劉彪 趙鵬 張麗娜

摘要：針對非計算機專業(yè)中計算機網絡實驗教學的現狀，提出將虛擬的網絡仿真技術引入實驗教學中來，結合OPNET軟件，介紹具體實驗過程。

關鍵詞：實驗教學；網絡仿真；OPNET

0、 引言

網絡通信的需求日益提高，規(guī)模越來越龐大，網絡健壯性和可靠性等指標也很難進行準確評估。不論是構建新網絡，還是對原有網絡升級改造，或者開發(fā)測試新協(xié)議，都需要對整個網絡的傳輸指標（例如數據傳輸最大速度、平均速度、網絡延遲和數據吞吐率等）、健壯性和可靠性進行客觀評估，以使網絡具有較高的性價比，最大程度地保護已有投資，提高軟硬件資源利用率，提供最好的服務質量。網絡技術應用已經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，所教授的內容在不少非計算機專業(yè)學生的工作、學習、生活中得到應用。

1、非計算機專業(yè)網絡實驗教學現狀分析

對于非計算機類專業(yè)學生（如電氣專業(yè)），學習計算機網絡與通信技術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，開設的計算機網絡與通信技術課程課時少，內容較淺但很全面，涵蓋了全部計算機網絡的協(xié)議層內容和概念抽象，教學方法傳統(tǒng)，學生一般為了拿到學分而參與學習，主觀能動性較差。同時由于實驗條件有限，實驗內容均按照實驗教案設計好的流程，讓學生一步步機械執(zhí)行，最后記錄結果，該方式對學生學習知識、開闊思維并未起到預期的作用，結果導致學生興趣下降，學習效果不太理想。

筆者所在的計算機網絡課程組結合多年的教學經驗，發(fā)現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，教學過程缺乏趣味性，難以吸引學生進一步自主學習；二是大部分學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合，無法保證學生動手能力得到鍛煉和提高；三是計算機網絡實驗教學投入的經費有限，實驗設備更新?lián)Q代難以跟上網絡技術的發(fā)展。仍以筆者所在的電氣專業(yè)為例，之前計算機網絡與通信技術這門課程的教學實驗包括四大類，共計6個實驗，其中第1個實驗認識網絡配置為認知類實驗，第2個實驗學習制作網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個實驗網絡協(xié)議分析為協(xié)議驗證實驗，第6個實驗轉發(fā)表與路由器實驗是在現有模擬軟件的基礎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，實驗過程中很多學生局限于按照提示步驟得到實驗結果，缺乏綜合性、設計性，不利于學生動手能力和綜合素質的提高。然而，如果在實驗教學中設計需要硬件設備支持的綜合性實驗，還受到經費和實驗環(huán)境的限制，可操作性不大。

網絡仿真技術是通過建模和統(tǒng)計分析的方法模擬網絡行為，從而獲得特定網絡特性和參數的技術，其中建模分為網絡建模（網絡設備、通信鏈路等）和流量建模兩部分。模擬網絡行為是模擬網絡數據在實際網絡中傳輸、交換和復用的過程。通過網絡仿真，可以獲取多種網絡特性參數，常用的有網絡節(jié)點性能統(tǒng)計量、網絡流量、網絡延遲、全局性能統(tǒng)計量等，既能夠得到業(yè)務層數據統(tǒng)計量，也能夠得到指定協(xié)議內部特殊參數的統(tǒng)計結果。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效果，從而使學生的素質和能力得到進一步的提升。

目前在教學和科研活動中使用較多的網絡仿真軟件很多，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絡和分布式系統(tǒng)建模的模擬仿真開發(fā)環(huán)境，是當前應用最普遍的一種網絡仿真軟件。筆者選擇以OPNET為仿真載體進行探討。

2、OPNET介紹

OPNET是美國OPNET Technologies Ins公司的產品，是一款功能強大的網絡仿真和建模工具軟件。它支持面向對象建模，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絡環(huán)境，利用詳細完備的結果分析器可以對網絡性能進行快速高效、形象直觀的分析并輸出為用戶需要的多種圖表。

OPNET是一個網絡仿真軟件包集合，能夠分析較復雜網絡的行為與性能，利用其建立網絡模型后，可以在任意位置插入探頭，用于信息量采集及數據統(tǒng)計。仿真輸出能夠以數字方式、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對網絡不同層次的獨立仿真或者交叉仿真。

在實驗教學方面，OPNET可實現多種類型的仿真實驗，包括認知性、驗證性、設計性、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，使學生能夠全面、立體地對課堂內容進行設計、操作與驗證，相對于原有各自分立的幾個實驗，在提高學生素質和專業(yè)知識方面有較大幅度的提高；②提高學生參與實驗設計的比重，使學生直觀地感知各種網絡設備，自行完成網絡的設計、配置、驗證過程，加強學生多維思路的開拓；③讓學生動態(tài)地、有機地感受計算機網絡通信中關鍵協(xié)議與算法的執(zhí)行流程，可以提高學生學習和參與實驗的興趣，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計網絡拓撲，加入各類設備，調整網絡范圍，在不同情況下對網絡性能參數進行仿真分析，從而提高學生參與實驗設計的比重，直觀地感知各種網絡設備，自行完成網絡的設計、配置、驗證過程，加強學生多維思路的開拓。

考慮到非計算機專業(yè)實驗課時和專業(yè)深度問題，教師讓學生通過自己構思，針對自己感興趣的網絡性能指標，選擇不同網絡拓撲接頭、網絡設備、網絡范圍，通過仿真的手段觀察、分析、對比網絡參數的變化。實驗設計占用4個學時（含1個課外學時），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備介紹l學時，學生利用課外時間構思自己的實驗架構與參數指標1學時，利用OPNET網絡實現自己的思路并進行仿真及分析2學時。

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

（1）建立工程，設置環(huán)境，給出網絡絡覆蓋的范圍、性質、模型家族種類等內容。

（2）為網絡指定網絡拓撲、節(jié)點模型和鏈路模型?？勺寣W生選擇一種拓撲結構，包括星型（star）、總線型（bus）、環(huán)型（ring）、樹型（tree）等多種連接方式；按照自己的構想設定網絡中結點設備的類型及數量，可選擇不同廠商的設備模型，選擇結點設備模型及數量；選擇所連接的鏈路模型；在上一步給出的網絡覆蓋范圍中給出中心結點的坐標及半徑，這一步僅是一個初始設定，后期可根據需要任意拖動各設備的物理位置；添加服務器并連接到網絡中；添加業(yè)務配置模型，可選定后拖動到場景中。

（3）設定待觀察的網絡性能參數，比如選擇服務器的吞吐量或者整個網絡的延時、沖突次數等內容。

（4）設定仿真參數，運行仿真，顯示待觀察的網絡性能參數并進行分析。

（5）設計或者擴展用于對比的網絡拓撲，再次運行仿真并對結果進行對比分析。

3.2具體實驗樣例

以計算機網絡實驗室為背景，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：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計：第一種方式包含1個服務器、1個交換機和連接在該交換機上的70個網絡設備結點；第二種方式包含1個服務器、2個交換機和等量連接在這2個交換機上的70個結點，交換機結點35通過交換機結點71連接到服務器結點73。

設定要觀察的網絡性能參數，包括服務器的網絡時延以及整個網絡的時延、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對比情況。

兩種方式整個網絡的時延結果分別如圖l和圖2所示，可以看出采用兩個交換機的方式網絡時延也有明顯的增加。

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

兩種方式服務器的負載率和吞吐量結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絡總體容量（包括信息和設備）關系較大。

另外對比了第二種方式中兩個交換機的時延，按照與服務器的距離，遠端交換機結點35和近端交換機結點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系，并通過課堂教學中所學的網絡實驗構成進一步分析。

4、結語

將OPNET引入網絡實驗教學，可以迅速建立網絡模型并且方便模型的變化，對網絡的規(guī)劃設計提供可靠的定量依據，實現對網絡性能的預測。同時在幾乎不增加硬件成本的情況下完成教學實驗。尤其是面向非計算機專業(yè)學生，可以針對一些課堂教學中基礎的性能指標進行驗證，讓學生根據自己的興趣點自行設計網絡模型，提高學生參與實驗的比重，使學生直觀地感知各種網絡設備，自行完成網絡的設計、配置、驗證過程，加強學生多維思路的開拓，使學生能夠個面、立體地對課堂內容進行設計、操作與驗證，相對于原有各自分立的幾個實驗，在提高學生素質和專業(yè)知識方面能夠有較大幅度的提高。