過去的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，我們主要采用課堂書本教學(xué)和多媒體課件形式，都是使學(xué)生被動(dòng)地接受較為抽象的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，沒有合適的可以滿足學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐的教學(xué)工具來加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，所以學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣不高，知識(shí)掌握量小，理解的程度也不深刻，仿真教學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程體系，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主觀能動(dòng)作用，開拓思路，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型， 并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸， 從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。由于仿真不是基于數(shù)學(xué)計(jì)算， 而是基于統(tǒng)計(jì)模型，因此，統(tǒng)計(jì)復(fù)用的隨機(jī)性被精確地再現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)（以下簡稱仿真教學(xué)系統(tǒng)），是軟硬件結(jié)合的教學(xué)工具，它能夠使學(xué)生理解和掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作狀況，編輯各種協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)，研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)部機(jī)理，同時(shí)可以學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)程序的編制和調(diào)試方法。

基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)作為講授計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程的平臺(tái)，特別是為講授TCP／IP協(xié)議族，提供了一套可視化的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。構(gòu)建仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的目的：①適合于計(jì)算機(jī)專業(yè)，或相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)。②該平臺(tái)設(shè)計(jì)獨(dú)立設(shè)課，單獨(dú)計(jì)學(xué)分，提供一套軟硬件設(shè)備和與之相配套的實(shí)驗(yàn)教材。③能夠真正地從理論和實(shí)踐兩方面提高學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)水平和能力。④培養(yǎng)不同類型的網(wǎng)絡(luò)人才，熟悉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作，進(jìn)行日常維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)管理。⑤該平臺(tái)設(shè)計(jì)使學(xué)生能夠?qū)W會(huì)軟件開發(fā)，排除網(wǎng)絡(luò)故障，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能等。

該系統(tǒng)平臺(tái)的特點(diǎn)：能夠計(jì)算校驗(yàn)和直接拷貝網(wǎng)絡(luò)地址來模擬網(wǎng)絡(luò)行為；提供多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析技術(shù)；實(shí)時(shí)解碼并實(shí)現(xiàn)詳細(xì)解碼分析；支持七層協(xié)議解碼分析、解碼數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)顯示；靈活的捕捉條件設(shè)置；靈活的統(tǒng)計(jì)報(bào)表；采用中文界面，系統(tǒng)操作簡單方便等。

1 仿真教學(xué)系統(tǒng)的組成和主要功能

1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由硬件、軟件、實(shí)驗(yàn)教材和教學(xué)課件組成，具有良好的擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模靈活配置。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是高校電氣信息類和計(jì)算機(jī)類專業(yè)的重點(diǎn)課程，在整個(gè)專業(yè)建設(shè)和課程體系中占據(jù)重要地位。目前高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程中還存在以下問題：①原理、概念多，涉及很多協(xié)議和算法，傳統(tǒng)教學(xué)模式不適合講授抽象的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)；②缺少必要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)缺乏實(shí)踐操作；像交換機(jī)、路由器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀等實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較昂貴，條件相對(duì)較差的學(xué)校買不起。教師和學(xué)生都難以更新和追蹤最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，滿足不了課程對(duì)學(xué)生知識(shí)、技術(shù)和研究能力方面的培養(yǎng)需求，不利于培養(yǎng)高層次的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)人才；③網(wǎng)絡(luò)知識(shí)培訓(xùn)無法深入，學(xué)生無法準(zhǔn)確地通過實(shí)驗(yàn)親自動(dòng)手來理解和掌握網(wǎng)絡(luò)的概念以及協(xié)議的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程。

硬件系統(tǒng)主要包括主控中心平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集器。硬件系統(tǒng)支撐網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，利用智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要快速切換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

軟件系統(tǒng)主要由仿真編輯器和協(xié)議分析器組成。仿真編輯器可以仿真各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，編輯和發(fā)送各種協(xié)議數(shù)據(jù)包，并提供多種實(shí)用性網(wǎng)絡(luò)工具。協(xié)議分析器可以捕獲和分析網(wǎng)絡(luò)中各種協(xié)議數(shù)據(jù)包，并能夠靈活地提取各種網(wǎng)絡(luò)行為。

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室配置為：一個(gè)主控中心平臺(tái)，30個(gè)數(shù)據(jù)采集器，30套仿真編輯器軟件和30套協(xié)議分析器軟件；與60臺(tái)PC機(jī)組成30個(gè)實(shí)驗(yàn)單元組，可滿足60個(gè)學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元組由一個(gè)數(shù)據(jù)采集器、一臺(tái)裝有仿真編輯器軟件的PC機(jī)和一臺(tái)裝有協(xié)議分析器軟件的PC機(jī)組成，組內(nèi)實(shí)驗(yàn)或全網(wǎng)實(shí)驗(yàn)通過數(shù)據(jù)采集器的切換開關(guān)來控制，實(shí)驗(yàn)單元組成圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)主要功能

基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)配置包括主控中心平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集器、仿真編輯器軟件以及協(xié)議分析器軟件。

1.2.1 主控中心平臺(tái)

主控中心平臺(tái)提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)控制局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流向、數(shù)據(jù)的橋接與路由，提高服務(wù)質(zhì)量等。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器以高阻旁路的方式采集鏈路信息，并可通過切換手動(dòng)開關(guān)采集單機(jī)或子網(wǎng)中的信息，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集，負(fù)責(zé)全網(wǎng)實(shí)驗(yàn)與單元組實(shí)驗(yàn)的切換。

1.2.3 仿真編輯器

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真編輯組件包括3個(gè)主要模塊：數(shù)據(jù)包編輯器、數(shù)據(jù)包發(fā)送器和TCP連接客戶端。數(shù)據(jù)包編輯器主要完成單幀編輯和幀序列編輯功能。單幀編輯模塊按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的層次關(guān)系，編輯單個(gè)數(shù)據(jù)幀，填寫各層次的協(xié)議首部，幀序列編輯模塊模擬某項(xiàng)完整的網(wǎng)絡(luò)行為，發(fā)送多個(gè)仿真數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)包發(fā)送器根據(jù)編輯好的幀序列文件發(fā)送數(shù)據(jù)包，將整個(gè)幀序列按時(shí)序發(fā)送出去。TCP連接客戶端編輯SMTP、POP3、FTP、HTTP等協(xié)議，并與主控設(shè)備直接通信。

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①全新的模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)理使其具有在高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下得到高可信度結(jié)果的特點(diǎn)；②網(wǎng)絡(luò)仿真的預(yù)測功能是其他任何方法都無法比擬的；③使用范圍廣，既可以用于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和擴(kuò)容，也可以用于新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，而且特別適用于中大型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；④初期應(yīng)用成本不高，而且建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以延續(xù)使用，后期投資還會(huì)不斷下降。

1.2.4 協(xié)議分析器

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析組件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析功能，如對(duì)各種協(xié)議進(jìn)行簡單解析或詳細(xì)解析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲、解碼與顯示以及過濾IP地址等。

2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)課程體系

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的整體思路：首先是能否從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概念入手，將通信的雙方構(gòu)造成為一***立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真編輯器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀，來模擬網(wǎng)絡(luò)通信與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境；其次是通過不斷地變更實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，來完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的需要，并結(jié)合對(duì)講授課過程中各層次知識(shí)點(diǎn)歸納和整理，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是根據(jù)教育部的教學(xué)大綱要求設(shè)計(jì)，較為全面系統(tǒng)地覆蓋了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了TCP／IP協(xié)議族中鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層的重點(diǎn)協(xié)議，能夠?qū)⒊橄笊鷿木W(wǎng)絡(luò)知識(shí)，以直觀、容易理解的方式展現(xiàn)出來，而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)一個(gè)課件，課件內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)說明、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟以及思考題，完全可以夠滿足高校對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)教學(xué)的需要。

2.1 基礎(chǔ)協(xié)議實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)協(xié)議實(shí)驗(yàn)在總實(shí)驗(yàn)中所占比重最大，主要用于幫助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、觀察及評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。先由教師給出實(shí)驗(yàn)的仿真源代碼的核心部分，學(xué)生根據(jù)教師的講解及關(guān)鍵部分的提示對(duì)TCL腳本做相應(yīng)的修改后運(yùn)行，仿真編輯器和協(xié)議分析器工具可以清晰地以動(dòng)畫形式演示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運(yùn)行過程。

學(xué)生還可以通過修改某一參數(shù)觀察網(wǎng)絡(luò)各性能指標(biāo)的變化，分析比較仿真結(jié)果，領(lǐng)會(huì)協(xié)議和算法的含義。這些性能主要是：①以太網(wǎng)基本協(xié)議包括滑動(dòng)窗口協(xié)議、停止等待協(xié)議、CSMA／CD協(xié)議等；②動(dòng)態(tài)路由學(xué)習(xí)采用距離矢量算法的動(dòng)態(tài)路由，并觀察當(dāng)鏈路狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，使用靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由之間的差異。通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以對(duì)動(dòng)態(tài)路由的路由信息的更新，有更直觀和清晰的認(rèn)識(shí)；③TCP性能及隊(duì)列管理機(jī)制通過DropTail和RED隊(duì)列管理機(jī)制，掌握帶寬和數(shù)據(jù)流數(shù)目對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量及端到端延遲的影響；④UDP實(shí)時(shí)傳輸學(xué)習(xí)測量以UDP為傳輸協(xié)議的應(yīng)用程序吞吐量、包延遲、抖動(dòng)率以及包丟失率；⑤流量整形器學(xué)習(xí)使用漏桶算法和令牌桶算法調(diào)整流量傳輸速率，并調(diào)整令牌桶流量整形器的桶深度、緩沖區(qū)大小，觀察是否影響傳送速率；⑥無線網(wǎng)絡(luò)傳輸了解隱藏站點(diǎn)和暴露站點(diǎn)的概念，掌握RTS／CTS的工作機(jī)制以及其如何降低隱藏站點(diǎn)發(fā)生的概率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)

為了降低網(wǎng)絡(luò)入侵帶來的風(fēng)險(xiǎn)，可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)來模擬網(wǎng)絡(luò)入侵。網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)是對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效手段，是信息安全技術(shù)的重要組成部分。攻防實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)從技術(shù)的角度敘述了攻防實(shí)驗(yàn)的主要方法，從而使攻防實(shí)驗(yàn)井然有序地進(jìn)行。

采用分層次的網(wǎng)絡(luò)安全中的加密技術(shù)、防火墻技術(shù)、VPN技術(shù)、無線接入安全和入侵檢測技術(shù)，通過一個(gè)個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)案例來論述每種安全技術(shù)在大型網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和實(shí)施，讓學(xué)生在掌握每種技術(shù)的基礎(chǔ)上了解網(wǎng)絡(luò)安全的整體架構(gòu)和綜合使用。

通過這部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)課程的學(xué)習(xí)，不僅能全面提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，而且還能讓學(xué)生切實(shí)了解自己所掌握的實(shí)際操作技能以及何時(shí)、何處、何種環(huán)境能夠應(yīng)用這些技能，真正做到學(xué)以致用。

2.3 網(wǎng)絡(luò)故障實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)故障實(shí)驗(yàn)包括沖突與網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴，路由環(huán)與網(wǎng)絡(luò)回路等。教師精心挑選的以設(shè)計(jì)性、科研性和探索性為主的實(shí)驗(yàn)題目，讓學(xué)生嘗試著去改進(jìn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，自己開發(fā)簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。①差異式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)不同數(shù)據(jù)流調(diào)節(jié)器的運(yùn)作機(jī)制，了解在差異式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的確保服務(wù)如何實(shí)現(xiàn)端到端的質(zhì)量保證；②多媒體傳輸性能分析了解影響多媒體傳輸質(zhì)量的因素，如壓縮量化參數(shù)、包大小和包錯(cuò)誤率，自行設(shè)計(jì)1個(gè)網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況，觀察并記錄改變Q值等參數(shù)對(duì)所接收視頻文件的影響；③無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能分析通過該實(shí)驗(yàn)，了解802.11 b吞吐量的極限值，掌握影響802.11 b吞吐量的因素如CSMA／CA策略和RTS／CTS、ACK對(duì)吞吐量的影響。

2.4 綜合型實(shí)驗(yàn)

綜合型實(shí)驗(yàn)主要用于學(xué)有余力的學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行的自主研究實(shí)驗(yàn)，采取3～5人為1組的形式旨在提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在綜合性實(shí)驗(yàn)中給出某企業(yè)的地理分布，部門及應(yīng)用系統(tǒng)等情況，讓學(xué)生根據(jù)這些背景，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，去設(shè)計(jì)該企業(yè)的整網(wǎng)安全解決方案，并且還要學(xué)生按照自己的設(shè)計(jì)來搭建該企業(yè)的仿真拓?fù)?。之后要求學(xué)生部署好安全策略來優(yōu)化這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)設(shè)置一些病毒和攻擊實(shí)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵業(yè)務(wù)造成侵?jǐn)_，鍛煉學(xué)生的處理問題的能力。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例

采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，可以分為2個(gè)步驟：第一步，創(chuàng)建一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，其中包括設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的連接狀況，節(jié)點(diǎn)之上各級(jí)代理的配置，以及各條線路的傳輸能力等。第二步，搭建好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之后，則需要將啟動(dòng)協(xié)議分析器并開始捕獲數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)議分析。下面通過驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用。

3.1 仿真拓?fù)浜蛥?shù)

仿真實(shí)驗(yàn)采用如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。IP地址分配規(guī)為主機(jī)使用原有IP，保證所有主機(jī)在同一網(wǎng)段內(nèi)。該拓?fù)涔?jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬是10 Mb／s，延遲為0μs，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包大小設(shè)為1kB。

3.2 仿真結(jié)果

使用ping命令來產(chǎn)生一個(gè)arp廣播報(bào)文。然后進(jìn)行捕包，由于已經(jīng)建立好廣播包過濾器，這里所捕獲的數(shù)據(jù)全是廣播數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)流量即每秒位數(shù)除以網(wǎng)絡(luò)帶寬。一般在以太網(wǎng)中，利用率達(dá)到50％就已經(jīng)是非常好的網(wǎng)絡(luò)了，因此如果廣播數(shù)據(jù)包的利用率達(dá)到30％以上，也可以說在100 M以太網(wǎng)中廣播數(shù)據(jù)達(dá)到30 M／s時(shí)，那網(wǎng)絡(luò)中就存在廣播風(fēng)暴。仿真結(jié)果網(wǎng)絡(luò)利用率如圖3所示。

仿真結(jié)束后，由圖3可知某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)內(nèi)充斥廣播數(shù)據(jù)包，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。由此驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴的工作過程。

4 結(jié)束語

采用基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡妗f(xié)議仿真和通信量仿真并模擬網(wǎng)絡(luò)流量在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中傳輸、交換等過程。該實(shí)驗(yàn)可以仿真網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù)和進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)性和設(shè)計(jì)性，有利于活躍學(xué)生的思維、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生一致認(rèn)為增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。下一步，將重點(diǎn)考慮引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生自主編程的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)高層次的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)人才。