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

(淮北職業技術學院 電子信息工程系，安徽 淮北 235000)

在網絡技術高速發展的今天，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，激發學生學習興趣，從而培養學生創新思維，提高學生創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人才的培養。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境，從而有效滿足人才培養需求，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境參數和模塊組合配置，構建的是可重復、易控制的實驗環境[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境中使用(Linux、Unix和Windows操作系統上均可使用)，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。解釋層是系統的前端，主要完成對仿真環境的構建和配置。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學生可以嘗試設計新協議，擴展新模塊，構建多樣的網絡環境，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構建適用的網絡環境，并對網絡中的重要節點加以跟蹤，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，對于一些特殊環境下的網絡，使用者可以根據具體情況設計新的協議，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)本仿真實驗模擬環境中包含4個節點，各節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

各節點之間數據傳輸基本信息如表3所示：

表3 各節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，培養學生的實踐創新能力，從而為培養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的設計與實現[J].計算機工程與科學，2011,12-16.

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

[3] 黃鎮建.NS2 中新協議的實現[J].計算機系統應用, 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);淮北職業技術學院院級質量工程項目(2016-jyxm-10)。