基于OPNET的计算机网络仿真实验教学

潘中强

摘要：针对计算机网络实验教学存在的问题，将OPNET网络仿真技术引入到计算机网络课程的实验教学中，以OSI参考模型为准绳，设计开发基于OPNET的一系列网络仿真实验，进行计算机网络课程的辅助教学，提高教学质量。

关键词：计算机网络;网络仿真;OPNET;教学

中图分类号： TP392      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）36-0130-02

Abstract： In order to solve the problems existing in the experimental teaching of computer network， OPNETnetwork simulation technology is introduced into the experiment teaching of computer network course. Based on OSI reference model， a series of network simulation experiments were designed and developed to assist the teaching of computer network courses to improve the teaching quality.

Key words： computer networks; network simulation; OPNET; education

1 概述

计算机网络是计算机科学技术最热门的分支之一。在计算机网络技术快速发展的新形势下，计算机网络的教学已成为计算机类专业及相关专业的重要课程[1]。该课程理论知识比较抽象，要想深入地理解计算机网络基本知识和概念，并运用于实际中，需要课堂和实验室的互补教学[2]。

传统实验教学存在软硬件要求高、设备昂贵且更新淘汰快、设备共享性差、实验时间和空间受限等弊端 [3]。网络仿真环境下的模拟实验很好地解决了这一问题，它将抽象的网络概念形象化，把枯燥的网络原理具体化，让学生直观地看到网络协议的行为，了解各种环境或因素对网络的影响。

在众多网络仿真软件中，OPNET是较好的一款[4]。与别的仿真软件相比，它提供了阶层性的模拟方式、开放易用的软件环境、便捷友好的结果分析界面[5]。利用OPNET仿真技术，可以搭建虚拟网络平台，模拟真实的网络环境，实现网络拓扑、协议、通信量仿真及网络流量在网络中的传输、交换等过程，并能够通过搜集分析网络性能参数，升级和优化网络，还能够进行网络故障分析、网络协议开发等[6]。

因此，本文尝试将OPNET运用到计算机网络实验教学中，以增强学生的动手能力和创新能力，提高教师的教研水平。

2 OPNET辅助教学

2.1 计算机网络基础课程分析

计算机网络课程为将来从事计算机网络通信领域的开发和研究、网络的使用和维护提供必要的基础知识。课程要求侧重掌握计算机网络体系结构、体系结构中各层次意义及其相互间关系以及网络互连等知识[8]。其主要教学任务就是OSI（Open System Interconnection）的七层模型，对于每一层上的相关协议，由于内容比较抽象且看不见摸不着，学生在学习的过程很快就会对枯燥难懂的协议格式感到厌烦，课堂教学效果当然不会理想。

动手实践能够帮助学生通过搭建网络，观察网络运行情况，获取网络相关数据进行比较，从而获得感性认识，深入透彻的理解和掌握网络，但是网络实验涉及交换机、路由器、计算机等大量设备，这些设备不仅昂贵，而且更新换代快，很多学校的硬件条件无法满足实验需求。因此引入仿真软件来搭建虚拟实验平台，设计合理的实验项目，弥补现实实验的不足，显得十分重要。

2.2 仿真实验体系设计

OPNET实验设计是在理论学习的基础上将抽象的网络概念具体化，模拟提供网络行为的可视化，将网络设备，互联拓扑结构及协议统一在一个可视的工作视图中，使离散的抽象网络概念具体统一在实际设计中。

具体步骤：

（1） 确定实验对象。本文针对的是网络课程设计的学生。

（2） 确定教学内容。以OSI七层模型为基础，涉及网络层、传输层等相关协议的应用。

（3） 明确教学目标。让学生结合理论知识分析问题，提高对知识的应用能力，达到活学活用的目的。

（4） 制定教学策略。按照由浅入深、由易到难、由下至上的原则。先熟悉OPNET模拟环境，能按步骤的完成实验，在完成实验的基础上运用知识进行网络性能的初步分析，最后将知识活学活用，明白产生结果的原因并思考如何改进。

（5） 评估教学效果。完成实验后，对所学知识进行总结、分析、考核。

依据计算機网络课程培养目标，采用基础操作型、综合型、设计创新型三个层次模式，设计计算机网络仿真实验体系如图1所示，以使学生从接受知识逐级提高到综合能力的培养。

2.3 仿真实验内容设计

依据OSI七层模型，按照由下向上，层层相扣，逐渐加大难度，与理论知识紧密结合的原则，设计六组实验，如表1所示。设计思路是：新实验内容会涉及做过的实验所搭建的模型，通过使用前面的实验作为踏板进一步理解将要学习的内容。通过前面对网络性能的分析，也有助于后面综合网络性能的分析。通过对运行网络模拟环境所得图像分析，让学生了解影响网络运行的因素，找出解决和改进的方法，并通过报告得出希望的结果。

表1  实验内容

[实验项目 实验目的 拓展知识 以太网直连网络的访问控制 验证以太网（CSMA/CD）的访问控制方法，按教演示步骤完成实验。 通过改变包的大小、网络负荷观察对的网络流量影响。 交换局域网 构建交换网络，通过配置网络参数，交换设备的类型查看对网络吞吐量与数据包碰撞的影响。 （1）解释为何加入交换机后延迟减小了。

（2）分析Hub的冲突域与交换机的冲突域，说明它们的区别。 网络层设计 设计一个基本的网络，查看不同的设计对网络性能的影响。 如何进行网络优化设计。 路由协议RIP设计 学习配置和分析RIP协议，配置网络参数，分析路由失效对RIP协议的影响。 分析Router1与Router2之间的链路失效，对整个网络中路由表的影响。 传输层TCP协议设计 验证拥塞控制算法所实现的TCP协议。 分析拥塞窗口大小对数据传输的影响。 应用层的设计 分析FTP应用程序的性能，在不同带宽、丢包率下应用程序的敏感性。 （1）解释为什么从FTP传输到客户端的消息主要是0字节的。

（2）什么影响FTP的下载速度。

（3）为什么重传增加了协议的拥塞延迟。 ]

2.4 仿真实验教学模式设计

学生在做实验前先收集和了解实验的原理和目标，然后老师利用多媒体课件和网络仿真软件进行知识点和实验要求的讲解，对试验中的难点进行演示。学生进行动手操作，完成实验，撰写实验报告。最后老师批改反馈，学生根据老师反馈情况，在仿真软件上进行自主探究学习。

3 结论

本文从教学应用角度出发，将网络仿真技术运用于网络实验课堂教学中，以OSI参考模型为准绳，摸索设计了一套通过网络仿真系统进行实验教学的方法。实践证明，该方法作为实践环节，丰富了实验教学内容，加深了学生对网络知识和技术的感性认识。对已具备一定的网络实验条件的院校，该方法也是对实践环节有益的补充。

参考文献：

[1] 满昌勇.计算机网络基础[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] 张晓明，陈明.计算机网络实践教学体系与能力培养[J].实验室研究与探索，2013，32（10）：401-404.

[3] 吴怡之，许红安.基于仿真技术的计算机网络课程辅助教学[J].东南大学学报：自然科学版，2007，33（2），247-250.

[4] 陳敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5] 应必娣，余燕平.基于OPNET的无线网络技术教学实验方法探讨[J].实验室科学，2013，16（2），99-102.

[6] 王文博，张金文.OPNET Modeler 与网络仿真[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[通联编辑：光文玲]