計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用

蘇燕+梁武

摘 要： 虛擬仿真技術(shù)也日趨成熟，已經(jīng)應(yīng)用到了科學(xué)、生活等各個(gè)領(lǐng)域，許多高校也開(kāi)始將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到實(shí)驗(yàn)器材等各種因素限制，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課沒(méi)興趣，達(dá)不到教學(xué)實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件，模擬真實(shí)的場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)； 虛擬仿真技術(shù)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 職業(yè)教育

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）01-34-03

Research and application of virtual simulation technology of computer network

Su Yan， Liang Wu

（Department of electronic information engineering， Beihai Vocational College， Beihai， Guangxi 536000， China）

Abstract： Virtual simulation technology has matured， and has been applied to various fields such as science and life. Many universities have begun to apply virtual simulation technology to practical teaching. The traditional experiment teaching is restricted by various factors such as experimental equipment and so on. Students are not interested in the experiment course and the experiment cannot reach the expected effect. Virtual simulation experiment is to use computer virtual simulation software to create a simulated real scene， stimulate students' interest in learning， enhance students' autonomous learning ability， and save the cost of experiment teaching.

Key words： computer network； virtual simulation technology； experiment teaching； vocational education

0 引言

仿真是進(jìn)行實(shí)際操作前最真實(shí)有效的模擬過(guò)程。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，在單存的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下要構(gòu)建模擬相關(guān)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本上是不可行的。一方面，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)性環(huán)境下不能立即構(gòu)建完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和成本等都達(dá)不到要求。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，并且變化多樣，而要構(gòu)建所有實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)模型或者環(huán)境來(lái)供學(xué)習(xí)是不可能的。另一方面，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備和技術(shù)的需求是多樣性的，為此，需在構(gòu)建實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)之前進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)仿真，這是保證實(shí)際網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的前提。

作為實(shí)際計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，要為學(xué)生提供可靠、真實(shí)且較為廉價(jià)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境是最為有效的手段。基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的仿真可以減少實(shí)驗(yàn)資源的投資，在當(dāng)前計(jì)算機(jī)環(huán)境下構(gòu)建靈活多樣的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。

1 常用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真軟件

1.1 OPNET

OPNET是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，它能夠準(zhǔn)確地分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，在網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶(hù)指定的探頭，以采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過(guò)探頭得到的仿真輸出可采用圖形化顯示，數(shù)字方式觀察或輸出到第三方的軟件包去。OPNET由ItDecisionGuru、Modeler和Modeler/Radio三個(gè)模塊嵌套組成。OPNET能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的定量依據(jù)，能夠通過(guò)為不同的設(shè)計(jì)方案建立模型進(jìn)行模擬，獲取定量的網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 NS2

NS2是由UC Berkeley開(kāi)發(fā)的一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器。NS2可以用于仿真各種不同的IP網(wǎng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一些仿真包括網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP和UDP；業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器FTP、Telnet、Web CBR和VBR；路由隊(duì)列管理機(jī)制，如DroPacket Tracerail、RED和CBQ；路由算法如Dijkstra等。NS2也為進(jìn)行局域網(wǎng)的仿真而實(shí)現(xiàn)了多播以及一些MAC子層協(xié)議。

1.3 MATLAB

MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。采用MATLAB可以實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真過(guò)程，通過(guò)MATLAB強(qiáng)大的編程功能，可以構(gòu)建相關(guān)的協(xié)議分析庫(kù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議和性能的測(cè)試仿真過(guò)程。

1.4 Packet Tracer

Packet Tracer是Cisco公司開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，提供了線纜、交換機(jī)、路由器、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及相關(guān)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等非常全面的Cisco網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)備?；谠撃M器可以構(gòu)建較為全面的Cisco網(wǎng)絡(luò)模型，它提供了非常真實(shí)的Cisco網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，Cisco的CCNA、CCNP相關(guān)認(rèn)證考試項(xiàng)目可以基于該軟件進(jìn)行模擬。endprint

2 Packet Tracer仿真的基本步驟

2.1 規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在采用Packet Tracer進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的仿真過(guò)程中，進(jìn)行完善的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是首要任務(wù)。

2.2 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)構(gòu)建實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)模型，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備型號(hào)，選擇正確的連接線纜，基于Packet Tracer將該網(wǎng)絡(luò)模型制作好。不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可能完成的功能不盡相同，要滿(mǎn)足實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求，在選擇設(shè)備時(shí)應(yīng)該進(jìn)行區(qū)別。

2.3 設(shè)備配置

在設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)洌_完成設(shè)備的連接后，就要進(jìn)行設(shè)備的配置過(guò)程。在整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的仿真過(guò)程中，要詳細(xì)地規(guī)劃相關(guān)設(shè)備的配置。配置包括硬件配置和相關(guān)資源的配置。硬件配置是指對(duì)相關(guān)硬件設(shè)備端口的改動(dòng)、添加和刪除等。例如，給計(jì)算機(jī)更換網(wǎng)卡，給交換機(jī)、路由器添加相關(guān)的端口等。進(jìn)行這些操作時(shí)，要先將這些設(shè)備的電源關(guān)閉，否則不能操作。資源的配置包括相關(guān)設(shè)備IP地址的配置，相關(guān)路由協(xié)議的配置，路由器、交換機(jī)等設(shè)備的基本配置，其他設(shè)備的基本配置等。

2.4 仿真結(jié)果測(cè)試

完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有設(shè)備配置后，就要采用相關(guān)的測(cè)試命令或工具進(jìn)行仿真結(jié)果的測(cè)試，以驗(yàn)證該仿真結(jié)果是否正確。常見(jiàn)的測(cè)試過(guò)程包括連通性的測(cè)試及其相關(guān)應(yīng)用的測(cè)試。例如，采用ping命令測(cè)試連通性，采用tracer命令測(cè)試路由跟蹤工程等。

3 線纜的仿真

線纜是構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的主要介質(zhì)，在不同的設(shè)備和接口之間所采用的線纜各不相同，在Packet Tracer中提供了雙絞線、光纖、同軸電纜、串口線、終端配置線和電話(huà)線等幾種類(lèi)型，如圖1所示。不同的網(wǎng)絡(luò)接口和設(shè)備連接應(yīng)選擇不同的線纜類(lèi)型。其中雙絞線又包括直通和交叉雙絞線兩類(lèi)，串口線又分為DTE和DCE兩種，另外系統(tǒng)還提供了一種智能自動(dòng)選擇線，在無(wú)法確認(rèn)連接線纜的類(lèi)型時(shí)使用，一般不推薦使用。

3.1 雙絞線的仿真

雙絞線是網(wǎng)絡(luò)布線中最常用的傳輸介質(zhì)。雙絞線一般由兩根絕緣銅導(dǎo)線相互纏繞而成，封裝在一個(gè)電纜套管里，每根銅導(dǎo)線的絕緣層上分別涂有不同的顏色，以示區(qū)別。雙絞線的扭線越密，其抗干擾能力就越強(qiáng)，傳輸性能就越高。相對(duì)于同軸電纜和光纖來(lái)說(shuō)，雙絞線在傳輸距離、信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方面受到一定限制，但是它價(jià)格便宜，易于安裝與使用。

3.1.1 雙絞線的類(lèi)型

雙絞線安裝所連接設(shè)備的類(lèi)型分為直通線和交叉線兩類(lèi)。在Packet Tracer上通常清晰地標(biāo)示了直通線和交叉線。在Packet Tracer中提供的雙絞線主要用于連接RJ-45接頭的以太網(wǎng)口、快速以太網(wǎng)接口和吉比特以太網(wǎng)接口。其中表示的是直通線（Copper Straight-Through），表示的是交叉線（Copper Cross-Over）。

3.1.2 直通線的使用范圍

直通線用于連接不相同設(shè)備的接口。以下情況必須使用直通雙絞線：

⑴ 計(jì)算機(jī)連接至集線器或交換機(jī)；

⑵ 一臺(tái)集線器或交換機(jī)以Up-Link端口連接至另一臺(tái)集線器或交換機(jī)的普通端口時(shí)；

⑶ 集線器或交換機(jī)與路由器的LAN端口連接時(shí)。

3.1.3 交叉線線的使用范圍

交叉線用于連接相同設(shè)備的接口。以下情況必須使用交叉線：

⑴ 兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)卡直接連接時(shí)；

⑵ 兩個(gè)路由器通過(guò)以太網(wǎng)接口互聯(lián)時(shí)；

⑶ 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接交換機(jī)時(shí)。

3.2 串口線的仿真

串口線主要用于對(duì)接采用串口的兩臺(tái)路由器。串口線在Packet Tracer中分為DTE和DCE兩個(gè)類(lèi)型。DTE指的是數(shù)據(jù)通信設(shè)備，它在DTE和傳輸線路之間提供信號(hào)變換和編碼功能，并負(fù)責(zé)建立、保持和釋放鏈路的連接。DTE指的是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，DTE通過(guò)DCE設(shè)備連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，且一般使用DCE產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)。

通過(guò)串口線連接的兩個(gè)接口中，必須指定一個(gè)為DCE，另一個(gè)為DTE。在Packet Tracer仿真中，選擇DTE和DCE都是一樣的。采用串口線連接后自動(dòng)顯示為DCE，反之亦然。選擇DTE的這一端設(shè)備部需要配置時(shí)鐘頻率，而選擇了DCE的一端則必須要配置時(shí)鐘頻率。圖2是采用串口線連接的兩臺(tái)路由器，可以看到Router是DCE端，為此必須在Router0上配置時(shí)鐘頻率。

3.3 終端配置線的仿真

終端配置線是提供用于通過(guò)計(jì)算機(jī)的超級(jí)終端來(lái)實(shí)現(xiàn)路由器、交換機(jī)的配置線纜。一般的終端配置線一頭是Console接口，一頭是RS232接口。在Packet Tracer中用來(lái)標(biāo)示終端配置線。在連接設(shè)備時(shí)，選擇Console接口即可。圖3展示了采用終端配置線連接路由器和PC的一個(gè)顯示。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上選取運(yùn)用的Packet Tracer虛擬仿真軟件教學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們深知虛擬仿真技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，雖然目前還在不斷研究和探索中，但在計(jì)算機(jī)教學(xué)過(guò)程中，教師充分利用虛擬仿真技術(shù)教學(xué)，可以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，節(jié)約資源，讓學(xué)生快速掌握知識(shí)的重點(diǎn)難點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛快發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)將會(huì)運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)職業(yè)教育的創(chuàng)新性教學(xué)也必將帶來(lái)質(zhì)的改變。

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