基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)半實(shí)物仿真研究

趙建軍

【摘 要】隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步提高，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要使用仿真手段將模擬網(wǎng)絡(luò)與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相連接，在半實(shí)物仿真系統(tǒng)的模擬過(guò)程中，需要利用一些仿真軟件才能夠解決模擬網(wǎng)絡(luò)與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。本文簡(jiǎn)要介紹半實(shí)物仿真的概念，進(jìn)而介紹了OPENT這種仿真軟件，最后論述了在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用OPNET仿真軟件的內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】OPNET；網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)；網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；半實(shí)物仿真；仿真研究

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)之間的通信協(xié)議變得越來(lái)越復(fù)雜，如何將不同類型的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信是急需要解決的問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常需要將不同類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，如果使用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)接入，就會(huì)提高教學(xué)成本。因此，本文介紹了OPNET仿真軟件的使用，同時(shí)介紹了如何將在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用OPNET的方法，更好地促進(jìn)半實(shí)物仿真的研究，提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果。

1 半實(shí)物仿真簡(jiǎn)介

1.1 半實(shí)物仿真的概念和特點(diǎn)

半實(shí)物仿真主要是將一部分模擬網(wǎng)絡(luò)接入到真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中，從而形成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)回路。半實(shí)物仿真往往具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，在原有的系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)之間很難建立正確的仿真模型，而且這些仿真模型很容易受到外界因素的影響，從而無(wú)法達(dá)到良好的效果；但是半實(shí)物仿真能夠?qū)⒛M網(wǎng)絡(luò)直接接入真實(shí)網(wǎng)絡(luò)，從而避免了仿真模型建立過(guò)程中的困難；第二，利用半實(shí)物的仿真技術(shù)能夠進(jìn)一步檢驗(yàn)原有仿真模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)可以對(duì)某個(gè)組成部分的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，并能夠靈活地調(diào)整其中的某些參數(shù)。由于半實(shí)物仿真具有以上這些特點(diǎn)，所以在仿真過(guò)程中有著非常重要的作用。

1.2 半實(shí)物仿真中的關(guān)鍵技術(shù)

在半實(shí)物仿真的過(guò)程中，不僅僅需要用到實(shí)用的仿真軟件，而且還需要接入可靠的系統(tǒng)中，使得仿真軟件和真實(shí)系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)。其中的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)：第一，對(duì)系統(tǒng)的建模技術(shù)，對(duì)于系統(tǒng)建立模型然后對(duì)其進(jìn)行半實(shí)物仿真，這是半實(shí)物仿真的前提，因此，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入地了解和分析，才能建立較為準(zhǔn)確的模型；第二，模擬系統(tǒng)與真實(shí)系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信，由于模擬系統(tǒng)與真實(shí)系統(tǒng)之間還存在一定的差異性，所以兩者之間在進(jìn)行交互的過(guò)程中，還需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性的管理。因此，在模擬的過(guò)程中需要使得通信的速率低于真實(shí)系統(tǒng)的處理速率，才能更好地觀察系統(tǒng)之間的通信，使得半實(shí)物仿真更加具有意義。

1.3 半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真

半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真主要是將測(cè)試的模擬網(wǎng)絡(luò)直接接入到真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，然后使得兩者之間進(jìn)行交互，從而可以觀察到兩者之間的通信結(jié)果。由于單純的網(wǎng)絡(luò)仿真具有比較多的缺點(diǎn)，所以利用半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真可以更好地將模擬網(wǎng)絡(luò)與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相連接：首先，半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真可以更加清晰地觀察到網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中軟件和硬件之間的通信過(guò)程，從而能夠更好地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)參數(shù)，使之能夠更符合試驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果；其次，利用模擬網(wǎng)絡(luò)接入真實(shí)網(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，同時(shí)半實(shí)物仿真網(wǎng)絡(luò)中的某些算法具有更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，更加適用于半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真的應(yīng)用。

2 OPNET的簡(jiǎn)介

2.1 OPNET仿真平臺(tái)的簡(jiǎn)介

OPNET仿真平臺(tái)是使用比較普遍的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，它能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行模擬，同時(shí)可以提供很多網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具，能夠進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能。OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)與其他網(wǎng)絡(luò)仿真軟件相比主要存在以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：第一，應(yīng)用的領(lǐng)域比較廣泛，從端到端的網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議的模擬、網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化等等，都可以使用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真；第二，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)根據(jù)ISO的網(wǎng)絡(luò)分層標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中的不同層次進(jìn)行仿真，而且其協(xié)議的描述使用到了較為常用的C/C++語(yǔ)言，能夠更加方便人們的使用；第三，模擬的技術(shù)比較先進(jìn)，在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中使用到了面向?qū)ο蟮慕７椒?，不僅能夠提高部分模塊的通用性，而且能夠按照人類的思維進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的仿真操作；第四，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的代碼可以容易地獲取，而且代碼中添加了足夠的注釋，可以讓用戶方便地閱讀；同時(shí)，代碼可以隨時(shí)隨地被修改，使得用戶能夠按照自己的想法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的模擬；第五，豐富的模型庫(kù)，在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)集成了很多較為常用的模型庫(kù)，使得用戶能夠方便地使用網(wǎng)絡(luò)中的模型，從而更快更好地組建網(wǎng)絡(luò)；第六，豐富的數(shù)據(jù)收集和分析能力，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行半實(shí)物仿真過(guò)程中，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)能夠有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，同時(shí)利用可視化的界面將數(shù)據(jù)展示到用戶面前；而且OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)與用戶的互動(dòng)比較靈活，用戶可以對(duì)其中的很多參數(shù)進(jìn)行修改操作，方便用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬；第七，從網(wǎng)絡(luò)中的事件出發(fā)進(jìn)行建模，取代傳統(tǒng)的以時(shí)間為參考點(diǎn)進(jìn)行建模的方式，這樣能夠使得模擬效率得到更好的提高，尤其是在模擬網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，不同的協(xié)議之間通信需要一段時(shí)間，如果是以時(shí)間為單位進(jìn)行周期性的查看，很可能不會(huì)對(duì)包的到達(dá)事件作出及時(shí)地反映；相反如果是基于事件的仿真方式那么就能夠?qū)邮瞻臅r(shí)間進(jìn)行及時(shí)地響應(yīng)。

2.2 OPNET的通信機(jī)制

在進(jìn)行半實(shí)物仿真的過(guò)程中，由于很多部件之間的距離比較遠(yuǎn)，如果想要實(shí)現(xiàn)它們之間的通信，必須要建立一定的通信機(jī)制。在OPNET的通信機(jī)制中主要有以下幾點(diǎn)：第一，基于包的通信機(jī)制，這種通信機(jī)制較為常用，OPNET采用包的通信機(jī)制來(lái)進(jìn)行模擬網(wǎng)絡(luò)和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)之間的通信，而且還可以屏蔽不同協(xié)議包之間的差異性，還可以容易地進(jìn)行拆包和裝包的操作；第二，利用接口機(jī)制進(jìn)行通信，這種通信機(jī)制與包通信機(jī)制類似，但是比包的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，它利用用戶自定義的格式進(jìn)行模擬網(wǎng)絡(luò)與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)之間的通信，不存在拆協(xié)議和封裝協(xié)議的操作；而且接口形式的通信能夠允許用戶自定義通信格式，更加靈活自由；第三，基于鏈路的通信，鏈路通信的方式能夠提供不同類型的鏈路連接，主要是針對(duì)鏈路層的信息傳輸提供的通信機(jī)制，這種類型的通信機(jī)制能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出信息傳輸時(shí)延。

3 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 OPNET在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

很多學(xué)校在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)的仿真。OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)允許使用者在計(jì)算機(jī)上搭建模擬網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境，能夠方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的模擬。OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：首先，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行仿真，能夠讓學(xué)生利用可視化的界面真實(shí)地看到網(wǎng)絡(luò)之間的通信結(jié)果，從而能夠更好地引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更好地提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果；其次，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真，可以讓學(xué)生利用OPNET中的組件非常容易地組建網(wǎng)絡(luò)，能夠更加全面地了解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更好地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，更好地突破教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)；第三，學(xué)生利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)模擬網(wǎng)絡(luò)，不需要建立真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)，也不需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)物方面的改動(dòng)，能夠進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)成本，但是可以達(dá)到與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)操作類似的教學(xué)效果；第四，運(yùn)用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)參數(shù)真實(shí)地展示在學(xué)生的面前，使其能夠直接觀察到網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)參數(shù)，從而更快更好地了解網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，并能夠及時(shí)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化。

3.2 基于OPNET網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

由于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)在使用過(guò)程中比較復(fù)雜，因此，在利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，必須對(duì)教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，制定網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)步驟，從而更好地發(fā)揮OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的仿真效果?；贠PNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟主要分為以下幾點(diǎn)：第一，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，教師需要向?qū)W生介紹OPNET的概念、特點(diǎn)以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，然后讓學(xué)生能夠根據(jù)教學(xué)的內(nèi)容明確仿真實(shí)驗(yàn)的目的；第二，確定網(wǎng)絡(luò)的功能和網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行分析，從而精確地利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)組建網(wǎng)絡(luò)；第三，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的功能需求選擇合適的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)中的不同層次選擇不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，確保網(wǎng)絡(luò)性能得到良好發(fā)揮；第四，配置網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)參數(shù)，在配置的過(guò)程中可以利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)模擬網(wǎng)絡(luò)的效果，從而選擇出最佳的參數(shù)配置；第五，仔細(xì)檢查仿真結(jié)果，利用理論推導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)中的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，然后利用仿真軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真得到仿真結(jié)果，將預(yù)期結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而更好地提高實(shí)驗(yàn)效果。

3.3 OPNET在網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

通過(guò)以上的分析和論述可知，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)中有著非常重要的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的不斷完善和升級(jí)，能夠進(jìn)一步突出OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)中主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：第一，構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)中的多種網(wǎng)絡(luò)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性也在進(jìn)一步提高，因此，學(xué)生在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，手動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，但是利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)能夠快速地組建好網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，學(xué)生可以利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)提供的各種工具和設(shè)備，在編輯器中更改網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)，修改網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)部件的細(xì)節(jié)等等，能夠快速地組建好預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)；第二，OPNET可以快速地建立起比較通用的網(wǎng)絡(luò)模型，這是因?yàn)樵贠PNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中集成了較為常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)模型，當(dāng)需要建立這些網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行分析時(shí)，可以直接將這些網(wǎng)絡(luò)模型拿來(lái)使用，進(jìn)行較小的修改即可，非常方便快捷；第三，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分層，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，有助于同學(xué)們理解網(wǎng)絡(luò)分層的原因和原理，同時(shí)能夠更快地熟悉不同網(wǎng)絡(luò)層中的協(xié)議和通信機(jī)制等等；第四，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)能夠方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，這是因?yàn)槔肙PNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)可以方便地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的不斷調(diào)整能夠發(fā)現(xiàn)更適合的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，從而使得網(wǎng)絡(luò)得到進(jìn)一步優(yōu)化；第五，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中很多協(xié)議或者操作都可以利用代碼方便地實(shí)現(xiàn)，這樣學(xué)生能夠利用較為通用的C/C++代碼編寫(xiě)自定義的一些協(xié)議或者是接口，并利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這樣使得網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程具有更好的通用性，更快地提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

4 小結(jié)

本文通過(guò)簡(jiǎn)要介紹半實(shí)物仿真的概念，進(jìn)而介紹了一種比較通用的仿真軟件OPNET，然后介紹了OPNET在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，從而可以更好地提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。相信隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)有更多實(shí)用的仿真軟件問(wèn)世，從而能夠更好地模擬網(wǎng)絡(luò)之間的通信，更好地解決半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真之間的關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)一步推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：王楠]