虚拟机监视器安装在硬件上，稍后安装在虚拟机上，如图2所示［36］。在定义具有传统计算机硬件的操作系统及其上运行的应用程序的同时，可以说，具有不同操作系统的大量虚拟机可以安装在虚拟服务器模型中的虚拟平台上。根据IBM在2002年进行的一项研究，许多公司的服务器计算机在一年中大部分时间都没有使用，桌面用户使用现有系统容量的不到5%[37]。由于世界各地对能源使用和需求的不断增加和能源资源的减少，新开发的设备和技术被设计成能够更有效地利用现有的能源资源。虚拟化技术是基于这一思路，由于其具有某些优势，比如能耗降低，能源效率提高以及对劳动力需求减少和管理便利等因素，它们更受青睐。
虚拟化技术领域中使用的软件包可以分为三类(图3）。类型I:虚拟机中的虚拟操作系统直接应用于物理硬件（IBM VM / 370 ，VMware ESX Server ）。 H 型；虚拟机建立在主操作系统（ User-Mode Linux ）上。第三组是 I 型和II型的混合结构，其经常在物理硬件上运行，但也使用主操作系统以用于输入/输出操作（VWware Workstation，Microsoft Virtual PC , Virtual Serve 2005）[38]。
本研究中提出的模型/拓扑结构的虚拟化平台的选择可以不考虑使用的平台。用户可以自由选择Type I或 Type II 虚拟化平台软件包。
今天，虚拟化技术以各种方式使用。服务器虚拟化是最常用的虚拟化类型之一，其背后的原理是在同一硬件上运行多个操作系统。桌面虚拟化是指计算机的虚拟化，并允许远程访问这些计算机，这主要是为了节省许可费用。应用程序虚拟化是一个概念，它解释了应用程序可以在其他平台上运行，而不是在一个中间层的帮助下运行，或者在多个平台上运行。计算机网络虚拟化可以形成可以连接系统的虚拟网络，并且这些系统可以像连接到真实网络一样进行通信。它基于将可用资源和适当带宽有效地分配给某些独立服务器或设备的信道的想法。另外，数据存储系统虚拟化，数据库虚拟化和内存虚拟化也是其他常见的虚拟化类型 [39]。FuerteS等人就高等教育机构使用虚拟化技术进行了几项研究。这些研究的结果表明，虚拟化平台在测试和软件确认，低成本，教学平台，网络服务和流量分析测试等环境中带来了一定的优势[40]。在IBM发布的一份报告中，美国大部分教育机构都表示，定期为学生购买新电脑会给该国经济带来负担。他们认为桌面虚拟化将使得可用计算机的使用时间更长[39］。长久以来美国加利福尼亚州弗雷斯诺市的克洛维斯学校一直在为服务器和客户端使用虚拟化解决方案。由于该区学校之间建立了WAN（广域网），因此可以从每个单一教室访问媒体中心和文件。该系统使用超过 300个Windows Server 2003 进行缓存、代理， web 过滤和VPN(虚拟专用网络)，并服务于 7200 多个工作站[ 39]。尽管威尔士卡迪夫大学的现有服务器正在虚拟化，但大约有1000 台服务器计算机转变为12台服务器机房，由于只有两个网络管理中心，因此该系统更加实用和易于管理。该大学系统管理系统副校长 Simon Vaughan 表示，他们不仅节省了能源消耗，而且还节省了用于冷却服务器的能源[39] 。
简而言之，虚拟化平台的一些优势可以列举如下：
- 从硬件更新周期中保存。
- 硬件的有效使用是完全不同的。
- 总成本低。
- 降低软件许可成本。
- 更高的数据安全性更频繁地使用硬件。
相关优势表明，虚拟化将很快在科学研究中得到处理，并在教育机构中使用。尤其是，教育环境很可能在不久的将来经常使用这种技术作为教学材料。大大降低成本和节约能源将使其成为许多机构网络应用的替代解决方案。
教学计算机网络教学资源开发模式与系统管理
本文的第三部分介绍了虚拟化技术的基本定义及其使用。在相关文献中，关于在教学过程中使用虚拟化平台进行了几项研究。 Gal 翻等人进行了第一个涉及计算机网络教学的比较研究。（2004）[41]。本研究介绍了计算机网络实验室的分析和应用，称为VNUML（虚拟网络用户模式Linux）作为教学过程的可视化平台。在这方面，研究人员为
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