基于OPNET的高職院校“計算機網(wǎng)絡理論”仿真與實踐

劉志江

（武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000）

目前，隨著云計算、大數(shù)據(jù)和虛擬技術在各種領域的研究和應用，新型的信息化和智能化已經(jīng)遍布在我們周圍，并極大地改變著人們的生活學習和工作。在這樣一個大的背景下，作為信息資源利用和創(chuàng)造性最積極活躍的高校，不僅要從多個角度對信息理論展開相關研究和實踐工作，而且要結合市場需求對人才培養(yǎng)模式和方法實現(xiàn)突破和創(chuàng)新。作為高技能型人才培養(yǎng)的高職院校，在不斷加快課程改革和實踐的同時，既要了解行業(yè)領域的前沿技術，而且要把新的課程改革和課程體系建設納入教學實踐工作中。

“計算機網(wǎng)絡理論”課程是作為高校培養(yǎng)計算機信息類人才而設置的專業(yè)核心課。從近幾年的教學實踐來看，“計算機網(wǎng)絡理論”課程在部分高職院校已經(jīng)開設并安排了實踐訓練，但是很多的學校并沒有開設專門的一門相關課程進行專業(yè)的訓練和能力培養(yǎng)。從課程的整體設計上來看，安排的實踐和實驗課程只注重對學生相關理論體系的介紹，而忽視了對理論的直觀性體驗和實踐。許多學校雖然開設了計算機網(wǎng)絡課程設計及實驗課程，但是該課程的重點是對傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡體系結構、主要原理和關鍵技術的介紹和傳授，并沒有把新知識、新技術和新領域特點融入實踐性強的計算機網(wǎng)絡課程中，學生的網(wǎng)絡實踐能力和解決問題的能力沒有得到積極的培養(yǎng)和加強。普通高職院校在計算機網(wǎng)絡應用型人才的培養(yǎng)模式中，不僅要注重理論和實踐相結合，而且要注重新型課程的和引入和開設工作。

1 存在的問題分析

（1）隨著計算機網(wǎng)絡技術和通信技術在各種領域的融合和發(fā)展，傳統(tǒng)的基于傳輸數(shù)據(jù)為主的網(wǎng)絡在生存性和可擴展性方面已經(jīng)不能很好地適應生產(chǎn)和經(jīng)營的需要。而企業(yè)在解決此類問題時，往往需要專業(yè)的網(wǎng)絡和咨詢公司分析評價網(wǎng)絡利用效率，然后進行經(jīng)驗性的改造，而這種經(jīng)驗性的改造不僅目標性和針對性不強，同時對問題的實質把握不準。

（2）高校在培養(yǎng)計算機網(wǎng)絡和信息類專業(yè)人才時，注重傳統(tǒng)的理論課程的講授和實踐，而對于新型的學科領域或是交叉學科領域的知識較少，因此學生在解決實際的問題時實踐能力較差，無法利用有效的工具和軟件解決現(xiàn)有問題。

（3）許多高校開設了專門的計算機網(wǎng)絡實驗和課程設計課程，但由于每個學校對信息領域的把握和認識不同，很多高校僅限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡內容的教學和實踐，對新興技術和領域的教學實踐很少。

（4）利用目前主流的網(wǎng)絡仿真技術和主流的平臺搭建為解決上述問題提供了有力的理論和實踐保障，對有效解決網(wǎng)絡問題和深入開展網(wǎng)絡實踐教學具有現(xiàn)實意義。

本次基于“計算機網(wǎng)絡理論”仿真課程實踐內容是針對計算機網(wǎng)絡和信息領域人才專業(yè)培養(yǎng)方面的缺失和面對企業(yè)用人的能力困境，提出的一次課程設計的有益探索和實踐。

2 網(wǎng)絡仿真平臺介紹

OPNET軟件是一款在計算機網(wǎng)絡仿真、網(wǎng)絡規(guī)劃、協(xié)議分析、流量預測等方面具有代表性的高性能仿真平臺，該軟件已經(jīng)在軍事、教育、科研、網(wǎng)絡運營和許多領域被廣泛地使用[1]。它通過離散狀態(tài)驅動機制對網(wǎng)絡通信的各個環(huán)節(jié)和細節(jié)進行精準的仿真，能很好地理解和實踐計算機網(wǎng)絡通信中各類協(xié)議、階段、狀態(tài)跳轉過程。

基于OPNET的“計算機網(wǎng)絡理論”課程除了進行傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡基礎課程的學習外，新增加一些實驗和網(wǎng)絡設計部分，使學生通過對OPNET仿真平臺[2]的深入了解和分析基礎上，選取幾個具有代表性和針對性的仿真案例作為設計目標，通過詳細的步驟展示和應用過程，使學生掌握網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的報文封裝、包的轉移、和性能統(tǒng)計和各種工作機制的過程性概況。不僅從整體上對計算機網(wǎng)絡有一個把握和理解，從微觀角度和細小粒度上開展實踐和應用[3]。本次研究整體從以下4個方面開展。

（1）計算機網(wǎng)絡基礎理論：TCP/IP協(xié)議棧、OSI參考模型中每層的關鍵協(xié)議體系和工作機制和原理、二層協(xié)議VLAN和3層路由協(xié)議。

（2）通信模型建模方法：ON-OFF模型、馬爾科夫模型、自相似模型等。通過搭建和模擬系統(tǒng)自帶的或是針對某個具體網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流模型，可以較好地分析和比較不同背景流量下的性能指標[4]。

（3）排隊論基礎：對M/M/1型網(wǎng)絡進行研究，對M/M/n型網(wǎng)絡的研究，圖論基礎、最小生成樹算法等。排隊論是計算機網(wǎng)絡基礎理論，通過對各種排隊模型的比較和分析，對常見的語音信號、數(shù)據(jù)信號、多媒體信號的仿真和模擬，較好地理解網(wǎng)絡的實質。

（4）基于面向對象語言的深入學習和實踐。例如Java和C++的通信編程方法等。學生雖然開設了C語言、Java語言等，但是主要偏重Web開發(fā)、系統(tǒng)開發(fā)，通過對通信系統(tǒng)的開發(fā)和應用，理解通信協(xié)議的工作過程和原理。

3 研究的主要思路和方法

（1）資料整理和收集階段。調研收集“計算機網(wǎng)絡理論”課程的有關資料和文獻研究，重點對網(wǎng)絡仿真工具OPNET深入學習和研究；總結當前研究的主要問題、難點和熱點。

（2）OPNET軟件的功能和性能優(yōu)勢比較。對基于離散時間驅動模型的OPNET從模型建立、節(jié)點建立、狀態(tài)機建立、管道階段等進行深入的研究和實踐，學習OPNET核心函數(shù)和實現(xiàn)的方法。

（3）對當前信息網(wǎng)絡安全性進行分析，對具有代表性的常見的網(wǎng)絡攻擊和防護措施進行仿真和模擬，建立合理的模型進行分析和實證研究。例如DDOS攻擊，ICMP-FLOOD，SYN-FLOOD等。

4 實驗課程設計

（1）LAN型網(wǎng)絡的實驗課程設計，重點分析其時延和網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

（2）簡單M/M/1排隊系統(tǒng)課程設，對網(wǎng)絡常見的排隊理論進行仿真實驗。

（3）M/M/2和M/M/n排隊模型進行仿真，并分析仿真結果，用OPNET進行仿真，并用仿真結果與理論計算的結果以及用C程序仿真的結果三者進行比較分析[5]。

（4）用OPNET進行CSMA/CD協(xié)議仿真。

（5）用OPNET對應用層協(xié)議Http和Ftp等的業(yè)務仿真。

（6）用OPNET對RIP和OSPF路由協(xié)議等網(wǎng)絡協(xié)議進行業(yè)務仿真，并進行對比和分析其網(wǎng)絡性能和參數(shù)。對有代表性的參數(shù)進行觀察分析和優(yōu)化。

（7）用OPNET實現(xiàn)WLAN的相關協(xié)議進行仿真分析（例如802.14），并比較其性能。基于802.14.5的ZigBee協(xié)議分析研究等。

（8）用OPNET對復雜網(wǎng)絡仿真。

5 結語

本次課題的實現(xiàn)是在充分調研了目前高校開展“計算機網(wǎng)絡理論”課程基礎上，結合高職院校培養(yǎng)學生理論和技能雙重標準下，基于OPNET仿真軟件開展的一次有意義的嘗試和實踐工作。通過筆者對多年的計算機網(wǎng)絡授課工作中，發(fā)現(xiàn)的突出問題進行歸納總結基礎上，基于對課程改革和創(chuàng)新目前，在國內的專著和文獻資料中對以上設計進行了針對性的仿真和模擬，而且比較分散。沒有專門的書籍將基本的網(wǎng)絡仿真方法進行詳細介紹并提供設計思路和仿真方法。國內的陳敏出版了OPNET網(wǎng)絡仿真和OPNET物聯(lián)網(wǎng)仿真，還有電子科大李磬、葉明編著的OPNET網(wǎng)絡建模與仿真等。