NS-2网络模拟器在计算机网络教学中的应用探究

刘艳艳，李玉龙

（1.兰州交通大学 电子与信息工程学院，兰州 730070；2.兰州交通大学 数理与软件工程学院，兰州 730070）

在现代科技的发展进程中，物物相连的互连网（物联网）已成为新一代信息技术的重要组成部分，计算机网络知识的普及和应用也成为全民教育的一个重点，几乎所有的高校都以不同的形式开设了计算机网络课程，而这门课程具有较强的理论性和应用性，只靠传统的课堂讲授是远远不够的[1]。为了使学生能够更加深刻、形象地理解和应用所学到的网络技术，需要开设相应的实验课程，然而，由于实验设备的不足，不可能让学生进行充分的实物建模实验，很难做到学以致用。

本文结合自己的一些教学和实践经验，探讨了如何在计算机网络课程的教学中引入模拟仿真软件的问题，构建虚拟实验环境，并列举具体的应用实例，从而加深学生对网络体系结构和网络协议的理解，培养学生的动手实践能力。

1 NS-2网络模拟器简介

NS-2是Network Simulator-Version 2的缩写，是美国VINT Project的一部分[2]，由USI/ISI、Xeror、LNBL和UC Berkeley四个机构共同合作开发研制[3]。它是一个开源的免费软件，其目的是构造一个完整的网络仿真平台，实现网络协议的设计与开发。

NS-2是一个由C++和OTcl语言编写的、面向对象的、事件驱动的网络模拟器。实现了诸如TCP、UDP、NAC层协议、路由算法等网络协议，用户还可以根据需要进行扩展。从一个用户的角度来看，NS-2是面向对象的Tcl脚本解释器，其整个仿真流程如图1所示。使用NS-2进行网络模拟，与在真实网络上进行实验观察的过程非常相似。二者大致都可以分成三个阶段进行：建立网络模型、建立通信量模型和追踪分析[4]。

图1 NS-2仿真流程

2 教学应用实例

2.1 实验准备

（1）实验环境：WinXp+Cygwin+ns2.28[5]。

（2）了解TCP协议的原理，学习在NS-2中建立TCP与UDP联机。

（3）学习如何将模拟结果以直观图形的方式显示出来（如图1）。

2.2 建立网络模型

建立网络模型就是准备网络部件（节点和链路），决定网络的拓扑结构。这些是需要用命令来实现的，一般使用OTcl脚本方式。本应用实例采用如图2所示的网络模型。在我们建立的仿真场景下，假设有两个传输节点s1和s2，路由器r和数据接收终端d。

图2 实验用例的网络结构图

（1）创建节点脚本

（2）创建链路脚本

s1到r之间和s2到r之间的带宽为2Mbps，传输延迟为10ms。r到d之间的带宽为1.5Mbps，传输延迟为20ms。所有的链路队列管理机制都选用DropTail。

2.3 建立通信量模型

创建通信量模型就是指在网络中建立连接、创建流量，让网络模拟动起来。

s1到r之间有一条FTP联机，采用TCP连接来传送数据。s2到r之间有一条CBR联机，采用UDP连接来传送数据。CBR从0.1s开始传送，在4.5s结束；FTP从1.0s开始传送，4.0s结束。

3 运行脚本文件并进行结果分析

首先，根据具体要求编写TCL脚本，保存为example.tcl；然后打开Cygwin，进入图形化接口，输入命令：$ns example2.tcl，开始执行此TCL脚本；最后，通过动态显示工具NAM，可以形象地看到数据流的传输过程。执行结果如图3所示。

图3 网络的仿真过程

模拟结束后，NS-2会产生一个或多个记录文件，例如：out.tr文件，此跟踪记录文件的每一行都记录着数据包的传输过程，但从表面上很难观察和分析包的传输情况，通常可以使用awk语言工具进行数值分析，来提取所需要的数据（如：端到端的延迟、抖动率、封包遗失率、吞吐量等）。最后将数值分析的结果通过图形化显示工具（XGraph、gnuplot）显示出来，形成一份完整的实验报告。

4 总结

NS-2作为一种实用的网络仿真工具，将其应用在计算机网络教学中，有其独特的优势：不仅弥补了实验室设备的不足，而且让学生形象地看到协议的实现过程。这种新的辅助教学方法能够提高学生的积极性，培养学生的动手能力，取得良好的教学效果。

［1］高茜.计算机网络课程教学中网络仿真辅助教学方法的探讨［J］.计算机教育，2010（23）：70-73.

［2］赵志豪，钱强.网络业务的NS-2仿真实现［J］.计算机仿真，2004（11）：121-122.

［3］王秀利，王永吉.一种开源代码的网络仿真器的原理与实现［J］.计算机工程与应用，2004（15）：139-140.

［4］张基温.计算机网络实验与实践教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［5］柯志恒.NS2仿真实验——多媒体和无线网络通信［M］.北京：电子工业出版社，2009.