王　波　孫　炎炎　周志偉

文章編號：1672-5913(2009)02-0085-04

摘 要：本文介紹了我院在對國際主流網(wǎng)絡模擬軟件進行分析和優(yōu)選的基礎上，基于NS2網(wǎng)絡模擬軟件，從功能完整性、操作便捷性出發(fā)，設計實現(xiàn)了一個包含網(wǎng)絡協(xié)議工作原理動態(tài)演示、網(wǎng)絡建模及設計方案性能測試等功能的網(wǎng)絡實驗教學綜合性模擬平臺。經(jīng)教學試用，效果良好。

關鍵詞：網(wǎng)絡實驗；網(wǎng)絡模擬；網(wǎng)絡教學；網(wǎng)絡協(xié)議；NS2

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1 引言

目前網(wǎng)絡原理和網(wǎng)絡設計等課程及其實驗課已經(jīng)成為計算機專業(yè)和通信、自動化、光電等專業(yè)的必修基礎課程。由于這些課的基本概念、技術涉及到大量抽象的理論知識和網(wǎng)絡協(xié)議，許多初學者感到抽象難懂。同時，受有限的資金和網(wǎng)絡條件的限制，在實驗室構建大規(guī)模的實驗平臺比較昂貴，即便在實驗平臺方面有投入也有很大的局限性。例如，重新配置或共享資源很難、運用不靈活、規(guī)模很難做到很大、不能實現(xiàn)真實網(wǎng)絡中的多種通信流量和拓撲的融合、受控條件下的重復實驗會很困難等。更何況，大多數(shù)高校對動輒幾十萬、上百萬的網(wǎng)絡實驗室經(jīng)費負擔不起。

計算機網(wǎng)絡的實驗方法，包括基于現(xiàn)實網(wǎng)絡環(huán)境的和網(wǎng)絡模擬的兩種。文獻[1]中提出了一種基于現(xiàn)實網(wǎng)絡的實驗平臺設計方案，其中包括設計出研究所需要的合理硬件和軟件配置環(huán)境，建立測試床和實驗室，在現(xiàn)實網(wǎng)絡上實現(xiàn)對網(wǎng)絡協(xié)議、行為及性能的研究。這種方法的局限性在于成本較高，重新配置或共享資源較難，運用不靈活，實驗床的規(guī)模很難做到很大，不能實現(xiàn)網(wǎng)絡中多種通信流量和拓撲的融合。利用網(wǎng)絡模擬軟件所進行的網(wǎng)絡實驗在很大程度上可以彌補上述方法的不足。網(wǎng)絡模擬方法可以根據(jù)需要建立相應的網(wǎng)絡模型，用相對很少的時間和費用獲取網(wǎng)絡在不同條件下的各種特性，得到網(wǎng)絡的豐富有效的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡模擬無疑提供了一種方便、高效的驗證與分析的方法。目前國內(nèi)有一些高校對網(wǎng)絡實驗模擬軟件在教學中的應用進行了研究，這些研究主要集中于如何使用NS2(Network Simulator)網(wǎng)絡模擬軟件，并沒有考慮網(wǎng)絡模擬軟件存在的平臺界面友好性差、網(wǎng)絡建模復雜而繁瑣以及功能單一等問題。

筆者優(yōu)選網(wǎng)絡模擬軟件，從功能完善性、操作方便性以及界面友好性出發(fā)設計并實現(xiàn)了一個綜合性的網(wǎng)絡實驗模擬平臺。

2 開發(fā)工具的優(yōu)選

2.1 網(wǎng)絡模擬工具的優(yōu)選

在商業(yè)和研究領域，目前能夠找到的、可利用的網(wǎng)絡模擬工具主要有以下幾種：GlomoSim，JavaSim，NS2，SSFNet以及OPNET(Optimized Network Engineering Tool)。這些模擬工具主要是用作網(wǎng)絡的建模、模擬、數(shù)據(jù)采集以及分析不同版本的網(wǎng)絡產(chǎn)品、協(xié)議和系統(tǒng)架構。在以上所列的幾種工具中，商業(yè)應用的OPNET和研究使用的開源軟件NS2使用最為廣泛。

NS2由于其開源性使其在研究領域受到廣泛關注，而OPNET則由于其強大的功能在商業(yè)領域獲得了成功，都不失為優(yōu)秀的網(wǎng)絡模擬工具。表1是NS2與OPNET優(yōu)缺點的簡單比較。

如表1所示，NS2在獲取渠道、可擴展性以及模擬演示等方面均優(yōu)于OPNET，而這些方面正是在教育科研環(huán)境中對網(wǎng)絡模擬工具所要強調(diào)的。因此，NS2是眾多國內(nèi)外高校、科研機構網(wǎng)絡模擬研究的首選工具，研究使用它的人數(shù)眾多。綜上所述，我們選用NS2作為平臺的網(wǎng)絡模擬工具。

2.2 網(wǎng)絡建模工具的優(yōu)選

目前能夠與NS2結合使用的建模工具有NSBench與NSG2，這兩個建模工具獨立于NS2，均由JAVA開發(fā)，移植性與可視化操作好。它們能夠根據(jù)用戶設計的網(wǎng)絡場景自動生成NS2可以執(zhí)行的TCL(Toolkit Command Language)腳本。這就使用戶從重復、繁瑣的編寫代碼的工作中解放出來，從而可以節(jié)省時間以集中研究網(wǎng)絡性能優(yōu)化問題。

雖然這兩個工具都為腳本自動生成工具，但他們之間仍然存在以下區(qū)別：

(1) GUI的友好性。NSG2比NSBench的界面更加美觀，學生操作起來更方便，更容易上手。NSG2在學生的工作區(qū)域添加了網(wǎng)格線以及實現(xiàn)了縮放功能，利用NSG2設計出來的網(wǎng)絡模型整齊規(guī)范。

(2) 適用范圍的廣泛性。NSBench只能對有線網(wǎng)絡進行建模，而NSG2在NSBench原有的有線網(wǎng)絡建模基礎上添加了無線網(wǎng)絡的建模，從而擴充了通過工具建模的范圍。

(3) 腳本代碼的規(guī)范性。NSBench自動生成的TCL腳本不夠完整，學生需手動添加代碼才能保證其在NS2上運行順利，而NSG2代碼格式規(guī)范，學生無需修改即可運行。

通過以上比較可以看出NSG2優(yōu)于NSBench，因此平臺選擇NSG2作為平臺的網(wǎng)絡建模工具。雖然NSG2已經(jīng)比較完善，但是仍然存在英文界面有礙英文不熟練者使用、建模生成腳本與在NS2上實際運行操作不連貫等不足之處，這些問題也需要給予解決。

3 網(wǎng)絡實驗模擬平臺的設計

3.1 平臺系統(tǒng)結構

從平臺的易用性與功能完整性出發(fā)，設計了一個以網(wǎng)絡協(xié)議動態(tài)演示、網(wǎng)絡建模與網(wǎng)絡測試為主要功能的綜合性網(wǎng)絡實驗模擬平臺。圖1所示，整個平臺主要由“網(wǎng)絡協(xié)議動態(tài)演示”、“網(wǎng)絡模擬”、“安裝步驟”以及“幫助”四大部分功能組成。其中，“網(wǎng)絡協(xié)議動態(tài)演示”功能主要提供網(wǎng)絡協(xié)議原理的說明及協(xié)議動態(tài)演示服務，“網(wǎng)絡模擬”功能主要提供網(wǎng)絡場景模擬及性能分析服務，“安裝步驟”及“幫助”功能主要提供NS2與NSG2的安裝講解及使用幫助。

3.2 網(wǎng)絡協(xié)議動態(tài)演示功能的設計

網(wǎng)絡協(xié)議動態(tài)演示”是本實驗平臺主要功能模塊之一，用于完成協(xié)議原理說明以及協(xié)議工作過程的動態(tài)演示，如圖2所示。按照應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層對動態(tài)演示的協(xié)議進行了分類。參照計算機網(wǎng)絡教材，對比較重要的網(wǎng)絡協(xié)議及算法進行了篩選，對選出的協(xié)議原理進行文字說明及動態(tài)演示，表2列出了平臺目前能夠進行動態(tài)演示的網(wǎng)絡協(xié)議與算法。

平臺從“協(xié)議原理”、“演示說明”以及“動態(tài)演示”三個方面對每個協(xié)議進行了分析與演示。在“協(xié)議原理”部分，通過參考大量的RFC標準，方案對每個協(xié)議的原理進行了較深入的講解。為了使用戶能對協(xié)議的工作過程有一個直觀的認識，平臺對每一個協(xié)議的工作流程都進行了動態(tài)演示，同時在動畫演示過程中添加了中文實時解說?！把菔菊f明”部分用于靜態(tài)描述協(xié)議動態(tài)演示的整個過程，以方便用戶對協(xié)議動態(tài)演示中一些細節(jié)部分的理解。

3.3 網(wǎng)絡模擬集成環(huán)境的設計

平臺的另一個主要功能是為使用者提供了一種網(wǎng)絡建模與網(wǎng)絡測試相結合的集成環(huán)境。如圖3所示，“網(wǎng)絡模擬”功能模塊由“網(wǎng)絡模擬流程”與“開始場景模擬”兩大部分組成。在“網(wǎng)絡模擬流程”模塊中，本方案結合一個實際的案例對如何使用NSG2及NS2進行網(wǎng)絡建模與網(wǎng)絡測試進行了詳細的講解。

“開始場景模擬”是“網(wǎng)絡模擬”功能模塊的核心部分，該模塊為用戶提供了網(wǎng)絡建模與網(wǎng)絡測試所需的環(huán)境。為了縮短網(wǎng)絡模擬測試的整個工作周期，方案設計了一種網(wǎng)絡建模與網(wǎng)絡測試合二為一的實驗環(huán)境。用戶在利用網(wǎng)絡建模工具進行網(wǎng)絡建模之后可以直接進入網(wǎng)絡測試環(huán)境，而不需要再去利用獨立的網(wǎng)絡模擬軟件對所建模型進行測試。

3.4 安裝步驟及幫助功能的設計

NS2是在Unix系統(tǒng)上開發(fā)的，因此Unix、Linux和類Unix系統(tǒng)是安裝NS的最佳平臺，當然如果NS2要在Windows平臺上運行則需要安裝Unix仿真環(huán)境cygwin。除此之外，NS2的運行還需要許多軟件的支持，例如Tcl、Tk、otcl和Tclcl等軟件包。這些安裝過程是繁瑣且容易出錯的，稍有不慎就會導致安裝失敗，基于此種考慮平臺在“安裝步驟”模塊中對NS2的安裝步驟進行了詳細的描述。

在“使用幫助”模塊中，平臺對NS2的基本原理進行了介紹，并提供了大量的幫助文檔，為學生進一步學習使用NS2提供了幫助。

4 網(wǎng)絡實驗模擬平臺的實現(xiàn)

4.1 平臺框架的實現(xiàn)

利用HTML結合JavaScript語言的方式對網(wǎng)絡實驗模擬平臺進行了開發(fā)，最后利用HTMLRunExe工具對整個平臺進行了封裝，使整個平臺成為一個獨立的EXE可執(zhí)行文件，以方便整個平臺的管理與移植。

把平臺的初始界面劃分為三大部分，第一部分是平臺主菜單欄，用于提供平臺的主要服務，具體包括協(xié)議動態(tài)演示、網(wǎng)絡模擬、安裝步驟及幫助這四種服務。平臺第二部分是四種主服務所對應的子菜單欄。第三部分用于顯示子菜單欄中相應服務所提供的實際內(nèi)容。

4.2 協(xié)議動態(tài)演示功能的實現(xiàn)

在協(xié)議動態(tài)演示部分，平臺對“應用層”、“傳輸層”、“網(wǎng)絡層”和“數(shù)據(jù)鏈路層”各層包含的協(xié)議進行了原理解釋與動態(tài)演示。為了能夠在子菜單欄中對四個層次的協(xié)議進行多級顯示，平臺采用了JavaScript語言對子菜單欄進行了設計，如圖4所示。

在“協(xié)議動態(tài)演示”主界面，平臺首先對協(xié)議在動態(tài)演示中所涉及到的節(jié)點含義進行了解釋說明。在每個具體協(xié)議所包含的“協(xié)議原理”部分，平臺對協(xié)議原理進行了仔細講解，同時為了滿足用戶對協(xié)議進一步研究的需求，平臺提供了每個協(xié)議原理所對應的RFC標準。在“演示說明”部分，平臺對每個協(xié)議原理動態(tài)演示過程進行了靜態(tài)描述，同時還對演示中需要注意的事項進行了說明。

在“動態(tài)演示”部分，為了實現(xiàn)協(xié)議原理的動態(tài)演示，采用TCL腳本語言描述相關協(xié)議原理的工作工程，利用NS2自帶的動畫演示工具NAM對協(xié)議進行動態(tài)演示，并對每個協(xié)議的演示過程進行錄制。如圖5所示，為了解決NAM不支持中文同步解釋說明的問題，方案使用Flash工具對錄制的視頻文件進行了二次處理，通過修改NAM下方的注釋部分為協(xié)議動態(tài)演示過程提供實時的中文解釋功能。

4.3 網(wǎng)絡模擬集成環(huán)境的實現(xiàn)

在“網(wǎng)絡模擬”服務中，平臺主要為用戶提供了網(wǎng)絡建模與網(wǎng)絡測試兩個功能。為了減輕用戶在網(wǎng)絡模擬過程中的工作量，優(yōu)選了NSG2作為平臺的網(wǎng)絡建模工具，NSG2不僅為用戶提供了圖形化的操作界面，同時支持TCL腳本的自動生成。為了使用戶更易于操作NSG2，對NSG2進行了整體漢化。

為了給用戶提供一個網(wǎng)絡建模與網(wǎng)絡測試相結合的網(wǎng)絡模擬平臺，對NSG2進行了二次開發(fā)，通過定義“仿真工具”功能菜單，實現(xiàn)了NSG2與Cygwin的結合。如圖6所示，用戶在利用NSG2建模完畢后，可以直接點擊NSG2的“仿真工具”菜單，進入NS2模環(huán)境進行網(wǎng)絡模擬。

5 結束語

友好的操作界面、豐富的功能使得本網(wǎng)絡實驗模擬平臺在實際教學中得到了學生較好的評價。具有中文同步解說功能的網(wǎng)絡協(xié)議動態(tài)演示不僅使學生更容易理解網(wǎng)絡協(xié)議的原理，還提升了學生的學習興趣。包含NSG2與NS2的網(wǎng)絡建模與測試集成環(huán)境使學生能從繁瑣的編碼中解脫出來，集中精力進行網(wǎng)絡本身的性能分析與優(yōu)化，從而達到事半功倍的效果。

進行網(wǎng)絡實驗模擬教學，解決了過去因為實驗設備不足僅靠教師進行理論教學的窘態(tài)，帶給學生各種“真實”的網(wǎng)絡環(huán)境，調(diào)動了學習積極性，使學習過程和學習方式

更具主動性，加深了對概念和知識的理解，又優(yōu)化了教學過程。該網(wǎng)絡實驗模擬平臺只需在普通PC機上即可實現(xiàn)，大大降低網(wǎng)絡實驗室的建設成本。

面對我國高校中設置最多的專業(yè)——計算機專業(yè)，以及大量的IT類專業(yè)，構建虛擬的網(wǎng)絡實驗教學環(huán)境，使現(xiàn)實網(wǎng)絡實驗與網(wǎng)絡模擬實驗相結合，從而最大程度地滿足計算機網(wǎng)絡類課程的校園實驗教學和遠程教育虛擬實驗教學的需求。

參考文獻：

[1] 張新有. 網(wǎng)絡工程實驗環(huán)境建設探討[J]. 計算機教育,2006,(1):20-22.

[2] 徐雷鳴,龐博等. NS與網(wǎng)絡模擬[M]. 北京:人民郵電出版社,2003.