計算機網(wǎng)絡虛擬仿真技術的研究與應用

蘇燕+梁武

摘 要： 虛擬仿真技術也日趨成熟，已經(jīng)應用到了科學、生活等各個領域，許多高校也開始將虛擬仿真技術應用到實際教學中。傳統(tǒng)的實驗教學受到實驗器材等各種因素限制，學生對實驗課沒興趣，達不到教學實驗的預期效果。而虛擬仿真實驗就是運用計算機虛擬仿真軟件，模擬真實的場景，激發(fā)學生的學習興趣，增強學生自主學習能力，節(jié)約實驗教學成本。

關鍵詞： 計算機網(wǎng)絡； 虛擬仿真技術； 實驗教學； 職業(yè)教育

中圖分類號：TP39 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）01-34-03

Research and application of virtual simulation technology of computer network

Su Yan， Liang Wu

（Department of electronic information engineering， Beihai Vocational College， Beihai， Guangxi 536000， China）

Abstract： Virtual simulation technology has matured， and has been applied to various fields such as science and life. Many universities have begun to apply virtual simulation technology to practical teaching. The traditional experiment teaching is restricted by various factors such as experimental equipment and so on. Students are not interested in the experiment course and the experiment cannot reach the expected effect. Virtual simulation experiment is to use computer virtual simulation software to create a simulated real scene， stimulate students' interest in learning， enhance students' autonomous learning ability， and save the cost of experiment teaching.

Key words： computer network； virtual simulation technology； experiment teaching； vocational education

0 引言

仿真是進行實際操作前最真實有效的模擬過程。由于計算機網(wǎng)絡的復雜性，在單存的實驗室環(huán)境下要構(gòu)建模擬相關實際網(wǎng)絡系統(tǒng)基本上是不可行的。一方面，實際網(wǎng)絡的復雜性在當前的實驗性環(huán)境下不能立即構(gòu)建完成，實驗設備和成本等都達不到要求。計算機網(wǎng)絡的組網(wǎng)是一項系統(tǒng)工程，并且變化多樣，而要構(gòu)建所有實際的網(wǎng)絡模型或者環(huán)境來供學習是不可能的。另一方面，計算機網(wǎng)絡對設備和技術的需求是多樣性的，為此，需在構(gòu)建實際的網(wǎng)絡之前進行有效的網(wǎng)絡仿真，這是保證實際網(wǎng)絡構(gòu)建的前提。

作為實際計算機網(wǎng)絡課程，要為學生提供可靠、真實且較為廉價的實驗環(huán)境，基于計算機網(wǎng)絡仿真環(huán)境是最為有效的手段。基于計算機網(wǎng)絡的仿真可以減少實驗資源的投資，在當前計算機環(huán)境下構(gòu)建靈活多樣的計算機網(wǎng)絡模型。

1 常用計算機網(wǎng)絡虛擬仿真軟件

1.1 OPNET

OPNET是一個網(wǎng)絡仿真軟件，它能夠準確地分析復雜網(wǎng)絡的性能和行為，在網(wǎng)絡模型中的任意位置都可以插入標準的或用戶指定的探頭，以采用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和進行統(tǒng)計。通過探頭得到的仿真輸出可采用圖形化顯示，數(shù)字方式觀察或輸出到第三方的軟件包去。OPNET由ItDecisionGuru、Modeler和Modeler/Radio三個模塊嵌套組成。OPNET能夠為網(wǎng)絡的規(guī)劃設計提供可靠的定量依據(jù)，能夠通過為不同的設計方案建立模型進行模擬，獲取定量的網(wǎng)絡性能預測數(shù)據(jù)。

1.2 NS2

NS2是由UC Berkeley開發(fā)的一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡仿真器。NS2可以用于仿真各種不同的IP網(wǎng)，已經(jīng)實現(xiàn)的一些仿真包括網(wǎng)絡傳輸協(xié)議TCP和UDP；業(yè)務源流量產(chǎn)生器FTP、Telnet、Web CBR和VBR；路由隊列管理機制，如DroPacket Tracerail、RED和CBQ；路由算法如Dijkstra等。NS2也為進行局域網(wǎng)的仿真而實現(xiàn)了多播以及一些MAC子層協(xié)議。

1.3 MATLAB

MATLAB是矩陣實驗室的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。采用MATLAB可以實現(xiàn)通信系統(tǒng)設計的仿真過程，通過MATLAB強大的編程功能，可以構(gòu)建相關的協(xié)議分析庫來進行計算機網(wǎng)絡相關協(xié)議和性能的測試仿真過程。

1.4 Packet Tracer

Packet Tracer是Cisco公司開發(fā)的功能強大的計算機網(wǎng)絡仿真軟件，提供了線纜、交換機、路由器、計算機、服務器及相關的無線網(wǎng)絡設備等非常全面的Cisco網(wǎng)絡仿真設備。基于該模擬器可以構(gòu)建較為全面的Cisco網(wǎng)絡模型，它提供了非常真實的Cisco網(wǎng)絡仿真環(huán)境，Cisco的CCNA、CCNP相關認證考試項目可以基于該軟件進行模擬。endprint

2 Packet Tracer仿真的基本步驟

2.1 規(guī)劃網(wǎng)絡拓撲

在采用Packet Tracer進行計算機網(wǎng)絡的仿真過程中，進行完善的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的設計是首要任務。

2.2 構(gòu)建網(wǎng)絡模型

根據(jù)規(guī)劃的網(wǎng)絡拓撲來構(gòu)建實際的網(wǎng)絡模型，選擇合適的網(wǎng)絡設備型號，選擇正確的連接線纜，基于Packet Tracer將該網(wǎng)絡模型制作好。不同的網(wǎng)絡設備可能完成的功能不盡相同，要滿足實際網(wǎng)絡需求，在選擇設備時應該進行區(qū)別。

2.3 設備配置

在設置好網(wǎng)絡的基本拓撲，正確完成設備的連接后，就要進行設備的配置過程。在整個計算機網(wǎng)絡的仿真過程中，要詳細地規(guī)劃相關設備的配置。配置包括硬件配置和相關資源的配置。硬件配置是指對相關硬件設備端口的改動、添加和刪除等。例如，給計算機更換網(wǎng)卡，給交換機、路由器添加相關的端口等。進行這些操作時，要先將這些設備的電源關閉，否則不能操作。資源的配置包括相關設備IP地址的配置，相關路由協(xié)議的配置，路由器、交換機等設備的基本配置，其他設備的基本配置等。

2.4 仿真結(jié)果測試

完成整個網(wǎng)絡所有設備配置后，就要采用相關的測試命令或工具進行仿真結(jié)果的測試，以驗證該仿真結(jié)果是否正確。常見的測試過程包括連通性的測試及其相關應用的測試。例如，采用ping命令測試連通性，采用tracer命令測試路由跟蹤工程等。

3 線纜的仿真

線纜是構(gòu)建計算機網(wǎng)絡通信的主要介質(zhì)，在不同的設備和接口之間所采用的線纜各不相同，在Packet Tracer中提供了雙絞線、光纖、同軸電纜、串口線、終端配置線和電話線等幾種類型，如圖1所示。不同的網(wǎng)絡接口和設備連接應選擇不同的線纜類型。其中雙絞線又包括直通和交叉雙絞線兩類，串口線又分為DTE和DCE兩種，另外系統(tǒng)還提供了一種智能自動選擇線，在無法確認連接線纜的類型時使用，一般不推薦使用。

3.1 雙絞線的仿真

雙絞線是網(wǎng)絡布線中最常用的傳輸介質(zhì)。雙絞線一般由兩根絕緣銅導線相互纏繞而成，封裝在一個電纜套管里，每根銅導線的絕緣層上分別涂有不同的顏色，以示區(qū)別。雙絞線的扭線越密，其抗干擾能力就越強，傳輸性能就越高。相對于同軸電纜和光纖來說，雙絞線在傳輸距離、信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方面受到一定限制，但是它價格便宜，易于安裝與使用。

3.1.1 雙絞線的類型

雙絞線安裝所連接設備的類型分為直通線和交叉線兩類。在Packet Tracer上通常清晰地標示了直通線和交叉線。在Packet Tracer中提供的雙絞線主要用于連接RJ-45接頭的以太網(wǎng)口、快速以太網(wǎng)接口和吉比特以太網(wǎng)接口。其中表示的是直通線（Copper Straight-Through），表示的是交叉線（Copper Cross-Over）。

3.1.2 直通線的使用范圍

直通線用于連接不相同設備的接口。以下情況必須使用直通雙絞線：

⑴ 計算機連接至集線器或交換機；

⑵ 一臺集線器或交換機以Up-Link端口連接至另一臺集線器或交換機的普通端口時；

⑶ 集線器或交換機與路由器的LAN端口連接時。

3.1.3 交叉線線的使用范圍

交叉線用于連接相同設備的接口。以下情況必須使用交叉線：

⑴ 兩臺計算機通過網(wǎng)卡直接連接時；

⑵ 兩個路由器通過以太網(wǎng)接口互聯(lián)時；

⑶ 相關網(wǎng)絡設備連接交換機時。

3.2 串口線的仿真

串口線主要用于對接采用串口的兩臺路由器。串口線在Packet Tracer中分為DTE和DCE兩個類型。DTE指的是數(shù)據(jù)通信設備，它在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼功能，并負責建立、保持和釋放鏈路的連接。DTE指的是數(shù)據(jù)終端設備，DTE通過DCE設備連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，且一般使用DCE產(chǎn)生的時鐘信號。

通過串口線連接的兩個接口中，必須指定一個為DCE，另一個為DTE。在Packet Tracer仿真中，選擇DTE和DCE都是一樣的。采用串口線連接后自動顯示為DCE，反之亦然。選擇DTE的這一端設備部需要配置時鐘頻率，而選擇了DCE的一端則必須要配置時鐘頻率。圖2是采用串口線連接的兩臺路由器，可以看到Router是DCE端，為此必須在Router0上配置時鐘頻率。

3.3 終端配置線的仿真

終端配置線是提供用于通過計算機的超級終端來實現(xiàn)路由器、交換機的配置線纜。一般的終端配置線一頭是Console接口，一頭是RS232接口。在Packet Tracer中用來標示終端配置線。在連接設備時，選擇Console接口即可。圖3展示了采用終端配置線連接路由器和PC的一個顯示。

5 結(jié)束語

通過以上選取運用的Packet Tracer虛擬仿真軟件教學實驗，我們深知虛擬仿真技術作為一項新技術，雖然目前還在不斷研究和探索中，但在計算機教學過程中，教師充分利用虛擬仿真技術教學，可以有效提高學生學習的興趣，節(jié)約資源，讓學生快速掌握知識的重點難點，隨著計算機網(wǎng)絡技術的飛快發(fā)展，虛擬仿真技術將會運用到各個領域，對職業(yè)教育的創(chuàng)新性教學也必將帶來質(zhì)的改變。

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