馬驍+楊秋菊

[摘 要]分布式無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種沒(méi)有預(yù)定基礎(chǔ)設(shè)施支撐的、可重構(gòu)的多跳無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)“無(wú)線自組網(wǎng)”教學(xué)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多變、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議難以理解等特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)過(guò)程中遇到的學(xué)生因不理解、學(xué)不懂等因素導(dǎo)致的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性下降等實(shí)際情況，應(yīng)該將ERP沙盤模擬教學(xué)方法引入無(wú)線自組網(wǎng)課堂教學(xué)中，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生模擬網(wǎng)絡(luò)行為，加強(qiáng)課堂互動(dòng)、啟發(fā)學(xué)生自主演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而解決自組網(wǎng)教學(xué)中的多個(gè)難題，這樣能有效改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[關(guān)鍵詞]沙盤模擬；分布式無(wú)線自組網(wǎng)；教學(xué)方法

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）07-0114-03

一、引言

分布式無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱無(wú)線自組網(wǎng)）是一種沒(méi)有預(yù)定基礎(chǔ)設(shè)施支撐的、可重構(gòu)的多跳無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。[1]經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，無(wú)線自組網(wǎng)經(jīng)歷了從軍用向民用、從基礎(chǔ)研究向商業(yè)化應(yīng)用的革命性轉(zhuǎn)變。目前，無(wú)線自組網(wǎng)已發(fā)展成為新一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的重要組成部分，可廣泛地應(yīng)用于軍事國(guó)防、近域互聯(lián)、智慧無(wú)線城市、寬帶無(wú)線校園等領(lǐng)域的建設(shè)中[2]，為物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)的蓬勃發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和重要的技術(shù)載體。

雖然無(wú)線自組網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景，但是由于該網(wǎng)絡(luò)本身具備的靈活性和分布式特性導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)呈現(xiàn)出復(fù)雜性和不確定性。此外，與蜂窩網(wǎng)、WiFi網(wǎng)等常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線自組網(wǎng)準(zhǔn)組織[3] [4]尚未對(duì)涉及的協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化，這些原因?qū)е聼o(wú)線自組網(wǎng)的教學(xué)，尤其是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的講授變得十分困難。

目前，針對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)的輔助科學(xué)工具主要可分為三大類，即網(wǎng)絡(luò)仿真軟件系統(tǒng)、試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)估儀器。其中試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)估儀器通常體積較大，不適用于課堂教學(xué)演示。而對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，國(guó)際上主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件主要有NS-2、OPNET、OMNeT++和QuaLNeT等。這類仿真軟件雖然有可視化的界面以及協(xié)議運(yùn)行過(guò)程中的輔助動(dòng)畫(huà)顯示，但還僅限于協(xié)議開(kāi)發(fā)者對(duì)與協(xié)議正確性和有效性的驗(yàn)證，不適用于課堂教學(xué)。因?yàn)檫@類仿真軟件通常仿真時(shí)間較長(zhǎng)，協(xié)議開(kāi)發(fā)的周期也較長(zhǎng)，無(wú)法在課堂上實(shí)現(xiàn)。

此外，這類仿真軟件雖然能夠模擬網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)及協(xié)議的工作過(guò)程，但依然較為抽象，在幫助學(xué)生理解無(wú)線自組網(wǎng)方面功能十分有限。因此，有必要探索一種課堂上可操作的形象的教學(xué)方法，幫助學(xué)生理解無(wú)線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和協(xié)議工作機(jī)理。

二、ERP沙盤模擬課程簡(jiǎn)介

沙盤最早出現(xiàn)于軍事訓(xùn)練中，早期沙盤由于制作相對(duì)復(fù)雜，并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。后來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)軟件代替真實(shí)沙盤的模擬沙盤新技術(shù)。這一技術(shù)不但為指揮作戰(zhàn)提供了新的手段，而且促進(jìn)了模擬沙盤向各行各業(yè)的推廣。[5]特別是企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning）沙盤（簡(jiǎn)稱ERP沙盤）的引入，為現(xiàn)代企業(yè)經(jīng)營(yíng)與管理技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)人才的培養(yǎng)提供了有效的工具。[6]

瑞典皇家工學(xué)院的克拉斯梅蘭（Klas Mella）于20世紀(jì)70年代末首次將ERP沙盤引入教學(xué)活動(dòng)中。[7]此后，ERP沙盤作為一種體驗(yàn)式互動(dòng)教學(xué)方法，在諸多領(lǐng)域的教學(xué)中，尤其是在一些較為復(fù)雜和抽象的學(xué)科中得到了廣泛的應(yīng)用。[8]

三、ERP沙盤模擬無(wú)線自組網(wǎng)教學(xué)的主要內(nèi)容

通過(guò)ERP沙盤教學(xué)，主要是以學(xué)生自己為主體模擬無(wú)線節(jié)點(diǎn)，讓學(xué)生實(shí)際參與和體驗(yàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議制定的必要性和重要性。這一方面能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面也能使學(xué)生了解無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在傳輸時(shí)的特性與存在的問(wèn)題。在無(wú)線自組網(wǎng)協(xié)議中，以多址協(xié)議和路由協(xié)議最為復(fù)雜和抽象，本文下面將主要說(shuō)明ERP沙盤模擬在這兩種協(xié)議教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）基于ERP沙盤模擬的多址協(xié)議教學(xué)設(shè)計(jì)

多址協(xié)議主要解決多個(gè)用戶共享同一信道的問(wèn)題。與集中式網(wǎng)絡(luò)不同，分布式網(wǎng)絡(luò)的多址技術(shù)主要以隨機(jī)多址技術(shù)為主，由于存在多跳無(wú)線鏈路，所以在教學(xué)中除了講授隨機(jī)多址技術(shù)的原理及工作機(jī)制外，更重要的是要求學(xué)生理解和掌握包括暴露終端、隱藏終端和兩跳外資源復(fù)用等無(wú)線分布式網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的性質(zhì)。下面針對(duì)ERP沙盤模擬在多址技術(shù)輔助教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1.整體思路

通過(guò)ERP沙盤模擬教學(xué)，讓學(xué)生模擬無(wú)線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，體驗(yàn)無(wú)線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程及多址協(xié)議的工作機(jī)制和必要性。根據(jù)模擬通信過(guò)程中遇到的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行分析和改進(jìn)。通過(guò)學(xué)生親身體驗(yàn)和主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生加深對(duì)多址協(xié)議的理解，掌握多址協(xié)議設(shè)計(jì)和改進(jìn)的精髓，了解協(xié)議運(yùn)行過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題及分析思路與解決方法，為后續(xù)對(duì)協(xié)議進(jìn)行理解分析奠定良好的基礎(chǔ)。

2.多址協(xié)議模擬場(chǎng)景設(shè)定

在多址協(xié)議的教學(xué)中，重點(diǎn)和難點(diǎn)是信道接入、暴露終端、隱藏終端和兩跳外復(fù)用問(wèn)題。為更好地模擬這些問(wèn)題，需要合理的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而在學(xué)生易于模擬的同時(shí)，盡可能的暴露出多址協(xié)議的缺陷。為達(dá)到這一目的，本文設(shè)計(jì)的模擬場(chǎng)景如圖1所示。圖1中方框和圓分別代表自組網(wǎng)中正常傳輸節(jié)點(diǎn)和碰撞節(jié)點(diǎn)，均由學(xué)生模擬扮演。每個(gè)學(xué)生配備兩種道具：一個(gè)是申請(qǐng)傳輸標(biāo)志，表示有消息要傳輸，此時(shí)該學(xué)生表示占用信道；另一個(gè)是長(zhǎng)短不同的模擬消息，當(dāng)學(xué)生申請(qǐng)占用信道后即開(kāi)始傳輸消息。

3.模擬流程及主要內(nèi)容

將學(xué)生分為兩組，一組模擬正常傳輸節(jié)點(diǎn)，一組模擬干擾碰撞節(jié)點(diǎn)（這里需要給學(xué)生說(shuō)明兩種節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上都是自組網(wǎng)的正常節(jié)點(diǎn)，只是在研究多址協(xié)議時(shí)從功能上進(jìn)行了區(qū)分，并且角色可以互換）。

首先令兩個(gè)模擬傳輸節(jié)點(diǎn)的學(xué)生和一個(gè)模擬干擾節(jié)點(diǎn)的學(xué)生進(jìn)行傳輸模擬，使用ALOHA協(xié)議，每個(gè)學(xué)生隨機(jī)進(jìn)行發(fā)送，即想發(fā)送時(shí)直接舉起申請(qǐng)傳輸標(biāo)志，并立刻開(kāi)始傳輸消息。教師作為傳輸成功判決者，如果在整個(gè)傳輸過(guò)程中干擾節(jié)點(diǎn)的學(xué)生沒(méi)有舉起傳輸標(biāo)志，則判定傳輸成功，否則判定失敗，并記錄傳輸時(shí)延。

然后逐漸增加傳輸學(xué)生和干擾學(xué)生的數(shù)量，但依然采用隨機(jī)發(fā)送。此時(shí)可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)碰撞的情況明顯增加，當(dāng)傳輸或干擾學(xué)生達(dá)到一定數(shù)量后，所有節(jié)點(diǎn)幾乎都無(wú)法完成傳輸。記錄隨學(xué)生數(shù)量增加時(shí)傳輸成功率的變化情況。

解釋純ALOHA協(xié)議在用戶數(shù)量增加時(shí)性能顯著下降這一現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)性能下降的根本原因，并提出改進(jìn)思路，在模擬網(wǎng)絡(luò)中實(shí)驗(yàn)學(xué)生自主提出的改進(jìn)策略，并將學(xué)生的改進(jìn)策略逐漸引導(dǎo)向CSMA協(xié)議。

增加三跳鏈路，通過(guò)指揮學(xué)生進(jìn)行傳輸，制造隱藏終端和暴露終端的出現(xiàn)。引入RTS和CTS機(jī)制，在重復(fù)上述傳輸過(guò)程，解釋隱藏終端和暴露終端問(wèn)題是如何通過(guò)RTS＼CTS機(jī)制解決的。介紹WiFi的競(jìng)爭(zhēng)原理，啟發(fā)學(xué)生尋找增加占用信道概率的算法，并在模擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（二）基于ERP沙盤模擬的路由協(xié)議教學(xué)設(shè)計(jì)

為加深學(xué)生對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)分布式、無(wú)中心、自組織等特點(diǎn)的理解，在路由協(xié)議的教學(xué)中，除了介紹基本的泛洪、最短路徑和最短鏈路長(zhǎng)度等路由算法外，還需要著重給學(xué)生講解節(jié)點(diǎn)遲入網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和規(guī)模等的變化對(duì)路由算法的影響。

1.整體思路

通過(guò)引入ERP沙盤模擬教學(xué)，讓學(xué)生體會(huì)無(wú)線自組網(wǎng)靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式，掌握多跳路由的設(shè)計(jì)目標(biāo)和注意事項(xiàng)，分析網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和協(xié)議開(kāi)銷的關(guān)系，解釋遲入網(wǎng)策略的必要性。通過(guò)學(xué)生親身體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

2.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模擬場(chǎng)景設(shè)定

與多址相比，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的難點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不確定性，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全方位的模擬，需要尋找一種規(guī)模和拓?fù)涠既菀鬃兓木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還要能夠模擬分簇和組移動(dòng)等自組網(wǎng)特有的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。對(duì)比多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，如圖2所示的小世界網(wǎng)絡(luò)模型可以在很大程度上滿足上述要求。

3.模擬流程及主要內(nèi)容

安排學(xué)生按照P=0的小世界模型設(shè)計(jì)相對(duì)連接關(guān)系，每個(gè)學(xué)生除模擬多址協(xié)議時(shí)使用的道具外還需要準(zhǔn)備一個(gè)記錄路由表的小冊(cè)子和用來(lái)模擬路由信息廣播的便箋紙。首先解釋泛洪路由的工作機(jī)制，讓較少的學(xué)生模擬開(kāi)機(jī)，模擬泛洪路由實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，教師負(fù)責(zé)記錄路由時(shí)間和開(kāi)銷。逐漸增加入網(wǎng)學(xué)生的數(shù)量，仍然使用泛洪路由算法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量迅速下降，幾乎沒(méi)有數(shù)據(jù)能夠正確傳輸。

啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析引發(fā)這一問(wèn)題的原因，進(jìn)一步提出從泛洪路由向主動(dòng)式路由的改進(jìn)。解釋主動(dòng)式路由算法的路由維護(hù)和更新策略，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行路由表的更新和路由信息的廣播。以此加深學(xué)生對(duì)路由信息迭代算法的認(rèn)識(shí)和理解。與泛洪路由算法相比，主動(dòng)式路由在尋址時(shí)間、路由效率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面均有更好的性能。

進(jìn)一步增加進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)學(xué)生的數(shù)量，并將部分學(xué)生的連接關(guān)系改為P>0，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)資源幾乎都被遲入網(wǎng)信息和路由維護(hù)開(kāi)銷占據(jù)，業(yè)務(wù)信息反而無(wú)法被有效的傳輸。此時(shí)，啟發(fā)學(xué)生對(duì)主動(dòng)式路由算法的思考，提出降低路由維護(hù)開(kāi)銷的策略，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)被動(dòng)式路由算法，并對(duì)被動(dòng)式路由算法進(jìn)行模擬。最終向?qū)W生講授將主動(dòng)和被動(dòng)路由相結(jié)合的區(qū)域路由算法。

4.思考與總結(jié)

為保證教學(xué)活動(dòng)達(dá)到良好的效果，在進(jìn)行ERP沙盤模擬教學(xué)之前，應(yīng)先就相應(yīng)的知識(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹v解。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)當(dāng)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和規(guī)則的隱形管理者，負(fù)責(zé)組織學(xué)生按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行模擬工作，在必要的時(shí)候引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的思考。

在無(wú)線自組網(wǎng)教學(xué)中，合理的引入ERP沙盤模擬，能夠有效幫助學(xué)生理解無(wú)線自組網(wǎng)的組成形態(tài)及協(xié)議的工作機(jī)制。在模擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過(guò)程中，教師可以將協(xié)議的演進(jìn)過(guò)程融進(jìn)網(wǎng)絡(luò)模擬的變化中，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)協(xié)議中存在的問(wèn)題，并啟發(fā)學(xué)生對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)學(xué)生親身體驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和記憶，這同時(shí)也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] Ramanathan R， Redi J. A brief overview of ad hoc networks： challenges and directions[J].IEEE communications Magazine，2002，40（5）：20-22.

[2] Corson，M.S.， Laroia， R.Junyi Li， Park，V.，Richardson，T.，and Tsirtsis，G.，“Toward proximity-aware internetworking ”[J].IEEE Wireless Communications，vol.17，no.6，pp.26-33，Dec2010.

[3] Lidong Zhou，Haas Z.J.，“Securing ad hoc networks”[J].IEEE Network，vol.13，no.6，pp.24-30，Nov / Dec 1999.

[4] Stefaan Seys and Bart Preneel，“ARM： anonymous routing protocol for mobile ad hoc networks”[J].International Journal of Wireless and Mobile Computing， vol.3，no.4，pp145-155，2009.

[5] 宋玉濤，馬麗瑩.ERP沙盤模擬課程功能及存在問(wèn)題探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008（5）：116-118.

[6] 張前.ERP沙盤模擬對(duì)抗中的市場(chǎng)博弈[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014（8）：258-261.

[7] 王瀅，徐鳳，周喆.ERP沙盤實(shí)踐課程的定位、目標(biāo)和教學(xué)設(shè)計(jì)解析[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013（4）：120-123.

[8] 陳朝暉.ERP沙盤模擬對(duì)抗教學(xué)方式探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009（1）：173.

[責(zé)任編輯：陳 明]