NS2在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

程 立 張浩軍 王 珂

摘要：在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過NS2構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。能有效地緩解高校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的壓力，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段。本文給出了一個(gè)傳輸層控制網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)例，闡述了如何利用仿真技術(shù)分析網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議工作原理和性能。結(jié)果表明，引入網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，能夠有效提高教學(xué)效果，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真；NS2；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)體系中占有重要地位，并逐步被引入到其他相關(guān)專業(yè)的教學(xué)體系中。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)課程、深入認(rèn)識(shí)和了解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展快，產(chǎn)品更新快，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)軟硬件投入大，因此，大部分院校很難建設(shè)滿足復(fù)雜需求的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，直接影響了網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。將網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是解決上述問題的一種有效途徑。

1網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)NS2

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是利用相關(guān)的軟件，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模擬網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作過程，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析和評測的網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)。目前應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是NS2(Network Simulator Ver-slon 2)，它是一個(gè)開源的免費(fèi)軟件，易于擴(kuò)展，在學(xué)術(shù)界廣泛使用。

NS2是一個(gè)面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器，它提供了在無線或有線網(wǎng)絡(luò)上的TCP、路由、多播等多種協(xié)議的模擬。NS2使用一整套C++類庫，實(shí)現(xiàn)了絕大多數(shù)常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及鏈路層的模型。利用這些類的實(shí)例，搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的模型，可以在單機(jī)環(huán)境中模擬網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)元素，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理，自行設(shè)計(jì)研究新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議。

NS2構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境的優(yōu)勢：

(1)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入少。基于仿真軟件，使用者完全可以在單機(jī)環(huán)境中模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)元素：學(xué)校建設(shè)和維護(hù)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，可基于原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，只需極少的資金投入就能為大量的學(xué)生提供實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與操作環(huán)境，并且建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以延續(xù)使用，極大地緩解網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足等問題。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示直觀。Nam和Xg raph是NS2自帶的動(dòng)畫顯示工具與靜態(tài)數(shù)據(jù)分析工具，Nam可以將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和仿真腳本的運(yùn)行過程以動(dòng)畫的形式生動(dòng)、形象地顯示出來，Xgraph則通過平面坐標(biāo)圖的形式顯示運(yùn)行時(shí)獲取的數(shù)據(jù)。這為學(xué)生全面、生動(dòng)地理解抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和原理提供了可能，這也是引入NS2改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的。

(3)仿真結(jié)果可再現(xiàn)并容易分析。通過配置環(huán)境參數(shù)可以獲得“理想”的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以實(shí)時(shí)跟蹤并記錄關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的重要信息，從而獲得關(guān)于網(wǎng)絡(luò)性能評價(jià)的第一手資料。可隨時(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者關(guān)心的運(yùn)行中間環(huán)節(jié)，這在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中是難以做到的。

2基于NS2實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)例

NS2可以演示計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)協(xié)議，這里以TCP和UDP數(shù)據(jù)流的傳輸實(shí)驗(yàn)為例，說明NS2在教學(xué)中的應(yīng)用，實(shí)例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境包含了兩個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)s1和s2、路由器r和接收端d。s1到r之間與s2到r之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬都是2Mbps，傳輸延遲時(shí)間是lOms。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的帶寬瓶頸在r到d之間，帶寬為1.7Mbps，傳輸延遲的時(shí)間為20ms。所有鏈路的隊(duì)列管理機(jī)制都是采用DropTail方式，且r到d之間的最大隊(duì)列長度是10個(gè)數(shù)據(jù)包的長度。TCP數(shù)據(jù)包的長度為1Kbytes。

此外，在s2到d之間的固定傳輸速率的連接(Constant BitRate，CSR)，它的傳送速度為1Mbps，每個(gè)數(shù)據(jù)包大小為1Kbytes。CBR是在01秒開始傳送，在4.5秒結(jié)束傳輸。FTP是在1.0秒開始傳送，4.0秒結(jié)束傳輸。

仿真結(jié)束后會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)文件，一個(gè)是out nam，供可視化工具Nam使用。圖2是實(shí)例仿真過程中隨機(jī)時(shí)刻的截圖，圖中節(jié)點(diǎn)2上方的小方塊表示隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。

另一個(gè)文件是out.ir，記錄了仿真過程中數(shù)據(jù)包傳送中所有的事件，可以通過數(shù)據(jù)的分析得到更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的信息，或用Xgraph以圖表形式顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，觀察仿真結(jié)果，圖3給出了CSR的端到端延遲。起始階段，由于只有CBR的數(shù)據(jù)包。所以端到端的延遲時(shí)間都是固定的。在1.0秒后，網(wǎng)絡(luò)多了FTP的數(shù)據(jù)包，CBR數(shù)據(jù)包和FTP數(shù)據(jù)包互相爭奪網(wǎng)絡(luò)資源，因此端到端的延遲時(shí)間變得不再固定；但等到FTP傳輸結(jié)束后，CBR數(shù)據(jù)包的端到端的延遲時(shí)間又恢復(fù)為固定值。

上述網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)實(shí)例，說明了如何使用工具(Nam、awk和Xgraph)來實(shí)現(xiàn)仿真，并在網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)束后，分析和呈現(xiàn)仿真結(jié)果。通過修改腳本中的一些參數(shù)，可以調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效果，如增大節(jié)點(diǎn)2的隊(duì)列大小，則可以看到，節(jié)點(diǎn)2的丟包率降低了，但同時(shí)增加了隊(duì)列中包的延遲。從而驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)原理課程中關(guān)于流量控制、網(wǎng)絡(luò)擁塞相關(guān)原理，使學(xué)生深入理解帶寬、傳輸速率、緩存等資源的相互作用與關(guān)系；同時(shí)，通過學(xué)生自行設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制，解決網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，培養(yǎng)他們創(chuàng)新思維、提供動(dòng)手能力。這充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)相互促進(jìn)、不可分割的規(guī)律。

3結(jié)論

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日趨復(fù)雜化的今天，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)不僅要求理論教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容也要逐步現(xiàn)代化。通過不斷探索和研究先進(jìn)的教學(xué)思想以及教學(xué)方法和手段，改善教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量。在此，引入了網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2作為一種教學(xué)輔助手段，是對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的一種有益的探索。

下一步工作重點(diǎn)是對NS2進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)一步完善和細(xì)化仿真實(shí)例，構(gòu)建全面的協(xié)議代碼庫，支撐全面驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)原理中協(xié)議和控制機(jī)制相關(guān)實(shí)驗(yàn)。