劉彪 趙鵬 張麗娜

摘要：針對(duì)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，提出將虛擬的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)，結(jié)合OPNET軟件，介紹具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；網(wǎng)絡(luò)仿真；OPNET

0、 引言

網(wǎng)絡(luò)通信的需求日益提高，規(guī)模越來(lái)越龐大，網(wǎng)絡(luò)健壯性和可靠性等指標(biāo)也很難進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。不論是構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)，還是對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造，或者開(kāi)發(fā)測(cè)試新協(xié)議，都需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸指標(biāo)（例如數(shù)據(jù)傳輸最大速度、平均速度、網(wǎng)絡(luò)延遲和數(shù)據(jù)吞吐率等）、健壯性和可靠性進(jìn)行客觀評(píng)估，以使網(wǎng)絡(luò)具有較高的性?xún)r(jià)比，最大程度地保護(hù)已有投資，提高軟硬件資源利用率，提供最好的服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越多地進(jìn)入各個(gè)行業(yè)，對(duì)該方面人才的培養(yǎng)也提出了更高的要求，所教授的內(nèi)容在不少非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的工作、學(xué)習(xí)、生活中得到應(yīng)用。

1、非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

對(duì)于非計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生（如電氣專(zhuān)業(yè)），學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)這門(mén)課程的積極性并不是很高。以筆者所在的電氣專(zhuān)業(yè)為例，開(kāi)設(shè)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)課程課時(shí)少，內(nèi)容較淺但很全面，涵蓋了全部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議層內(nèi)容和概念抽象，教學(xué)方法傳統(tǒng)，學(xué)生一般為了拿到學(xué)分而參與學(xué)習(xí)，主觀能動(dòng)性較差。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均按照實(shí)驗(yàn)教案設(shè)計(jì)好的流程，讓學(xué)生一步步機(jī)械執(zhí)行，最后記錄結(jié)果，該方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、開(kāi)闊思維并未起到預(yù)期的作用，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生興趣下降，學(xué)習(xí)效果不太理想。

筆者所在的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程組結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)造成上述問(wèn)題的具體原因有以下幾點(diǎn)：一是課堂講授理論性太強(qiáng)，過(guò)于抽象，教學(xué)過(guò)程缺乏趣味性，難以吸引學(xué)生進(jìn)一步自主學(xué)習(xí)；二是大部分學(xué)生覺(jué)得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少、缺乏連貫性且模式固定，不能很好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，無(wú)法保證學(xué)生動(dòng)手能力得到鍛煉和提高；三是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入的經(jīng)費(fèi)有限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新?lián)Q代難以跟上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。仍以筆者所在的電氣專(zhuān)業(yè)為例，之前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)這門(mén)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)包括四大類(lèi)，共計(jì)6個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中第1個(gè)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)網(wǎng)絡(luò)配置為認(rèn)知類(lèi)實(shí)驗(yàn)，第2個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)制作網(wǎng)線為簡(jiǎn)單動(dòng)手驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，第3個(gè)實(shí)驗(yàn)IIS配置和第4個(gè)實(shí)驗(yàn)CRC校驗(yàn)驗(yàn)證均為驗(yàn)證類(lèi)實(shí)驗(yàn)，第5個(gè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析為協(xié)議驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，第6個(gè)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)發(fā)表與路由器實(shí)驗(yàn)是在現(xiàn)有模擬軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的驗(yàn)證類(lèi)實(shí)驗(yàn)。上述實(shí)驗(yàn)偏向于按照固定的步驟操作后進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證，而且各知識(shí)點(diǎn)相互獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很多學(xué)生局限于按照提示步驟得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，缺乏綜合性、設(shè)計(jì)性，不利于學(xué)生動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)的提高。然而，如果在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)需要硬件設(shè)備支持的綜合性實(shí)驗(yàn)，還受到經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，可操作性不大。

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是通過(guò)建模和統(tǒng)計(jì)分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò)行為，從而獲得特定網(wǎng)絡(luò)特性和參數(shù)的技術(shù)，其中建模分為網(wǎng)絡(luò)建模（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信鏈路等）和流量建模兩部分。模擬網(wǎng)絡(luò)行為是模擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中傳輸、交換和復(fù)用的過(guò)程。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真，可以獲取多種網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)，常用的有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)性能統(tǒng)計(jì)量、網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)延遲、全局性能統(tǒng)計(jì)量等，既能夠得到業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量，也能夠得到指定協(xié)議內(nèi)部特殊參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。利用這種虛擬實(shí)驗(yàn)形式，將計(jì)算機(jī)硬件和專(zhuān)用軟件組合，在計(jì)算機(jī)上完成多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目而不需要傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)硬件器材，可以低成本、高效率地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，從而使學(xué)生的素質(zhì)和能力得到進(jìn)一步的提升。

目前在教學(xué)和科研活動(dòng)中使用較多的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件很多，包括Berkeley NS、OMNeT++、SSFNET、OPNET等，其中OPNET Modeler的功能最強(qiáng)大，提供了大部分通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)建模的模擬仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境，是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的一種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。筆者選擇以O(shè)PNET為仿真載體進(jìn)行探討。

2、OPNET介紹

OPNET是美國(guó)OPNET Technologies Ins公司的產(chǎn)品，是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真和建模工具軟件。它支持面向?qū)ο蠼＃⑻峁┯押玫膱D形化編輯界面，能夠完全模擬研究通信協(xié)議和路由算法的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用詳細(xì)完備的結(jié)果分析器可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行快速高效、形象直觀的分析并輸出為用戶(hù)需要的多種圖表。

OPNET是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包集合，能夠分析較復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的行為與性能，利用其建立網(wǎng)絡(luò)模型后，可以在任意位置插入探頭，用于信息量采集及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。仿真輸出能夠以數(shù)字方式、圖形化界面方式進(jìn)行觀察，也可以輸出到第三方的軟件包進(jìn)行進(jìn)一步的分析。同時(shí)OPNET的模型庫(kù)提供了多種系列仿真模型，利用這些仿真模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)不同層次的獨(dú)立仿真或者交叉仿真。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，OPNET可實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型的仿真實(shí)驗(yàn)，包括認(rèn)知性、驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性以及綜合性的實(shí)驗(yàn)，主要具有以下特色：（1）通過(guò)建立綜合性仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生能夠全面、立體地對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)、操作與驗(yàn)證，相對(duì)于原有各自分立的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，在提高學(xué)生素質(zhì)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)方面有較大幅度的提高；②提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的比重，使學(xué)生直觀地感知各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，自行完成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、配置、驗(yàn)證過(guò)程，加強(qiáng)學(xué)生多維思路的開(kāi)拓；③讓學(xué)生動(dòng)態(tài)地、有機(jī)地感受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中關(guān)鍵協(xié)議與算法的執(zhí)行流程，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)和參與實(shí)驗(yàn)的興趣，更加綜合性地理解、掌握與靈活運(yùn)用課堂知識(shí)；④在增加較少硬件成本的情況下實(shí)現(xiàn)綜合性實(shí)驗(yàn)。

3、實(shí)驗(yàn)樣例

3.1實(shí)驗(yàn)流程介紹

提供實(shí)驗(yàn)樣例的目的是為了讓學(xué)生盡快掌握實(shí)驗(yàn)的流程，參照此流程可以按照自己的思路設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，加入各?lèi)設(shè)備，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)范圍，在不同情況下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行仿真分析，從而提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的比重，直觀地感知各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，自行完成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、配置、驗(yàn)證過(guò)程，加強(qiáng)學(xué)生多維思路的開(kāi)拓。

考慮到非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)和專(zhuān)業(yè)深度問(wèn)題，教師讓學(xué)生通過(guò)自己構(gòu)思，針對(duì)自己感興趣的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，選擇不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣宇^、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)范圍，通過(guò)仿真的手段觀察、分析、對(duì)比網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)占用4個(gè)學(xué)時(shí)（含1個(gè)課外學(xué)時(shí)），包括教師對(duì)仿真軟件的概述、實(shí)驗(yàn)流程講解及仿真軟件中常用設(shè)備介紹l學(xué)時(shí)，學(xué)生利用課外時(shí)間構(gòu)思自己的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)與參數(shù)指標(biāo)1學(xué)時(shí)，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自己的思路并進(jìn)行仿真及分析2學(xué)時(shí)。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)以介紹OPNET用法的書(shū)籍、論文上給出的初級(jí)應(yīng)用為例，對(duì)具體試驗(yàn)流程簡(jiǎn)要介紹如下。

（1）建立工程，設(shè)置環(huán)境，給出網(wǎng)絡(luò)絡(luò)覆蓋的范圍、性質(zhì)、模型家族種類(lèi)等內(nèi)容。

（2）為網(wǎng)絡(luò)指定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒐?jié)點(diǎn)模型和鏈路模型?？勺寣W(xué)生選擇一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型（star）、總線型（bus）、環(huán)型（ring）、樹(shù)型（tree）等多種連接方式；按照自己的構(gòu)想設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)設(shè)備的類(lèi)型及數(shù)量，可選擇不同廠商的設(shè)備模型，選擇結(jié)點(diǎn)設(shè)備模型及數(shù)量；選擇所連接的鏈路模型；在上一步給出的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍中給出中心結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)及半徑，這一步僅是一個(gè)初始設(shè)定，后期可根據(jù)需要任意拖動(dòng)各設(shè)備的物理位置；添加服務(wù)器并連接到網(wǎng)絡(luò)中；添加業(yè)務(wù)配置模型，可選定后拖動(dòng)到場(chǎng)景中。

（3）設(shè)定待觀察的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，比如選擇服務(wù)器的吞吐量或者整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)、沖突次數(shù)等內(nèi)容。

（4）設(shè)定仿真參數(shù)，運(yùn)行仿真，顯示待觀察的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)并進(jìn)行分析。

（5）設(shè)計(jì)或者擴(kuò)展用于對(duì)比的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，再次運(yùn)行仿真并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2具體實(shí)驗(yàn)樣例

以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室為背景，該實(shí)驗(yàn)室包括70臺(tái)電腦，場(chǎng)地范圍為80m2，分別通過(guò)兩種方式進(jìn)行組網(wǎng)：第一種方式采用一臺(tái)交換機(jī)，第二種方式采用兩臺(tái)交換機(jī)，均采用星型拓?fù)浞绞?。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景占用9m×9m的空間按照上述流程設(shè)計(jì)：第一種方式包含1個(gè)服務(wù)器、1個(gè)交換機(jī)和連接在該交換機(jī)上的70個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)點(diǎn)；第二種方式包含1個(gè)服務(wù)器、2個(gè)交換機(jī)和等量連接在這2個(gè)交換機(jī)上的70個(gè)結(jié)點(diǎn)，交換機(jī)結(jié)點(diǎn)35通過(guò)交換機(jī)結(jié)點(diǎn)71連接到服務(wù)器結(jié)點(diǎn)73。

設(shè)定要觀察的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，包括服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、負(fù)載率（ Bit/sec）、吞吐量（Packages/sec）。運(yùn)行0.5h的仿真，分別觀察上述性能參數(shù)對(duì)比情況。

兩種方式整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延結(jié)果分別如圖l和圖2所示，可以看出采用兩個(gè)交換機(jī)的方式網(wǎng)絡(luò)時(shí)延也有明顯的增加。

兩種方式服務(wù)器時(shí)延結(jié)果分別如圖3和圖4所示，可以看出采用兩個(gè)交換機(jī)的方式服務(wù)器時(shí)延明顯增加了30%左右。

兩種方式服務(wù)器的負(fù)載率和吞吐量結(jié)果并沒(méi)有太大的差異，分別平均在6000bits/sec和2.5packages/sec附近，這說(shuō)明負(fù)載率和吞吐量與網(wǎng)絡(luò)總體容量（包括信息和設(shè)備）關(guān)系較大。

另外對(duì)比了第二種方式中兩個(gè)交換機(jī)的時(shí)延，按照與服務(wù)器的距離，遠(yuǎn)端交換機(jī)結(jié)點(diǎn)35和近端交換機(jī)結(jié)點(diǎn)71的時(shí)延分別如圖5和圖6所示，可以看出時(shí)延與物理連接的關(guān)系，并通過(guò)課堂教學(xué)中所學(xué)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成進(jìn)一步分析。

4、結(jié)語(yǔ)

將OPNET引入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以迅速建立網(wǎng)絡(luò)模型并且方便模型的變化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的定量依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的預(yù)測(cè)。同時(shí)在幾乎不增加硬件成本的情況下完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)。尤其是面向非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，可以針對(duì)一些課堂教學(xué)中基礎(chǔ)的性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣點(diǎn)自行設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)模型，提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的比重，使學(xué)生直觀地感知各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，自行完成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、配置、驗(yàn)證過(guò)程，加強(qiáng)學(xué)生多維思路的開(kāi)拓，使學(xué)生能夠個(gè)面、立體地對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)、操作與驗(yàn)證，相對(duì)于原有各自分立的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，在提高學(xué)生素質(zhì)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)方面能夠有較大幅度的提高。