過去的計算機網絡課程，我們主要采用課堂書本教學和多媒體課件形式，都是使學生被動地接受較為抽象的網絡知識，沒有合適的可以滿足學生自己動手實踐的教學工具來加深對所學知識的理解，所以學生對網絡知識學習的興趣不高，知識掌握量小，理解的程度也不深刻，仿真教學系統作為一個獨立的實驗課程體系，強調學生的主觀能動作用，開拓思路，重點培養學生分析問題和解決問題的能力。

網絡仿真技術是一種通過建立網絡設備和網絡鏈路的統計模型， 并模擬網絡流量的傳輸， 從而獲取網絡設計或優化所需要的網絡性能數據的仿真技術。由于仿真不是基于數學計算， 而是基于統計模型，因此，統計復用的隨機性被精確地再現。

網絡協議仿真教學系統平臺（以下簡稱仿真教學系統），是軟硬件結合的教學工具，它能夠使學生理解和掌握網絡協議工作狀況，編輯各種協議數據報，研究網絡協議的內部機理，同時可以學習網絡環境設置，學習網絡程序的編制和調試方法。

基于網絡協議仿真軟件的實驗教學系統作為講授計算機網絡實驗課程的平臺，特別是為講授TCP／IP協議族，提供了一套可視化的實踐教學平臺。構建仿真教學系統平臺的目的：①適合于計算機專業，或相關專業本科生、研究生的計算機網絡課程學。②該平臺設計獨立設課，單獨計學分，提供一套軟硬件設備和與之相配套的實驗教材。③能夠真正地從理論和實踐兩方面提高學生的網絡知識水平和能力。④培養不同類型的網絡人才，熟悉網絡設備操作，進行日常維護和網絡管理。⑤該平臺設計使學生能夠學會軟件開發，排除網絡故障，優化網絡性能等。

該系統平臺的特點：能夠計算校驗和直接拷貝網絡地址來模擬網絡行為；提供多種網絡協議分析技術；實時解碼并實現詳細解碼分析；支持七層協議解碼分析、解碼數據關聯顯示；靈活的捕捉條件設置；靈活的統計報表；采用中文界面，系統操作簡單方便等。

1 仿真教學系統的組成和主要功能

1.1 系統組成和工作原理

基于網絡協議仿真軟件的實驗教學系統由硬件、軟件、實驗教材和教學課件組成，具有良好的擴展性，可以根據實驗室規模靈活配置。

計算機網絡課程是高校電氣信息類和計算機類專業的重點課程，在整個專業建設和課程體系中占據重要地位。目前高校在實驗教學實施過程中還存在以下問題：①原理、概念多，涉及很多協議和算法，傳統教學模式不適合講授抽象的網絡知識；②缺少必要的實驗設備使網絡教學缺乏實踐操作；像交換機、路由器、網絡協議分析儀等實驗設備比較昂貴，條件相對較差的學校買不起。教師和學生都難以更新和追蹤最新網絡技術，滿足不了課程對學生知識、技術和研究能力方面的培養需求，不利于培養高層次的計算機網絡人才；③網絡知識培訓無法深入，學生無法準確地通過實驗親自動手來理解和掌握網絡的概念以及協議的動態運行過程。

硬件系統主要包括主控中心平臺和數據采集器。硬件系統支撐網絡互聯，并提供各種網絡應用服務，利用智能網絡設備，可根據實驗需要快速切換網絡拓撲結構。

軟件系統主要由仿真編輯器和協議分析器組成。仿真編輯器可以仿真各種網絡協議，編輯和發送各種協議數據包，并提供多種實用性網絡工具。協議分析器可以捕獲和分析網絡中各種協議數據包，并能夠靈活地提取各種網絡行為。

該實驗教學系統實驗室配置為：一個主控中心平臺，30個數據采集器，30套仿真編輯器軟件和30套協議分析器軟件；與60臺PC機組成30個實驗單元組，可滿足60個學生同時實驗。每個實驗單元組由一個數據采集器、一臺裝有仿真編輯器軟件的PC機和一臺裝有協議分析器軟件的PC機組成，組內實驗或全網實驗通過數據采集器的切換開關來控制，實驗單元組成圖如圖1所示。

1.2 系統主要功能

基于網絡協議仿真軟件的實驗教學系統配置包括主控中心平臺、數據采集器、仿真編輯器軟件以及協議分析器軟件。

1.2.1 主控中心平臺

主控中心平臺提供各種網絡應用層服務和網絡連接服務控制局域網內的數據流向、數據的橋接與路由，提高服務質量等。

1.2.2 數據采集器

數據采集器以高阻旁路的方式采集鏈路信息，并可通過切換手動開關采集單機或子網中的信息，負責網絡數據的采集，負責全網實驗與單元組實驗的切換。

1.2.3 仿真編輯器

網絡協議仿真編輯組件包括3個主要模塊：數據包編輯器、數據包發送器和TCP連接客戶端。數據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絡協議的層次關系，編輯單個數據幀，填寫各層次的協議首部，幀序列編輯模塊模擬某項完整的網絡行為，發送多個仿真數據幀。數據包發送器根據編輯好的幀序列文件發送數據包，將整個幀序列按時序發送出去。TCP連接客戶端編輯SMTP、POP3、FTP、HTTP等協議，并與主控設備直接通信。

網絡仿真技術具有以下特點：①全新的模擬實驗機理使其具有在高度復雜的網絡環境下得到高可信度結果的特點；②網絡仿真的預測功能是其他任何方法都無法比擬的；③使用范圍廣，既可以用于現有網絡的優化和擴容，也可以用于新網絡的設計，而且特別適用于中大型網絡的設計和優化；④初期應用成本不高，而且建好的網絡模型可以延續使用，后期投資還會不斷下降。

1.2.4 協議分析器

網絡協議分析組件實現實時的網絡協議解析功能，如對各種協議進行簡單解析或詳細解析，對網絡原始數據進行實時捕獲、解碼與顯示以及過濾IP地址等。

2 仿真實驗教學系統課程體系

構建網絡協議仿真軟件的實驗教學系統的整體思路：首先是能否從計算機網絡協議概念入手，將通信的雙方構造成為一***立的網絡協議仿真編輯器和網絡協議分析儀，來模擬網絡通信與實驗教學環境；其次是通過不斷地變更實驗教學內容，來完成實驗教學任務。

根據計算機網絡教學的需要，并結合對講授課過程中各層次知識點歸納和整理，實驗內容都是根據教育部的教學大綱要求設計，較為全面系統地覆蓋了計算機網絡教學內容。實驗內容涵蓋了TCP／IP協議族中鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層的重點協議，能夠將抽象生澀的網絡知識，以直觀、容易理解的方式展現出來，而且每個實驗對應一個課件，課件內容包括：實驗說明、實驗原理、實驗步驟以及思考題，完全可以夠滿足高校對網絡基礎教學的需要。

2.1 基礎協議實驗

基礎協議實驗在總實驗中所占比重最大，主要用于幫助學生理解網絡協議、觀察及評價網絡性能指標。先由教師給出實驗的仿真源代碼的核心部分，學生根據教師的講解及關鍵部分的提示對TCL腳本做相應的修改后運行，仿真編輯器和協議分析器工具可以清晰地以動畫形式演示網絡協議的運行過程。

學生還可以通過修改某一參數觀察網絡各性能指標的變化，分析比較仿真結果，領會協議和算法的含義。這些性能主要是：①以太網基本協議包括滑動窗口協議、停止等待協議、CSMA／CD協議等；②動態路由學習采用距離矢量算法的動態路由，并觀察當鏈路狀態發生改變時，使用靜態路由和動態路由之間的差異。通過該實驗學生可以對動態路由的路由信息的更新，有更直觀和清晰的認識；③TCP性能及隊列管理機制通過DropTail和RED隊列管理機制，掌握帶寬和數據流數目對網絡吞吐量及端到端延遲的影響；④UDP實時傳輸學習測量以UDP為傳輸協議的應用程序吞吐量、包延遲、抖動率以及包丟失率；⑤流量整形器學習使用漏桶算法和令牌桶算法調整流量傳輸速率，并調整令牌桶流量整形器的桶深度、緩沖區大小，觀察是否影響傳送速率；⑥無線網絡傳輸了解隱藏站點和暴露站點的概念，掌握RTS／CTS的工作機制以及其如何降低隱藏站點發生的概率。

2.2 網絡攻防實驗

為了降低網絡入侵帶來的風險，可以運用網絡攻防實驗來模擬網絡入侵。網絡攻防實驗是對系統風險評估的有效手段，是信息安全技術的重要組成部分。攻防實驗重點從技術的角度敘述了攻防實驗的主要方法，從而使攻防實驗井然有序地進行。

采用分層次的網絡安全中的加密技術、防火墻技術、VPN技術、無線接入安全和入侵檢測技術，通過一個個具體的實驗案例來論述每種安全技術在大型網絡的應用和實施，讓學生在掌握每種技術的基礎上了解網絡安全的整體架構和綜合使用。

通過這部分實驗環節課程的學習，不僅能全面提高學生的實際動手能力，而且還能讓學生切實了解自己所掌握的實際操作技能以及何時、何處、何種環境能夠應用這些技能，真正做到學以致用。

2.3 網絡故障實驗

網絡故障實驗包括沖突與網絡廣播風暴，路由環與網絡回路等。教師精心挑選的以設計性、科研性和探索性為主的實驗題目，讓學生嘗試著去改進現有網絡協議并設計網絡拓撲，自己開發簡單的網絡協議。①差異式服務網絡學習不同數據流調節器的運作機制，了解在差異式服務網絡中的確保服務如何實現端到端的質量保證；②多媒體傳輸性能分析了解影響多媒體傳輸質量的因素，如壓縮量化參數、包大小和包錯誤率，自行設計1個網絡擁塞的情況，觀察并記錄改變Q值等參數對所接收視頻文件的影響；③無線網絡傳輸性能分析通過該實驗，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對吞吐量的影響。

2.4 綜合型實驗

綜合型實驗主要用于學有余力的學生利用課余時間進行的自主研究實驗，采取3～5人為1組的形式旨在提高學生運用所學知識解決實際問題的能力，以及培養學生的團隊協作精神。在綜合性實驗中給出某企業的地理分布，部門及應用系統等情況，讓學生根據這些背景，運用所學的知識，去設計該企業的整網安全解決方案，并且還要學生按照自己的設計來搭建該企業的仿真拓撲。之后要求學生部署好安全策略來優化這個網絡，同時設置一些病毒和攻擊實時對網絡關鍵業務造成侵擾，鍛煉學生的處理問題的能力。

3 網絡協議仿真實驗實例

采用網絡協議進行網絡仿真實驗，可以分為2個步驟：第一步，創建一個虛擬的網絡測試環境，其中包括設置好網絡中各節點的連接狀況，節點之上各級代理的配置，以及各條線路的傳輸能力等。第二步，搭建好網絡環境之后，則需要將啟動協議分析器并開始捕獲數據，進行協議分析。下面通過驗證網絡廣播風暴演示實驗系統的使用。

3.1 仿真拓撲和參數

仿真實驗采用如圖2所示的拓撲結構圖。IP地址分配規為主機使用原有IP，保證所有主機在同一網段內。該拓撲節點之間的網絡帶寬是10 Mb／s，延遲為0μs，網絡中的數據包大小設為1kB。

3.2 仿真結果

使用ping命令來產生一個arp廣播報文。然后進行捕包，由于已經建立好廣播包過濾器，這里所捕獲的數據全是廣播數據包，統計相應的參數。網絡中的實時流量即每秒位數除以網絡帶寬。一般在以太網中，利用率達到50％就已經是非常好的網絡了，因此如果廣播數據包的利用率達到30％以上，也可以說在100 M以太網中廣播數據達到30 M／s時，那網絡中就存在廣播風暴。仿真結果網絡利用率如圖3所示。

仿真結束后，由圖3可知某時刻網絡內充斥廣播數據包，從而導致網絡性能急劇下降，最終導致網絡癱瘓。由此驗證了網絡廣播風暴的工作過程。

4 結束語

采用基于網絡協議仿真軟件構建計算機網絡實驗教學系統，可實現網絡拓撲仿真、協議仿真和通信量仿真并模擬網絡流量在實際網絡中傳輸、交換等過程。該實驗可以仿真網絡的最新技術和進展，強調學生的主動性和設計性，有利于活躍學生的思維、培養學生的創新能力。學生一致認為增強了學習興趣，提升實驗教學效果。下一步，將重點考慮引導和培養學生自主編程的能力，培養學生的創新精神和綜合實踐能力，培養高層次的計算機網絡人才。