陳 衡，周明江

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，安徽 淮北 235000)

基于NS2仿真技術(shù)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)研究

陳 衡，周明江

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，安徽 淮北 235000)

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的今天，如何解決學(xué)生日益增長的學(xué)習(xí)需求與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)設(shè)施不足的矛盾，成為各高校亟待解決的問題。實踐證明將NS2引入實踐教學(xué)，為解決這一矛盾提供了新方法、新思路，是切實、可行、有效的教學(xué)輔助手段。

網(wǎng)絡(luò)仿真；NS2；計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門具有很強(qiáng)的應(yīng)用實踐性的課程，課程所涉及的諸如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念、原理往往是抽象難以理解的，僅僅依靠課堂理論教學(xué)不僅枯燥乏味，學(xué)生更難以掌握課程知識[1]。所以在完成理論教學(xué)的同時，如何開展實驗教學(xué)，增加學(xué)生實驗操作機(jī)會，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生創(chuàng)新能力就顯得尤為重要了。

目前很多院校受限于教學(xué)條件和資金制約，難以投入大量資金去建設(shè)設(shè)備先進(jìn)、功能齊全的網(wǎng)絡(luò)實驗室[2]。所以形成了實驗實踐條件難以滿足計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)要求的現(xiàn)實情況，嚴(yán)重的影響了高校專業(yè)人才的培養(yǎng)。而利用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)恰好是解決這一問題的一劑良藥。為此，如何在現(xiàn)有實驗設(shè)施基礎(chǔ)上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，從而有效滿足人才培養(yǎng)需求，便成為擺在教育工作者面前的重要課題。

1 網(wǎng)絡(luò)仿真概念和特點

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是以軟件為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)通信量為主要研究對象，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)特定參數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模擬和協(xié)議仿真，對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行分析研究的一種基本手段。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)最主要的特點是可以將相關(guān)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)和模塊組合配置，構(gòu)建的是可重復(fù)、易控制的實驗環(huán)境[3]。應(yīng)用于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)將有助于學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識的理解，是當(dāng)下最為常用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)手段。

2 NS2技術(shù)簡介

2.1 NS2結(jié)構(gòu)與特點

NS2作為一款優(yōu)秀的仿真軟件，其免費開放源代碼且面向?qū)ο?，能夠處理離散事件，并可以在多種操作環(huán)境中使用(Linux、Unix和Windows操作系統(tǒng)上均可使用)，更為重要的是NS2能方便的利用自帶的可調(diào)用類庫，結(jié)合課程知識點搭建網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)Ｐ停瑯?gòu)建網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)環(huán)境，所以在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中得到廣泛的使用。NS2的體系結(jié)構(gòu)分為兩級，將數(shù)據(jù)操作和控制部分實行分離[4]。其中編譯層是系統(tǒng)的后臺，主要完成事件調(diào)度和對網(wǎng)絡(luò)組建的使用，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的處理。解釋層是系統(tǒng)的前端，主要完成對仿真環(huán)境的構(gòu)建和配置。對于用戶來說NS2就是一個OTcl腳本解釋器，而編譯類對象和解釋類對象是在OTcl的連接下建立的。

其特點可以總結(jié)如下：

(1) 使用環(huán)境靈活。NS2是一款公開所有源代碼的軟件，便于研究人員利用和愛好者學(xué)習(xí)。同時，對于具有一定編程能力的計算機(jī)專業(yè)學(xué)生可以嘗試設(shè)計新協(xié)議，擴(kuò)展新模塊，構(gòu)建多樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進(jìn)而加深對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理解。

(2) 實驗構(gòu)建便利。利用NS2構(gòu)建適用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并對網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點加以跟蹤，記錄相關(guān)性能參數(shù)，直觀呈現(xiàn)實驗結(jié)果，并且網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以隨時重構(gòu)，這在實物教學(xué)中難以實現(xiàn)[5]。

(3) 擴(kuò)展功能強(qiáng)大。作為一款面向?qū)ο蟮姆抡孳浖?，NS2具有十分強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，對于一些特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)，使用者可以根據(jù)具體情況設(shè)計新的協(xié)議，甚至構(gòu)建新的功能模塊，有利于拓展軟件的使用范圍。

(4) 學(xué)習(xí)資源豐富。目前，NS2官方網(wǎng)站為使用者提供了大量的軟件使用必要資源，同時由于該軟件得到廣泛的使用，所以網(wǎng)絡(luò)中也有大量的NS2軟件學(xué)習(xí)資源和網(wǎng)絡(luò)仿真實驗案例，為學(xué)生自主延伸學(xué)習(xí)提供了可靠的學(xué)習(xí)資源。

2.2 使用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的方法和一般過程

利用NS2進(jìn)行仿真工作進(jìn)行前，首先應(yīng)確定網(wǎng)絡(luò)仿真所涉及的兩個層次情況。一是仿真中利用自帶網(wǎng)絡(luò)元素，也就是基于OTcl編程，無需對NS進(jìn)行擴(kuò)展。二是仿真需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)元素，添加新的類編寫新腳本。

利用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的一般過程如表1所示。

表1 NS2網(wǎng)絡(luò)仿真一般過程

2.3 NS2的功能模塊

NS2仿真器封裝眾多功能模塊，各主要模塊具體功能如表2所示。

表2 NS2封裝模塊功能介紹

3 NS2軟件在教學(xué)中的應(yīng)用實例

(1)本仿真實驗?zāi)M環(huán)境中包含4個節(jié)點，各節(jié)點直接通過全雙工方式相連，具體如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

各節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸基本信息如表3所示：

表3 各節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸基本信息表

另外，n0處有一個FTP的TCP流量產(chǎn)生器，n1處為CBR的UDP流量產(chǎn)生器，n3有一個接收TCP的sink和接收UDP的NULL。

(2)運行本仿真實驗的Tcl腳本產(chǎn)生的Trace文件的格式說明見表4。

表4 Tcl腳本產(chǎn)生的Trace文件的格式說明

(3)n2和n3節(jié)點間RED隊列的平均隊列長度隨時間變化情況，n2與n3之間的當(dāng)前隊列長度隨時間的變化情況如圖2所示。

(4)本實驗中丟包率與時間的關(guān)系如圖3所示，具體數(shù)據(jù)為一共發(fā)包550，丟失包16，丟包率為0.027。

(5)CBR流量的時延隨時間的變化如圖4所示。

(6)節(jié)點n2的平均吞吐量隨時間的變化如圖5所示。

(7)仿真實驗結(jié)果分析如下：

①隊列大小波動輕微，有利于處理突發(fā)數(shù)據(jù)；

②丟包率與端之間時間延遲為正比例關(guān)系，與數(shù)據(jù)吞吐量之間為反比例關(guān)系；

③網(wǎng)絡(luò)性能的好壞與丟包率、時延和吞吐量均存在一定的關(guān)系。

以上實驗結(jié)果與理論相符，是對課程知識點的有效印證。

圖2 平均隊列長度與當(dāng)前隊列長度隨時間變化曲線圖

圖3 丟包率隨時間變化關(guān)系圖

圖4 端到端時延隨時間變化關(guān)系圖

圖5 節(jié)點n2的吞吐量隨時間變化的關(guān)系圖

將NS2仿真軟件引入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)通訊量的仿真，并將仿真結(jié)果直觀呈現(xiàn)，從而有效的解決計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)存在的設(shè)備不足，知識點晦澀難讀的問題。更為重要的是，在對實踐教學(xué)手段豐富的同時，需要進(jìn)一步將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，取長補(bǔ)短，更好的幫助學(xué)生對相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，從而為培養(yǎng)高層次的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)人才打下堅實基礎(chǔ)。

[1] 任炬， 鄧曉衡，陳志剛. 基于NS2 的網(wǎng)絡(luò)仿真可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2011,12-16.

[2] 蔡群英,黃鎮(zhèn)建.搭建網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境的探索與實踐[J].計算機(jī)與數(shù)字工程, 2009, 37(6):195-197.

[3] 黃鎮(zhèn)建.NS2 中新協(xié)議的實現(xiàn)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用, 2009, 18(1):119-121.

[4] 何建新.NS2在網(wǎng)絡(luò)實驗輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù), 2008, 6(6):64-66.

[5] 吉祖勤，蔡長安． NS2仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]． 實驗技術(shù)與管理， 2011(12):96-99．

責(zé)任編輯 喻曉敏

TP316.8

A

1003-8078(2016)06-0095-04

2016-10-19 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2016.06.25

陳衡，男，安徽濉溪人，講師，碩士，主要研究方向為計算機(jī)應(yīng)用。

安徽高校省級質(zhì)量工程項目(2015zjjh051);淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級質(zhì)量工程項目(2016-jyxm-10)。