NS3仿真工具在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學中的應(yīng)用

林曉輝 蘇恭超

摘 要：在計算機網(wǎng)絡(luò)的課程教學中，網(wǎng)絡(luò)分層及各層功能定義是學生需要掌握的核心知識點。為了學生能對相關(guān)知識點形成清晰的認識，研究中將網(wǎng)絡(luò)仿真器NS3融入教學中。通過讓學生對各層的功能進行編程，使其能更好地掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)概念，鞏固對相關(guān)的知識點理解，同時也能很好地提升學生的編程能力。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)仿真器;計算機網(wǎng)絡(luò);課程教學

文章編號： 2095-2163（2019）03-0187-03 中圖分類號： G434 文獻標志碼： A

1 計算機網(wǎng)絡(luò)分層的概念

計算機網(wǎng)絡(luò)是一門有著很強理論性及實踐性的專業(yè)課程，并在中國高等院校的計算機類和電子信息類的專業(yè)中均有開設(shè)。在本質(zhì)上，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是基于開放系統(tǒng)互聯(lián)思想，其體系設(shè)計是基于國際公開的規(guī)范。通過標準設(shè)計派生出網(wǎng)絡(luò)互操作的通信約定，使基于不同硬件技術(shù)的節(jié)點可借助通信來交換信息。因此，在課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計思想是課程的核心重點內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計如圖1所示。

將計算機網(wǎng)絡(luò)通過分層描述，把網(wǎng)絡(luò)通信劃分為各個子層，可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計復(fù)雜度[1]。通過網(wǎng)絡(luò)功能分層設(shè)計，能為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)帶來諸多便利。對此可做探討闡述如下。

（1）分層后，各層在功能上相互獨立，各層無需知道其他層的詳細功能，而設(shè)計者只需要知曉各層接口的協(xié)議規(guī)范，因此在網(wǎng)絡(luò)定義以及功能實現(xiàn)上，系統(tǒng)的復(fù)雜度得以降低。

（2）分層后，只要層間接口不變，各層的變化不會導致其他層的重新設(shè)計。因此在結(jié)構(gòu)上，各層均可以最新的技術(shù)來獨立研發(fā)，使得系統(tǒng)實現(xiàn)更加靈活，同時也便于維護，并能夠促進標準化。

根據(jù)開放系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnection）的定義，網(wǎng)絡(luò)的層次劃分如圖1所示。在本文的課程實驗環(huán)節(jié)中，研究將網(wǎng)絡(luò)體系按由低到高的順序分為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運輸層及應(yīng)用層。

2 NS3網(wǎng)絡(luò)仿真器介紹

由于以上分層思想較為抽象，僅靠課堂上的講授并不能讓學生較好地理解掌握相關(guān)概念。為了達到理想的教學效果，研究采用NS3網(wǎng)絡(luò)仿真器作為輔助教學工具，通過對網(wǎng)絡(luò)各層功能進行編程，使得學生對分層目的及功能形成清晰的概念。

NS3是一個離散事件模擬器，始于2006年的開源項目[2]，下載地址為：https：//www.nsnam.org/releases/。網(wǎng)絡(luò)模擬器全部是由C++編寫，通過帶有選擇性的Python語言綁定。因此仿真腳本由C++或Python語言來編寫，并通過nam進行演示，同時用其他工具通過trace文件來分析仿真過程。使用NS3進行網(wǎng)絡(luò)仿真時，需要依序展開如下步驟，即：

（1）選擇或編寫定義相應(yīng)模塊。

（2）編寫網(wǎng)絡(luò)仿真腳本。

（3）實驗仿真。

（4）數(shù)據(jù)采集與分析。

（5）根據(jù)仿真結(jié)果進行代碼或者參數(shù)的調(diào)整。

其中，在編寫仿真腳本時，擬將涉及到如下研究設(shè)計，可表述為：定義節(jié)點，包含定義節(jié)點/地址類型、隊列模型、網(wǎng)卡、應(yīng)用程序、協(xié)議棧等;安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，定義物理層信道及MAC層協(xié)議，如CSMA、WiFi、WiMAX、LTE或是點對點通信;定義網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層協(xié)議棧，其中網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議可以選擇OLSR、AODV或Global，同時也可以定義IPv4/IPv6格式等，傳輸層可以是UDP或者TCP;安裝應(yīng)用層協(xié)議;定義其他配置，如節(jié)點移動性及能量管理;設(shè)置仿真時間及相關(guān)參數(shù)[3]。

3 NS3仿真器使用介紹

NS3網(wǎng)絡(luò)仿真器的層功能模塊如圖2所示。圖2中的節(jié)點定義包含了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型、各層協(xié)議棧、信道以及應(yīng)用層參數(shù)。可以將節(jié)點當成一個空的終端框架，通過添加相應(yīng)的應(yīng)用層功能、協(xié)議棧、信道類型等內(nèi)容，完成節(jié)點的定義。協(xié)議棧包含傳輸層控制、路由協(xié)議以及地址管理。信道的定義中，可以按照實際情況來加入時延、能耗、誤碼率、噪聲等參數(shù)。

從以上的仿真器架構(gòu)上看，仿真器的設(shè)計是按照網(wǎng)絡(luò)的層次化結(jié)構(gòu)來編寫，因此可以通過在仿真器下書寫仿真文本來定義各層的功能，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化仿真。為說明仿真器的功能，研究以Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模擬作為實例來解析論述NS3的仿真功能。Ad Hoc是一種無控制中心的分布式網(wǎng)絡(luò)，各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均可以移動，并且在移動過程中交換數(shù)據(jù)。各個節(jié)點以無線方式連接，通過其他節(jié)點中繼的方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點。因此每個節(jié)點均為一個路由器，負責發(fā)現(xiàn)并維持路由。受篇幅限制，本文從文獻[4]的源代碼中抽取出定義各層功能的關(guān)鍵部分。各部分的基礎(chǔ)設(shè)計詳見如下。

（1）定義物理層信道

YansWifiChannelHelper channel = YansWifi ChannelHelper：：Default （）;

YansWifiPhyHelper phy = YansWifiPhyHelper：：Default （）;

phy.SetChannel （channel.Create （））;

（2）定義MAC層協(xié)議

WifiHelper wifi;

wifi.SetStandard（WIFI_PHY_STANDARD_80211a）;

wifi.SetRemoteStationManager（"ns3：：Constant RateWifiManager"，"DataMode"，StringValue（"OfdmRate6Mbps"））;

（3）定義移動方式

mobility.SetMobilityModel （"ns3：：Random Walk2dMobilityModel"，

"Bounds"， RectangleValue （Rectangle （-500， 500， -500， 500）））;

mobility.Install （AdHocNode）;

（4）定義傳輸層與網(wǎng)絡(luò)

PacketSinkHelper sink （"ns3：：UdpSocket Factory"，

InetSocketAddress （Ipv4Address：：GetAny （）， port））;

Ipv4GlobalRoutingHelper：：

PopulateRoutingTables （）;

（5）定義應(yīng)用層數(shù)據(jù)

NS_LOG_INFO （"Create Applications."）;

uint16_t port = 9999;

OnOffHelperonOff1（"ns3：：TcpSocketFactory"，Address（InetSocketAddress（AdHocIp.GetAddress（0），port）））;

onOff1.SetAttribute （"OnTime"， StringValue （"ns3：：ConstantRandomVariable[Constant=1]"））;

onOff1.SetAttribute （"OffTime"， StringValue （"ns3：：ConstantRandomVariable[Constant=0]"））;

由以上代碼可以看出，該仿真器實際上可以根據(jù)各層的功能進行靈活定義。通過課堂講授層的基本功能，再通過仿真器對各層相關(guān)功能的定義及實現(xiàn)，仿真后通過收集數(shù)據(jù)并加以分析（見圖3），觀察數(shù)據(jù)是否與預(yù)期的相符。在整個過程中，學生能夠?qū)Ψ謱痈拍罴皩庸δ苄纬汕逦恼J識[4]。

4 結(jié)束語

作為一個開源的網(wǎng)絡(luò)仿真器，NS3根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)對各層進行了功能性定義。在課堂接受基本概念的基礎(chǔ)上，學生通過課后的編程，以課程項目的形式來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的定義。在此過程中，學生可以極大地加深對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計分層思想的理解，從而獲得良好的教學效果。

參考文獻

[1]KUROSE J F ROSS K W. Computer Networking：A top-down approach[M]. 陳鳴 譯. 6th ed. 北京：機械工業(yè)出版社， 2014.

[2] 周迪之. 開源網(wǎng)絡(luò)模擬器ns-3：架構(gòu)與實踐[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2019.

[3] 馬春光， 姚建盛. ns-3網(wǎng)絡(luò)模擬器基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社， 2014.

[4] CSDN. ns3模擬無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通信[EB/OL]. [2018-04-12]. https：//blog.csdn.net/xiao_sheng_jun/article/details/79921889.

[5] ns-3 project. ns-3 manual[EB/OL].[2019-04-16]. https：//www.nsnam.org/docs/manual/html/index.html.