網絡仿真工具在高校計算機網絡教學中的應用探索

劉　廣

【摘要】利用網絡仿真工具搭建仿真平臺,通過模擬環境下的實驗提高學生對計算機網絡知識的理解能力,充分培養學生的創新能力,將是高校計算機網絡教學的一種發展趨勢。文章通過分析網絡仿真工具NS2的特點、原理、工作流程,以及NS2在實驗教學中的具體實例,闡述了網絡仿真工具在教學中的應用及其意義。

【關鍵詞】網絡仿真;NS2;計算機網絡教學

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2009)10—0111—03

一 引言

在以信息化帶動工業化和工業化促進信息化的現代化發展進程中,計算機網絡扮演了越來越重要的角色。為了適應信息社會對人才培養的需要,許多高校都開設了計算機網絡課程。但在一般的計算機網絡教學過程中,僅通過課堂學習或書本知識的學習,學生對網絡知識的理解只能停留在比較抽象的認知層面。即使學生利用設備進行實際組網實驗,但由于硬件設備本身的具體特性,屏蔽了網絡的底層運作原理,這使得學生對網絡底層的具體運作依然無法深入的理解。對于這些問題,網絡仿真為我們提供了一個很好的解決思路。網絡仿真工具利用數學建模和統計分析的方法模擬網絡行為,它通過建立網絡設備、鏈路、協議和協議模型,并模擬網絡流量傳輸,從而驗證網絡協議的正確性或獲取網絡設計和優化的性能數據。利用網絡仿真工具構建仿真平臺,我們可以演示計算機網絡課程涉及到的原理、協議和算法等,讓學生可以深入到網絡技術的核心,這不僅可以充分調動學生的積極性,而且可以使學生加深對計算機網絡原理的理解程度。此外,通過使用網絡仿真平臺,我們可以進行大規模網絡模擬,從而使學生能夠有機會接觸和了解大規模網絡的運行。同時,通過仿真實驗對各種新老協議或算法進行比較學習,可以讓學生對網絡協議或算法得到更深入的理解。

本文將詳細介紹開源的網絡仿真工具NS2的原理及其工作流程,并結合實例分析闡述如何在教學中使用NS2,以提高學生的學習積極性并使學生能對網絡的基本原理和運作有更深入的認識。

二 NS2簡介

自從仿真技術出現以來,各種網絡仿真工具被研發并廣泛的使用。現有的網絡仿真工具中,有專門針對特定網絡環境的仿真工具、有專門測試網絡協議算法性能的仿真工具,也有囊括了現有常用的網絡協議的網絡仿真工具,如NS2、OPNET等。目前,使用較多的網絡仿真工具主要有NS2(Network Simulator Version 2)和 OPNET。OPNET屬于商業化軟件,由于其采購成本較高,在中國高校里較少使用。

NS2是一個開放源碼的多協議網絡模擬軟件,來源于1989年的Real Network Simulator項目,經過多年的發展,于1995年得到施樂公司(Xerox)的支持,加入VINT項目。NS2一直以來都在吸收世界各地研究者的成果,包括UCB、CMU等大學和SUN等公司的無線網絡方面的代碼,因此NS2一直都在不斷的被更新和完善。

NS2是一個面向對象的、離散事件驅動的網絡環境模擬工具,可以完整地模擬整個網絡環境。NS2使用一整套C++類庫實現了絕大多數常見的網絡協議以及鏈路層的模型,如:有線網絡或無線網絡的TCP、UDP、路由、多播等多種協議模型,利用這些類庫的實例就可以搭建起整個網絡的模型,而且包括詳盡的細節實現。

三 NS2的原理及工作流程

NS2使用了兩種編程語言,OTcl(具有面向對象特性的Tcl腳本程序設計語言)和C++,NS2采用這兩種語言是因為仿真工具有兩方面的事情要做:一方面,具體協議的模擬和實現,這需要一種能高效率的處理字節、報頭等信息的程序設計語言,即對運行速度非常重要,而運行模擬環境的時間、尋找和修復Bug的時間,以及重新編譯和運行的時間不是很重要,在這種情況下,C++語言是非常合適的;另一方面,許多網絡中的實驗或研究工作主要是圍繞著網絡組件和環境的具體參數的設置和改變而進行的,需要在短時間內快速的開發或模擬出所需要的網絡環境,并且方便的修改和發現,在這種情況下,網絡環境設置的時間就顯得重要了,而腳本語言在這方面有很大的優勢,具有面向對象特性的Tcl腳本語言可以充分的滿足此需求。

C++和OTcl兩種語言的對象和變量是通過TclCL關聯起來的,C++的類和對象為編譯類和編譯對象,相反地OTcl的類和對象為解釋類和解釋對象,TclCL是在OTcl基礎上的封裝。通過下面的NS2架構圖來理解幾者之間的關系。

對NS2使用者來說,OTcl腳本語言用于實現網絡拓撲部分,OTcl是架構在Tcl之上的面向對象后的延伸,事件調度器和網絡組件這兩部分主要用C++編寫。C++在最底層則是表示NS2的核心主要就是C++。TclCL是連接OTcl和C++的橋梁,最后搭配用戶接口就構成了NS2。

NS2的工作流程就是使用OTcl語言編寫腳本,模擬要解決問題的模型的處理過程,通過OTcl語言解釋器解釋執行,使用NS2仿真庫進行編譯和仿真,輸出仿真結果,根據仿真的結果記錄,可進行相關內容的分析,生成網絡拓撲圖或者得到數據的可視化圖表。對于特殊情況或研發的新協議,可以修改、編寫C++代碼,提供新的類庫以滿足試驗需要。NS2的工作流程如圖2。

四 NS2在實驗教學中的應用

1 NS2在實驗教學中的應用

本文以TCP擁塞控制的隨機及早檢測(Random Early Detection,RED)為例,利用仿真工具NS2進行建模,然后運行得出結果,對結果數據進行分析,并以圖形方式展示出來,從而讓學生能夠深入了解RED的運行機制以及其性能。

下面對RED做一個簡要的介紹,RED是隨機及早檢測算法,是一種擁塞避免機制,它在每個路由器上檢查自己的隊列,當它檢測到擁塞即將發生時,就通知源調整擁塞窗口。

實驗場景如下:構建如圖3網絡拓撲,RED隊列位于路由器r1和r2之間的鏈路上,可以容納25個數據包,通過觀察RED隊列如何通過測量當前和平均隊列的動態長度,從而避免擁塞的出現。

實驗結束后,利用圖形工具XGraph對仿真產生的數據以圖形方式輸出,如圖4。其中紅線是隊列的瞬時長度,綠線是隊列的加權動態平均長度。通過試驗觀察,可以讓學生直觀深入的了解RED是如何工作的,即RED隊列瞬時長度隨著平均長度上下波動,產生這種效果是由于當隊列長度超過某個丟棄級別時,按照一定的丟棄概率將到達的分組丟棄,以避免擁塞出現。

2 利用NS2對改進的或自己新設計的協議進行驗證

在計算機網絡教學中,我們不僅要讓學生充分理解網絡的基本知識和運作原理,還應該積極引導學生通過試驗對現有協議進行對比學習,了解現有協議的優缺點,盡可能的啟發學生去改進現有協議或提出新的協議,充分調動學生的創造性。

這里通過列舉一個簡單的實例,說明如何通過編碼在NS2中創建一個新的協議,并對新建協議進行驗證。

實驗場景如下:假設有一個通過UDP進行通訊的多媒體應用程序,數據發送者和接受者可以通過自動協商工作在五種不同的編碼和傳輸速率刻度值上,而具體采用的刻度值通過網絡擁塞情況決定。五種刻度值設為:0-4,發送者開始以刻度值為0的速率工作,并且根據接收者返回的刻度值調整自己發送的速率。為了監控網絡擁塞,設計一個簡單的周期發送的監控數據報,在一個周期內,如果監測數據包丟失了,則認為網絡出現擁塞,數據傳送雙方降低自己的刻度值,減慢編碼和傳輸速率,如果沒有監控數據包丟失,則增加刻度值,加大編碼和傳輸速率。

在這個實驗場景中,UDP代理分發和傳送數據報,應用層通訊需要的所有信息要求UDP代理作為一個數據流進行處理,而現有UDP代理分發的數據報里只有一個頭棧,因此需要更改現有的UDP代理,給它增加一個發送來自應用層數據報的機制,并在IP報文頭沒用使用的字段里增設一個標記數據類型的標志。

根據實驗場景利用C++語言,編寫數據接收和數據發送類,并對現有的UDP代理根據實驗場景需求進行更改(由于篇幅問題,具體代碼略)。最后設計一個拓撲圖,對設計的利用UDP傳輸的多媒體程序進行測試,拓撲見圖5。

五 結束語

通過上面的分析可以看出,利用網絡仿真工具不僅可以使學生通過實驗對計算機網絡知識和運作原理有更深入的理解,而且通過實驗的比較分析學習后,可以啟發學生,更好的培養學生的創新意識和創新能力,更好的滿足社會發展的需求。因此,把網絡仿真工具引入到高校計算機網絡教學中,充分地發揮網絡仿真工具在教學工作中的優勢,將是高校計算機網絡教學的一種發展趨勢。

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