OPNET仿真在計算機網絡教學中的應用

秦娜 劉宴濤

摘? 要：計算機網絡是一門實操性很強的課程，傳統基于黑板或PPT的說教式教學往往使學生對知識的理解浮于表面，無法透徹地理解網絡的工作過程，如何提高學生的體驗度、理解度和實踐動手能力一直是計算機網絡教學中的難題。針對這一問題，用OPNET網絡仿真的方法為學生演示如何構建和控制網絡，讓學生真切地看到協議如何工作，數據包如何傳輸，網絡如何運行，從而增強體驗度和學習樂趣，提高學習效果。

關鍵詞：網絡仿真;OPNET;離散事件仿真;網絡協議

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A文章編號：2096-000X（2021）26-0126-06

Abstract： The course of Computer Networks is characterized with strong implementation. As a result， traditional teaching based on blackboard or slides could not clearly display the principle and workflow of networks. It is an everlasting embarrassment on how to improve the experience and implementation capability of students. To solve the problem， this paper applies OPNET simulation to display how to build and control a network， to show students how a protocol stack works， how a data packet is processed and transferred， and how a network is running， by which the students can greatly improve their experiences， interests and study effects.

Keywords： network simulation; OPNET; discrete-event simulation; network protocol

互聯網工業的蓬勃發展不斷催生出電子商務、門戶網站、網絡直播、視頻點播、搜索引擎、智能電網、5G、云計算、物聯網等眾多新技術、新經濟和新業態。這些新興的互聯網工業亟需大量熟悉計算機網絡知識的專門人才，建設好計算機網絡課程可以極大地幫助我國培育互聯網人才隊伍，助力國民經濟建設。

從普通高校來看，計算機網絡是電子信息工程、通信工程、計算機科學與技術等相關專業的專業基礎課，具有鮮明的跨學科、跨專業的特點，在本科生知識體系中起到奠基石的作用。計算機網絡和信號與系統、通信原理等課程具有不同的課程特點，信號與系統和通信原理等課程具有很多復雜的理論推導和數學計算，定理或定義的物理意義往往隱藏在數學公式中，因此這兩門課對學生的數學能力要求很高。與之形成鮮明對比的是，計算機網絡課程中幾乎沒有復雜的數學計算，但涉及大量的概念、技術、設備、操作等，具有鮮明的實操性特征。所以，傳統的基于黑板或PPT的說教式教學并不適用于計算機網絡的教學。為了提高計算機網絡的教學質量，在課程中應該加入更多的實驗操作環節。對于計算機網絡課程，學生更喜歡的學習方式是“你告訴我網絡是什么樣子，不如讓我看到網絡是什么樣子;你告訴我網絡如何運行，不如讓我控制網絡運行”。因此，計算機網絡課程應該把傳統的說教式教學轉變為演練式教學，而最好的演練式教學就是采用網絡仿真的方式。

一、網絡仿真

對網絡的學習和研究方法可以分為理論分析、物理實驗和網絡仿真三種。其中，基于數學建模的理論分析[1]多用于協議性能分析，且只能在比較理想和簡單的情況下才能起到較好的作用，若用來評估復雜的通信網絡則顯得力不從心。基于物理實驗的方法通過建立真實的軟硬件環境[2-3]研究網絡的各種性能，這種方法最接近實際網絡的運行情況，結果最真實可靠，但需要建立測試床或實驗室，具有成本高、周期長、靈活性差等缺點，尤其是對于大中型網絡，這種方法往往是不現實的。

網絡仿真是研究網絡的一種必不可少的手段，具有簡單、易實現、靈活性高、成本低、可信度高、演示性好、適用于各種網絡等優點，被科研院所、運營商、供應商、制造商大量應用于網絡研發工作。網絡仿真是計算機仿真技術的一種，這種技術不是基于數學計算，而是基于統計模型，通過建立網絡設備、鏈路和協議模型，模擬網絡流量的傳輸，以獲取網絡的性能參數，改善網絡運行狀況。網絡仿真能夠為網絡的規劃設計提供客觀定量的依據，能夠縮短網絡建設周期，減少建設成本，降低投資風險。此外，仿真所建立的模型靈活度高，在高度復雜的網絡環境中能得到具有高可信度的結果，因此非常適合大中型網絡的研發工作。網絡建模技術包括協議建模、設備建模、拓撲建模、流量建模、移動性建模等。

目前有幾種網絡仿真軟件或模擬器，比如Cisco Packet Tracer[4]，NS3，QualNet，GloMo sim[5]，OMnet[6]，華為eNSP[7]，GNS3[8]等等。綜合比較來看，OPNET[9-10]是最主流、最高端的網絡仿真軟件，無論是界面友好程度還是仿真建模能力都遠遠優于其他網絡仿真軟件。

OPNET采用三層建模機制，如圖1所示，網絡層建模用于生成網絡拓撲，由節點和鏈路構成;節點層建模構建節點的協議棧，各個協議模塊實現不同的功能;進程層建模具體實現了各個協議的功能，基于有限狀態機（FSM-Finite State Machine）實現。OPNET具有屬性提升功能，可以方便地把下層參數提升到上層加以修改。 OPNET提供了狀態變量、臨時變量和全局變量等多種變量形式，還提供了大量的核心函數，極大方便了仿真程序的開發。OPNET采用離散事件仿真機理，數據包的到達和定時中斷都被當做事件。與時間驅動相比，計算效率得到了很大提高，比如要知道數據包是否到達，不必每隔一定時間去周期性查看一次，而是數據包到達的中斷發生才去查看，每個時刻FSM將停留在某種狀態，只有當事件到達時才進行狀態的跳轉。