計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)和通信技術(shù)密切結(jié)合的新技術(shù)領(lǐng)域．計算機網(wǎng)絡(luò)課程是高校電氣信息類和計算機類專業(yè)的重點課程，在整個專業(yè)建設(shè)和課程體系中占據(jù)重要地位。但目前高校在實驗教學(xué)實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；2)缺少必要的實驗設(shè)備使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)缺乏實踐操作；像交換機、路由器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀等實驗設(shè)備比較昂貴，而且更新?lián)Q代速度也快，條件相對較差的學(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)，滿足不了課程對學(xué)生知識、技術(shù)和研究能力方面的培養(yǎng)需求，不利于培養(yǎng)高層次的計算機網(wǎng)絡(luò)人才；3)網(wǎng)絡(luò)知識培訓(xùn)無法深入，學(xué)生無法準確地通過實驗親自動手來理解和掌握網(wǎng)絡(luò)的概念以及協(xié)議的動態(tài)運行過程。
    為此，某高校計算機學(xué)院采用基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實驗教學(xué)系統(tǒng)作為講授計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程的平臺，特別是為講授TCP／IP協(xié)議族，提供了一套可視化的實踐教學(xué)平臺。借助此系統(tǒng)還可講授網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)攻防和故障性能分析等相關(guān)知識。將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)運用到計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程教學(xué)中，通過對各種數(shù)據(jù)幀的靈活編輯、仿真發(fā)送、捕獲解析和會話分析，學(xué)生可以直觀地看到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的行
為，了解各種環(huán)境或因素對網(wǎng)絡(luò)的影響，將抽象的網(wǎng)絡(luò)概念形象化，把枯燥的網(wǎng)絡(luò)原理具體化，從而深入地理解和掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)部原理和運行機制。

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)議仿真軟件的實驗教學(xué)系統(tǒng)由硬件、軟件、實驗教材和教學(xué)課件組成，具有良好的擴展性，可以根據(jù)實驗室規(guī)模靈活配置。
    硬件系統(tǒng)主要包括主控中心平臺和數(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)實驗需要快速切換網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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。
    教學(xué)課件針對每個實驗設(shè)計教學(xué)課件，從理論基礎(chǔ)、實驗說明、實驗原理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實驗步驟、思考問題、實驗需求、實驗提示等方面對實驗內(nèi)容進行詳盡說明，對于難以理解的內(nèi)容提供動畫演示，輔助學(xué)生完成實驗課程。
    某高校計算機學(xué)院基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實驗教學(xué)系統(tǒng)實驗室配置為：一個主控中心平臺，30個數(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PC機組成30個實驗單元組，可滿足60個學(xué)生同時實驗。每個實驗單元組由一個數(shù)據(jù)采集器、一臺裝有仿真編輯器軟件的PC機和一臺裝有協(xié)議分析器軟件的PC機組成，組內(nèi)實驗或全網(wǎng)實驗通過數(shù)據(jù)采集器的切換開關(guān)來控制，實驗單元組成圖如圖1所示。
    基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真的實驗教學(xué)系統(tǒng)的工作原理為：主控設(shè)備和數(shù)據(jù)采集器負責(zé)數(shù)據(jù)的橋接、路由與采集工作；在主控設(shè)備的控制下，分布在局域網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真編輯組件仿真各種協(xié)議數(shù)據(jù)包；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析組件實時地觀察到由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真編輯組件所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)包以及模擬協(xié)議的實現(xiàn)過程，從而實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議族的仿真教學(xué)。

1．2 系統(tǒng)主要功能
    基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實驗教學(xué)系統(tǒng)配置包括主控中心平臺、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
    主控中心平臺提供各種網(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，并可通過切換手動開關(guān)采集單機或子網(wǎng)中的信息，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集，負責(zé)全網(wǎng)實驗與單元組實驗的切換。
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完整的網(wǎng)絡(luò)行為，發(fā)送多個仿真數(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，將整個幀序列按時序發(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。
    仿真編輯器軟件可以仿真各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，編輯和發(fā)送各種協(xié)議數(shù)據(jù)包，并提供多種實用性工具。具體功能為：1)實現(xiàn)TCP／IP各層協(xié)議仿真及各層協(xié)議字段值的編輯，并對該幀進行直觀的ASCII碼和十六進制顯示；2)提供手工和自動計算校驗和方式，加深校驗和計算過程的理解；3)靈活的數(shù)據(jù)仿真發(fā)送功能，根據(jù)不同實驗的需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單幀發(fā)送、多幀發(fā)送及重復(fù)發(fā)送；4)便捷的網(wǎng)絡(luò)掃描方式，提供主機掃描
和主機端口掃描功能；5)形象化的協(xié)議模型層次圖，使數(shù)據(jù)幀的編輯不再抽象，協(xié)議層次關(guān)系表現(xiàn)更清晰更直觀；6)提供多種輔助教學(xué)的實用性網(wǎng)絡(luò)工具(連接工具、工具、組播工具等)；7)運用多種協(xié)議模板快速建立一個數(shù)據(jù)幀，提高實驗操作的效率。
1．2．4 協(xié)議分析器
    網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析組件實現(xiàn)實時的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析功能，如對各種協(xié)議進行簡單解析或詳細解析，對網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)進行實時捕獲、解碼與顯示以及過濾IP地址等。
    協(xié)議分析器軟件捕獲和分析網(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。具體功能：1)會話分析以圖解方式直觀表示出網(wǎng)絡(luò)會話過程，以及數(shù)據(jù)包的傳輸方向和功能；2)協(xié)議詳細解析對采集到的數(shù)據(jù)包進行逐層詳細解析，并以樹狀圖顯示，解析內(nèi)容覆蓋TCP／IP協(xié)議族；3)多窗體數(shù)據(jù)分析對不同時間段采集到的數(shù)據(jù)幀進行對比分析，同時對不同網(wǎng)段中的數(shù)據(jù)包進行捕獲分析；4)提供對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)
構(gòu)的智能化驗證；5)提供靈活的中英文協(xié)議解析和詳盡的幫助文件。

2 仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)課程體系
    構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實驗教學(xué)系統(tǒng)的整體思路：首先是能否從計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概念入手，將通信的雙方構(gòu)造成為一臺獨立的網(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)通信與實驗教學(xué)環(huán)境；其次是通過不斷地變更實驗教學(xué)內(nèi)容，來完成實驗教學(xué)任務(wù)。
    根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的需要，并結(jié)合對講授課過程中各層次知識點歸納和整理，設(shè)計了一系列實驗包括基礎(chǔ)協(xié)議實驗、網(wǎng)絡(luò)攻防實驗、網(wǎng)絡(luò)故障實驗和綜合實驗等，實驗內(nèi)容都是根據(jù)教育部的教學(xué)大綱要求設(shè)計，較為全面系統(tǒng)地覆蓋了計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容。實驗內(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)用層的重點協(xié)議，能夠?qū)⒊橄笊鷿木W(wǎng)絡(luò)知識，以直觀、容易理解的方式展現(xiàn)出來，而且每個實驗對應(yīng)一個課件，課件內(nèi)容包括：實驗說明、實驗原理、實驗步驟以及思考題，完全能夠滿足高校對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)教學(xué)的需要。
2．1 基礎(chǔ)協(xié)議實驗
    基礎(chǔ)協(xié)議實驗在總實驗中所占比重最大，主要用于幫助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、觀察和評價網(wǎng)絡(luò)性能指標。首先由教師給出實驗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TCL腳本做相應(yīng)的修改后運行，仿真編輯器和協(xié)議分析器工具可以清晰地以動畫形式演示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運行過程。
    學(xué)生還可以通過修改某一參數(shù)觀察網(wǎng)絡(luò)各性能指標的變化，分析比較仿真結(jié)果，領(lǐng)會協(xié)議和算法的含義。這些性能主要是：1)以太網(wǎng)基本協(xié)議包括滑動窗口協(xié)議、停止等待協(xié)議、CSMA／CD協(xié)議等；2)動態(tài)路由學(xué)習(xí)采用距離矢量算法的動態(tài)路由，并觀察當鏈路狀態(tài)發(fā)生改變時，使用靜態(tài)路由和動態(tài)路由之間的差異。通過該實驗學(xué)生可以對動態(tài)路由的路由信息的更新，有更直觀和清晰的認識；3)TCP性能及隊列
管理機制通過DropTail和RED隊列管理機制，了解被動式和主動式隊列管理機制的優(yōu)缺點，掌握帶寬和數(shù)據(jù)流數(shù)目對網(wǎng)絡(luò)吞吐量及端到端延遲的影響；4)UDP實時傳輸學(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(fā)生的概率。
2．2 網(wǎng)絡(luò)攻防實驗
    為了降低網(wǎng)絡(luò)入侵帶來的風(fēng)險，可以運用網(wǎng)絡(luò)攻防實驗來模擬網(wǎng)絡(luò)入侵。網(wǎng)絡(luò)攻防實驗是對系統(tǒng)風(fēng)險評估的有效手段，是信息安全技術(shù)的重要組成部分。攻防實驗重點從技術(shù)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(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)，通過一個個具體的實驗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。
   通過這部分實驗環(huán)節(jié)課程的學(xué)習(xí)，不僅能全面提高學(xué)生的實際動手能力，而且還能讓學(xué)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(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)故障實驗
    網(wǎng)絡(luò)故障實驗包括沖突與網(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)計性、科研性和探索性為主的實驗題目，讓學(xué)生嘗試著去改進現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲，評測網(wǎng)絡(luò)性能，甚至自己開發(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)器的運作機制，了解在差異式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的確保服務(wù)如何實現(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)、包大小和包錯誤率，自行設(shè)計1個網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況，觀察并記錄改變Q值等參數(shù)對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(xué)有余力的學(xué)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(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作精神。在綜合性實驗中給出某企業(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，運用所學(xué)的知識，去設(shè)計該企業(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)計來搭建該企業(yè)的仿真拓撲。之后要求學(xué)生部署好安全策略來優(yōu)化這個網(wǎng)絡(luò)，同時設(shè)置一些病毒和攻擊實時對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵業(yè)務(wù)造成侵擾，鍛煉學(xué)生的處理問題的能力。1)有線網(wǎng)絡(luò)性能分析了解并掌握常見的影響TCP效果的因素，如Round-Trip Times(RTF)、TimGranularity、Slow-startThreshold等，并對網(wǎng)絡(luò)進行綜合測試，盡而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。2)無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)了解如何在中建立無線Adhoc網(wǎng)，學(xué)會分析無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如DSDV、AODV以及DSR)的性能參數(shù)。改變最大連接數(shù)和包傳送速率后，重新評價3個路由協(xié)議的性能。
    通過以上基礎(chǔ)協(xié)議實驗、網(wǎng)絡(luò)攻防實驗、網(wǎng)絡(luò)故障實驗及綜合型實驗，使得學(xué)生有較寬的知識面和進一步發(fā)展的基本能力，較強的實際應(yīng)用能力，具有應(yīng)用已掌握的基本知識解決實際應(yīng)用問題的能力，不斷增強系統(tǒng)的應(yīng)用、開發(fā)以及不斷獲取新知識的能力。
    在現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識教學(xué)方式和教學(xué)手段的基礎(chǔ)上，開發(fā)計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)實驗，作為現(xiàn)有教學(xué)方式和教學(xué)手段的一種補充，編排的實驗課程強調(diào)學(xué)生的動手實踐和設(shè)計分析能力，著力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。學(xué)生可以在實驗中去學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論，又可以將所學(xué)理論應(yīng)用到實踐當中，既可以承擔(dān)實際系統(tǒng)的開發(fā)，又可進行科學(xué)研究，增強自己的動手能力，真正做到理論和實踐相結(jié)合。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真實驗實例
   采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)仿真實驗，可分為2個步驟：首先創(chuàng)建一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，其中包括設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的連接狀況，節(jié)點之上各級代理的配置，以及各條線路的傳輸能力等。搭建好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之后，就需要將啟動協(xié)議分析器并開始捕獲數(shù)據(jù)，進行協(xié)議分析。下面通過驗證網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴演示實驗系統(tǒng)的使用。
3．1 仿真拓撲和參數(shù)
    仿真實驗采用如圖2所示的拓撲結(jié)構(gòu)圖。IP地址分配規(guī)為主機使用原有IP，保證所有主機在同一網(wǎng)段內(nèi)。該拓撲節(jié)點之間的網(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1 kB。

3．2 仿真結(jié)果
    使用ping命令(目的主機是本網(wǎng)段內(nèi)的主機)來產(chǎn)生一個arp廣播報文。然后進行捕包，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)計相應(yīng)的參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)中的實時流量即每秒位數(shù)除以網(wǎng)絡(luò)帶寬(100 M以太網(wǎng)或1 000 M以太網(wǎng))。通常在以太網(wǎng)中，利用率達到50％就已經(jīng)是非常好的網(wǎng)絡(luò)了，所以如果廣播數(shù)據(jù)包的利用率達到30％以上，也就是說在100 M以太網(wǎng)中廣播數(shù)據(jù)達到30 M／s時，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)建計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)系統(tǒng)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲仿真、協(xié)議仿真和通信量仿真并模擬網(wǎng)絡(luò)流量在實際網(wǎng)絡(luò)中傳輸、交換等過程。該實驗教學(xué)系統(tǒng)不僅可仿真計算機網(wǎng)絡(luò)課程中的大部分原理和協(xié)議，而且可以仿真網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù)和進展，強調(diào)學(xué)生的主動性和設(shè)計性，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)生一致認為利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真系統(tǒng)將抽象的知識變得直觀有趣化，增強了學(xué)習(xí)興趣，提升實驗教學(xué)效果。下一步，將重點考慮引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生自主編程的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合實踐能力，培養(yǎng)高層次的計算機網(wǎng)絡(luò)人才。