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信息化与网络安全



>> 网络及教学信息化平台


一、虚拟仿真实验平台
 
    虚拟实验中心已有的虚拟仿真实验教学资源,按照特色方向,构建相关虚拟仿真实验群。实验项目按照内容特点基本分为3个系统,即集成电路工艺虚拟仿真实验、半导体器件原理虚拟仿真实验和电路与系统虚拟仿真实验。各个系统既有自身的侧重,又相互联系支撑,共同通过虚拟和仿真技术、多媒体、网络通讯等技术手段,强化理论教学效果,提高工程实践能力和创新能力,在提高人才培养质量中发挥重要作用。基于上述三个系统可以拓展如下9个虚拟仿真实验平台:
 
(1)集成电路工艺一维虚拟仿真实验平台;
(2)集成电路工艺多维虚拟仿真实验平台;
(3)器件原理与特性虚拟仿真实验平台;
(4)器件材料与结构设计虚拟仿真实验平台;
(5)器件可靠性与寿命预测虚拟仿真实验平台;
(6)数字IC系统设计虚拟仿真实验平台;
(7)模拟IC设计虚拟仿真实验平台;
(8)射频IC设计虚拟仿真实验平台;
(9)基于FPGA的SoC验证虚拟仿真实验平台。

    理论与实际相结合是集成电路学科的一个鲜明特点,经过现状分析和深入思考,在构建科学合理的集成电路实验教学体系方面,通过借助虚拟仿真实验平台,将基础类实验、专业基础实验、专业实验、课程设计、EDA实践、工艺实践、生产实习和毕业设计环环相扣、有机衔接的方法,构建出具有鲜明特色的集成电路专业实践教学体系(图1),虚拟仿真实验将在该实验体系的专业基础实验、专业实验、课程设计、生产实习、毕业设计等环节发挥重要作用。
 
 
图1 集成电路专业实践教学体系
 
    工艺虚拟仿真要求学生在真实实验前先对工艺过程进行模拟,通过集成电路工艺的动态实现过程,揭示集成电路芯片内部结构特征及工艺参数变化规律,培养学生对半导体工艺制造流程的认识,虚实结合,为实际操作实习打下良好基础。器件虚拟仿真在虚拟环境完成器件设计,剖析影响器件性能的主要因素,使学生直观地理解半导体器件的工作原理,掌握优化设计和机理分析的方法,完成真实实验难以开展的实践。集成电路设计仿真要求学生在虚拟平台完成数字、模拟、射频等集成电路芯片设计及验证,让学生掌握集成电路设计流程和虚拟仿真方法。
 
二、网络平台
 
    虚拟实验中心依托整个校园的计算机网络系统,建立了网络化实验教学和实验室管理信息平台,提供丰富的网络实验教学资源,实现网上辅助教学和网络化、智能化管理,减轻实验室管理人员的工作负担,提高了工作效率和服务水平。图2给出了校园网虚拟仿真实验室门户网站的首页,图3给出了网络平台功能结构框图。
 

图2 虚拟仿真实验中心门户网首页
 

 
图3 虚拟实验中心网络平台功能框架示意图
 
(一)网络平台功能
 
(1)采用B/S和C/S相结合的架构,即方便平台部署及日常应用,又将网络信息传递、资源和进程管理等隐藏到后台,方便实验教师编写布置实验课程;
(2)集门户网站、教务管理、实验管理、资源管理、数据管理、权限管理、考核管理、交流通知系统和网络共享实验管理于统一平台,实现实验室的智能管理;
(3)实验资源全面开放,提供开放式实验教学服务;
(4)权限配置和管理,满足不同人员应用,加强共享辐射作用
(5)倡导协同和交流,提供教师和学生随时随地实时在线或离线交流
(6)多种数据管理,包括新闻发布、成果展示等多项功能。
 
(二)网络实验运行机制
 
    为了进一步将虚拟仿真实验资源共享,实现全互联网的访问和实验,在对网络特性和实验资源研究的基础上,提出了网络虚拟仿真实验运行机制架构。
 
    对于实验内容中涉及商业软件的,由于不同软件给定的软件权限不同,有些还不能支持互联网远程登录或者有一定限制,实验中心平台也不能对其有根本性改变。在平台建设中,一方面积极需求企业的支持,最大化完成资源的共享;同时,在技术上寻求可行的方案,在维护企业合法权益的前提下,最大限度的实现共享。实际使用中,目前以局域网,即联合实验室教学实验为主,以互联网远程实验为辅。

    对于自主研发的虚拟仿真实验,绝大部分都是教师自主设计完成的,平台的支持作用主要在于网络化和多用户支持。平台提供接口程序,用户通过调用即可完成与服务器之间的信息传递和任务提交;并可以在结果回传后,由客户端自动调用用户程序处理结果。这样将实验过程规范化为“前处理-计算-后处理”三个部分,教师设计实验关心的是前后处理,是需要展现给学生的具体实验内容;计算部分可以调用现有软件分析,或者由自主设计的程序分析,这部分在客户端,或者服务器端均可,而平台方便地提供了信息传递功能。并且,在服务器端处理的核心,由平台自动完成任务请求,队列管理和进程、资源管理,实验教师完全不必考虑多用户、多线程的问题,最大限度的将实验教师从网络和计算机技术细节中解脱出来,其最需要关注的和唯一需要关注的都是实验本身。
 
(三)网络教学模式
 
    基于对网络教学特性分析,以及虚拟仿真3个系统,即集成电路工艺虚拟仿真实验、半导体器件原理虚拟仿真实验和电路与系统虚拟仿真实验,特点的把握,中心创新性的提出了“动态”的网络教学模式,如图4所示。该教学模式具体包括如下几方面:
 
  ·  信息注册:学生在网上进行基本信息注册后,可进入虚拟仿真网络教学平台。
 
  ·  学生自测:为了判断是否适合网络学习,学生需要首先进行自我测试,测试范围涉及学生的综合能力、自我激励、时间管理以及团队协作能力等。如果适合,则学生可进入网络教学环境,否则建议其进行传统模式学习。
 
  ·  了解课程设置:进入网络教学环境中,学生首先需要集成电路虚拟仿真实验的课程设,若有任何疑问,在线教师会进行实时答疑。虚拟仿真实验的课程设置主要由虚拟仿真三个系统所包含的知识点组成,各类知识点既自成体系,又彼此相互关联,这种设置有助于学生建立联系的学习观,使他们可以从掌握知识点扩展到掌握知识面,加深对集成电路制程全过程的理解。
 
  ·  命题和实践:学生可以在虚拟教学命题库中选择已有虚拟实践命题,进行虚拟实践,以促进相关理论知识的消化和吸收;也可以根据自身需求,比如科研院所人员可以根据科研需求,对各知识点进行合理配置,进行自我命题,并通过虚拟实践获得有价值的实验结果和规律,指导真实科研工作。
 
  ·  结果和评价:学生完成虚拟仿真实验并提交结果后,系统会鼓励学生对虚拟仿真实验进行总结和自我评价,总结实践心得,同时在线教师也会给出客观评阅意见,提炼学生的共性问题。
 
  ·  分享和讨论:教师提炼的学生实践共性问题和学生实践心得都会在虚拟网络教学平台上进行分享,教师和学生可以在线互动讨论,以便更多学生不断提升虚拟仿真技能。此外,学生根据之前的虚拟仿真经验,结合自身需求,可以继续进行新的虚拟仿真实验。
 
  ·  知识点优化:根据各学生虚拟仿真实验的效果实时动态地优化虚拟仿真知识点。
 
 
图4 “动态”虚拟实验网络教学架构示意图
 
    虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,学生在虚拟环境中开展实验,达到教学大纲所要求的教学效果。
 
    虚拟实验中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能,在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时,提供可靠、安全和经济的实验项目。虚拟实验中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。

    因此,在虚拟仿真实验资源建设上,始终以学校的优势学科为依据,在优势的学科方向上,在几类主要研究探索领域内,以国家级和教育部重点实验室为支撑,以集成电路实验教学示范中心为基础,针对不同教学内容特色,开展虚拟仿真实验教学,形成与真实实验互补互促的格局。在该体系中,着重考虑了“厚基础、知工艺、通器件、重电路、有国际化视野、赋予创新”的培养原则,发挥校企联合培养模式的优势,利用虚拟现实、仿真技术、网络技术等,形成优质的教学资源。
 

>> 网络管理与安全


    中心网络平台依托学校校园网建设。学校校园网从1994年开始建设,目前全校光缆铺设长度约200公里,有超过5万个网络信息点,拓扑结构如图5所示,学校两个校区间以及大部分楼宇至中心机房实现万兆互联,部分楼宇实现了千兆到桌面。为保障多运营商间互联互通,提升网络质量,目前校园网出口采用多出口方式,即1G联通线路、500M电信线路以及1G教育网线路。校内所有建筑实现了有线网络覆盖,图书馆、科研楼、办公楼等区域实现无线覆盖。目前大型存储设备有两套,一套H3C公司产品,存储容量约30TB,另一套IBM公司产品,存储容量约50TB,在其基础上建立虚拟数据中心,能够提供虚拟服务器,并能够满足对虚拟实验资源存储和共享需求。学校首页提供了对虚拟实验平台的网站链接,便于用户访问。
 

 
图5 西安电子科技大学校园网拓扑结构
 
    学校信息化建设处从2009年起建立了H3C和锐捷认证流量计费系统,以及统一身份认证系统,提供用户身份识别和权限级别。并于2013年购置了两台山石网科SG-6000高性能防火墙,分别应用于校园网出口以及服务器区域,具有网络防病毒、信息过滤和入侵检测功能,保障校园网安全正常运行以及维护管理。同时还有用户行为审计系统。

学校信息平 台 1 校园网络及教学信息化平台水平 a) 有大型存储设备,能够保障学校的网络应用;
b) 校园网覆盖学校教学、科研、管理与建筑的比例达100%;
校园门户网站对校内外公布虚拟仿真实验教学信息,提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务。
2 网络管理与安全 a) 有用户身份管理、认证和计费管理系统,提供用户认证和权限等级识别;
b) 实现网络的安全运行、管理和维护; 
具有网络防病毒、信息过滤和入侵检测功能。