基于OPNET的高職院校“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論”仿真與實(shí)踐

劉志江

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

目前，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和虛擬技術(shù)在各種領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，新型的信息化和智能化已經(jīng)遍布在我們周圍，并極大地改變著人們的生活學(xué)習(xí)和工作。在這樣一個(gè)大的背景下，作為信息資源利用和創(chuàng)造性最積極活躍的高校，不僅要從多個(gè)角度對(duì)信息理論展開相關(guān)研究和實(shí)踐工作，而且要結(jié)合市場(chǎng)需求對(duì)人才培養(yǎng)模式和方法實(shí)現(xiàn)突破和創(chuàng)新。作為高技能型人才培養(yǎng)的高職院校，在不斷加快課程改革和實(shí)踐的同時(shí)，既要了解行業(yè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，而且要把新的課程改革和課程體系建設(shè)納入教學(xué)實(shí)踐工作中。

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論”課程是作為高校培養(yǎng)計(jì)算機(jī)信息類人才而設(shè)置的專業(yè)核心課。從近幾年的教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論”課程在部分高職院校已經(jīng)開設(shè)并安排了實(shí)踐訓(xùn)練，但是很多的學(xué)校并沒(méi)有開設(shè)專門的一門相關(guān)課程進(jìn)行專業(yè)的訓(xùn)練和能力培養(yǎng)。從課程的整體設(shè)計(jì)上來(lái)看，安排的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)課程只注重對(duì)學(xué)生相關(guān)理論體系的介紹，而忽視了對(duì)理論的直觀性體驗(yàn)和實(shí)踐。許多學(xué)校雖然開設(shè)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)課程，但是該課程的重點(diǎn)是對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、主要原理和關(guān)鍵技術(shù)的介紹和傳授，并沒(méi)有把新知識(shí)、新技術(shù)和新領(lǐng)域特點(diǎn)融入實(shí)踐性強(qiáng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中，學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力沒(méi)有得到積極的培養(yǎng)和加強(qiáng)。普通高職院校在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式中，不僅要注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，而且要注重新型課程的和引入和開設(shè)工作。

1 存在的問(wèn)題分析

（1）隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)在各種領(lǐng)域的融合和發(fā)展，傳統(tǒng)的基于傳輸數(shù)據(jù)為主的網(wǎng)絡(luò)在生存性和可擴(kuò)展性方面已經(jīng)不能很好地適應(yīng)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的需要。而企業(yè)在解決此類問(wèn)題時(shí)，往往需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)和咨詢公司分析評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)利用效率，然后進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的改造，而這種經(jīng)驗(yàn)性的改造不僅目標(biāo)性和針對(duì)性不強(qiáng)，同時(shí)對(duì)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)把握不準(zhǔn)。

（2）高校在培養(yǎng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息類專業(yè)人才時(shí)，注重傳統(tǒng)的理論課程的講授和實(shí)踐，而對(duì)于新型的學(xué)科領(lǐng)域或是交叉學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)較少，因此學(xué)生在解決實(shí)際的問(wèn)題時(shí)實(shí)踐能力較差，無(wú)法利用有效的工具和軟件解決現(xiàn)有問(wèn)題。

（3）許多高校開設(shè)了專門的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)課程，但由于每個(gè)學(xué)校對(duì)信息領(lǐng)域的把握和認(rèn)識(shí)不同，很多高校僅限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的教學(xué)和實(shí)踐，對(duì)新興技術(shù)和領(lǐng)域的教學(xué)實(shí)踐很少。

（4）利用目前主流的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)和主流的平臺(tái)搭建為解決上述問(wèn)題提供了有力的理論和實(shí)踐保障，對(duì)有效解決網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題和深入開展網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)具有現(xiàn)實(shí)意義。

本次基于“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論”仿真課程實(shí)踐內(nèi)容是針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息領(lǐng)域人才專業(yè)培養(yǎng)方面的缺失和面對(duì)企業(yè)用人的能力困境，提出的一次課程設(shè)計(jì)的有益探索和實(shí)踐。

2 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)介紹

OPNET軟件是一款在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、協(xié)議分析、流量預(yù)測(cè)等方面具有代表性的高性能仿真平臺(tái)，該軟件已經(jīng)在軍事、教育、科研、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)和許多領(lǐng)域被廣泛地使用[1]。它通過(guò)離散狀態(tài)驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的各個(gè)環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)的仿真，能很好地理解和實(shí)踐計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中各類協(xié)議、階段、狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過(guò)程。

基于OPNET的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論”課程除了進(jìn)行傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)外，新增加一些實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)部分，使學(xué)生通過(guò)對(duì)OPNET仿真平臺(tái)[2]的深入了解和分析基礎(chǔ)上，選取幾個(gè)具有代表性和針對(duì)性的仿真案例作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)詳細(xì)的步驟展示和應(yīng)用過(guò)程，使學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的報(bào)文封裝、包的轉(zhuǎn)移、和性能統(tǒng)計(jì)和各種工作機(jī)制的過(guò)程性概況。不僅從整體上對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)把握和理解，從微觀角度和細(xì)小粒度上開展實(shí)踐和應(yīng)用[3]。本次研究整體從以下4個(gè)方面開展。

（1）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論：TCP/IP協(xié)議棧、OSI參考模型中每層的關(guān)鍵協(xié)議體系和工作機(jī)制和原理、二層協(xié)議VLAN和3層路由協(xié)議。

（2）通信模型建模方法：ON-OFF模型、馬爾科夫模型、自相似模型等。通過(guò)搭建和模擬系統(tǒng)自帶的或是針對(duì)某個(gè)具體網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流模型，可以較好地分析和比較不同背景流量下的性能指標(biāo)[4]。

（3）排隊(duì)論基礎(chǔ)：對(duì)M/M/1型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，對(duì)M/M/n型網(wǎng)絡(luò)的研究，圖論基礎(chǔ)、最小生成樹算法等。排隊(duì)論是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論，通過(guò)對(duì)各種排隊(duì)模型的比較和分析，對(duì)常見(jiàn)的語(yǔ)音信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、多媒體信號(hào)的仿真和模擬，較好地理解網(wǎng)絡(luò)的實(shí)質(zhì)。

（4）基于面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐。例如Java和C++的通信編程方法等。學(xué)生雖然開設(shè)了C語(yǔ)言、Java語(yǔ)言等，但是主要偏重Web開發(fā)、系統(tǒng)開發(fā)，通過(guò)對(duì)通信系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，理解通信協(xié)議的工作過(guò)程和原理。

3 研究的主要思路和方法

（1）資料整理和收集階段。調(diào)研收集“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論”課程的有關(guān)資料和文獻(xiàn)研究，重點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET深入學(xué)習(xí)和研究；總結(jié)當(dāng)前研究的主要問(wèn)題、難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

（2）OPNET軟件的功能和性能優(yōu)勢(shì)比較。對(duì)基于離散時(shí)間驅(qū)動(dòng)模型的OPNET從模型建立、節(jié)點(diǎn)建立、狀態(tài)機(jī)建立、管道階段等進(jìn)行深入的研究和實(shí)踐，學(xué)習(xí)OPNET核心函數(shù)和實(shí)現(xiàn)的方法。

（3）對(duì)當(dāng)前信息網(wǎng)絡(luò)安全性進(jìn)行分析，對(duì)具有代表性的常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)攻擊和防護(hù)措施進(jìn)行仿真和模擬，建立合理的模型進(jìn)行分析和實(shí)證研究。例如DDOS攻擊，ICMP-FLOOD，SYN-FLOOD等。

4 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

（1）LAN型網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析其時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

（2）簡(jiǎn)單M/M/1排隊(duì)系統(tǒng)課程設(shè)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)的排隊(duì)理論進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

（3）M/M/2和M/M/n排隊(duì)模型進(jìn)行仿真，并分析仿真結(jié)果，用OPNET進(jìn)行仿真，并用仿真結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果以及用C程序仿真的結(jié)果三者進(jìn)行比較分析[5]。

（4）用OPNET進(jìn)行CSMA/CD協(xié)議仿真。

（5）用OPNET對(duì)應(yīng)用層協(xié)議Http和Ftp等的業(yè)務(wù)仿真。

（6）用OPNET對(duì)RIP和OSPF路由協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行業(yè)務(wù)仿真，并進(jìn)行對(duì)比和分析其網(wǎng)絡(luò)性能和參數(shù)。對(duì)有代表性的參數(shù)進(jìn)行觀察分析和優(yōu)化。

（7）用OPNET實(shí)現(xiàn)WLAN的相關(guān)協(xié)議進(jìn)行仿真分析（例如802.14），并比較其性能。基于802.14.5的ZigBee協(xié)議分析研究等。

（8）用OPNET對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)仿真。

5 結(jié)語(yǔ)

本次課題的實(shí)現(xiàn)是在充分調(diào)研了目前高校開展“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論”課程基礎(chǔ)上，結(jié)合高職院校培養(yǎng)學(xué)生理論和技能雙重標(biāo)準(zhǔn)下，基于OPNET仿真軟件開展的一次有意義的嘗試和實(shí)踐工作。通過(guò)筆者對(duì)多年的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)授課工作中，發(fā)現(xiàn)的突出問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)基礎(chǔ)上，基于對(duì)課程改革和創(chuàng)新目前，在國(guó)內(nèi)的專著和文獻(xiàn)資料中對(duì)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行了針對(duì)性的仿真和模擬，而且比較分散。沒(méi)有專門的書籍將基本的網(wǎng)絡(luò)仿真方法進(jìn)行詳細(xì)介紹并提供設(shè)計(jì)思路和仿真方法。國(guó)內(nèi)的陳敏出版了OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真和OPNET物聯(lián)網(wǎng)仿真，還有電子科大李磬、葉明編著的OPNET網(wǎng)絡(luò)建模與仿真等。