Educational Material Development Model for Teaching Computer Network and System Management
NURSEL YALCIN,1 YALCIN ALTUN,2 UTKU KOSE3
1Department of Computer and Instructional Technologies Education, Gazi University, Ankara, Turkey
2 Gazi Technical and Industrial Vocational High School, Ankara, Turkey
3Computer Sciences Application and Research Center, Usak University, Usak, Turkey
Received 1 November 2014; accepted 18 January 2015
ABSTRACT: Computer network and system management education is often structured based on theoretical information and it is not considered effective and efficient due to various reasons such as inadequacy of available materials and hardware. In addition, investors are reluctant to make investments on the provision of educational materials due to relatively high cost specific to this field. However, recent developments in virtualization technologies have led to the emergence of new trends in computer network and system management education. This paper provides information about the use of virtualization technology in computer network education, the utilization of real network devices, and defines a new generation network training platform. The aim of the study is to offer a new model using virtualization technology for network-based computer education. The topology additionally proposed here involves the use of real hardware instead of virtual ones, which distinguishes it from the similar topologies. This model is expected to guide future network and system managers to develop and use a real network and system management training platform that is far more effective than simulation programs. 2015 Wiley Periodicals, Inc. Comput Appl Eng Educ 23:621–629, 2015; View this article online at wileyonlinelibrary.com/ journal/cae; DOI 10.1002/cae.21636
Keywords: computer networks education; virtualization; applications in subject areas; improving classroom teaching; simulations; distance education
INTRODUCTION
Computers and information networks are crucial for the success of both large and small institutions; it connects individuals to each other, supports various applications and services, and provides access to resources necessary for institutions to maintain their operations. Computer networks are also getting more and more complex to meet the daily needs of institutions. Today, most of us communicate and share our opinions by using computer networks established via IP services. Computer network designers are the individuals who have played the leading role in this new way of communication. In order to meet this increasing demand, we need computer networks that can be scaled, converged, and managed. Applications and the services provided by these computer networks are expected to be easily accessible and reliable. In addition, as computer networks get more complex, supporting and managing these networks become the primary concern of network designers. We should trust them to make sure that networks meet our expectations. A well-designed computer network secures the investments made on network technology and increases the competitive power of institutions. Finally, career opportunities in the field of computer network design are likely to soar as small and large scale companies realize the importance of having sound and effective networks.
In todayrsquo;s world, Internet-based economy requires uninterrupted customer service, which can be achieved only if almost 100% of the business-oriented networks are functional. Therefore, it is vital to take necessary precautions to prevent or solve problems automatically when they occur. These business-oriented networks should have the ability to adapt themselves according to fluctuating operation loads to ensure accurate and consistent operation processes. It is no more sufficient to connect a number of components without a careful planning and design. At this point, a good computer network is not a coincidence; it is the outcome of efforts by network designers and technicians, who are able to choose the best solutions that might meet the needs of the company and define the requirements for a particular network.
Computer network and system management education is a specialized education that trains technical staff equipped with above mentioned skills and develops policies to contribute their personal developments. Such training is provided in many private and state-run institutions as in-service training programmes. Similarly, this education is provided for the students attending Network Management Departments available at Information Technologies programmes in vocational and technical schools of Ministry of National Education in Turkey. The aim of these training programmes is to educate computer network professionals who are furnished with certain skills, such as designing information network infrastructures at various levels, dealing with work processes/plans and finding solutions to possible physical, and service-based problems. From a global perspective, it can be said that there is an increasing high demand for computer network related skills in many sectors. Because of this, researchers have been focused on educational approaches in the sense of computer network and system management education [1–5].
Computer network and system management education is often structured based on theoretical information and it is not considered effective and efficient due to various reasons such as inadequacy of available materials and hardware. In fact, applied educational approaches are too important to gain necessary knowledge and ability in the sense of computer network and system management. In the literature, research works often focus on the effectiveness of applied education in teaching computer networks and the associated subjects [3,6–
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计算机网络与系统管理教学的教材建设模式
NURSEL YALCIN1，YALCIN ALTUN2，UTKU KOSE3
1土耳其安卡拉加兹大学计算机与教育技术教育系
2加齐技术和工业职业高中，安卡拉，土耳其
3乌萨克大学计算机科学应用与研究中心，乌萨克，土耳其
2014年11月1日收到; 2015年1月18日通过
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。2015 Wiley Periodicals，Inc. Comput Appl Eng Educ 23：621-629,2015;在wileyonlinelibrary.com/ journal / cae上在线查看本文;DOI 10.1002 / cae.21636
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服务建立的计算机网络来交流和分享我们的意见。计算机网络设计师是在这种新的沟通方式中扮演领导角色的人。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，随着小型和大型公司意识到建立健全和有效的网络的重要性，计算机网络设计领域的职业机会可能会飙升。
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自动解决问题至关重要。这些面向业务的网络应该能够根据波动的操作负载自适应，以确保准确一致的操作流程。没有仔细的规划和设计，连接多个组件就不够了。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，他们能够选择能够满足公司需求的最佳解决方案，并定义特定网络的要求。
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。许多私立和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有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不足）而不被认为是有效和高效的。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主题变得抽象且难以被学生理解[8-10]。所以，这些课程的成果不能达到预期的水平。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。这些问题促使研究人员寻找替代方法来教授计算机网络，而不是仅仅讨论理论学科[7,11-20]。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]。从教育的角度来看，开发可提供灵活解决方案以降低高成本的材料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以前使用的模拟来接受培训。更详细地说，它旨在提供一种简单的方法，该方法基于虚拟化技术，使真实设备能够用于教育目标;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，这种模式将使教师和学生都能体验到积极的教育过程，这要归功于便宜，简单和灵活的开发平台，该平台涵盖了虚拟化技术和物理硬件的优势。
从上面的解释来看，本文的其余部分安排如下：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，简要报告了体验该模型的工程专业学生的反馈，并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。这些应用程序现在已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#39;教授一个主题的人#39;和#39;教授如何完成任务的人#39;。开发教授某个主题的程序可以引导学生通过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。最常用的标准是在反映情况或事件方面，方案与现实的相似性。许多教育工作者认为模拟课程对于教学过程是有用的。但是，也有一些教育工作者提到了一些担忧。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尽可能地反映真实情况[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]。但它们大多设计用于执行某些命令或模拟特定的机制，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，一个模拟程序在网络和系统管理教育过程中不是有效和高效的。使用网络布线和基础网络教育中的真实设备对接受计算机网络和系统管理教育的学生来说至关重要，因为这种做法将增加他们对未来工作职业的自信。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已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，FATİH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。第一台虚拟机由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）的文章中介绍。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和在其上运行的应用程序时，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]。由于全球对能源使用和需求的不断增加以及能源资源的减少，新开发的设备和技术的设计方式可以更有效地利用现有的能源资源。虚拟化技术是基于这种思维，并且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。
图1虚拟化平台。 [颜色图可以在网上查看，可在wileyonlinelibrary.com上查看。
图2虚拟机监视器（VMM）（根据参考文献[14]。[颜色图可以在wileyonlinelibrary.com上的在线问题中查看]。
虚拟化技术领域中使用的软件包可以分为三类。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）。II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（VMware Workstation，Microsoft Virtual PC，Virtual Server 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分配给分配给某些独立服务器或设备的通道的想法。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等环境中带来了一定的优势。
图3虚拟机结构。 [颜色图可以在网上查看，可在wileyonlinelibrary.com上查看。]
确认，低成本，教学平台，网络服务和流量分析测试[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的克洛维斯统一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
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