劉彪 趙鵬 張麗娜

摘要：針對非計算機專業(yè)中計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，提出將虛擬的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)引入實驗教學(xué)中來，結(jié)合OPNET軟件，介紹具體實驗過程。

關(guān)鍵詞：實驗教學(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)模越來越龐大，網(wǎng)絡(luò)健壯性和可靠性等指標(biāo)也很難進行準(zhǔn)確評估。不論是構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)，還是對原有網(wǎng)絡(luò)升級改造，或者開發(fā)測試新協(xié)議，都需要對整個網(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）、健壯性和可靠性進行客觀評估，以使網(wǎng)絡(luò)具有較高的性價比，最大程度地保護已有投資，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)越來越多地進入各個行業(yè)，對該方面人才的培養(yǎng)也提出了更高的要求，所教授的內(nèi)容在不少非計算機專業(yè)學(xué)生的工作、學(xué)習(xí)、生活中得到應(yīng)用。

1、非計算機專業(yè)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

對于非計算機類專業(yè)學(xué)生（如電氣專業(yè)），學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)這門課程的積極性并不是很高。以筆者所在的電氣專業(yè)為例，開設(shè)的計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)課程課時少，內(nèi)容較淺但很全面，涵蓋了全部計算機網(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)，主觀能動性較差。同時由于實驗條件有限，實驗內(nèi)容均按照實驗教案設(shè)計好的流程，讓學(xué)生一步步機械執(zhí)行，最后記錄結(jié)果，該方式對學(xué)生學(xué)習(xí)知識、開闊思維并未起到預(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。

筆者所在的計算機網(wǎng)絡(luò)課程組結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)造成上述問題的具體原因有以下幾點：一是課堂講授理論性太強，過于抽象，教學(xué)過程缺乏趣味性，難以吸引學(xué)生進一步自主學(xué)習(xí)；二是大部分學(xué)生覺得實驗項目較少、缺乏連貫性且模式固定，不能很好地將理論與實踐相結(jié)合，無法保證學(xué)生動手能力得到鍛煉和提高；三是計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)投入的經(jīng)費有限，實驗設(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業(yè)為例，之前計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)這門課程的教學(xué)實驗包括四大類，共計6個實驗，其中第1個實驗認識網(wǎng)絡(luò)配置為認知類實驗，第2個實驗學(xué)習(xí)制作網(wǎng)線為簡單動手驗證實驗，第3個實驗IIS配置和第4個實驗CRC校驗驗證均為驗證類實驗，第5個實驗網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析為協(xié)議驗證實驗，第6個實驗轉(zhuǎn)發(fā)表與路由器實驗是在現(xiàn)有模擬軟件的基礎(chǔ)上進行的驗證類實驗。上述實驗偏向于按照固定的步驟操作后進行知識點驗證，而且各知識點相互獨立，實驗過程中很多學(xué)生局限于按照提示步驟得到實驗結(jié)果，缺乏綜合性、設(shè)計性，不利于學(xué)生動手能力和綜合素質(zhì)的提高。然而，如果在實驗教學(xué)中設(shè)計需要硬件設(shè)備支持的綜合性實驗，還受到經(jīng)費和實驗環(huán)境的限制，可操作性不大。

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是通過建模和統(tǒng)計分析的方法模擬網(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)在實際網(wǎng)絡(luò)中傳輸、交換和復(fù)用的過程。通過網(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)點性能統(tǒng)計量、網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)延遲、全局性能統(tǒng)計量等，既能夠得到業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)統(tǒng)計量，也能夠得到指定協(xié)議內(nèi)部特殊參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。利用這種虛擬實驗形式，將計算機硬件和專用軟件組合，在計算機上完成多種實驗項目而不需要傳統(tǒng)的實驗硬件器材，可以低成本、高效率地提高實驗教學(xué)效果，從而使學(xué)生的素質(zhì)和能力得到進一步的提升。

目前在教學(xué)和科研活動中使用較多的網(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為仿真載體進行探討。

2、OPNET介紹

OPNET是美國OPNET Technologies Ins公司的產(chǎn)品，是一款功能強大的網(wǎng)絡(luò)仿真和建模工具軟件。它支持面向?qū)ο蠼?，并提供友好的圖形化編輯界面，能夠完全模擬研究通信協(xié)議和路由算法的真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用詳細完備的結(jié)果分析器可以對網(wǎng)絡(luò)性能進行快速高效、形象直觀的分析并輸出為用戶需要的多種圖表。

OPNET是一個網(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。仿真輸出能夠以數(shù)字方式、圖形化界面方式進行觀察，也可以輸出到第三方的軟件包進行進一步的分析。同時OPNET的模型庫提供了多種系列仿真模型，利用這些仿真模型可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)不同層次的獨立仿真或者交叉仿真。

在實驗教學(xué)方面，OPNET可實現(xiàn)多種類型的仿真實驗，包括認知性、驗證性、設(shè)計性、創(chuàng)新性以及綜合性的實驗，主要具有以下特色：（1）通過建立綜合性仿真實驗平臺，使學(xué)生能夠全面、立體地對課堂內(nèi)容進行設(shè)計、操作與驗證，相對于原有各自分立的幾個實驗，在提高學(xué)生素質(zhì)和專業(yè)知識方面有較大幅度的提高；②提高學(xué)生參與實驗設(shè)計的比重，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、配置、驗證過程，加強學(xué)生多維思路的開拓；③讓學(xué)生動態(tài)地、有機地感受計算機網(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)和參與實驗的興趣，更加綜合性地理解、掌握與靈活運用課堂知識；④在增加較少硬件成本的情況下實現(xiàn)綜合性實驗。

3、實驗樣例

3.1實驗流程介紹

提供實驗樣例的目的是為了讓學(xué)生盡快掌握實驗的流程，參照此流程可以按照自己的思路設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲，加入各類設(shè)備，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)范圍，在不同情況下對網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進行仿真分析，從而提高學(xué)生參與實驗設(shè)計的比重，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、配置、驗證過程，加強學(xué)生多維思路的開拓。

考慮到非計算機專業(yè)實驗課時和專業(yè)深度問題，教師讓學(xué)生通過自己構(gòu)思，針對自己感興趣的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，選擇不同網(wǎng)絡(luò)拓撲接頭、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)范圍，通過仿真的手段觀察、分析、對比網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化。實驗設(shè)計占用4個學(xué)時（含1個課外學(xué)時），包括教師對仿真軟件的概述、實驗流程講解及仿真軟件中常用設(shè)備介紹l學(xué)時，學(xué)生利用課外時間構(gòu)思自己的實驗架構(gòu)與參數(shù)指標(biāo)1學(xué)時，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自己的思路并進行仿真及分析2學(xué)時。

實驗指導(dǎo)書以介紹OPNET用法的書籍、論文上給出的初級應(yīng)用為例，對具體試驗流程簡要介紹如下。

（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)、模型家族種類等內(nèi)容。

（2）為網(wǎng)絡(luò)指定網(wǎng)絡(luò)拓撲、節(jié)點模型和鏈路模型?？勺寣W(xué)生選擇一種拓撲結(jié)構(gòu)，包括星型（star）、總線型（bus）、環(huán)型（ring）、樹型（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)點設(shè)備的類型及數(shù)量，可選擇不同廠商的設(shè)備模型，選擇結(jié)點設(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)點的坐標(biāo)及半徑，這一步僅是一個初始設(shè)定，后期可根據(jù)需要任意拖動各設(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，可選定后拖動到場景中。

（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網(wǎng)絡(luò)的延時、沖突次數(shù)等內(nèi)容。

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

（5）設(shè)計或者擴展用于對比的網(wǎng)絡(luò)拓撲，再次運行仿真并對結(jié)果進行對比分析。

3.2具體實驗樣例

以計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室為背景，該實驗室包括70臺電腦，場地范圍為80m2，分別通過兩種方式進行組網(wǎng)：第一種方式采用一臺交換機，第二種方式采用兩臺交換機，均采用星型拓撲方式。兩個實驗場景占用9m×9m的空間按照上述流程設(shè)計：第一種方式包含1個服務(wù)器、1個交換機和連接在該交換機上的70個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)點；第二種方式包含1個服務(wù)器、2個交換機和等量連接在這2個交換機上的70個結(jié)點，交換機結(jié)點35通過交換機結(jié)點71連接到服務(wù)器結(jié)點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)時延以及整個網(wǎng)絡(luò)的時延、負載率（ Bit/sec）、吞吐量（Packages/sec）。運行0.5h的仿真，分別觀察上述性能參數(shù)對比情況。

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

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

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

另外對比了第二種方式中兩個交換機的時延，按照與服務(wù)器的距離，遠端交換機結(jié)點35和近端交換機結(jié)點71的時延分別如圖5和圖6所示，可以看出時延與物理連接的關(guān)系，并通過課堂教學(xué)中所學(xué)的網(wǎng)絡(luò)實驗構(gòu)成進一步分析。

4、結(jié)語

將OPNET引入網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)，可以迅速建立網(wǎng)絡(luò)模型并且方便模型的變化，對網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供可靠的定量依據(jù)，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)性能的預(yù)測。同時在幾乎不增加硬件成本的情況下完成教學(xué)實驗。尤其是面向非計算機專業(yè)學(xué)生，可以針對一些課堂教學(xué)中基礎(chǔ)的性能指標(biāo)進行驗證，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣點自行設(shè)計網(wǎng)絡(luò)模型，提高學(xué)生參與實驗的比重，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、配置、驗證過程，加強學(xué)生多維思路的開拓，使學(xué)生能夠個面、立體地對課堂內(nèi)容進行設(shè)計、操作與驗證，相對于原有各自分立的幾個實驗，在提高學(xué)生素質(zhì)和專業(yè)知識方面能夠有較大幅度的提高。