基于网络协议仿真软件的实验教学系统的建设

计算机网络是计算机技术和通信技术密切结合的新技术领域．计算机网络课程是高校电气信息类和计算机类专业的重点课程，在整个专业建设和课程体系中占据重要地位。但目前高校在实验教学实施过程中还存在以下问题：1)原理、概念多，涉及很多协议和算法，传统教学模式不适合讲授抽象的网络知识；2)缺少必要的实验设备使网络教学缺乏实践操作；像交换机、路由器、网络协议分析仪等实验设备比较昂贵，而且更新换代速度也快，条件相对较差的学校买不起。教师和学生都难以更新和追踪最新网络技术，满足不了课程对学生知识、技术和研究能力方面的培养需求，不利于培养高层次的计算机网络人才；3)网络知识培训无法深入，学生无法准确地通过实验亲自动手来理解和掌握网络的概念以及协议的动态运行过程。
    为此，某高校计算机学院采用基于网络协议仿真软件的实验教学系统作为讲授计算机网络实验课程的平台，特别是为讲授TCP／IP协议族，提供了一套可视化的实践教学平台。借助此系统还可讲授网络程序设计、网络攻防和故障性能分析等相关知识。将网络协议仿真教学系统运用到计算机网络实验课程教学中，通过对各种数据帧的灵活编辑、仿真发送、捕获解析和会话分析，学生可以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，将抽象的网络概念形象化，把枯燥的网络原理具体化，从而深入地理解和掌握网络协议的内部原理和运行机制。

1 仿真教学系统的组成和主要功能
1．1 系统组成和工作原理
    基于网络协议仿真软件的实验教学系统由硬件、软件、实验教材和教学课件组成，具有良好的扩展性，可以根据实验室规模灵活配置。
    硬件系统主要包括主控中心平台和数据采集器。硬件系统支撑网络互联，并提供各种网络应用服务，利用智能网络设备，可根据实验需要快速切换网络拓扑结构。
    软件系统主要由仿真编辑器和协议分析器组成。仿真编辑器可以仿真各种网络协议，编辑和发送各种协议数据包，并提供多种实用性网络工具。协议分析器可以捕获和分析网络中各种协议数据包，并能够灵活地提取各种网络行为。
    教学课件针对每个实验设计教学课件，从理论基础、实验说明、实验原理、网络结构和实验步骤、思考问题、实验需求、实验提示等方面对实验内容进行详尽说明，对于难以理解的内容提供动画演示，辅助学生完成实验课程。
    某高校计算机学院基于网络协议仿真软件的实验教学系统实验室配置为：一个主控中心平台，30个数据采集器，30套仿真编辑器软件和30套协议分析器软件；与60台PC机组成30个实验单元组，可满足60个学生同时实验。每个实验单元组由一个数据采集器、一台装有仿真编辑器软件的PC机和一台装有协议分析器软件的PC机组成，组内实验或全网实验通过数据采集器的切换开关来控制，实验单元组成图如图1所示。
    基于网络协议仿真的实验教学系统的工作原理为：主控设备和数据采集器负责数据的桥接、路由与采集工作；在主控设备的控制下，分布在局域网络中的网络协议仿真编辑组件仿真各种协议数据包；网络协议分析组件实时地观察到由网络协议仿真编辑组件所产生的各种数据包以及模拟协议的实现过程，从而实现TCP／IP协议族的仿真教学。

1．2 系统主要功能
    基于网络协议仿真软件的实验教学系统配置包括主控中心平台、数据采集器、仿真编辑器软件以及协议分析器软件。
1．2．1 主控中心平台
    主控中心平台提供各种网络应用层服务和网络连接服务控制局域网内的数据流向、数据的桥接与路由，提高服务质量等。
1．2．2 数据采集器
    数据采集器以高阻旁路的方式采集链路信息，并可通过切换手动开关采集单机或子网中的信息，负责网络数据的采集，负责全网实验与单元组实验的切换。
1．2．3 仿真编辑器
    网络协议仿真编辑组件包括3个主要模块：数据包编辑器、数据包发送器和TCP连接客户端。数据包编辑器主要完成单帧编辑和帧序列编辑功能。单帧编辑模块按照网络协议的层次关系，编辑单个数据帧，填写各层次的协议首部，帧序列编辑模块模拟某项完整的网络行为，发送多个仿真数据帧。数据包发送器根据编辑好的帧序列文件发送数据包，将整个帧序列按时序发送出去。TCP连接客户端编辑SMTP、POP3、FTP、HTTP等协议，并与主控设备直接通信。
    仿真编辑器软件可以仿真各种网络协议，编辑和发送各种协议数据包，并提供多种实用性工具。具体功能为：1)实现TCP／IP各层协议仿真及各层协议字段值的编辑，并对该帧进行直观的ASCII码和十六进制显示；2)提供手工和自动计算校验和方式，加深校验和计算过程的理解；3)灵活的数据仿真发送功能，根据不同实验的需要实现数据的单帧发送、多帧发送及重复发送；4)便捷的网络扫描方式，提供主机扫描
和主机端口扫描功能；5)形象化的协议模型层次图，使数据帧的编辑不再抽象，协议层次关系表现更清晰更直观；6)提供多种辅助教学的实用性网络工具(连接工具、工具、组播工具等)；7)运用多种协议模板快速建立一个数据帧，提高实验操作的效率。
1．2．4 协议分析器
    网络协议分析组件实现实时的网络协议解析功能，如对各种协议进行简单解析或详细解析，对网络原始数据进行实时捕获、解码与显示以及过滤IP地址等。
    协议分析器软件捕获和分析网络中各种协议数据包，并能够灵活地提取各种网络行为。具体功能：1)会话分析以图解方式直观表示出网络会话过程，以及数据包的传输方向和功能；2)协议详细解析对采集到的数据包进行逐层详细解析，并以树状图显示，解析内容覆盖TCP／IP协议族；3)多窗体数据分析对不同时间段采集到的数据帧进行对比分析，同时对不同网段中的数据包进行捕获分析；4)提供对网络拓扑结
构的智能化验证；5)提供灵活的中英文协议解析和详尽的帮助文件。

2 仿真实验教学系统课程体系
    构建网络协议仿真软件的实验教学系统的整体思路：首先是能否从计算机网络协议概念入手，将通信的双方构造成为一台独立的网络协议仿真编辑器和网络协议分析仪，来模拟网络通信与实验教学环境；其次是通过不断地变更实验教学内容，来完成实验教学任务。
    根据计算机网络教学的需要，并结合对讲授课过程中各层次知识点归纳和整理，设计了一系列实验包括基础协议实验、网络攻防实验、网络故障实验和综合实验等，实验内容都是根据教育部的教学大纲要求设计，较为全面系统地覆盖了计算机网络教学内容。实验内容涵盖了TCP／IP协议族中链路层、网络层、传输层、应用层的重点协议，能够将抽象生涩的网络知识，以直观、容易理解的方式展现出来，而且每个实验对应一个课件，课件内容包括：实验说明、实验原理、实验步骤以及思考题，完全能够满足高校对网络基础教学的需要。
2．1 基础协议实验
    基础协议实验在总实验中所占比重最大，主要用于帮助学生理解网络协议、观察和评价网络性能指标。首先由教师给出实验的仿真源代码的核心部分，学生根据教师的讲解及关键部分的提示对TCL脚本做相应的修改后运行，仿真编辑器和协议分析器工具可以清晰地以动画形式演示网络协议的运行过程。
    学生还可以通过修改某一参数观察网络各性能指标的变化，分析比较仿真结果，领会协议和算法的含义。这些性能主要是：1)以太网基本协议包括滑动窗口协议、停止等待协议、CSMA／CD协议等；2)动态路由学习采用距离矢量算法的动态路由，并观察当链路状态发生改变时，使用静态路由和动态路由之间的差异。通过该实验学生可以对动态路由的路由信息的更新，有更直观和清晰的认识；3)TCP性能及队列
管理机制通过DropTail和RED队列管理机制，了解被动式和主动式队列管理机制的优缺点，掌握带宽和数据流数目对网络吞吐量及端到端延迟的影响；4)UDP实时传输学习测量以UDP为传输协议的应用程序吞吐量、包延迟、抖动率以及包丢失率；5)流量整形器学习使用漏桶算法和令牌桶算法调整流量传输速率，并调整令牌桶流量整形器的桶深度、缓冲区大小，观察是否影响传送速率；6)无线网络传输了解隐藏站点和暴露站点的概念，掌握RTS／CTS的工作机制以及其如何降低隐藏站点发生的概率。
2．2 网络攻防实验
    为了降低网络入侵带来的风险，可以运用网络攻防实验来模拟网络入侵。网络攻防实验是对系统风险评估的有效手段，是信息安全技术的重要组成部分。攻防实验重点从技术的角度叙述了攻防实验的主要方法，从而使攻防实验井然有序地进行。
    采用分层次的网络安全中的加密技术、防火墙技术、VPN技术、无线接入安全和入侵检测技术，通过一个个具体的实验案例来论述每种安全技术在大型网络的应用和实施，让学生在掌握每种技术的基础上了解网络安全的整体架构和综合使用。
   通过这部分实验环节课程的学习，不仅能全面提高学生的实际动手能力，而且还能让学生切实了解自己所掌握的实际操作技能以及何时、何处、何种环境能够应用这些技能，真正做到学以致用。
2．3 网络故障实验
    网络故障实验包括冲突与网络广播风暴，路由环与网络回路等。教师精心挑选的以设计性、科研性和探索性为主的实验题目，让学生尝试着去改进现有网络协议并设计网络拓扑，评测网络性能，甚至自己开发简单的网络协议。1)差异式服务网络学习不同数据流调节器的运作机制，了解在差异式服务网络中的确保服务如何实现端到端的质量保证；2)多媒体传输性能分析了解影响多媒体传输质量的因素，如压缩量化参数、包大小和包错误率，自行设计1个网络拥塞的情况，观察并记录改变Q值等参数对所接收视频文件的影响；3)无线网络传输性能分析通过该实验，了解802．11 b吞吐量的极限值，掌握影响802．11 b吞吐量的因素如CSMA／CA策略和RTS／CTS、ACK对吞吐量的影响。
2．4 综合型实验
    综合型实验主要用于学有余力的学生利用课余时间进行的自主研究实验，采取3～5人为1组的形式旨在提高学生运用所学知识解决实际问题的能力，以及培养学生的团队协作精神。在综合性实验中给出某企业的地理分布，部门及应用系统等情况，让学生根据这些背景，运用所学的知识，去设计该企业的整网安全解决方案，并且还要学生按照自己的设计来搭建该企业的仿真拓扑。之后要求学生部署好安全策略来优化这个网络，同时设置一些病毒和攻击实时对网络关键业务造成侵扰，锻炼学生的处理问题的能力。1)有线网络性能分析了解并掌握常见的影响TCP效果的因素，如Round-Trip Times(RTF)、TimGranularity、Slow-startThreshold等，并对网络进行综合测试，尽而实现网络优化。2)无线Adhoc网络了解如何在中建立无线Adhoc网，学会分析无线Adhoc网络协议(如DSDV、AODV以及DSR)的性能参数。改变最大连接数和包传送速率后，重新评价3个路由协议的性能。
    通过以上基础协议实验、网络攻防实验、网络故障实验及综合型实验，使得学生有较宽的知识面和进一步发展的基本能力，较强的实际应用能力，具有应用已掌握的基本知识解决实际应用问题的能力，不断增强系统的应用、开发以及不断获取新知识的能力。
    在现有计算机网络基础知识教学方式和教学手段的基础上，开发计算机网络协议仿真教学实验，作为现有教学方式和教学手段的一种补充，编排的实验课程强调学生的动手实践和设计分析能力，着力培养创新型人才。学生可以在实验中去学习计算机网络基础理论，又可以将所学理论应用到实践当中，既可以承担实际系统的开发，又可进行科学研究，增强自己的动手能力，真正做到理论和实践相结合。

3 网络协议仿真实验实例
   采用网络协议进行网络仿真实验，可分为2个步骤：首先创建一个虚拟的网络测试环境，其中包括设置好网络中各节点的连接状况，节点之上各级代理的配置，以及各条线路的传输能力等。搭建好网络环境之后，就需要将启动协议分析器并开始捕获数据，进行协议分析。下面通过验证网络广播风暴演示实验系统的使用。
3．1 仿真拓扑和参数
    仿真实验采用如图2所示的拓扑结构图。IP地址分配规为主机使用原有IP，保证所有主机在同一网段内。该拓扑节点之间的网络带宽是10 Mb／s，延迟为0μs，网络中的数据包大小设为1 kB。

3．2 仿真结果
    使用ping命令(目的主机是本网段内的主机)来产生一个arp广播报文。然后进行捕包，由于已经建立好广播包过滤器，这里所捕获的数据全是广播数据包，统计相应的参数。网络中的实时流量即每秒位数除以网络带宽(100 M以太网或1 000 M以太网)。通常在以太网中，利用率达到50％就已经是非常好的网络了，所以如果广播数据包的利用率达到30％以上，也就是说在100 M以太网中广播数据达到30 M／s时，那网络中就存在广播风暴。仿真结果网络利用率如图3所示。

    仿真结束后，由图3可知某时刻网络内充斥广播数据包，从而导致网络性能急剧下降，最终导致网络瘫痪。由此验证了网络广播风暴的工作过程。

4 结束语
    采用基于网络协议仿真软件构建计算机网络实验教学系统，可实现网络拓扑仿真、协议仿真和通信量仿真并模拟网络流量在实际网络中传输、交换等过程。该实验教学系统不仅可仿真计算机网络课程中的大部分原理和协议，而且可以仿真网络的最新技术和进展，强调学生的主动性和设计性，有利于活跃学生的思维、培养学生的创新能力。学生一致认为利用网络协议仿真系统将抽象的知识变得直观有趣化，增强了学习兴趣，提升实验教学效果。下一步，将重点考虑引导和培养学生自主编程的能力，培养学生的创新精神和综合实践能力，培养高层次的计算机网络人才。