基于虚拟化的网络环境构建方案与实现.pdf

SOFTWARE软 件2023第 44 卷 第 8 期2023 年Vol.44,No.8作者简介：刘庆（1973），男，四川阆中人，本科，副教授，研究方向：计算机应用技术。基于虚拟化的网络环境构建方案与实现刘庆（重庆科创职业学院，重庆 402160）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。关键词：虚拟化；网络环境；构建方案中图分类号：TP391.9 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.08.038本文著录格式：刘庆.基于虚拟化的网络环境构建方案与实现J.软件,2023,44(08):156-158+162Design and Implementation of a Network Environment Based on VirtualizationLIU 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设计研究与应用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。157刘庆：基于虚拟化的网络环境构建方案与实现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。磁盘服务器DHCP服务器DNS服务器WWW服务器FTP服务器域控制器路由访问服务器远程桌面服务器服务器WINSRV网络设备客户机PCA客户机PCB图 1 网络应用结构Fig.1 Network application structure2.2 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。Server-PT服务器2960-24TT交换机PC-PT客户机PCAPC-PT客户机PCB图 2 网络拓扑结构图Fig.2 Network topology structure diagram2.3 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158软 件第 44 卷 第 8 期SOFTWARE192.168.47.100/24。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）提升了网络图 3 在 PCA 中测试与 PCB 的连通性Fig.3 Testing connectivity to PCB in PCA图 4 在 PCA 中测试与服务器 WinSrv 的连通性Fig.4 Testing connectivity to server WinSrv in PCAWindows IP Conf igurat ionEthernet adapter 本地连接:Connection-specific DNS Suffix .:IP Address.:192.168.47.101 Subnet Mask.:255.255.255.0 Default Gateway.:192.168.47.2C:Documents and Settings Administrator.USERping 192.168.47.102Pinging 192.168.47.102 with 32 bytes of data:Reply from 192.168.47.102:bytes=32 time1ms TTL=64Reply from 192.168.47.102:bytes=32 time1ms TTL=64Reply from 192.168.47.102:bytes=32 time1ms TTL=64Reply from 192.168.47.102:bytes=32 time1ms TTL=64Ping statistics for 192.168.47.102:Packets:Sent=4,Received=4,Lost=0 ,Approximate round trip times in milli-seconds:Minimum=0ms,Maximum=0ms,Average=0msC:Documents and Settings Administrator.USERC:WINDOWSsystem32cmd.exeWindows IP Conf igurat ionEthernet adapter 本地连接:Connection-specific DNS Suffix .:IP Address.:192.168.47.101 Subnet Mask.:255.255.255.0 Default Gateway.:192.168.47.2C:Documents and Settings Administrator.USERping 192.168.47.100Pinging 192.168.47.100 with 32 bytes of data:Reply from 192.168.47.100:bytes=32 time1ms TTL=128Reply from 192.168.47.100:bytes=32 time1ms TTL=128Reply from 192.168.47.100:bytes=32 time1ms TTL=128Reply from 192.168.47.100:bytes=32 time1ms TTL=128Ping statistics for 192.168.47.100:Packets:Sent=4,Received=4,Lost=0 ,Approximate round trip times in milli-seconds:Minimum=0ms,Maximum=0ms,Average=0msC:Documents and Settings Administrator.USERC:WINDOWSsystem32cmd.exe 下转第162页162软 件第 44 卷 第 8 期SOFTWARE据上述计算，最终可以得出测试结果，具体如图 4 所示。MSRA NERPeople Daily NERChinese Resume NERWeibo NER 020406080100测试数据集/个快速识别丢失率/%传统融合自注意力的ALBERT中文命名实体快速识别测试组传统BERT-DeepCAN-CRF中文命名实体快速识别测试组深度学习中文命名实体快速识别测试组可控标准21%以下图 4 测试结果对比分析图示Fig.4 Comparison and analysis of test results根据图 4，实现对测试结果的分析和研究：对比于传统融合自注意力的 ALBERT 中文命名实体快速识别测试组、传统 BERT-DeepCAN-CRF 中文命名实体快速识别测试组，此次所设计的深度学习中文命名实体快速识别测试组最终得出的快速识别丢失率被较好地控制在 21%以下，说明此种识别处理方法的针对性与稳定性较强，对于复杂的识别环境仍然可以对所需要抽取的数据信息进行精准定位，强化处理效果，误差可控，具有实际的应用价值。3 结语总而言之，以上便是对基于深度学习的中文命名实体快速识别的验证与研究。与初始的命名实体识别方式相比对，此次综合深度学习技术，所设计的识别结构更加稳定、多元，针对性较强，在较为烦琐的网络处理环境中，可以对需要抽取的数据及信息进行特殊标注，逐步形成一个循环性的识别结构，从多个角度进行识别处理及解析研究。此外，通过深度学习技术的辅助与支持，针对大规模的识别任务，能够通过列表收集、特征空间、资源消耗、运行时长等特点进行协同自适应识别处理，进一步扩大当前的识别效率及质量，减少日常的训练时间，为后续的处理奠定坚实的环境。参考文献1 游乐圻,裴忠民,罗章凯.融合自注意力的ALBERT中文命名实体识别方法J.计算机工程与设计,2023,44(2):605-611.2 谢斌红,张露露,赵红燕.基于BERT-DeepCAN-CRF的中文命名实体识别方法J.计算机与数字工程,2022,50(12):2720-2726.3 郭小磊,张吴波.基于ERNIE-BiGRU-CRF-FL的中文命名实体识别方法J.山西大同大学学报(自然科学版),2022,38(6):23-28.4 韩晓凯,岳颀,褚晶,等.基于注意力增强的点阵TransFormer的中文命名实体识别方法J.厦门大学学报(自然科学版),2022,61(6):1062-1071.5 康怡琳,孙璐冰,朱容波,等.深度学习中文命名实体识别研究综述J.华中科技大学学报(自然科学版),2022,50(11):44-53.6 张召武,徐彬,高克宁,等.面向教育领域的基于SVR-BiGRU-CRF中文命名实体识别方法J.中文信息学报,2022,36(7):114-122.7 张汝佳,代璐,王邦,等.基于深度学习的中文命名实体识别最新研究进展综述J.中文信息学报,2022,36(6):20-35.8 吕海峰,冀肖榆,陈伟业,等.基于ALBERT预训练模型的通用中文命名实体识别方法J.梧州学院学报,2022,32(3):10-17.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.上接第158页