粗細(xì)顆粒度相結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

摘要：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程具有高度的實(shí)踐性，應(yīng)將傳統(tǒng)的基于課堂的講授式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榛趯?shí)驗(yàn)室的操作性教學(xué)。目前，大多數(shù)本科高校采用eNSP或PacketTracer進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，此類方法的優(yōu)勢在于操作簡便，但僅能進(jìn)行粗顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)，無法深入觀察協(xié)議執(zhí)行的細(xì)節(jié)，限制了學(xué)生的體驗(yàn)和理解。為解決這一問題，提出了一種結(jié)合粗顆粒度與細(xì)顆粒度的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法在eNSP或PacketTracer的基礎(chǔ)上，利用OPNET設(shè)計(jì)細(xì)顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)，通過協(xié)議建模和C語言編程，幫助學(xué)生深入理解協(xié)議的設(shè)計(jì)與工作流程。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，結(jié)合粗細(xì)顆粒度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在網(wǎng)絡(luò)配置、程序設(shè)計(jì)及協(xié)議理解等多個(gè)評價(jià)指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)方法，有助于學(xué)生全面掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的核心內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；OPNET；eNSP；PacketTracer

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0007-06

0引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是電子信息類和計(jì)算機(jī)類專業(yè)的必修課程，兼具理論與實(shí)踐的特點(diǎn)。該課程涵蓋大量概念、協(xié)議、設(shè)備及操作，具備高度的實(shí)踐性，因此傳統(tǒng)的基于黑板或PPT的講授式教學(xué)難以滿足學(xué)生對實(shí)際操作的需求。學(xué)生的反饋表明，他們更傾向于通過實(shí)際操作來理解網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、原理和運(yùn)行機(jī)制。因此，將傳統(tǒng)的課堂講授式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榛趯?shí)驗(yàn)室的操作性教學(xué)，增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠近距離觀察網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作過程，通過閱讀和編寫代碼深入理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運(yùn)行機(jī)制，對于提升學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)工作原理的理解具有重要意義。

近年來，教學(xué)一線工作者一直對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革探索，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)等方面取得了一些成果。具體的，鐘輝[1]在工程教育認(rèn)證背景下探討了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方法，提出以Linux系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)組網(wǎng)平臺，采用具體事例和實(shí)驗(yàn)場景提高實(shí)驗(yàn)可操作性。朱曄[2]在微課基礎(chǔ)上采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，分為課前學(xué)習(xí)微課視頻、課中實(shí)踐操作、課后鞏固提升三個(gè)階段。王小春[3]和于子甲[4]把PacketTracer模擬器引入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生直觀感受實(shí)驗(yàn)效果，加深對理論知識的理解度。朱劍林[5]介紹了北京郵電大學(xué)“開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺”在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。類似的，李楠、王煜、阿喜達(dá)也分別采用NS3、OMNET、PacketTracer等仿真軟件輔助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6-8]，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容把實(shí)驗(yàn)分為理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等類型。

除了具體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)案例方面的改革之外，一些學(xué)者也對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)體系的構(gòu)建進(jìn)行了探索。黃山[9]提出了三維四層的實(shí)踐教學(xué)體系，三維包括“實(shí)踐創(chuàng)新能力、訓(xùn)練層次、實(shí)踐課程與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”，四層教學(xué)目標(biāo)包括“基礎(chǔ)訓(xùn)練層、提高訓(xùn)練層、綜合訓(xùn)練層、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)層”。鄭洋[10]將多層次模糊評價(jià)模型引入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中，提出了四維度實(shí)踐教學(xué)體系，包括“高校信息集合、學(xué)生信息集合、實(shí)踐學(xué)生信息、學(xué)生上課內(nèi)容”。馬志彬[11]提出了由五個(gè)子體系構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)體系，包括“實(shí)踐教學(xué)保障體系、實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)體系、實(shí)踐內(nèi)容體系、實(shí)踐管理體系、實(shí)踐評價(jià)體系”，這種分類方法對于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建具有一定的啟示作用。王勝[12]指出當(dāng)前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)體系存在教學(xué)定位不合理、教學(xué)內(nèi)容缺乏實(shí)戰(zhàn)性、教師隊(duì)伍滯后、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系不完善等問題，提出了基于項(xiàng)目導(dǎo)向的實(shí)踐教學(xué)體系，分四步（目標(biāo)、內(nèi)容、保障、評價(jià)）構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系。類似的，參考文獻(xiàn)[13-16]分別從實(shí)踐教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面提出了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)思路。焦炳連[17]把工程化實(shí)踐教學(xué)引入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)環(huán)節(jié)，提出了基于工程化的實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)架。朱立才[18]結(jié)合地方性應(yīng)用型本科高校的教學(xué)實(shí)際，分析了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建需要考慮的因素，包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的定位、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理、專業(yè)實(shí)習(xí)與就業(yè)的對接、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證與考核、信息資源庫建設(shè)等方面。

總結(jié)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在區(qū)分度和顆粒度方面仍存在不足。理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)具備不同層級的區(qū)分度（如演示性、驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)）和顆粒度（粗顆粒度與細(xì)顆粒度實(shí)驗(yàn)）。通過分層次、分等級及分類型地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目，可以幫助學(xué)生從不同視角和不同難度層次理解網(wǎng)絡(luò)工作流程，從而加深對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解度。因此，本文提出一種結(jié)合粗顆粒度與細(xì)顆粒度的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，分別基于eNSP或PacketTracer和OPNET設(shè)計(jì)粗細(xì)顆粒度網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，旨在通過兩種仿真工具的優(yōu)勢互補(bǔ)，幫助學(xué)生建立宏觀與微觀視角，全面理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行機(jī)制。

1粗顆粒度網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)

目前大多數(shù)本科高校都是基于華為eNSP或思科PacketTracer進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。eNSP是華為研發(fā)的一款免費(fèi)仿真軟件，使用圖形化操作界面，采用即拿即用的工作方式，各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，比如交換機(jī)、路由器、工作站、連接線等都是以圖標(biāo)的形式提供給用戶，用戶只需要用這些圖標(biāo)連接起來構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⑴渲孟鄳?yīng)的端口參數(shù)即可讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行起來。eNSP非常簡單易操作，能夠快速高效地構(gòu)建仿真網(wǎng)絡(luò)，非常適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)。一個(gè)基于eNSP設(shè)計(jì)的IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)案例如圖1-圖4所示，實(shí)驗(yàn)場景為某高校網(wǎng)絡(luò)中心購買了新的華為路由器（AR2220），該路由器通過兩臺華為交換機(jī)（S3700、S5700）分別連接兩個(gè)處室，圖1為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，圖2為處室主機(jī)配置IP地址，圖3顯示在命令行窗口使用ping命令檢測兩臺PC機(jī)的連通性，圖4演示了使用抓包工具在路由器接口抓包的結(jié)果，也就是使用ICMP協(xié)議的ping命令的請求和響應(yīng)工作流程。該案例演示了如何建立網(wǎng)絡(luò)模型，如何配置IP地址，以及ping和抓包的過程。

與eNSP功能類似，PacketTracer是思科公司發(fā)布的一個(gè)輔助學(xué)習(xí)工具，為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)、設(shè)計(jì)和配置網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，以及排除網(wǎng)絡(luò)故障提供了一個(gè)簡單易行的模擬環(huán)境。用戶可以直接使用拖放的方式建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⑹褂脠D形配置界面或命令行配置界面對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置和測試，還可以在軟件提供的模擬模式下觀察數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸過程的動畫演示。PacketTracer可以跟蹤網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸過程，捕獲數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，查看分析協(xié)議處理數(shù)據(jù)的詳情，從協(xié)議封裝層次和封裝格式等角度進(jìn)行分析。圖5-圖6演示了一個(gè)基于PacketTracer建立的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路網(wǎng)絡(luò)及其配置過程，以及網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)的動畫演示和數(shù)據(jù)捕獲過程。

需要說明的是，eNSP和PacketTracer分別由華為公司和思科公司開發(fā)，兩者的設(shè)計(jì)目的都是為了學(xué)習(xí)者在沒有網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境支持的情況下，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)工程師，兩者的理念、功能和性能是類似的，都可以用于網(wǎng)絡(luò)工程師的培訓(xùn)和認(rèn)證。但由于分屬于不同的公司，所以eNSP和PacketTracer所使用的仿真設(shè)備模型庫（路由器、交換機(jī)等）以及與之相匹配的仿真軟件環(huán)境和操作命令集是不同的，兩者是分屬于華為公司和思科公司的兩套獨(dú)立體系，學(xué)習(xí)者需要根據(jù)未來的工作進(jìn)行選擇。

2細(xì)顆粒度網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)

雖然eNSP和PacketTracer簡單易操作，但兩者在用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)只能進(jìn)行粗顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)。仿真顆粒度是指仿真實(shí)驗(yàn)對物理過程控制或刻畫的細(xì)致程度，顆粒度越細(xì)致，越能體現(xiàn)過程細(xì)節(jié)，越有助于理解網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特征。eNSP和PacketTracer只提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型和外部接口，把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部的工作細(xì)節(jié)隱藏了起來，學(xué)生能做的只是配置設(shè)備參數(shù)，能看到的也只是設(shè)備之間能否通信，雖然可以通過抓包觀察數(shù)據(jù)包的傳輸過程，卻無法看到設(shè)備內(nèi)部的工作流程和各層協(xié)議的執(zhí)行細(xì)節(jié)，更無法設(shè)計(jì)或修改協(xié)議。以相鄰層協(xié)議的數(shù)據(jù)包交換為例，eNSP和PacketTracer雖然可以通過抓包觀察到有哪些協(xié)議在執(zhí)行，但無法觀察上下層協(xié)議交換數(shù)據(jù)包時(shí)添加或刪除包頭包尾的操作，無法讀取數(shù)據(jù)包各個(gè)字段的內(nèi)容，也無法理解協(xié)議在收到數(shù)據(jù)包時(shí)所做的邏輯判斷、字段修改、執(zhí)行操作等。

eNSP和PacketTracer之所以把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部的工作細(xì)節(jié)對使用者屏蔽，其原因在于華為公司和思科公司設(shè)計(jì)這兩款軟件的目的是讓使用者學(xué)習(xí)本公司的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，基于本公司的設(shè)備搭建網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)計(jì)理念是使用設(shè)備，而不是開發(fā)設(shè)備，更不是設(shè)計(jì)或修改協(xié)議，所以這兩種軟件只為用戶提供了設(shè)備模型和外部接口。可見，eNSP和PacketTracer只適用于演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不適用于設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，不利于提高學(xué)生的體驗(yàn)度和理解度，基于這類實(shí)驗(yàn)無法透徹地理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的精髓。

為了解決此問題，在eNSP和PacketTracer粗顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的細(xì)顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)方法，從而幫助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)。OPNET是目前市場上最主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件之一，采用離散事件仿真和三層建模機(jī)制，包括網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型。其中，網(wǎng)絡(luò)建模用于生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌晒?jié)點(diǎn)和鏈路構(gòu)成；節(jié)點(diǎn)建模用于建立節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧，各個(gè)協(xié)議模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能；進(jìn)程建模具體實(shí)現(xiàn)了各個(gè)協(xié)議的功能，基于有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。OPNET提供了狀態(tài)變量、臨時(shí)變量和全局變量等多種變量形式，還提供了大量以op開頭的核心函數(shù)，極大地方便了仿真程序的開發(fā)。OPNET采用離散事件仿真機(jī)理，數(shù)據(jù)包的到達(dá)、定時(shí)中斷都被當(dāng)做事件，仿真按照事件列表中事件的順序向前推進(jìn)。與時(shí)間驅(qū)動相比，計(jì)算效率得到了很大提高，比如要知道數(shù)據(jù)包是否到達(dá)，不必每隔一定時(shí)間去周期性查看一次，而是收到數(shù)據(jù)包的事件發(fā)生才去查看，每個(gè)時(shí)刻有限狀態(tài)機(jī)將停留在特定狀態(tài)，只有當(dāng)事件到達(dá)才進(jìn)行狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。

基于OPNET的細(xì)顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生在程序代碼的層面觀察協(xié)議的工作原理和網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)包的處理過程，就像通過顯微鏡觀察細(xì)胞一樣讓學(xué)生近距離地觀察網(wǎng)絡(luò)的微觀工作過程，幫助他們更透徹地理解網(wǎng)絡(luò)的工作原理和本質(zhì)屬性。通過在OPNET中對數(shù)據(jù)包進(jìn)行跟蹤，可以幫助學(xué)生清晰地看到網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議是如何相互配合、協(xié)調(diào)工作的，從而透徹地理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程。OPNET仿真可以工作在全速或單步模式下，后者以中斷或事件為仿真單位，也就是說每一步仿真都執(zhí)行一個(gè)事件，以無線收信機(jī)接收數(shù)據(jù)包為例，如果上一步仿真學(xué)生觀察到某個(gè)時(shí)刻無線收信機(jī)開始接收數(shù)據(jù)包事件的發(fā)生，那么下一步仿真則顯示過一定仿真時(shí)間后該數(shù)據(jù)包被接收完成并交付給上層協(xié)議的過程。不僅如此，OPNET和VisualC++還可以進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，在VisualC++中通過設(shè)置斷點(diǎn)可以清晰地看到協(xié)議運(yùn)行中各個(gè)變量每時(shí)每刻的變化，從而讓學(xué)習(xí)者對協(xié)議的運(yùn)行過程有更微觀、更精細(xì)的觀察。通過在OPNET中用C語言寫一些簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議小程序[19]，可以幫助學(xué)生學(xué)會搭建網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，從而真正滿足學(xué)生“你告訴我網(wǎng)絡(luò)是什么樣子，不如讓我看到網(wǎng)絡(luò)是什么樣子；你告訴我網(wǎng)絡(luò)如何運(yùn)行，不如讓我控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行”的愿望和體驗(yàn)，大大提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

下面通過一個(gè)利用地球同步軌道（GEO GeosynchronousEarthOrbit）衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)說明如何在OPNET中構(gòu)建一個(gè)仿真網(wǎng)絡(luò)。GEO衛(wèi)星也稱高軌衛(wèi)星，軌道高度為36000km，衛(wèi)星與地球上的物體是相對靜止的，故又稱靜止軌道。1顆高軌衛(wèi)星可以照射大約地球表面的1/3，因此3顆衛(wèi)星就可以覆蓋除極地以外的整個(gè)地球。

圖7所示為兩個(gè)地面站（station_1和station_2）通過一顆GEO衛(wèi)星（GEO_sat）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型基于世界地圖構(gòu)建，包括3個(gè)節(jié)點(diǎn)（2個(gè)地面站和1顆衛(wèi)星），節(jié)點(diǎn)的位置如圖7所示，衛(wèi)星的經(jīng)緯度和高度可以在節(jié)點(diǎn)屬性中設(shè)置或修改。該網(wǎng)絡(luò)的工作流程如下：以10s為周期，1#站和2#站通過衛(wèi)星交換數(shù)據(jù)，記1#站發(fā)送的數(shù)據(jù)為data1，記2#站發(fā)送的數(shù)據(jù)為data2，為了避免數(shù)據(jù)沖突，1#站和2#站向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻相差0.01s，衛(wèi)星收到data1和data2后采用網(wǎng)絡(luò)編碼的方法通過異或運(yùn)算生成新的數(shù)據(jù)data如下。

data=data1^data2然后衛(wèi)星把data以廣播方式同時(shí)發(fā)送給1#站和2#站。每個(gè)站收到data后與自己緩存的發(fā)送數(shù)據(jù)再次異或即可得到對方站的數(shù)據(jù)，以1#站為例data2=data1^data不難發(fā)現(xiàn)，這種網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方式比衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)data1、data2減少了一次發(fā)送，從而節(jié)省了帶寬和電量等資源。

為了實(shí)現(xiàn)上述工作過程，設(shè)計(jì)衛(wèi)星和地面站的節(jié)點(diǎn)模型（即協(xié)議棧模型）如圖8所示，其中rt_0和rr_0表示無線收發(fā)信機(jī)，用于衛(wèi)星和地面站之間的無線通信。OPNET中收發(fā)信機(jī)包括點(diǎn)到點(diǎn)、總線、無線三種類型，都是基于管道階段實(shí)現(xiàn)并提供給用戶的，通常不需要修改，用戶使用時(shí)只需要設(shè)置相應(yīng)參數(shù)即可，比如帶寬、數(shù)據(jù)速率等。p_0表示處理機(jī)模塊，OPNET使用處理機(jī)實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議，處理機(jī)以有限狀態(tài)機(jī)的形式建模并通過C語言編程實(shí)現(xiàn)，處理機(jī)之間或處理機(jī)與收發(fā)信機(jī)之間通過包流線（圖8中箭頭線）進(jìn)行數(shù)據(jù)包交互，處理機(jī)可以產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù)包，也可以接收和修改數(shù)據(jù)包。圖8中p_0處理機(jī)用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星或地面站對數(shù)據(jù)包的收發(fā)和處理過程。

地面站的進(jìn)程模型如圖9所示。OPNET使用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)議進(jìn)程，有限狀態(tài)機(jī)由若干狀態(tài)和狀態(tài)間連接線構(gòu)成，協(xié)議進(jìn)程執(zhí)行過程中根據(jù)到來的中斷或事件的不同在各個(gè)狀態(tài)之間跳轉(zhuǎn)并執(zhí)行狀態(tài)中的程序代碼，紅色狀態(tài)表示非強(qiáng)制狀態(tài)，進(jìn)程可以停留在其中消耗仿真時(shí)間，綠色狀態(tài)表示強(qiáng)制狀態(tài)，進(jìn)程不能停留在其中，強(qiáng)制狀態(tài)的代碼執(zhí)行不消耗仿真時(shí)間。狀態(tài)下方的數(shù)字表示狀態(tài)入口和出口代碼的行數(shù)，狀態(tài)線為虛線表示該跳轉(zhuǎn)為有條件跳轉(zhuǎn)。圖9中INIT是初始化狀態(tài)，用于讀取系統(tǒng)參數(shù)（比如節(jié)點(diǎn)ID、發(fā)送周期等）。IDLE狀態(tài)為空閑狀態(tài)，仿真系統(tǒng)在該狀態(tài)等待仿真事件或中斷的到來。SEND_PK為發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，負(fù)責(zé)以10s為周期生成和發(fā)送數(shù)據(jù)包，REC_PK為接收狀態(tài)，負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)data，并計(jì)算得到對方站的數(shù)據(jù)。SEND_PK和REC_PK的代碼如下，每行代碼的功能由注釋標(biāo)出。

SEND_PK狀態(tài)

pkptr=op_pk_create_fmt（\"sat_data_fmt1\"）;//按照固定的數(shù)據(jù)包格式sat_data_fmt1創(chuàng)建數(shù)據(jù)包

op_pk_nfd_set（pkptr，\"data\"，my_data）;//把數(shù)據(jù)my_data填入數(shù)據(jù)包字段data

pk_count++;//包計(jì)數(shù)器加1

op_pk_send（pkptr，0）;//把數(shù)據(jù)包從包流號1（對應(yīng)于圖8中p_0和rt_0連接線）發(fā)出去

op_intrpt_schedule_self（op_sim_time（）+10，SEND_DATA）;//預(yù)置10秒后下一個(gè)發(fā)送周期

REC_PK狀態(tài)

pkptr_RECEIVED=op_pk_get（op_intrpt_strm（））;//從中斷流（對應(yīng)于圖8中rr_0和p_0連接線）接收衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)包

op_pk_nfd_get（pkptr_RECEIVED，\"data\"，amp;sat_data）;//從字段data中讀取數(shù)據(jù)并存入臨時(shí)變量sat_data

friend_data=my_data^sat_data，得到對方地面站發(fā)送;//把接收數(shù)據(jù)和自的數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)包op_pk_destroy，釋放內(nèi)存（pkptr_RECEIVED）;//銷毀接收的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)p_0模塊的進(jìn)程模型如圖10所示，其中INIT和IDLE分別為初始化狀態(tài)和空閑狀態(tài)。

REC_PK為接收狀態(tài)，負(fù)責(zé)接收兩個(gè)地面站發(fā)來的數(shù)據(jù)data1和data2，并進(jìn)行異或運(yùn)算得到data。

SEND_PK為發(fā)送狀態(tài)，負(fù)責(zé)把data同時(shí)廣播發(fā)送給兩個(gè)地面站。衛(wèi)星進(jìn)程模型的SEND_PK和REC_PK的代碼如下。

REC_PK狀態(tài)

pkptr_RECEIVED=op_pk_get（op_intrpt_strm（））;

//接收數(shù)據(jù)包

if（pk_count==0）//說明這是本周期收到的第1個(gè)包，即來自于1號地面站的數(shù)據(jù)包

{

op_pk_nfd_get

（pkptr_RECEIVED，

\"data\"，

amp;data1）;//從data字段讀取數(shù)據(jù)并存入變量data1

pk_count++;//包計(jì)數(shù)器加1

}

elseif（pk_count==1）//說明這是本周期收到的第

2個(gè)包，即來自于2號地面站的數(shù)據(jù)包

{

op_pk_nfd_get

（pkptr_RECEIVED，

\"data\"，

amp;data2）;//從data字段讀取數(shù)據(jù)并存入變量data2

pk_count=0;//包計(jì)數(shù)器清零

op_intrpt_schedule_self（op_sim_time（），

SEND_DATA）;//跳轉(zhuǎn)到發(fā)送狀態(tài)SEND_PK

}

SEND_PKpkptr=op_pk_create_fmt狀態(tài)（\"sat_data_fmt1\"）;//按照包格式sat_data_fmt1創(chuàng)建數(shù)據(jù)包

sat_data=data1^data2;//把收到的data1和data2異或得到data

op_pk_nfd_set

（pkptr，

\"data\"，sat_data）;//把

sat_data寫入數(shù)據(jù)包字段data

op_pk_send（pkptr，0）;//把數(shù)據(jù)包從包流號1（對應(yīng)于圖8中p_0和rt_0連接線）發(fā)出去

通過在OPNET中進(jìn)行ODB單步調(diào)試（OPNETDe?bugger過程，圖）可以觀察到地面站和衛(wèi)星之間收發(fā)數(shù)據(jù)包的11顯示在一個(gè)周期內(nèi)兩個(gè)地面站成功收到了對方的數(shù)據(jù)。

圖7所示的衛(wèi)星交換網(wǎng)以一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)交換過程演示了如何在OPNET中對網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型、進(jìn)程模型進(jìn)行建模，以及如何在有限狀態(tài)機(jī)中編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作過程。通過該實(shí)驗(yàn)可見，與基于eNSP和PacketTracer的粗顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)相比較，基于OPNET的細(xì)顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)更細(xì)致入微地觀察到每個(gè)數(shù)據(jù)包甚至是每個(gè)bit的計(jì)算和流動過程，極大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)人員對網(wǎng)絡(luò)的控制程度，能夠更有效地幫助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的精髓。表1給出了eNSP、PacketTracer和OPNET在網(wǎng)絡(luò)仿真、建模能力、學(xué)習(xí)難度等方面的比較。

3教學(xué)效果比較

基于eNSP和PacketTracer的粗顆粒度實(shí)驗(yàn)和基于OPNET的細(xì)顆粒度實(shí)驗(yàn)在仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的優(yōu)勢和劣勢呈現(xiàn)出一定的互補(bǔ)性。前者適用于初級者學(xué)習(xí)，容易入門上手，可以幫助學(xué)生初步掌握網(wǎng)絡(luò)的工作原理；后者則適用于高級進(jìn)階學(xué)習(xí)，能夠大大提高對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議精髓的理解。基于這種考慮，本文提出了把eNSP/PacketTracer和OPNET這兩種顆粒度仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。在教學(xué)過程中，為了驗(yàn)證這一教學(xué)方法的有效性，對某高校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)兩級學(xué)生約200人次的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行對比，為其中一級學(xué)生只開設(shè)了8個(gè)學(xué)時(shí)的eNSP實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)題目包括常用的IP命令、交換機(jī)配置、虛擬局域網(wǎng)等；為另一級學(xué)生開設(shè)了4個(gè)學(xué)時(shí)的eNSP實(shí)驗(yàn)（常用的IP命令、交換機(jī)配置）+4個(gè)學(xué)時(shí)的OPNET實(shí)驗(yàn)（無線TDMA接入網(wǎng)、GEO衛(wèi)星通信網(wǎng)）。對學(xué)習(xí)效果的考核指標(biāo)包括網(wǎng)絡(luò)配置能力、實(shí)操和程序設(shè)計(jì)能力、對基本概念的理解度、對協(xié)議的理解度，以及對網(wǎng)絡(luò)工作性能參數(shù)的理解度等等。學(xué)生的平均成績區(qū)分為1至5級，1級最低，5級最高。教學(xué)效果的比較如表2所示，可見采用本文提出的eNSP+OPNET的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法比傳統(tǒng)教學(xué)方法取得了各項(xiàng)指標(biāo)的全面提升。

4結(jié)束語

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)踐性強(qiáng)，有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對提升教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)的基于eNSP/PacketTracer的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法雖然易于操作，但在區(qū)分度和顆粒度方面存在不足，限制了學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的深入理解。本文提出了一種結(jié)合粗細(xì)顆粒度的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將eNSP/PacketTracer的粗顆粒度實(shí)驗(yàn)與OPNET的細(xì)顆粒度實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，既提供了宏觀的設(shè)備視圖，又提供了微觀的代碼視圖，使學(xué)生能夠從宏觀和微觀兩個(gè)層面理解網(wǎng)絡(luò)的工作原理和協(xié)議的執(zhí)行細(xì)節(jié)。教學(xué)實(shí)踐表明，這種粗細(xì)顆粒度相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在多個(gè)評價(jià)指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)的粗顆粒度實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，能夠有效提升學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解度、程序設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力。未來將研究如何優(yōu)化細(xì)顆粒度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及建立粗細(xì)顆粒度相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)案例庫，以更好地滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求。

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