扩展摘要(样稿)

基于 NS2 的计算机网络仿真教学系统构建 颜杰 武汉工程大学电气信息学院 摘要 在分析高校中的计算机网络课程存在的缺陷和不足的前提下 本文提出了 利用网络仿真软件 NS2 来构建一个计算机网络仿真平台 从而在一定程度上解决了计 算机网络教学中的难题 本文首先分析了 NS2 的基本原理 然后介绍了分析仿真数据 的四个重要的工具 最后根据困扰学生学习计算机网络的几个难点 设计了三个非常典 型的实验 通过运用 NS2 来完成这三个实验 可以使学生很好地解决计算机网络学习 中难题 并能对计算机网络产生一定的感性认识 从而极大地促进了计算机网络的学习 1 课题背景 现在高校的计算机网络课程主要是向学生讲解计算机网络的工作原理 其中需要介 绍大量的网络协议 由于这门课众多的基本概念 技术涉及到抽象的数学理论知识和大 量的网络协议 同时 受有限的资金和网络条件的限制 绝大数高校的实验室无法构建 大规模的实验平台 使得学生无法通过实验的方式获得感性认识 因此 长期以来很多 学生反映计算机网络的教学很枯燥 为了解决难题 可以设想构建一个计算机网络仿真平台 不仅可以演示底层协议的 工作原理 通过自己修改协议参数来改进协议并进行验证 还可以模拟网络拓扑和一些 网络设备的工作方式 仿真技术的引入 不仅可节约实验成本 极大地提高学生的积极 性 更提高了实验教学的水平和质量 基于上述思想 本文提出了运用网络仿真软件 NS2 来构建计算机网络教学实验 并对如何构建计算机网络教学实验进行了具体的分析 2 NS2 原理分析 NS2 Network Simulator version 2 是一种面向对象的网络仿真器 它使用C 和 Otcl作为开发语言 NS2实际上是一个离散事件模拟器 其核心部分是一个离散事件模 拟引擎 它有一个虚拟时钟 所有的仿真都由离散事件驱动的 NS2采用分裂对象模型 其构件库是用两种面向对象的语言编写的 C 和Otcl NS2中的构件一般都是由相互 关联的两个类来实现的 一个在C 中 一个在Otcl中 这种方式被称为分裂对象模型 构件的主要功能通常在C 中实现 Otcl中的类则主要提供C 对象面向用户的接口 C 和Otcl对象之间通过叫做TclCL的机制关联起来 目前NS2可以用于仿真各种不同的 通信网络 它功能强大 模块丰富 已经实现的一些仿真模块有 网络传输协议 如 TCP和UDP 业务源流量产生器 如FTP Web CBR和VBR 路由队列管理机制 如 Droptai RED和CBQ 路由算法 如Dijkstra 以及无线网络的WLAN Ad hoc路由 移动IP和卫星通信网络等 NS2也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些MAC子层 协议 因此 借助于功能强大的网络仿真软件 NS2 我们可以根据计算机网络课程的教学 内容 设计特色的网络模拟实验 学生能在模拟的仿真平台上观察到真个网络的运行情 况 从而能更好的理解课堂上的教学内容 利用 NS2 来设计网络模拟实验 也成为了 本文研究的重点 3 计算机网络仿真实验的设计 1 TCP 协议的模拟 本实验根据学生在 TCP 协议学习中遇到的困难 设计了一个 TCP 协议的模拟实验 在实验中可以很直观地看到 TCP 协议的实现过程 例如可以观察到 TCP 协议的慢启动 行为 在模拟结束后 为了能够让学生更加深入的了解 TCP 协议 本文还利用相关的 分析工具对实验得到的结果进行了分析 例如 本文利用 Gawk 和 Xgraph 分析 FTP 业 务 TCP 序列号的变化统计情况 得到的结果如图 1 所示 图 1 FTP 业务 TCP 序列号的变化统计 图中实线表示发送的 TCP 数据包 虚线表示接受到的数据包 X 轴表示时间 Y 轴表示数据包的序列号 从图中可以看到网络何时出现了拥塞情况 2 UDP 和 TCP 协议的比较 本实验通过在一个网络上运行 UDP 和 TCP 两种协议 从而可以比较它们之间的优 劣和差异 使得学生能够更加深入的理解这两种协议 并能够对网络传输层的理解获得 一定的帮助 为了便于学生的理解 本文建立了如下的实验场景 0 1 23 FTP TCP 2M 10ms CBR UDP 2M 10ms Size 10 1Mbps 1 5M 20ms sink null 图 2 实验拓扑结构 在仿真的动画演示中 学生可以清楚的看到 UDP 和 TCP 各自的运行机制 实验结 束后 本实验对仿真结束后得到的数据进行了重点的分析 例如 将利用 Gawk 和 Xgraph 统计网络中 UDP 与 TCP 的吞吐量随时间的变化情况 得到的结果如图 3 所示 图3 UDP与TCP的吞吐量 图中实线代表TCP的吞吐量 虚线代表UDP的吞吐量 从中可以很明显地看到 UDP TCP吞吐量的差异 模拟刚开始时 由于没有节点1 3之间还没有进行通信 所 以TCP的吞吐量在不断上升 但是 当节点1 3之间开始通信后 由于网络出现的拥塞 使得TCP的吞吐量开始下降 而UDP的吞吐量始终保持恒定 由此可以看出 面对网络 出现了拥塞 而且存在丢包情况 TCP协议做出了适当的调整来应对这种情况 而UDP 协议却没有采取措施 TCP协议的可靠性显而易见 3 简单的无线网络模拟 无线移动通信和移动终端技术的高速发展 使得无线网络的研究已经成为了新 世纪的研究热点 本实验通过模拟一个简单的无线移动网络 从而能在学生中起到 一个抛砖引玉的效果 在实验的动画演示中可以看到 三个节点由于相互之间的距 离甚远而无法通信 然后相互移动到各自的通信半径内进行通信的过程 最后本文 也对实验结果进行了分析 例如 对 FTP 业务 TCP 数据包序列号的变化统计和时 延分析 得到的结果如图 4 所示 图 4 FTP 业务 TCP 数据包序列号的变化统计和时延 从 xgraph 中可以观察到 TCP 数据包发送和接受的序列号的变化曲线和数据包 的延时 如在大概在 15s 左右的时候 TCP 数据包才开始被接受 也就是 TCP 协议 才开始通信 4 总结 教学实践表明 在计算机网络发展日趋复杂化的今天 计算机网络课程教学不仅要 求理论教学内容现代化 对实践性教学内容也要逐步现代化 不断探索和研究先进的教 学思想以及教学方法和手段 以激发学生对该门课程的学习兴趣 提高教学质量 本文 在分析了现行计算机网络教学中的不足的情况下 提出来构建基于NS2的计算机网络仿 真教学系统的设想 最后 根据计算机网络教学中的几个难点 设计开发了几个典型实 验 从实际实验运行的效果来看 NS2网络仿真软件在辅助计算机网络教学时 可以非 常直观地观察到网络中数据流的运行状态 还可以得到协议的各项内容 帮助学生深入 理解网络协议的实现原理 这无疑将对计算机网络课程的教学起到不可估量的作用 5 参考文献 1 徐雷鸣 厐博 赵耀 NS与网络模拟 M 北京 人民邮电出版社 2003 1 10 2 林怀清 王斌 戚玉华 基于NS2现代信息网课程教学研究 J 船舶电子工程 2006 5 3 4 3 王宇 赵千川 用仿真软件NS2进行IP网络的仿真 J 计算机应用与软件 2002 1 2 4 4 秦冀 姜雪松 移动IP技术与NS 2模拟 M 北京 机械工业出版社 2006 20 30 5 Chen Xuan Using NS and NAM in Education EB OL http www isi edu nsnam ns edu index html 2008 04 25 2008 04 30 6 Fall K Va