采用网络仿真技术软件实现计算机实验教学系统的构建

过去的计算机网络课程，我们主要采用课堂书本教学和多媒体课件形式，都是使学生被动地接受较为抽象的网络知识，没有合适的可以满足学生自己动手实践的教学工具来加深对所学知识的理解，所以学生对网络知识学习的兴趣不高，知识掌握量小，理解的程度也不深刻，仿真教学系统作为一个独立的实验课程体系，强调学生的主观能动作用，开拓思路，重点培养学生分析问题和解决问题的能力。

网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型， 并模拟网络流量的传输， 从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。由于仿真不是基于数学计算， 而是基于统计模型，因此，统计复用的随机性被精确地再现。

网络协议仿真教学系统平台（以下简称仿真教学系统），是软硬件结合的教学工具，它能够使学生理解和掌握网络协议工作状况，编辑各种协议数据报，研究网络协议的内部机理，同时可以学习网络环境设置，学习网络程序的编制和调试方法。

基于网络协议仿真软件的实验教学系统作为讲授计算机网络实验课程的平台，特别是为讲授TCP／IP协议族，提供了一套可视化的实践教学平台。构建仿真教学系统平台的目的：①适合于计算机专业，或相关专业本科生、研究生的计算机网络课程学。②该平台设计独立设课，单独计学分，提供一套软硬件设备和与之相配套的实验教材。③能够真正地从理论和实践两方面提高学生的网络知识水平和能力。④培养不同类型的网络人才，熟悉网络设备操作，进行日常维护和网络管理。⑤该平台设计使学生能够学会软件开发，排除网络故障，优化网络性能等。

该系统平台的特点：能够计算校验和直接拷贝网络地址来模拟网络行为；提供多种网络协议分析技术；实时解码并实现详细解码分析；支持七层协议解码分析、解码数据关联显示；灵活的捕捉条件设置；灵活的统计报表；采用中文界面，系统操作简单方便等。

1 仿真教学系统的组成和主要功能

1.1 系统组成和工作原理

基于网络协议仿真软件的实验教学系统由硬件、软件、实验教材和教学课件组成，具有良好的扩展性，可以根据实验室规模灵活配置。

计算机网络课程是高校电气信息类和计算机类专业的重点课程，在整个专业建设和课程体系中占据重要地位。目前高校在实验教学实施过程中还存在以下问题：①原理、概念多，涉及很多协议和算法，传统教学模式不适合讲授抽象的网络知识；②缺少必要的实验设备使网络教学缺乏实践操作；像交换机、路由器、网络协议分析仪等实验设备比较昂贵，条件相对较差的学校买不起。教师和学生都难以更新和追踪最新网络技术，满足不了课程对学生知识、技术和研究能力方面的培养需求，不利于培养高层次的计算机网络人才；③网络知识培训无法深入，学生无法准确地通过实验亲自动手来理解和掌握网络的概念以及协议的动态运行过程。

硬件系统主要包括主控中心平台和数据采集器。硬件系统支撑网络互联，并提供各种网络应用服务，利用智能网络设备，可根据实验需要快速切换网络拓扑结构。

软件系统主要由仿真编辑器和协议分析器组成。仿真编辑器可以仿真各种网络协议，编辑和发送各种协议数据包，并提供多种实用性网络工具。协议分析器可以捕获和分析网络中各种协议数据包，并能够灵活地提取各种网络行为。

该实验教学系统实验室配置为：一个主控中心平台，30个数据采集器，30套仿真编辑器软件和30套协议分析器软件；与60台PC机组成30个实验单元组，可满足60个学生同时实验。每个实验单元组由一个数据采集器、一台装有仿真编辑器软件的PC机和一台装有协议分析器软件的PC机组成，组内实验或全网实验通过数据采集器的切换开关来控制，实验单元组成图如图1所示。

1.2 系统主要功能

基于网络协议仿真软件的实验教学系统配置包括主控中心平台、数据采集器、仿真编辑器软件以及协议分析器软件。

1.2.1 主控中心平台

主控中心平台提供各种网络应用层服务和网络连接服务控制局域网内的数据流向、数据的桥接与路由，提高服务质量等。

1.2.2 数据采集器

数据采集器以高阻旁路的方式采集链路信息，并可通过切换手动开关采集单机或子网中的信息，负责网络数据的采集，负责全网实验与单元组实验的切换。

1.2.3 仿真编辑器

网络协议仿真编辑组件包括3个主要模块：数据包编辑器、数据包发送器和TCP连接客户端。数据包编辑器主要完成单帧编辑和帧序列编辑功能。单帧编辑模块按照网络协议的层次关系，编辑单个数据帧，填写各层次的协议首部，帧序列编辑模块模拟某项完整的网络行为，发送多个仿真数据帧。数据包发送器根据编辑好的帧序列文件发送数据包，将整个帧序列按时序发送出去。TCP连接客户端编辑SMTP、POP3、FTP、HTTP等协议，并与主控设备直接通信。

网络仿真技术具有以下特点：①全新的模拟实验机理使其具有在高度复杂的网络环境下得到高可信度结果的特点；②网络仿真的预测功能是其他任何方法都无法比拟的；③使用范围广，既可以用于现有网络的优化和扩容，也可以用于新网络的设计，而且特别适用于中大型网络的设计和优化；④初期应用成本不高，而且建好的网络模型可以延续使用，后期投资还会不断下降。

1.2.4 协议分析器

网络协议分析组件实现实时的网络协议解析功能，如对各种协议进行简单解析或详细解析，对网络原始数据进行实时捕获、解码与显示以及过滤IP地址等。

2 仿真实验教学系统课程体系

构建网络协议仿真软件的实验教学系统的整体思路：首先是能否从计算机网络协议概念入手，将通信的双方构造成为一***立的网络协议仿真编辑器和网络协议分析仪，来模拟网络通信与实验教学环境；其次是通过不断地变更实验教学内容，来完成实验教学任务。

根据计算机网络教学的需要，并结合对讲授课过程中各层次知识点归纳和整理，实验内容都是根据教育部的教学大纲要求设计，较为全面系统地覆盖了计算机网络教学内容。实验内容涵盖了TCP／IP协议族中链路层、网络层、传输层、应用层的重点协议，能够将抽象生涩的网络知识，以直观、容易理解的方式展现出来，而且每个实验对应一个课件，课件内容包括：实验说明、实验原理、实验步骤以及思考题，完全可以够满足高校对网络基础教学的需要。

2.1 基础协议实验

基础协议实验在总实验中所占比重最大，主要用于帮助学生理解网络协议、观察及评价网络性能指标。先由教师给出实验的仿真源代码的核心部分，学生根据教师的讲解及关键部分的提示对TCL脚本做相应的修改后运行，仿真编辑器和协议分析器工具可以清晰地以动画形式演示网络协议的运行过程。

学生还可以通过修改某一参数观察网络各性能指标的变化，分析比较仿真结果，领会协议和算法的含义。这些性能主要是：①以太网基本协议包括滑动窗口协议、停止等待协议、CSMA／CD协议等；②动态路由学习采用距离矢量算法的动态路由，并观察当链路状态发生改变时，使用静态路由和动态路由之间的差异。通过该实验学生可以对动态路由的路由信息的更新，有更直观和清晰的认识；③TCP性能及队列管理机制通过DropTail和RED队列管理机制，掌握带宽和数据流数目对网络吞吐量及端到端延迟的影响；④UDP实时传输学习测量以UDP为传输协议的应用程序吞吐量、包延迟、抖动率以及包丢失率；⑤流量整形器学习使用漏桶算法和令牌桶算法调整流量传输速率，并调整令牌桶流量整形器的桶深度、缓冲区大小，观察是否影响传送速率；⑥无线网络传输了解隐藏站点和暴露站点的概念，掌握RTS／CTS的工作机制以及其如何降低隐藏站点发生的概率。

2.2 网络攻防实验

为了降低网络入侵带来的风险，可以运用网络攻防实验来模拟网络入侵。网络攻防实验是对系统风险评估的有效手段，是信息安全技术的重要组成部分。攻防实验重点从技术的角度叙述了攻防实验的主要方法，从而使攻防实验井然有序地进行。

采用分层次的网络安全中的加密技术、防火墙技术、VPN技术、无线接入安全和入侵检测技术，通过一个个具体的实验案例来论述每种安全技术在大型网络的应用和实施，让学生在掌握每种技术的基础上了解网络安全的整体架构和综合使用。

通过这部分实验环节课程的学习，不仅能全面提高学生的实际动手能力，而且还能让学生切实了解自己所掌握的实际操作技能以及何时、何处、何种环境能够应用这些技能，真正做到学以致用。

2.3 网络故障实验

网络故障实验包括冲突与网络广播风暴，路由环与网络回路等。教师精心挑选的以设计性、科研性和探索性为主的实验题目，让学生尝试着去改进现有网络协议并设计网络拓扑，自己开发简单的网络协议。①差异式服务网络学习不同数据流调节器的运作机制，了解在差异式服务网络中的确保服务如何实现端到端的质量保证；②多媒体传输性能分析了解影响多媒体传输质量的因素，如压缩量化参数、包大小和包错误率，自行设计1个网络拥塞的情况，观察并记录改变Q值等参数对所接收视频文件的影响；③无线网络传输性能分析通过该实验，了解802.11 b吞吐量的极限值，掌握影响802.11 b吞吐量的因素如CSMA／CA策略和RTS／CTS、ACK对吞吐量的影响。

2.4 综合型实验

综合型实验主要用于学有余力的学生利用课余时间进行的自主研究实验，采取3～5人为1组的形式旨在提高学生运用所学知识解决实际问题的能力，以及培养学生的团队协作精神。在综合性实验中给出某企业的地理分布，部门及应用系统等情况，让学生根据这些背景，运用所学的知识，去设计该企业的整网安全解决方案，并且还要学生按照自己的设计来搭建该企业的仿真拓扑。之后要求学生部署好安全策略来优化这个网络，同时设置一些病毒和攻击实时对网络关键业务造成侵扰，锻炼学生的处理问题的能力。

3 网络协议仿真实验实例

采用网络协议进行网络仿真实验，可以分为2个步骤：第一步，创建一个虚拟的网络测试环境，其中包括设置好网络中各节点的连接状况，节点之上各级代理的配置，以及各条线路的传输能力等。第二步，搭建好网络环境之后，则需要将启动协议分析器并开始捕获数据，进行协议分析。下面通过验证网络广播风暴演示实验系统的使用。

3.1 仿真拓扑和参数

仿真实验采用如图2所示的拓扑结构图。IP地址分配规为主机使用原有IP，保证所有主机在同一网段内。该拓扑节点之间的网络带宽是10 Mb／s，延迟为0μs，网络中的数据包大小设为1kB。

3.2 仿真结果

使用ping命令来产生一个arp广播报文。然后进行捕包，由于已经建立好广播包过滤器，这里所捕获的数据全是广播数据包，统计相应的参数。网络中的实时流量即每秒位数除以网络带宽。一般在以太网中，利用率达到50％就已经是非常好的网络了，因此如果广播数据包的利用率达到30％以上，也可以说在100 M以太网中广播数据达到30 M／s时，那网络中就存在广播风暴。仿真结果网络利用率如图3所示。

仿真结束后，由图3可知某时刻网络内充斥广播数据包，从而导致网络性能急剧下降，最终导致网络瘫痪。由此验证了网络广播风暴的工作过程。

4 结束语

采用基于网络协议仿真软件构建计算机网络实验教学系统，可实现网络拓扑仿真、协议仿真和通信量仿真并模拟网络流量在实际网络中传输、交换等过程。该实验可以仿真网络的最新技术和进展，强调学生的主动性和设计性，有利于活跃学生的思维、培养学生的创新能力。学生一致认为增强了学习兴趣，提升实验教学效果。下一步，将重点考虑引导和培养学生自主编程的能力，培养学生的创新精神和综合实践能力，培养高层次的计算机网络人才。