浅析计算机网络课程实验仿真实现方式
摘 要:
仿真方法是现代教学实验手段之一，通过仿真进行计算机网络教学课程实验设计是对教学内容的深化。本文阐述了现有的计算机网络教学实验仿真实现的主要思路及实现过程，并加以进行分析，探索了网络课程实验仿真实现的新思路。
关键词: 计算机网络 仿真技术 面向对象编程
1. 引言
随着计算机网络技术的发展，当今《计算机网络》课程已在许多学校广泛开设，课程内容主要注重网络的分层思想和各层协议的实现，内容广泛，涉及知识点相当多。而现在由于网络技术的飞速发展，不断出现新的网络技术和协议标准，多数教材由于篇幅的限制，课时的限制，内容设置侧重在基本原理上，并加以介绍新的技术标准为辅，由此在学习过程中学生往往有现实网络是具体的，技术是变化的，但所学的内容抽象，陈旧、空洞，与实际联系不紧，与技术发展脱节的感觉[1]。解决这种现象的一种比较好的方法是建立网络环境，在实践中感性认识网络，然而在大多数教材中，并未设置相关的课程实验内容。
在教学中许多高校采用了基于局域网的网络操作系统管理软件为实验内容，如WINDOWS NT等，效果并不好。主要因为局域网技术只是网络技术的一部分，局域网网络管理实验与教学内容相关性不大，许多重要的内容没有涉及；其次在屏蔽了技术细节的环境中进行实验，扼杀了学生设计、操作、观察、思考的能力。另一种比较常见的计算机网络课程实验开设方式是借鉴网络证书培训方式，建立网络硬件实验室，这种方式需要投入大量的人力物力资源，采用商用网络设备，往往还需要配置相应的网络软件，通过实验，虽然学生可以掌握网络设备的具体使用方法，但由于商业网络设备的使用本着易用的原则往往屏蔽了技术实现的细节，造成对网络的基础知识的了解不够完善。考虑既要建立网络环境，又要实现实验可重复性及可操作性，更重要的是可理解性，可以考虑采用仿真的方式作为一个重要的补充手段。由于教学实验仿真的目的是与教学内容相配合，应该具有自己的特点,抽象化、概念化网络设备，而不是建立各种不同的网络设备模型，如在现实中交换机多种多样，而在这里仅仅只有支持不同协议技术的交换机模型。
通过与教学同行的交流，我们可以剖析现有的主要仿真方式的思路及其实现过程。仿真系统的实现主要由硬件平台和软件平台组成.硬件平台的组成，既可以是单机，也可以是多机联网方式，联网的方式可以是通过串口连接也可以直接采取局域网方式或互联网方式。软件平台一般建立在微软的WINDOWS 架构上.
2.主要实现方式
2.1 建立在单机或局域网上的基于协议的教学仿真软件实现
此种方式通过仿真过程详细分析协议的性能，网络模型的建立将现实中的网络高度概念化、抽象化，组件的存在一般基于分层思想。仿真可以设计为单机运行方式，也可以设计为在局域网甚至互联网网络上进行。
仿真方式一般采用事件驱动法，通过事件的产生、处理、撤消推动仿真过程的实现。编程方法一般采用面向对象编程技术,如C++。网络的构成由已经简化和抽象过的网络设备及互连链路构成,文献[2]提出了用于计算机网络仿真的一些主要模型及设计。
可以通过组件的方式建立系统网络模型，先选择网络终端设备数量及类型，定义其相关属性，再定义它们之间的连接链路。网络拓扑结构可以是:星型、环型、树型等等，同时配置链路层协议。仿真过程可以通过设置观测窗口动态观测各个实体的运行状态。
比如链路ARQ协议的实现过程，可以分为三个部分仿真，分别为发送端程序、接收端程序及信道仿真程序。发送端、接收端程序实现数据帧、确认帧、否定帧的产生及接收、发送功能，同时需要在发送端设置超时计时器，解决因数据帧丢失或确认帧丢失带来的死锁现象，对信道仿真主要实现时延、丢失、差错三种情况的影响[3]。
首先进行信道的仿真实现，内容主要有两部分，一部分是设置发送站和接收站地址和端口信息，由于由两台计算机充当发送站和接收站，可以直接使用本机的IP 地址和端口；其次设置时延大小、数据帧丢失概率及数据帧发送差错概率。发送站的设置主要指设立超时计时器的大小，产生数据帧及发送，完成当接收不同响应帧和发送后超时未接收到响应帧时的处理。接收站主要负责接收数据帧及发出的相应的响应帧，在这里通过观测窗口可以比较发送数据帧与接受数据帧之间的误码。最后通过改变信道的参数和超时计时器的设置，观察传输结果。
链路ARQ 协议仅仅是众多协议中的一个，其它协议仿真实现方式与其类似。其仿真硬件平台既可以是单机也可以是局域网甚至互联网网络。为便于仿真实验教师指导，一般采用单机或局域网形式。由于局域网现在普及面很大，实现基于局域网络的网络仿真，可以充分利用现有资源。采用局域网方式，可以减少类似使用串口通信连接的环节，而且物理地址可以直接采用网卡的MAC 地址，网络地址可以直接使用本机已设置的IP 地址。虽然局域网从物理连接上看是星型的，从逻辑上看是总线型的，但可以通过定义访问列表定义为其它拓扑结构。采用局域网方式，可以方便地扩充仿真规模，其仅仅涉及到应用软件的安装，由于现有局域网都是10M/100M局域网，对网络高层的仿真容易实现。
采用基于某一种协议的教学仿真软件，服务对象是教学环节，容易与教学内容配合一致，能够将技术协议实现的具体细节完整地表现，是一个非常现实的而且效果很好的仿真方式。
2.2 通过串口多机联网的基于协议的教学仿真软件实现
串口资源是每一个计算机的标准配置，现在比较普及的USB也属于串行通信的扩展，并且串口通信编程比较容易，在短距离的计算机联网时，可以考虑串口通信。一般计算机都有二个串口(COM1和COM2)，而操作系统大多支持二个以上串口。如果只使用二个串口可以将计算机组成环型和星型结构，将每台计算机模拟为网络上的某一台网络设备，如果欲构建其它形式结构，那么需要增加多串口设备。
此种方式也是比较适合用于教学实验性质的一种仿真方式，可以按照分层思想，构建简化的网络模型，对每一层的实现的功能通过仿真说明。在物理层可以了解硬件连接状况，机械、电气规程，通过RS-232连接传输数据；在数据链路层通过观测窗口观察链路层是如何解决传输差错，丢失，延迟问题，可以以某一协议为例；在网络层通过在每台计算机上设置静态路由表，了解网络层是如何解决寻址和路由的；在传输层，通过设置计算机端口区别不同的应用进程；在应用层可以通过传输文件加以说明。
此种方式由于需要进行串口连接，比较形象，通过串口编程容易理解物理层的概念，分层思想明晰。需要在每台计算机上安装应用软件，仿真方法仍可以采用事件驱动法，编程方法一般采用面向对象编程技术。
此种方式的问题是连线比较多，如果需要扩大网络规模比较麻烦，尤其在环型结构时，只要有一处连接问题，就会影响下面的机器。
2.3 采用专业的网络仿真软件: 如：OPNET、NS2等等。
专业仿真软件可以进行网络规划设计、网络设备选择、网络设备配置、网络状态分析、网络优化策略的仿真，功能强大，编程量少，有助于学生把注意力放到网络功能实现上而不是编程语言的实现。采用专业网络仿真工具具有易于修改、节约时间、容易制成课件等优点。由于专业网络仿真软件是以商用网络为模型建立起来的，在使用中学生会有乾坤世界尽在方寸之间的感觉，极大地提高了实验兴趣。
现在以一个事例来说明专业仿真软件的方便之处。某一大型公司，其总部位于北京，在全国有若干个销售点，数据需要实时统计，如何建立这个网络?首先可以在总部建立一个由若干计算机构成的局域网，交换机可以选择某一具体型号的交换机(如:华为的2630)，然后在局域网内加入路由器(如CISCO的7505)，将路由器与交换机以100BaseT方式相连，这样就建立了总部的网络模型，在以类似的方式建立各个分支的网络后，再建立子网与子网路由器之间的互连，最后进行性能仿真，通过分析仿真结果再考虑是否进行网络的升级优化[4]。
通过这个例子，可以看到专业软件可以智能化进行网络仿真及分析而且界面一般很友好，通过仿真可以为设计网络提供性能的预测，也可以分析已有的网络，具有很强的实用性。
专业仿真软件往往功能强大，附带了大量的协议库函数，屏蔽了协议的细节，但其源代码往往是开放的，可以通过读源程序了解协议实现的具体过程，也可以根据需要通过添加或修改加入自己的源码来实现对协议的仿真。 在编程过程中，可以考虑简化方式，通过对特定的协议仿真实现，学生对网络系统有了更加深入的理解，提高了认识能力。
使用专业工具往往价格昂贵，安装复杂，对资源要求比较高，并且由于功能强大且复杂，需要教师花费大的精力熟悉使用。一些大的软件开发商出于推广的目的，采取对教育机构免费赠送的方式，这是获取其的一个途径，同时可获取其技术支持。
3.结论
网络仿真的形式多种多样，在教学中可以进一步探讨尝试。由于其可以启迪学生思路，引起深层次的互动，极大地提高了其学习兴趣。通过课程实验，有助于准确把握概念，既能分析基本的理论知识，又可以在实验过程中提高动手能力。作为一个现代化的教学手段，在提高教学质量的同时，为学生将来在工作中使用网络、设计网络、维护网络建立起系统的概念。
