仿真技术在中职计算机网络可视化教学中的应用

张会展

（宁波市镇海区职业教育中心学校，浙江宁波315200）

仿真技术在中职计算机网络可视化教学中的应用

张会展

（宁波市镇海区职业教育中心学校，浙江宁波315200）

现阶段中职学生普遍缺乏理论知识学习的兴趣，对抽象的网络原理和协议的学习，更是缺乏耐性。本文立足于现阶段中职《计算机网络》课程教学现状，响应课程教学改革，提出了基于NS-2仿真技术的可视化教学新思路。并通过TCP、UDP协议对比实例，展示仿真技术在《计算机网络》教学中的应用。

计算机网络；TCP/UDP；可视化；NS-2

引言

《计算机网络》课程的基础理论知识很多，包括网络基本原理、网络体系结构、网络协议、网络管理等，具有较强的理论性和实用性，而且也是网络实践操作的重要基础。因此，如何提高中职学生学习《计算机网络》课程的兴趣，使其掌握相关概念原理，是十分值得探索的问题。

一、中职《计算机网络》教学分析

1.《计算机网络》的课程特点

网络技术是计算机应用中最活跃的领域，它渗入到社会生活各个方面，并不断改变着人们的生存环境和生活方式。《计算机网络》不但是计算机专业必修课，也是电子信息、电子商务等专业基础课，同时也是计算机专业技术人员的重要基础知识。

（2）理论复杂，概念抽象

计算机网络所涉及的概念包括计算机技术和通信技术，理论较复杂。且其中涉及的很多概念只能凭空理解，具有很大的抽象性。

（3）实践性强

计算机网络中的实践操作技术，如局域网组网技术、网络安全管理技术等必须通过实地观摩并亲自动手实训，才能掌握相应的技能，是一门实践性很强的课程。

2.《计算机网络》的教学现状

现阶段，中职学校乃至高校的《计算机网络》教学主要都采取课堂理论和实验课程相结合的方式进行。这种教学模式对于《计算机网络》课程而言，存在着很多问题。

⑥后期维护便利性。治理工程后期维护要方便简捷，工程不需要频繁维护，工程在遭到简单破坏后能完成自我修复。

首先，在教学方式上，虽然幻灯片、Flash动画等方式较传统板书教学有了一定提高，但《计算机网络》自身的抽象性、复杂性，使得幻灯片相当于将传统板书转移到大屏幕，而Flash动画虽能提高学生的兴趣，却很难真实反映网络的相关原理。

其次，在实践操作方面，学生多数情况下都无法亲自完成相关网络实验。其原因如下：①缺少相关网络实验设备，因交换机、路由器等设备价格昂贵，不可能购买足够数量让学生进行试验，且由于学生操作不当可能会损坏设备。②《计算机网络》是一门综合性很强的学科，学生需具备多学科的相关知识才能搭建网络环境进行试验，这在中职学校实现难度非常大。

最后，对于中职学生，他们对学习文字性概念、原理缺乏兴趣，对抽象而复杂的网络协议更是缺乏耐性，这种现象普遍存在。

二、可视化《计算机网络》教学

1.可视化教学概述

针对《计算机网络》教学现状，本文提出可视化教学思路。简单地说，可视化就是将学生置于视频、图片等可视化时空之中，使其在“虚拟的真实”中探索、发现、理解、掌握教学内容。常见的可视化仿真工具有Flash、Boson Netsim和NS-2(Network Simulator Version 2)。其中Boson Netsim主要用于完成网络工程拓扑图的设计以及网络设备的配置。NS-2是当前最流行的网络仿真软件之一，[1]主要应用于网络分析与研究。它支持众多协议，并提供丰富的测试脚本。其最为核心的三个部分是离散事件仿真器、分裂对象模型和丰富的构件库。[2][3]本文采用NS-2仿真软件来实施可视化教学。

2.《计算机网络》可视化教学实例

本文以TCP、UDP协议对比为例，展示NS-2在计算机网络可视化教学中的应用过程。

TCP(Transport Control Protocol，传输控制协议)和UDP(User Datagram Protocol，用户数据包协议)是传输层中的两种不同协议，[4]它们均使用路由功能把数据包转发到目的地，为上层提供服务。

（1）仿真试验拓扑结构图

本例通过仿真动画形式演示数据包传输过程，重点研究TCP/ UDP协议的传输特点和区别。为了便于比较，设计TCP/UDP传输共享瓶颈链路。定义的拓扑结构如图1：

图1 仿真试验拓扑图

通过仿真代码定义节点属性、链路参数及代理、应用程序等。n0(发送方)和n4(接收方)间采用TCP代理，构建在这组通信代理上的应用程序是FTP。相对应，n1和n5间采用UDP代理和CBR应用程序。此外，其他属性和传输参数(如链路带宽、延迟及队列类型等)均一致。

（2）仿真试验结果

代码编写完成后，命名为tcp-udp.tcl，运行nstcp-udp.tcl即弹出动画界面。[5]单击播放按钮可观察动态数据包传输过程(可根据需要调整播放速度)，UDP无需建立连接，直接传输数据包（红色），且在FTP未发送数据包之前传输稳定，未出现丢包现象，如图2所示。

图2 UDP包传输

0.5s后FTP开始传输TCP包（蓝色），其通过三次握手过程建立连接，同时可看到TCP链路上有回传的应答包，如图3所示。

图3 TCP开始传输数据

由于CBR数据流已占据中间瓶颈链路队列，所以FTP应用程序发送数据没多久，链路队列出现溢出，导致TCP和UDP包丢失，如图4所示。

图4 TCP和UDP包出现丢失

一旦数据节点4监测到丢包，立即反馈信息给节点0，使其采取相应机制来缓冲丢包现象，如调整发送速率等。通过动画可以看出，链路出现丢包后，节点0采取拥塞控制机制使链路由拥塞迅速恢复为正常，如图5所示，TCP端传输速度明显下降。

图5 TCP速度下降，链路恢复正常

链路传输正常后，接收方未监测到拥塞，为充分利用链路资源，节点0采取TCP传输控制机制加快数据包的传输速率，使链路资源得到充分利用，如图6所示。

图6 TCP传输速度加快

链路拥塞后又会导致TCP包丢失，TCP端又会降低发送速率，整个传输过程按上述情况重复进行。而由于UDP协议不能检测拥塞，且缺乏拥塞控制机制，所以即使UDP包出现丢失，发送端依旧保持原有发送速率。通过动画可观察UDP端发送速率在整个过程中均保持不变，如图7所示。

图7 UDP发送速率始终恒定

播放上述仿真动画，可清楚显示TCP/UDP传输特性的区别，学生先从感性进行直观认识，主动分析比较它们之间的传输差异。在学生分析的基础上，教师再作总结如下：[6]首先在传输连接方面，TCP是面向连接的传输，需通过三次握手过程建立传输连接才可传输数据。而UDP是面向非连接的，无需建立连接而直接传输数据。其次在传输控制方面，TCP发挥了调节功能，在链路拥塞情况下，它可以通过降低传输速率使链路由拥塞状态迅速恢复正常，使队列由溢出状态转变为空闲。链路传输正常化后，接收方未监测到拥塞，为充分利用链路资源，TCP发送方又通过控制机制提高发送速率，充分利用链路带宽。在整个传输过程中，TCP端通过动态调整传输速率，实现链路拥塞有效控制及资源充分利用，由此可见，TCP协议具有自我适应能力。而UDP只是简单的面向数据包的传输层协议，它缺乏拥塞避免和控制机制，不能检测拥塞，即不理会链路状况和对端的接收能力，在链路拥塞情况下仍按原有速率传输，从而出现丢包现象。

通过可视化仿真试验，解决了课堂知识与具体事物相互脱离的问题，使学生直观、深刻地理解TCP/UDP协议。同时，借助教师讲解，将仿真过程与协议自身原理和特点相互比较验证，让学生深刻领会协议的内涵，以及它们之间的区别。

结束语

本文在分析《计算机网络》课程特点和中职教学现状基础上，提出了可视化教学新思路。首先采用直观性的教学原则，将抽象、复杂的网络协议以动画的形式直观地展现给学生，使学生深刻地理解和掌握理论知识；其次，在启发式教学原则的指导下，将传统教学过程中的以教师为主体、学生被动地接受知识的方式转变成以学生为主体、教师引导总结的启发式教学方式，实现良好的教学效果。

[1]The Network Simulator-ns-2. http://isi.edu/nsnam/ns/

[2]徐雷鸣,庞博，赵耀.NS与网络模拟[M].北京:人民邮电出版社，2003.

[3]方路平，刘世华，陈盼等.NS-2网络模拟基础与应用[M].北京：国防工业出版社，2008.

[4]W.RichardStevens.TCP/IP详解卷1：协议[M].北京：机械工业出版社，2000.

[5]李方敏，李仁发，叶澄清.网络仿真软件ns的结果输出和分析[J].计算机工程，2002，26（9）：14-16.

[6]谢希仁.计算机网络(第5版)[M].北京：电子工业出版社，2008.

（编辑：王天鹏）

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