網絡環境下虛擬仿真分析的研究

鄒金花

摘要：本文介紹了虛擬仿真的背景，幾種仿真軟件發展和應用，隨著現代網絡和計算機科學技術的高速發展，虛擬仿真發揮著越來越重要的作用，通過虛擬仿真分析，可以大大地節約成本，增強實踐能力和理解能力，尤其對于教學實踐，大大節約了實驗的教學成本，提升了教學效率和效果。

關鍵詞：虛擬仿真;仿真分析

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0225-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： This paper introduces the background of virtual simulation， the development and application of several simulation software. With the rapid development of modern network and computer science and technology ，virtual simulation plays a more and more important role， through the virtual simulation analysis， can greatly save the cost， enhance the practical ability and understanding ability， especially in teaching practice， greatly saves the cost of experiment teaching， improve teaching efficiency and effect.

Key words： Virtual simulation;simalation analysis

1 相關工作

從中國知網獲悉，近5年，關于仿真分析的文章都在1500-2000篇左右，沒什么大的增長，近十年的數據，至今關于仿真分析方面的文章大概只是翻了一翻，不像大數據，數據挖掘等其他領域的文章，成倍成倍的增長，所以還有一定的研究空間，現在互聯網技術，特別是移動互聯網的飛速發展，給人們的工作和生活帶來了很大的變化，同時也給網絡工程，計算機以及相關專業的學生提供了很多的機遇，但對他們的工程實踐能力和理論基礎知識提出的更高的要求。

隨著教育教學改革的不斷推進，教育部對高校實驗教學信息化工作提出了新要求。2013年8 月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作（教高司函[2013]94號），2013年建設 100個左右國家級虛擬仿真實驗教學中心。2014 年8月，教育部發布《關于開展2014年國家級虛 擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高廳函 [2014]31號）。2015年6月，教育部發布《關于開 展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作 的通知》（教高廳函[2015]24號）。截至2015年，我 國已建成200個國家級虛擬仿真實驗教學中心，分布在全國155所普通本科院校[1]。隨著虛擬仿真技術在教育方面的應用越來越廣，對我國的教育行業是 一次大的改革。虛擬仿真技術的特點是：功能強，靈活，最大的特點就是成本低。教師合理應用虛擬仿真技術到具體的教學方法和課程設計中，能夠提高學生的實踐應用能力，大大提升教學質量和效率。

現在，虛擬實驗教學中心的建設工作已經引起國內外的關注，美國耶魯大學、英國開放大學等學校，虛擬仿真資源是虛擬仿真實驗教學中心建設的重點內容，為學習者的實踐能力、動手能力以及創新能力培養提供了平臺和資源。隨著現在我國虛擬仿真實驗教學中心建設的發展，極大地提高了研究者開發和教育工作者的信心和勇氣。通過調查和文獻查閱，關于國內外虛擬仿真資源方面的研究并不是很多[2]。傳統的實驗室的教學就是利用各種實驗器材，學生對實驗課提不起興趣，而虛擬仿真實驗通過運用計算機虛擬仿真軟件，模擬真實的實驗場景，增強了學生自主學習的能力，很大的激發了學生的學習興趣，而且大大節約了實驗的教學成本，提升了教學效率和效果。

2 虛擬仿真的概念

隨著計算機網絡的高速發展，教學中計算機網絡課程的實踐性和理論性的無可替代的。網絡的應用涉及很多行業和領域，網絡的人才需求也很大，因此，高校對計算機網絡技術教學也越加重視。隨著現在虛擬仿真技術的發展，結合現在網絡方面新技術的發展，不但對我國各個行業有一定影響，并對計算機網絡在教學和實踐方面的提升也存在很大的幫助。在計算機網絡中，結合虛擬仿真技術，可以從本質上提高學生的一個綜合學習能力。

“虛擬仿真”可以將它稱之為“網絡模型”或“網絡仿真”，虛擬仿真是一種科學手段，可以測試網絡的性能。我們把它使用虛擬化技術建立一種模擬軟件在計算機網絡設備上，相對獨立，在運行中可以得到物理數據。通過這種虛擬仿真可以構建一種計算機網絡課程教學平臺，為網絡課程的教學和實踐提供依據。為教學提供決策指導。“虛擬仿真”在德國、日本、美國等一些科技發達的國家已經存在了二十多年的歷史，在網絡方面的應用也比較廣泛。現在應用于計算機網絡課程教學的“虛擬仿真”主要有兩種：一種是網絡仿真實驗，另一種是建立相關的網絡模型。因此，我們在學習的過程中，引入“虛擬仿真”技術可以大大提高學生的學習質量和效率，提高他們的興趣。“虛擬仿真”軟件相對來說趨向于人工智能。

3 關于仿真分析的數據

3.1 MATLAB軟件的介紹

仿真軟件包括 Network、 MATLAB 以及 OPNET等等， 一般MATLAB軟件具有可擴充性、顯著易用性，所以，在整個網絡仿真軟件中相對來說比較普遍. MATLAB是matrix&laboratory 兩個詞的組合[3]，意為矩 陣實驗室，軟件創設于美國，能夠讓信息數據、矩陣計算、數值分析等產生可視化效果，并且還可以集中非線性動態仿真應用 模式體系，讓開發環境全面、有效，并將其當成科學、系統的研究方法.此體系中包含的函數庫形成了相應的信號，在濾波器和噪聲過濾器中使用，從而產生顯著的效果.通過MATLAB 軟件進行編程仿真，可以解決理論和實驗不同步帶來的很多問題，可以對課堂上所講理論知識點進行驗證，通過數據，聲音或者圖形等形式展示出來. MATLAB 就是一款性能比較高的系統仿真軟件，它的圖形界面和優異的數值運算能力得到了業界的廣泛認可。

3.2 Opnet軟件的介紹

OPNET 最早由麻省理工學院信息決策實驗室受美國軍方委托開發[4]，它是OPNET Modeler的簡稱，是OPNET Technologies公司首推的商用網絡仿真軟件。Opnet有一些特點：1）用圖形化的編輯器和面向對象的建模方法進行開發;2）對數據包進行通信，數據包是Opnet中的一個基本單元，可以通過包在設備間的流動及其在設備內部的處理過程，模擬網絡網絡中數據包在協議過程中的傳遞;3）用離散事件仿真機制，進程層用有限狀態機對協議等這些過程來建模，轉移事件驅動狀態，這樣推進仿真進程;4）用進程、網絡層和節點層的3層建模機制，在節點層可以將他們互聯成設備，網絡層的時候可以互聯成網，進程模型位于最底層，通過有限狀態機來描述協議;節點模型由相應的協議模型組成，以設備特性來描述;而網絡模型則位于最上層，通過節點模型來反映現實網絡結構。圖1顯示了從建立模型、仿真、結果這幾部分構成。

Opnet仿真平臺的出現，為網絡管理提供了一種重要的手段，它是在Windows環境下運行，圖形的界面很豐富，也為網絡設計和規劃提供了可靠的依據，能夠模擬真實的網絡業務和環境，來達到測試產品的目的。

3.3 PacketTracer軟件

PacketTracer是Cisco公司為從事相關工作或技術愛好者定制的一種虛擬仿真平臺，它能讓學習者有種遠程操作設備或者現場操作網絡設備的感受，提供了全面的思科網絡仿真設備。幫助學習者理解基礎課程的知識和概念，提供了很真實的思科仿真環境，思科的一些相關認證考試項目進行模擬。

3.4 網絡仿真軟件NS

NS是一種免費的，源代碼公開的軟件，該軟件尤其適合TCP/IP的網絡仿真，應用于各種各樣的網絡體系結構和網絡協議。它屬于現在應用比較廣泛的網絡仿真軟件，一般選擇C++實現，網絡仿真通過環境參數和網絡組件的配置進行，時間越短越好。在配置網絡仿真中，實際環境中的網絡節點和節點機構很相似，他們對應著相應的分類器。NS為我們提供了一個好的平臺，結構清晰，它的源代理可以很自由的下載，非常利于構建新的網絡實體和協議，雖然NS的功能非常強大，但是我們學習的時候是不太容易上手的。它作為一種輔助教學方面的工具，現在漸漸被廣泛應用于計算機網絡教學方面。

3.5 仿真軟件的創新之處

隨著科學技術的不斷發展和進步，各個領域都在不斷地探索，計算機仿真技術成為了人類科學中的一項重要的技術手段。隨著近年來各個領域對計算機仿真技術方面的應用，使它得到了有效的發展。仿真技術在各個領域應用的都很多，比如在教學方面的發展，從我國現狀來看，主要是側重與高職高專個別專業和國內一些重點公辦大學，民辦院校對這一技術的應用和研究相對來說就不多。地方院校等一些應用性比較強的學校通過“服務地方，立足地方”的宗旨，通過提高學生的綜合實踐能力和創新精神，以“學生為中心”的改革理念，他們組建了專門的仿真實驗教學團隊、通過整合優化教學資源，開發虛擬仿真實驗以及校企合作等方法，分階段，逐步有計劃的推進中心建設工作。

虛擬仿真能夠將現在的教學實驗室進行虛擬化和數字化，虛擬仿真實驗教學是實驗教學中心和高等教育信息化的重要組成，是教學內容和教育信息化結合各個學科特色相融合的產物。應用比較好的虛擬實驗室有美國卡內基梅隆大學的化學工作站、美國斯坦福大學的生物醫學實驗室、土耳其加齊大學的虛擬直流電機實驗室等[5]。這些年，國內的高校對虛擬實驗的開發和研究不斷取得新的成果，虛擬仿真實驗在計算機網絡方面的應用已經非常普遍了。虛擬仿真實驗創新的三個方面：一、多年的教和學方式進行改善。通過虛擬仿真實驗系統，將多個設備聯系起來，實現多個學科的有機融合。二、實踐和理論的結合。將實驗課和理論課結合，克服了理論課的單調，抽象。將兩者結合起來，提高學生的學習興趣和實踐意識。三、機制創新。實行“團隊保障、立項支持、首席負責”的運行和建設機制。實現專業、實驗室和學科的一體化協調運行，增強了實驗教學的創新動力，將能力培養和素質教育融于實驗教學活動中，取得了科研和教學成果。

目前的創新創業教育存在著很多的問題，而且是客觀存在的一些問題，此時需要對創新創業進行指導、干預，這樣才能保障他們的正確方向，這些需要依賴完善和科學的創新創業評價和保障體系。現在很多創新創業教育的成果以形式化居多，重形式輕過程。虛擬仿真的創新創業評價體系以總結性評價為輔，形成性評價為主，強調過程，可以有效監督，指導創新創業教育的實施。保障創新創業有效，高質量的開展。

在教學中，把仿真技術和學生的理論學習，實踐學習結合起來，使學生快速理解抽象的理論知識，大大提高學生的學習效率，并能應用于實際的工作中，做到活學活用。虛擬仿真實踐可以很大的提高學生對知識的系統理解和對專業的服務，可以加強學生的創業能力和提升學生的創新思維，提升學生的整體素質。

4 仿真軟件在計算機網絡中的應用

虛擬仿真的應用可以降低學校教學設備的閑置，提高教學設備的使用，整合教學資源。

增強學生的理解能力，提高他們掌握知識的程度，對學生的實際應用和知識的消化理解都有重要的影響。大大提高了他們的思維創新和動手能力。從理論升華到了實踐操作，在實驗和實際操作中，教師通過結合教學實際，設計虛擬仿真模型，將學生的觀點和創新植入模型，在理論教學中，能夠很好地培養學生的創造和創新意識，理清學生的思路。通過虛擬仿真技術的應用，可以指引學生在計算機網絡方面對專業知識的認知和進一步理解，無論對實際的應用還是知識的掌握都有著非常重要的影響。虛擬仿真技術大大節約了教學成本，提高了教學的效率。理論知識轉化為實際的應用效果。綜上所述，虛擬仿真技術對計算機網絡技術具有實踐性和指導性，值得推廣和應用。

5 總結

隨著社會的不斷發展，計算機網絡技術的出現不僅為我國各行各業的發展提供了極大助理，也同時促進了我國教育事業的發展，尤其是仿真軟件的高度運用，更是極大促進了我國計算機網絡技術課程教學效率的提升。計算機網絡這門課程是理論和實踐相結合的課程，在計算機網絡中應用虛擬仿真技術，可解決計算機網絡課程在實踐中遇到的問題，提高學生實踐操作能力和學習的積極性，提高效率，降低成本，充分節約資源，讓學生很快理解和掌握知識的難點和重點。把虛擬仿真設備運用到特殊的場合和場地使用，學生在實際場景下學習，操作，打破了空間和實踐的限制，大大的加深了他們的印象，非常有利于實驗效果的完成，理論聯系實際，為日后使用設備打下了堅實的理論基礎。

網絡仿真技術主要應用于網絡設計方案，實施方面的方針，網絡的運行狀況，網絡的發展等方面的改進，測試，實現網絡建設的優化。虛擬仿真技術不管在用戶體驗還是技術方面都越來越成熟，在實踐教學，實驗等方面應用的越來越多，學生將從虛擬仿真中獲得越來越多的知識。虛擬仿真實驗將多媒體技術，計算機技術等有機結合起來，有效解決了實驗設備的不足等問題，對此，作為計算機網絡課程教師，應務必認識到運用仿真軟件的重要性，并積極思考結合仿真軟件的計算機網絡教學新手段，如此方能將計算機網絡相關知識更好地傳授給學生。綜上所述，虛擬放很技術對計算機望樓課程具有實踐性和指導性，很值得推廣和推薦，以虛擬仿真實驗為根據，對計算機網絡實踐深入研究，實驗，為以后更好地開展計算機網絡實踐課程提供幫助。

參考文獻：

[1] 歐陽志友，袁春蕾.物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設研究[J].計算機教育，2017（12）：155-158.

[2] 王娟，陳瑤.資源建設新形態：虛擬仿真資源的內涵與設計框架[J].中國電化教育，2016（12）：91-96.

[3] 譚艷春，樊海紅.MATLAB 和二維碼可視化技術在電路分析教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2018（02）：44-46.

[4] 魯開強.對仿真軟件 OPNET 和 NS2 的分析[J].科技創新與應用，2013（14）：84.

[5] 陸霞，田地，何禹潼，等.LA-ICP-MS網絡虛擬實驗室的研究與開發[J].實驗室研究與探索，2015，34（11）：120-123.

【通聯編輯：唐一東】