基於網絡協議仿真軟體的實驗教學系統的建設

計算機網絡是計算機技術和通信技術密切結合的新技術領域．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佔據重要地位。但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，而且更新換代速度也快，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，不利於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。
為此，某高校計算機學院採用基於網絡協議仿真軟體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。藉助此系統還可講授網絡程序設計、網絡攻防和故障性能分析等相關知識。將網絡協議仿真教學系統運用到計算機網絡實驗課程教學中，通過對各種數據幀的靈活編輯、仿真發送、捕獲解析和會話分析，學生可以直觀地看到網絡協議的行
為，了解各種環境或因素對網絡的影響，將抽象的網絡概念形象化，把枯燥的網絡原理具體化，從而深入地理解和掌握網絡協議的內部原理和運行機制。

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
基於網絡協議仿真軟體的實驗教學系統由硬體、軟體、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。
硬體系統主要包括主控中心平臺和數據採集器。硬體系統支撐網絡互聯，並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。
軟體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，並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，並能夠靈活地提取各種網絡行為。
教學課件針對每個實驗設計教學課件，從理論基礎、實驗說明、實驗原理、網絡結構和實驗步驟、思考問題、實驗需求、實驗提示等方面對實驗內容進行詳盡說明，對於難以理解的內容提供動畫演示，輔助學生完成實驗課程。
某高校計算機學院基於網絡協議仿真軟體的實驗教學系統實驗室配置為：一個主控中心平臺，30個數據採集器，30套仿真編輯器軟體和30套協議分析器軟體；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採集器、一臺裝有仿真編輯器軟體的PC機和一臺裝有協議分析器軟體的PC機組成，組內實驗或全網實驗通過數據採集器的切換開關來控制，實驗單元組成圖如圖1所示。
基於網絡協議仿真的實驗教學系統的工作原理為：主控設備和數據採集器負責數據的橋接、路由與採集工作；在主控設備的控制下，分布在區域網路中的網絡協議仿真編輯組件仿真各種協議數據包；網絡協議分析組件實時地觀察到由網絡協議仿真編輯組件所產生的各種數據包以及模擬協議的實現過程，從而實現TCP／IP協議族的仿真教學。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202473.htm

1．2 系統主要功能
基於網絡協議仿真軟體的實驗教學系統配置包括主控中心平臺、數據採集器、仿真編輯器軟體以及協議分析器軟體。
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區域網內的數據流向、數據的橋接與路由，提高服務質量等。
1．2．2 數據採集器
數據採集器以高阻旁路的方式採集鏈路信息，並可通過切換手動開關採集單機或子網中的信息，負責網絡數據的採集，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係，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，並與主控設備直接通信。
仿真編輯器軟體可以仿真各種網絡協議，編輯和發送各種協議數據包，並提供多種實用性工具。具體功能為：1)實現TCP／IP各層協議仿真及各層協議欄位值的編輯，並對該幀進行直觀的ASCII碼和十六進位顯示；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)靈活的數據仿真發送功能，根據不同實驗的需要實現數據的單幀發送、多幀發送及重複發送；4)便捷的網絡掃描方式，提供主機掃描
和主機埠掃描功能；5)形象化的協議模型層次圖，使數據幀的編輯不再抽象，協議層次關係表現更清晰更直觀；6)提供多種輔助教學的實用性網絡工具(連接工具、工具、組播工具等)；7)運用多種協議模板快速建立一個數據幀，提高實驗操作的效率。
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位址等。
協議分析器軟體捕獲和分析網絡中各種協議數據包，並能夠靈活地提取各種網絡行為。具體功能：1)會話分析以圖解方式直觀表示出網絡會話過程，以及數據包的傳輸方向和功能；2)協議詳細解析對採集到的數據包進行逐層詳細解析，並以樹狀圖顯示，解析內容覆蓋TCP／IP協議族；3)多窗體數據分析對不同時間段採集到的數據幀進行對比分析，同時對不同網段中的數據包進行捕獲分析；4)提供對網絡拓撲結
構的智能化驗證；5)提供靈活的中英文協議解析和詳盡的幫助文件。

2 仿真實驗教學系統課程體系
構建網絡協議仿真軟體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臺獨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，並結合對講授課過程中各層次知識點歸納和整理，設計了一系列實驗包括基礎協議實驗、網絡攻防實驗、網絡故障實驗和綜合實驗等，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，完全能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佔比重最大，主要用於幫助學生理解網絡協議、觀察和評價網絡性能指標。首先由教師給出實驗的仿真原始碼的核心部分，學生根據教師的講解及關鍵部分的提示對TCL腳本做相應的修改後運行，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)乙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)動態路由學習採用距離矢量算法的動態路由，並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；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缺點，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；4)UDP實時傳輸學習測量以UDP為傳輸協議的應用程式吞吐量、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，並調整令牌桶流量整形器的桶深度、緩衝區大小，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。
採用分層次的網絡安全中的加密技術、防火牆技術、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
網絡故障實驗包括衝突與網絡廣播風暴，路由環與網絡迴路等。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並設計網絡拓撲，評測網絡性能，甚至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，觀察並記錄改變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。