计算机网络虚拟仿真技术的研究与应用
2018-01-26苏燕梁武
苏燕+梁武
摘 要： 虚拟仿真技术也日趋成熟，已经应用到了科学、生活等各个领域，许多高校也开始将虚拟仿真技术应用到实际教学中。传统的实验教学受到实验器材等各种因素限制，学生对实验课没兴趣，达不到教学实验的预期效果。而虚拟仿真实验就是运用计算机虚拟仿真软件，模拟真实的场景，激发学生的学习兴趣，增强学生自主学习能力，节约实验教学成本。
关键词： 计算机网络； 虚拟仿真技术； 实验教学； 职业教育
中图分类号：TP39 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）01-34-03
Research and application of virtual simulation technology of computer network
Su Yan， Liang Wu
（Department of electronic information engineering， Beihai Vocational College， Beihai， Guangxi 536000， China）
Abstract： Virtual simulation technology has matured， and has been applied to various fields such as science and life. Many universities have begun to apply virtual simulation technology to practical teaching. The traditional experiment teaching is restricted by various factors such as experimental equipment and so on. Students are not interested in the experiment course and the experiment cannot reach the expected effect. Virtual simulation experiment is to use computer virtual simulation software to create a simulated real scene， stimulate students' interest in learning， enhance students' autonomous learning ability， and save the cost of experiment teaching.
Key words： computer network； virtual simulation technology； experiment teaching； vocational education
0 引言
仿真是進行实际操作前最真实有效的模拟过程。由于计算机网络的复杂性，在单存的实验室环境下要构建模拟相关实际网络系统基本上是不可行的。一方面，实际网络的复杂性在当前的实验性环境下不能立即构建完成，实验设备和成本等都达不到要求。计算机网络的组网是一项系统工程，并且变化多样，而要构建所有实际的网络模型或者环境来供学习是不可能的。另一方面，计算机网络对设备和技术的需求是多样性的，为此，需在构建实际的网络之前进行有效的网络仿真，这是保证实际网络构建的前提。
作为实际计算机网络课程，要为学生提供可靠、真实且较为廉价的实验环境，基于计算机网络仿真环境是最为有效的手段。基于计算机网络的仿真可以减少实验资源的投资，在当前计算机环境下构建灵活多样的计算机网络模型。
1 常用计算机网络虚拟仿真软件
1.1 OPNET
OPNET是一个网络仿真软件，它能够准确地分析复杂网络的性能和行为，在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头，以采用网络数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出可采用图形化显示，数字方式观察或输出到第三方的软件包去。OPNET由ItDecisionGuru、Modeler和Modeler/Radio三个模块嵌套组成。OPNET能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据，能够通过为不同的设计方案建立模型进行模拟，获取定量的网络性能预测数据。
1.2 NS2
NS2是由UC Berkeley开发的一种面向对象的网络仿真器。NS2可以用于仿真各种不同的IP网，已经实现的一些仿真包括网络传输协议TCP和UDP；业务源流量产生器FTP、Telnet、Web CBR和VBR；路由队列管理机制，如DroPacket Tracerail、RED和CBQ；路由算法如Dijkstra等。NS2也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些MAC子层协议。
1.3 MATLAB
MATLAB是矩阵实验室的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。采用MATLAB可以实现通信系统设计的仿真过程，通过MATLAB强大的编程功能，可以构建相关的协议分析库来进行计算机网络相关协议和性能的测试仿真过程。
1.4 Packet Tracer
Packet Tracer是Cisco公司开发的功能强大的计算机网络仿真软件，提供了线缆、交换机、路由器、计算机、服务器及相关的无线网络设备等非常全面的Cisco网络仿真设备。基于该模拟器可以构建较为全面的Cisco网络模型，它提供了非常真实的Cisco网络仿真环境，Cisco的CCNA、CCNP相关认证考试项目可以基于该软件进行模拟。endprint
2 Packet Tracer仿真的基本步骤
2.1 规划网络拓扑
在采用Packet Tracer进行计算机网络的仿真过程中，进行完善的网络拓扑结构的设计是首要任务。
2.2 构建网络模型
根据规划的网络拓扑来构建实际的网络模型，选择合适的网络设备型号，选择正确的连接线缆，基于Packet Tracer将该网络模型制作好。不同的网络设备可能完成的功能不尽相同，要满足实际网络需求，在选择设备时应该进行区别。
2.3 设备配置
在设置好网络的基本拓扑，正确完成设备的连接后，就要进行设备的配置过程。在整个计算机网络的仿真过程中，要详细地规划相关设备的配置。配置包括硬件配置和相关资源的配置。硬件配置是指对相关硬件设备端口的改动、添加和删除等。例如，给计算机更换网卡，给交换机、路由器添加相关的端口等。进行这些操作时，要先将这些设备的电源关闭，否则不能操作。资源的配置包括相关设备IP地址的配置，相关路由协议的配置，路由器、交换机等设备的基本配置，其他设备的基本配置等。
2.4 仿真结果测试
完成整个网络所有设备配置后，就要采用相关的测试命令或工具进行仿真结果的测试，以验证该仿真结果是否正确。常见的测试过程包括连通性的测试及其相关应用的测试。例如，采用ping命令测试连通性，采用tracer命令测试路由跟踪工程等。
3 线缆的仿真
线缆是构建计算机网络通信的主要介质，在不同的设备和接口之间所采用的线缆各不相同，在Packet Tracer中提供了双绞线、光纤、同轴电缆、串口线、终端配置线和电话线等几种类型，如图1所示。不同的网络接口和设备连接应选择不同的线缆类型。其中双绞线又包括直通和交叉双绞线两类，串口线又分为DTE和DCE两种，另外系统还提供了一种智能自动选择线，在无法确认连接线缆的类型时使用，一般不推荐使用。
3.1 双绞线的仿真
双绞线是网络布线中最常用的传输介质。双绞线一般由两根绝缘铜导线相互缠绕而成，封装在一个电缆套管里，每根铜导线的绝缘层上分别涂有不同的颜色，以示区别。双绞线的扭线越密，其抗干扰能力就越强，传输性能就越高。相对于同轴电缆和光纤来说，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面受到一定限制，但是它价格便宜，易于安装与使用。
3.1.1 双绞线的类型
双绞线安装所连接设备的类型分为直通线和交叉线两类。在Packet Tracer上通常清晰地标示了直通线和交叉线。在Packet Tracer中提供的双绞线主要用于连接RJ-45接头的以太网口、快速以太网接口和吉比特以太网接口。其中
3.1.2 直通线的使用范围
直通线用于连接不相同设备的接口。以下情况必须使用直通双绞线：
⑴ 计算机连接至集线器或交换机；
⑵ 一台集线器或交换机以Up-Link端口连接至另一台集线器或交换机的普通端口时；
⑶ 集线器或交换机与路由器的LAN端口连接时。
3.1.3 交叉线线的使用范围
交叉线用于连接相同设备的接口。以下情况必须使用交叉线：
⑴ 两台计算机通过网卡直接连接时；
⑵ 两个路由器通过以太网接口互联时；
⑶ 相关网络设备连接交换机时。
3.2 串口线的仿真
串口线主要用于对接采用串口的两台路由器。串口线在Packet Tracer中分为DTE和DCE两个类型。DTE指的是数据通信设备，它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放链路的连接。DTE指的是数据终端设备，DTE通过DCE设备连接到数据网络，且一般使用DCE产生的时钟信号。
通过串口线连接的两个接口中，必须指定一个为DCE，另一个为DTE。在Packet Tracer仿真中，选择DTE和DCE都是一样的。采用串口线连接后自动显示为DCE，反之亦然。选择DTE的这一端设备部需要配置时钟频率，而选择了DCE的一端则必须要配置时钟频率。图2是采用串口线连接的两台路由器，可以看到Router是DCE端，为此必须在Router0上配置时钟频率。
3.3 终端配置线的仿真
终端配置线是提供用于通过计算机的超級终端来实现路由器、交换机的配置线缆。一般的终端配置线一头是Console接口，一头是RS232接口。在Packet Tracer中用
5 结束语
通过以上选取运用的Packet Tracer虚拟仿真软件教学实验，我们深知虚拟仿真技术作为一项新技术，虽然目前还在不断研究和探索中，但在计算机教学过程中，教师充分利用虚拟仿真技术教学，可以有效提高学生学习的兴趣，节约资源，让学生快速掌握知识的重点难点，随着计算机网络技术的飞快发展，虚拟仿真技术将会运用到各个领域，对职业教育的创新性教学也必将带来质的改变。
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