基于NS2仿真技術的計算機網絡實踐教學研究

陳 衡，周明江

(淮北職業(yè)技術學院 電子信息工程系，安徽 淮北 235000)

基于NS2仿真技術的計算機網絡實踐教學研究

陳 衡，周明江

(淮北職業(yè)技術學院 電子信息工程系，安徽 淮北 235000)

在網絡技術高速發(fā)展的今天，如何解決學生日益增長的學習需求與網絡教學設施不足的矛盾，成為各高校亟待解決的問題。實踐證明將NS2引入實踐教學，為解決這一矛盾提供了新方法、新思路，是切實、可行、有效的教學輔助手段。

網絡仿真；NS2；計算機網絡課程

計算機網絡是一門具有很強的應用實踐性的課程，課程所涉及的諸如網絡協(xié)議的概念、原理往往是抽象難以理解的，僅僅依靠課堂理論教學不僅枯燥乏味，學生更難以掌握課程知識[1]。所以在完成理論教學的同時，如何開展實驗教學，增加學生實驗操作機會，激發(fā)學生學習興趣，從而培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維，提高學生創(chuàng)新能力就顯得尤為重要了。

目前很多院校受限于教學條件和資金制約，難以投入大量資金去建設設備先進、功能齊全的網絡實驗室[2]。所以形成了實驗實踐條件難以滿足計算機網絡教學要求的現實情況，嚴重的影響了高校專業(yè)人才的培養(yǎng)。而利用網絡仿真技術恰好是解決這一問題的一劑良藥。為此，如何在現有實驗設施基礎上構建網絡虛擬仿真教學環(huán)境，從而有效滿足人才培養(yǎng)需求，便成為擺在教育工作者面前的重要課題。

1 網絡仿真概念和特點

網絡仿真技術是以軟件為基礎，以網絡拓撲結構、網絡協(xié)議、網絡通信量為主要研究對象，結合網絡特定參數，實現網絡模擬和協(xié)議仿真，對網絡技術進行分析研究的一種基本手段。網絡仿真技術最主要的特點是可以將相關網絡環(huán)境參數和模塊組合配置，構建的是可重復、易控制的實驗環(huán)境[3]。應用于計算機網絡課程教學將有助于學生對網絡基礎知識的理解，是當下最為常用的計算機網絡課程教學手段。

2 NS2技術簡介

2.1 NS2結構與特點

NS2作為一款優(yōu)秀的仿真軟件，其免費開放源代碼且面向對象，能夠處理離散事件，并可以在多種操作環(huán)境中使用(Linux、Unix和Windows操作系統(tǒng)上均可使用)，更為重要的是NS2能方便的利用自帶的可調用類庫，結合課程知識點搭建網絡實驗模型，構建網絡實驗教學環(huán)境，所以在計算機網絡教學中得到廣泛的使用。NS2的體系結構分為兩級，將數據操作和控制部分實行分離[4]。其中編譯層是系統(tǒng)的后臺，主要完成事件調度和對網絡組建的使用，從而實現對數據包的處理。解釋層是系統(tǒng)的前端，主要完成對仿真環(huán)境的構建和配置。對于用戶來說NS2就是一個OTcl腳本解釋器，而編譯類對象和解釋類對象是在OTcl的連接下建立的。

其特點可以總結如下：

(1) 使用環(huán)境靈活。NS2是一款公開所有源代碼的軟件，便于研究人員利用和愛好者學習。同時，對于具有一定編程能力的計算機專業(yè)學生可以嘗試設計新協(xié)議，擴展新模塊，構建多樣的網絡環(huán)境，進而加深對計算機網絡技術的理解。

(2) 實驗構建便利。利用NS2構建適用的網絡環(huán)境，并對網絡中的重要節(jié)點加以跟蹤，記錄相關性能參數，直觀呈現實驗結果，并且網絡環(huán)境可以隨時重構，這在實物教學中難以實現[5]。

(3) 擴展功能強大。作為一款面向對象的仿真軟件，NS2具有十分強大的可擴展性，對于一些特殊環(huán)境下的網絡，使用者可以根據具體情況設計新的協(xié)議，甚至構建新的功能模塊，有利于拓展軟件的使用范圍。

(4) 學習資源豐富。目前，NS2官方網站為使用者提供了大量的軟件使用必要資源，同時由于該軟件得到廣泛的使用，所以網絡中也有大量的NS2軟件學習資源和網絡仿真實驗案例，為學生自主延伸學習提供了可靠的學習資源。

2.2 使用NS2進行網絡仿真的方法和一般過程

利用NS2進行仿真工作進行前，首先應確定網絡仿真所涉及的兩個層次情況。一是仿真中利用自帶網絡元素，也就是基于OTcl編程，無需對NS進行擴展。二是仿真需要擴展網絡元素，添加新的類編寫新腳本。

利用NS2進行網絡仿真的一般過程如表1所示。

表1 NS2網絡仿真一般過程

2.3 NS2的功能模塊

NS2仿真器封裝眾多功能模塊，各主要模塊具體功能如表2所示。

表2 NS2封裝模塊功能介紹

3 NS2軟件在教學中的應用實例

(1)本仿真實驗模擬環(huán)境中包含4個節(jié)點，各節(jié)點直接通過全雙工方式相連，具體如圖1所示。

圖1 網絡拓撲結構圖

各節(jié)點之間數據傳輸基本信息如表3所示：

表3 各節(jié)點之間數據傳輸基本信息表

另外，n0處有一個FTP的TCP流量產生器，n1處為CBR的UDP流量產生器，n3有一個接收TCP的sink和接收UDP的NULL。

(2)運行本仿真實驗的Tcl腳本產生的Trace文件的格式說明見表4。

表4 Tcl腳本產生的Trace文件的格式說明

(3)n2和n3節(jié)點間RED隊列的平均隊列長度隨時間變化情況，n2與n3之間的當前隊列長度隨時間的變化情況如圖2所示。

(4)本實驗中丟包率與時間的關系如圖3所示，具體數據為一共發(fā)包550，丟失包16，丟包率為0.027。

(5)CBR流量的時延隨時間的變化如圖4所示。

(6)節(jié)點n2的平均吞吐量隨時間的變化如圖5所示。

(7)仿真實驗結果分析如下：

①隊列大小波動輕微，有利于處理突發(fā)數據；

②丟包率與端之間時間延遲為正比例關系，與數據吞吐量之間為反比例關系；

③網絡性能的好壞與丟包率、時延和吞吐量均存在一定的關系。

以上實驗結果與理論相符，是對課程知識點的有效印證。

圖2 平均隊列長度與當前隊列長度隨時間變化曲線圖

圖3 丟包率隨時間變化關系圖

圖4 端到端時延隨時間變化關系圖

圖5 節(jié)點n2的吞吐量隨時間變化的關系圖

將NS2仿真軟件引入計算機網絡實踐教學，可以實現對網絡拓撲結構、網絡協(xié)議、網絡通訊量的仿真，并將仿真結果直觀呈現，從而有效的解決計算機網絡教學存在的設備不足，知識點晦澀難讀的問題。更為重要的是，在對實踐教學手段豐富的同時，需要進一步將理論教學與實踐教學相結合，取長補短，更好的幫助學生對相關知識點的學習，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，從而為培養(yǎng)高層次的計算機網絡人才打下堅實基礎。

[1] 任炬， 鄧曉衡，陳志剛. 基于NS2 的網絡仿真可視化系統(tǒng)的設計與實現[J].計算機工程與科學，2011,12-16.

[2] 蔡群英,黃鎮(zhèn)建.搭建網絡實驗環(huán)境的探索與實踐[J].計算機與數字工程, 2009, 37(6):195-197.

[3] 黃鎮(zhèn)建.NS2 中新協(xié)議的實現[J].計算機系統(tǒng)應用, 2009, 18(1):119-121.

[4] 何建新.NS2在網絡實驗輔助教學中的應用[J].實驗科學與技術, 2008, 6(6):64-66.

[5] 吉祖勤，蔡長安． NS2仿真技術在網絡實驗教學中的應用[J]． 實驗技術與管理， 2011(12):96-99．

責任編輯 喻曉敏

TP316.8

A

1003-8078(2016)06-0095-04

2016-10-19 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2016.06.25

陳衡，男，安徽濉溪人，講師，碩士，主要研究方向為計算機應用。

安徽高校省級質量工程項目(2015zjjh051);淮北職業(yè)技術學院院級質量工程項目(2016-jyxm-10)。