基于OPNET的高职院校“计算机网络理论”仿真与实践

刘志江

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

目前，随着云计算、大数据和虚拟技术在各种领域的研究和应用，新型的信息化和智能化已经遍布在我们周围，并极大地改变着人们的生活学习和工作。在这样一个大的背景下，作为信息资源利用和创造性最积极活跃的高校，不仅要从多个角度对信息理论展开相关研究和实践工作，而且要结合市场需求对人才培养模式和方法实现突破和创新。作为高技能型人才培养的高职院校，在不断加快课程改革和实践的同时，既要了解行业领域的前沿技术，而且要把新的课程改革和课程体系建设纳入教学实践工作中。

“计算机网络理论”课程是作为高校培养计算机信息类人才而设置的专业核心课。从近几年的教学实践来看，“计算机网络理论”课程在部分高职院校已经开设并安排了实践训练，但是很多的学校并没有开设专门的一门相关课程进行专业的训练和能力培养。从课程的整体设计上来看，安排的实践和实验课程只注重对学生相关理论体系的介绍，而忽视了对理论的直观性体验和实践。许多学校虽然开设了计算机网络课程设计及实验课程，但是该课程的重点是对传统的计算机网络体系结构、主要原理和关键技术的介绍和传授，并没有把新知识、新技术和新领域特点融入实践性强的计算机网络课程中，学生的网络实践能力和解决问题的能力没有得到积极的培养和加强。普通高职院校在计算机网络应用型人才的培养模式中，不仅要注重理论和实践相结合，而且要注重新型课程的和引入和开设工作。

1 存在的问题分析

（1）随着计算机网络技术和通信技术在各种领域的融合和发展，传统的基于传输数据为主的网络在生存性和可扩展性方面已经不能很好地适应生产和经营的需要。而企业在解决此类问题时，往往需要专业的网络和咨询公司分析评价网络利用效率，然后进行经验性的改造，而这种经验性的改造不仅目标性和针对性不强，同时对问题的实质把握不准。

（2）高校在培养计算机网络和信息类专业人才时，注重传统的理论课程的讲授和实践，而对于新型的学科领域或是交叉学科领域的知识较少，因此学生在解决实际的问题时实践能力较差，无法利用有效的工具和软件解决现有问题。

（3）许多高校开设了专门的计算机网络实验和课程设计课程，但由于每个学校对信息领域的把握和认识不同，很多高校仅限于传统网络内容的教学和实践，对新兴技术和领域的教学实践很少。

（4）利用目前主流的网络仿真技术和主流的平台搭建为解决上述问题提供了有力的理论和实践保障，对有效解决网络问题和深入开展网络实践教学具有现实意义。

本次基于“计算机网络理论”仿真课程实践内容是针对计算机网络和信息领域人才专业培养方面的缺失和面对企业用人的能力困境，提出的一次课程设计的有益探索和实践。

2 网络仿真平台介绍

OPNET软件是一款在计算机网络仿真、网络规划、协议分析、流量预测等方面具有代表性的高性能仿真平台，该软件已经在军事、教育、科研、网络运营和许多领域被广泛地使用[1]。它通过离散状态驱动机制对网络通信的各个环节和细节进行精准的仿真，能很好地理解和实践计算机网络通信中各类协议、阶段、状态跳转过程。

基于OPNET的“计算机网络理论”课程除了进行传统的计算机网络基础课程的学习外，新增加一些实验和网络设计部分，使学生通过对OPNET仿真平台[2]的深入了解和分析基础上，选取几个具有代表性和针对性的仿真案例作为设计目标，通过详细的步骤展示和应用过程，使学生掌握网络数据的报文封装、包的转移、和性能统计和各种工作机制的过程性概况。不仅从整体上对计算机网络有一个把握和理解，从微观角度和细小粒度上开展实践和应用[3]。本次研究整体从以下4个方面开展。

（1）计算机网络基础理论：TCP/IP协议栈、OSI参考模型中每层的关键协议体系和工作机制和原理、二层协议VLAN和3层路由协议。

（2）通信模型建模方法：ON-OFF模型、马尔科夫模型、自相似模型等。通过搭建和模拟系统自带的或是针对某个具体网络的数据流模型，可以较好地分析和比较不同背景流量下的性能指标[4]。

（3）排队论基础：对M/M/1型网络进行研究，对M/M/n型网络的研究，图论基础、最小生成树算法等。排队论是计算机网络基础理论，通过对各种排队模型的比较和分析，对常见的语音信号、数据信号、多媒体信号的仿真和模拟，较好地理解网络的实质。

（4）基于面向对象语言的深入学习和实践。例如Java和C++的通信编程方法等。学生虽然开设了C语言、Java语言等，但是主要偏重Web开发、系统开发，通过对通信系统的开发和应用，理解通信协议的工作过程和原理。

3 研究的主要思路和方法

（1）资料整理和收集阶段。调研收集“计算机网络理论”课程的有关资料和文献研究，重点对网络仿真工具OPNET深入学习和研究；总结当前研究的主要问题、难点和热点。

（2）OPNET软件的功能和性能优势比较。对基于离散时间驱动模型的OPNET从模型建立、节点建立、状态机建立、管道阶段等进行深入的研究和实践，学习OPNET核心函数和实现的方法。

（3）对当前信息网络安全性进行分析，对具有代表性的常见的网络攻击和防护措施进行仿真和模拟，建立合理的模型进行分析和实证研究。例如DDOS攻击，ICMP-FLOOD，SYN-FLOOD等。

4 实验课程设计

（1）LAN型网络的实验课程设计，重点分析其时延和网络稳定性。

（2）简单M/M/1排队系统课程设，对网络常见的排队理论进行仿真实验。

（3）M/M/2和M/M/n排队模型进行仿真，并分析仿真结果，用OPNET进行仿真，并用仿真结果与理论计算的结果以及用C程序仿真的结果三者进行比较分析[5]。

（4）用OPNET进行CSMA/CD协议仿真。

（5）用OPNET对应用层协议Http和Ftp等的业务仿真。

（6）用OPNET对RIP和OSPF路由协议等网络协议进行业务仿真，并进行对比和分析其网络性能和参数。对有代表性的参数进行观察分析和优化。

（7）用OPNET实现WLAN的相关协议进行仿真分析（例如802.14），并比较其性能。基于802.14.5的ZigBee协议分析研究等。

（8）用OPNET对复杂网络仿真。

5 结语

本次课题的实现是在充分调研了目前高校开展“计算机网络理论”课程基础上，结合高职院校培养学生理论和技能双重标准下，基于OPNET仿真软件开展的一次有意义的尝试和实践工作。通过笔者对多年的计算机网络授课工作中，发现的突出问题进行归纳总结基础上，基于对课程改革和创新目前，在国内的专著和文献资料中对以上设计进行了针对性的仿真和模拟，而且比较分散。没有专门的书籍将基本的网络仿真方法进行详细介绍并提供设计思路和仿真方法。国内的陈敏出版了OPNET网络仿真和OPNET物联网仿真，还有电子科大李磬、叶明编著的OPNET网络建模与仿真等。