計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)綜合模擬平臺(tái)的研發(fā)

王　波　孫　炎炎　周志偉

文章編號(hào)：1672-5913(2009)02-0085-04

摘 要：本文介紹了我院在對(duì)國際主流網(wǎng)絡(luò)模擬軟件進(jìn)行分析和優(yōu)選的基礎(chǔ)上，基于NS2網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，從功能完整性、操作便捷性出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理動(dòng)態(tài)演示、網(wǎng)絡(luò)建模及設(shè)計(jì)方案性能測(cè)試等功能的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合性模擬平臺(tái)。經(jīng)教學(xué)試用，效果良好。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)；網(wǎng)絡(luò)模擬；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；NS2

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 引言

目前網(wǎng)絡(luò)原理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等課程及其實(shí)驗(yàn)課已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)專業(yè)和通信、自動(dòng)化、光電等專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程。由于這些課的基本概念、技術(shù)涉及到大量抽象的理論知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，許多初學(xué)者感到抽象難懂。同時(shí)，受有限的資金和網(wǎng)絡(luò)條件的限制，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)比較昂貴，即便在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方面有投入也有很大的局限性。例如，重新配置或共享資源很難、運(yùn)用不靈活、規(guī)模很難做到很大、不能實(shí)現(xiàn)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的多種通信流量和拓?fù)涞娜诤?、受控條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)會(huì)很困難等。更何況，大多數(shù)高校對(duì)動(dòng)輒幾十萬、上百萬的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)不起。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)方法，包括基于現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的和網(wǎng)絡(luò)模擬的兩種。文獻(xiàn)[1]中提出了一種基于現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，其中包括設(shè)計(jì)出研究所需要的合理硬件和軟件配置環(huán)境，建立測(cè)試床和實(shí)驗(yàn)室，在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、行為及性能的研究。這種方法的局限性在于成本較高，重新配置或共享資源較難，運(yùn)用不靈活，實(shí)驗(yàn)床的規(guī)模很難做到很大，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中多種通信流量和拓?fù)涞娜诤?。利用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件所進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)在很大程度上可以彌補(bǔ)上述方法的不足。網(wǎng)絡(luò)模擬方法可以根據(jù)需要建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型，用相對(duì)很少的時(shí)間和費(fèi)用獲取網(wǎng)絡(luò)在不同條件下的各種特性，得到網(wǎng)絡(luò)的豐富有效的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)模擬無疑提供了一種方便、高效的驗(yàn)證與分析的方法。目前國內(nèi)有一些高校對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，這些研究主要集中于如何使用NS2(Network Simulator)網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，并沒有考慮網(wǎng)絡(luò)模擬軟件存在的平臺(tái)界面友好性差、網(wǎng)絡(luò)建模復(fù)雜而繁瑣以及功能單一等問題。

筆者優(yōu)選網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，從功能完善性、操作方便性以及界面友好性出發(fā)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)綜合性的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)。

2 開發(fā)工具的優(yōu)選

2.1 網(wǎng)絡(luò)模擬工具的優(yōu)選

在商業(yè)和研究領(lǐng)域，目前能夠找到的、可利用的網(wǎng)絡(luò)模擬工具主要有以下幾種：GlomoSim，JavaSim，NS2，SSFNet以及OPNET(Optimized Network Engineering Tool)。這些模擬工具主要是用作網(wǎng)絡(luò)的建模、模擬、數(shù)據(jù)采集以及分析不同版本的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。在以上所列的幾種工具中，商業(yè)應(yīng)用的OPNET和研究使用的開源軟件NS2使用最為廣泛。

NS2由于其開源性使其在研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，而OPNET則由于其強(qiáng)大的功能在商業(yè)領(lǐng)域獲得了成功，都不失為優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)模擬工具。表1是NS2與OPNET優(yōu)缺點(diǎn)的簡(jiǎn)單比較。

如表1所示，NS2在獲取渠道、可擴(kuò)展性以及模擬演示等方面均優(yōu)于OPNET，而這些方面正是在教育科研環(huán)境中對(duì)網(wǎng)絡(luò)模擬工具所要強(qiáng)調(diào)的。因此，NS2是眾多國內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模擬研究的首選工具，研究使用它的人數(shù)眾多。綜上所述，我們選用NS2作為平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)模擬工具。

2.2 網(wǎng)絡(luò)建模工具的優(yōu)選

目前能夠與NS2結(jié)合使用的建模工具有NSBench與NSG2，這兩個(gè)建模工具獨(dú)立于NS2，均由JAVA開發(fā)，移植性與可視化操作好。它們能夠根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景自動(dòng)生成NS2可以執(zhí)行的TCL(Toolkit Command Language)腳本。這就使用戶從重復(fù)、繁瑣的編寫代碼的工作中解放出來，從而可以節(jié)省時(shí)間以集中研究網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化問題。

雖然這兩個(gè)工具都為腳本自動(dòng)生成工具，但他們之間仍然存在以下區(qū)別：

(1) GUI的友好性。NSG2比NSBench的界面更加美觀，學(xué)生操作起來更方便，更容易上手。NSG2在學(xué)生的工作區(qū)域添加了網(wǎng)格線以及實(shí)現(xiàn)了縮放功能，利用NSG2設(shè)計(jì)出來的網(wǎng)絡(luò)模型整齊規(guī)范。

(2) 適用范圍的廣泛性。NSBench只能對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，而NSG2在NSBench原有的有線網(wǎng)絡(luò)建?；A(chǔ)上添加了無線網(wǎng)絡(luò)的建模，從而擴(kuò)充了通過工具建模的范圍。

(3) 腳本代碼的規(guī)范性。NSBench自動(dòng)生成的TCL腳本不夠完整，學(xué)生需手動(dòng)添加代碼才能保證其在NS2上運(yùn)行順利，而NSG2代碼格式規(guī)范，學(xué)生無需修改即可運(yùn)行。

通過以上比較可以看出NSG2優(yōu)于NSBench，因此平臺(tái)選擇NSG2作為平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)建模工具。雖然NSG2已經(jīng)比較完善，但是仍然存在英文界面有礙英文不熟練者使用、建模生成腳本與在NS2上實(shí)際運(yùn)行操作不連貫等不足之處，這些問題也需要給予解決。

3 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從平臺(tái)的易用性與功能完整性出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議動(dòng)態(tài)演示、網(wǎng)絡(luò)建模與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試為主要功能的綜合性網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)。圖1所示，整個(gè)平臺(tái)主要由“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議動(dòng)態(tài)演示”、“網(wǎng)絡(luò)模擬”、“安裝步驟”以及“幫助”四大部分功能組成。其中，“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議動(dòng)態(tài)演示”功能主要提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議原理的說明及協(xié)議動(dòng)態(tài)演示服務(wù)，“網(wǎng)絡(luò)模擬”功能主要提供網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景模擬及性能分析服務(wù)，“安裝步驟”及“幫助”功能主要提供NS2與NSG2的安裝講解及使用幫助。

3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議動(dòng)態(tài)演示功能的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議動(dòng)態(tài)演示”是本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要功能模塊之一，用于完成協(xié)議原理說明以及協(xié)議工作過程的動(dòng)態(tài)演示，如圖2所示。按照應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)動(dòng)態(tài)演示的協(xié)議進(jìn)行了分類。參照計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教材，對(duì)比較重要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及算法進(jìn)行了篩選，對(duì)選出的協(xié)議原理進(jìn)行文字說明及動(dòng)態(tài)演示，表2列出了平臺(tái)目前能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與算法。

平臺(tái)從“協(xié)議原理”、“演示說明”以及“動(dòng)態(tài)演示”三個(gè)方面對(duì)每個(gè)協(xié)議進(jìn)行了分析與演示。在“協(xié)議原理”部分，通過參考大量的RFC標(biāo)準(zhǔn)，方案對(duì)每個(gè)協(xié)議的原理進(jìn)行了較深入的講解。為了使用戶能對(duì)協(xié)議的工作過程有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，平臺(tái)對(duì)每一個(gè)協(xié)議的工作流程都進(jìn)行了動(dòng)態(tài)演示，同時(shí)在動(dòng)畫演示過程中添加了中文實(shí)時(shí)解說?！把菔菊f明”部分用于靜態(tài)描述協(xié)議動(dòng)態(tài)演示的整個(gè)過程，以方便用戶對(duì)協(xié)議動(dòng)態(tài)演示中一些細(xì)節(jié)部分的理解。

3.3 網(wǎng)絡(luò)模擬集成環(huán)境的設(shè)計(jì)

平臺(tái)的另一個(gè)主要功能是為使用者提供了一種網(wǎng)絡(luò)建模與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試相結(jié)合的集成環(huán)境。如圖3所示，“網(wǎng)絡(luò)模擬”功能模塊由“網(wǎng)絡(luò)模擬流程”與“開始場(chǎng)景模擬”兩大部分組成。在“網(wǎng)絡(luò)模擬流程”模塊中，本方案結(jié)合一個(gè)實(shí)際的案例對(duì)如何使用NSG2及NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)的講解。

“開始場(chǎng)景模擬”是“網(wǎng)絡(luò)模擬”功能模塊的核心部分，該模塊為用戶提供了網(wǎng)絡(luò)建模與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試所需的環(huán)境。為了縮短網(wǎng)絡(luò)模擬測(cè)試的整個(gè)工作周期，方案設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)建模與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試合二為一的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。用戶在利用網(wǎng)絡(luò)建模工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模之后可以直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境，而不需要再去利用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件對(duì)所建模型進(jìn)行測(cè)試。

3.4 安裝步驟及幫助功能的設(shè)計(jì)

NS2是在Unix系統(tǒng)上開發(fā)的，因此Unix、Linux和類Unix系統(tǒng)是安裝NS的最佳平臺(tái)，當(dāng)然如果NS2要在Windows平臺(tái)上運(yùn)行則需要安裝Unix仿真環(huán)境cygwin。除此之外，NS2的運(yùn)行還需要許多軟件的支持，例如Tcl、Tk、otcl和Tclcl等軟件包。這些安裝過程是繁瑣且容易出錯(cuò)的，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致安裝失敗，基于此種考慮平臺(tái)在“安裝步驟”模塊中對(duì)NS2的安裝步驟進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

在“使用幫助”模塊中，平臺(tái)對(duì)NS2的基本原理進(jìn)行了介紹，并提供了大量的幫助文檔，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)使用NS2提供了幫助。

4 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

4.1 平臺(tái)框架的實(shí)現(xiàn)

利用HTML結(jié)合JavaScript語言的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)進(jìn)行了開發(fā)，最后利用HTMLRunExe工具對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行了封裝，使整個(gè)平臺(tái)成為一個(gè)獨(dú)立的EXE可執(zhí)行文件，以方便整個(gè)平臺(tái)的管理與移植。

把平臺(tái)的初始界面劃分為三大部分，第一部分是平臺(tái)主菜單欄，用于提供平臺(tái)的主要服務(wù)，具體包括協(xié)議動(dòng)態(tài)演示、網(wǎng)絡(luò)模擬、安裝步驟及幫助這四種服務(wù)。平臺(tái)第二部分是四種主服務(wù)所對(duì)應(yīng)的子菜單欄。第三部分用于顯示子菜單欄中相應(yīng)服務(wù)所提供的實(shí)際內(nèi)容。

4.2 協(xié)議動(dòng)態(tài)演示功能的實(shí)現(xiàn)

在協(xié)議動(dòng)態(tài)演示部分，平臺(tái)對(duì)“應(yīng)用層”、“傳輸層”、“網(wǎng)絡(luò)層”和“數(shù)據(jù)鏈路層”各層包含的協(xié)議進(jìn)行了原理解釋與動(dòng)態(tài)演示。為了能夠在子菜單欄中對(duì)四個(gè)層次的協(xié)議進(jìn)行多級(jí)顯示，平臺(tái)采用了JavaScript語言對(duì)子菜單欄進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖4所示。

在“協(xié)議動(dòng)態(tài)演示”主界面，平臺(tái)首先對(duì)協(xié)議在動(dòng)態(tài)演示中所涉及到的節(jié)點(diǎn)含義進(jìn)行了解釋說明。在每個(gè)具體協(xié)議所包含的“協(xié)議原理”部分，平臺(tái)對(duì)協(xié)議原理進(jìn)行了仔細(xì)講解，同時(shí)為了滿足用戶對(duì)協(xié)議進(jìn)一步研究的需求，平臺(tái)提供了每個(gè)協(xié)議原理所對(duì)應(yīng)的RFC標(biāo)準(zhǔn)。在“演示說明”部分，平臺(tái)對(duì)每個(gè)協(xié)議原理動(dòng)態(tài)演示過程進(jìn)行了靜態(tài)描述，同時(shí)還對(duì)演示中需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行了說明。

在“動(dòng)態(tài)演示”部分，為了實(shí)現(xiàn)協(xié)議原理的動(dòng)態(tài)演示，采用TCL腳本語言描述相關(guān)協(xié)議原理的工作工程，利用NS2自帶的動(dòng)畫演示工具NAM對(duì)協(xié)議進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，并對(duì)每個(gè)協(xié)議的演示過程進(jìn)行錄制。如圖5所示，為了解決NAM不支持中文同步解釋說明的問題，方案使用Flash工具對(duì)錄制的視頻文件進(jìn)行了二次處理，通過修改NAM下方的注釋部分為協(xié)議動(dòng)態(tài)演示過程提供實(shí)時(shí)的中文解釋功能。

4.3 網(wǎng)絡(luò)模擬集成環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

在“網(wǎng)絡(luò)模擬”服務(wù)中，平臺(tái)主要為用戶提供了網(wǎng)絡(luò)建模與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試兩個(gè)功能。為了減輕用戶在網(wǎng)絡(luò)模擬過程中的工作量，優(yōu)選了NSG2作為平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)建模工具，NSG2不僅為用戶提供了圖形化的操作界面，同時(shí)支持TCL腳本的自動(dòng)生成。為了使用戶更易于操作NSG2，對(duì)NSG2進(jìn)行了整體漢化。

為了給用戶提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)建模與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)，對(duì)NSG2進(jìn)行了二次開發(fā)，通過定義“仿真工具”功能菜單，實(shí)現(xiàn)了NSG2與Cygwin的結(jié)合。如圖6所示，用戶在利用NSG2建模完畢后，可以直接點(diǎn)擊NSG2的“仿真工具”菜單，進(jìn)入NS2模環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬。

5 結(jié)束語

友好的操作界面、豐富的功能使得本網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)在實(shí)際教學(xué)中得到了學(xué)生較好的評(píng)價(jià)。具有中文同步解說功能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議動(dòng)態(tài)演示不僅使學(xué)生更容易理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原理，還提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。包含NSG2與NS2的網(wǎng)絡(luò)建模與測(cè)試集成環(huán)境使學(xué)生能從繁瑣的編碼中解脫出來，集中精力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)本身的性能分析與優(yōu)化，從而達(dá)到事半功倍的效果。

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M教學(xué)，解決了過去因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備不足僅靠教師進(jìn)行理論教學(xué)的窘態(tài)，帶給學(xué)生各種“真實(shí)”的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)方式

更具主動(dòng)性，加深了對(duì)概念和知識(shí)的理解，又優(yōu)化了教學(xué)過程。該網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)只需在普通PC機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)，大大降低網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本。

面對(duì)我國高校中設(shè)置最多的專業(yè)——計(jì)算機(jī)專業(yè)，以及大量的IT類專業(yè)，構(gòu)建虛擬的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，從而最大程度地滿足計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程的校園實(shí)驗(yàn)教學(xué)和遠(yuǎn)程教育虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

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