基于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗教學(xué)系統的建設

計算機網(wǎng)絡(luò )是計算機技術(shù)和通信技術(shù)密切結合的新技術(shù)領(lǐng)域．計算機網(wǎng)絡(luò )課程是高校電氣信息類(lèi)和計算機類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)課程，在整個(gè)專(zhuān)業(yè)建設和課程體系中占據重要地位。但目前高校在實(shí)驗教學(xué)實(shí)施過(guò)程中還存在以下問(wèn)題：1)原理、概念多，涉及很多協(xié)議和算法，傳統教學(xué)模式不適合講授抽象的網(wǎng)絡(luò )知識；2)缺少必要的實(shí)驗設備使網(wǎng)絡(luò )教學(xué)缺乏實(shí)踐操作；像交換機、路由器、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議分析儀等實(shí)驗設備比較昂貴，而且更新?lián)Q代速度也快，條件相對較差的學(xué)校買(mǎi)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(mǎn)足不了課程對學(xué)生知識、技術(shù)和研究能力方面的培養需求，不利于培養高層次的計算機網(wǎng)絡(luò )人才；3)網(wǎng)絡(luò )知識培訓無(wú)法深入，學(xué)生無(wú)法準確地通過(guò)實(shí)驗親自動(dòng)手來(lái)理解和掌握網(wǎng)絡(luò )的概念以及協(xié)議的動(dòng)態(tài)運行過(guò)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(shí)驗教學(xué)系統作為講授計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)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(shí)踐教學(xué)平臺。借助此系統還可講授網(wǎng)絡(luò )程序設計、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)系統運用到計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗課程教學(xué)中，通過(guò)對各種數據幀的靈活編輯、仿真發(fā)送、捕獲解析和會(huì )話(huà)分析，學(xué)生可以直觀(guān)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)議的內部原理和運行機制。

1 仿真教學(xué)系統的組成和主要功能
1．1 系統組成和工作原理
基于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗教學(xué)系統由硬件、軟件、實(shí)驗教材和教學(xué)課件組成，具有良好的擴展性，可以根據實(shí)驗室規模靈活配置。
硬件系統主要包括主控中心平臺和數據采集器。硬件系統支撐網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，并提供各種網(wǎng)絡(luò )應用服務(wù)，利用智能網(wǎng)絡(luò )設備，可根據實(shí)驗需要快速切換網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。
軟件系統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)議數據包，并提供多種實(shí)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)議數據包，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(gè)實(shí)驗設計教學(xué)課件，從理論基礎、實(shí)驗說(shuō)明、實(shí)驗原理、網(wǎng)絡(luò )結構和實(shí)驗步驟、思考問(wèn)題、實(shí)驗需求、實(shí)驗提示等方面對實(shí)驗內容進(jìn)行詳盡說(shuō)明，對于難以理解的內容提供動(dòng)畫(huà)演示，輔助學(xué)生完成實(shí)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(shí)驗教學(xué)系統實(shí)驗室配置為：一個(gè)主控中心平臺，30個(gè)數據采集器，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(gè)實(shí)驗單元組，可滿(mǎn)足60個(gè)學(xué)生同時(shí)實(shí)驗。每個(gè)實(shí)驗單元組由一個(gè)數據采集器、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，組內實(shí)驗或全網(wǎng)實(shí)驗通過(guò)數據采集器的切換開(kāi)關(guān)來(lái)控制，實(shí)驗單元組成圖如圖1所示。
基于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真的實(shí)驗教學(xué)系統的工作原理為：主控設備和數據采集器負責數據的橋接、路由與采集工作；在主控設備的控制下，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)議數據包；網(wǎng)絡(luò )協(xié)議分析組件實(shí)時(shí)地觀(guān)察到由網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真編輯組件所產(chǎn)生的各種數據包以及模擬協(xié)議的實(shí)現過(guò)程，從而實(shí)現TCP／IP協(xié)議族的仿真教學(xué)。

1．2 系統主要功能
基于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗教學(xué)系統配置包括主控中心平臺、數據采集器、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 )應用層服務(wù)和網(wǎng)絡(luò )連接服務(wù)控制局域網(wǎng)內的數據流向、數據的橋接與路由，提高服務(wù)質(zhì)量等。
1．2．2 數據采集器
數據采集器以高阻旁路的方式采集鏈路信息，并可通過(guò)切換手動(dòng)開(kāi)關(guān)采集單機或子網(wǎng)中的信息，負責網(wǎng)絡(luò )數據的采集，負責全網(wǎng)實(shí)驗與單元組實(shí)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(gè)主要模塊：數據包編輯器、數據包發(fā)送器和TCP連接客戶(hù)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(wǎng)絡(luò )協(xié)議的層次關(guān)系，編輯單個(gè)數據幀，填寫(xiě)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(gè)仿真數據幀。數據包發(fā)送器根據編輯好的幀序列文件發(fā)送數據包，將整個(gè)幀序列按時(shí)序發(fā)送出去。TCP連接客戶(hù)端編輯SMTP、POP3、FTP、HTTP等協(xié)議，并與主控設備直接通信。
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)議數據包，并提供多種實(shí)用性工具。具體功能為：1)實(shí)現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(jìn)行直觀(guān)的ASCII碼和十六進(jìn)制顯示；2)提供手工和自動(dòng)計算校驗和方式，加深校驗和計算過(guò)程的理解；3)靈活的數據仿真發(fā)送功能，根據不同實(shí)驗的需要實(shí)現數據的單幀發(fā)送、多幀發(fā)送及重復發(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，使數據幀的編輯不再抽象，協(xié)議層次關(guān)系表現更清晰更直觀(guān)；6)提供多種輔助教學(xué)的實(shí)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(gè)數據幀，提高實(shí)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(shí)現實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議解析功能，如對各種協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單解析或詳細解析，對網(wǎng)絡(luò )原始數據進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲、解碼與顯示以及過(guò)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)議數據包，并能夠靈活地提取各種網(wǎng)絡(luò )行為。具體功能：1)會(huì )話(huà)分析以圖解方式直觀(guān)表示出網(wǎng)絡(luò )會(huì )話(huà)過(guò)程，以及數據包的傳輸方向和功能；2)協(xié)議詳細解析對采集到的數據包進(jìn)行逐層詳細解析，并以樹(shù)狀圖顯示，解析內容覆蓋TCP／IP協(xié)議族；3)多窗體數據分析對不同時(shí)間段采集到的數據幀進(jìn)行對比分析，同時(shí)對不同網(wǎng)段中的數據包進(jìn)行捕獲分析；4)提供對網(wǎng)絡(luò )拓撲結
構的智能化驗證；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(shí)驗教學(xué)系統課程體系
構建網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗教學(xué)系統的整體思路：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(lái)模擬網(wǎng)絡(luò )通信與實(shí)驗教學(xué)環(huán)境；其次是通過(guò)不斷地變更實(shí)驗教學(xué)內容，來(lái)完成實(shí)驗教學(xué)任務(wù)。
根據計算機網(wǎng)絡(luò )教學(xué)的需要，并結合對講授課過(guò)程中各層次知識點(diǎn)歸納和整理，設計了一系列實(shí)驗包括基礎協(xié)議實(shí)驗、網(wǎng)絡(luò )攻防實(shí)驗、網(wǎng)絡(luò )故障實(shí)驗和綜合實(shí)驗等，實(shí)驗內容都是根據教育部的教學(xué)大綱要求設計，較為全面系統地覆蓋了計算機網(wǎng)絡(luò )教學(xué)內容。實(shí)驗內容涵蓋了TCP／IP協(xié)議族中鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、應用層的重點(diǎn)協(xié)議，能夠將抽象生澀的網(wǎng)絡(luò )知識，以直觀(guān)、容易理解的方式展現出來(lái)，而且每個(gè)實(shí)驗對應一個(gè)課件，課件內容包括：實(shí)驗說(shuō)明、實(shí)驗原理、實(shí)驗步驟以及思考題，完全能夠滿(mǎn)足高校對網(wǎng)絡(luò )基礎教學(xué)的需要。
2．1 基礎協(xié)議實(shí)驗
基礎協(xié)議實(shí)驗在總實(shí)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(guān)察和評價(jià)網(wǎng)絡(luò )性能指標。首先由教師給出實(shí)驗的仿真源代碼的核心部分，學(xué)生根據教師的講解及關(guān)鍵部分的提示對TCL腳本做相應的修改后運行，仿真編輯器和協(xié)議分析器工具可以清晰地以動(dòng)畫(huà)形式演示網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的運行過(guò)程。
學(xué)生還可以通過(guò)修改某一參數觀(guān)察網(wǎng)絡(luò )各性能指標的變化，分析比較仿真結果，領(lǐng)會(huì )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(dòng)窗口協(xié)議、停止等待協(xié)議、CSMA／CD協(xié)議等；2)動(dòng)態(tài)路由學(xué)習采用距離矢量算法的動(dòng)態(tài)路由，并觀(guān)察當鏈路狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，使用靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由之間的差異。通過(guò)該實(shí)驗學(xué)生可以對動(dòng)態(tài)路由的路由信息的更新，有更直觀(guān)和清晰的認識；3)TCP性能及隊列
管理機制通過(guò)DropTail和RED隊列管理機制，了解被動(dòng)式和主動(dòng)式隊列管理機制的優(yōu)缺點(diǎn)，掌握帶寬和數據流數目對網(wǎng)絡(luò )吞吐量及端到端延遲的影響；4)UDP實(shí)時(shí)傳輸學(xué)習測量以UDP為傳輸協(xié)議的應用程序吞吐量、包延遲、抖動(dòng)率以及包丟失率；5)流量整形器學(xué)習使用漏桶算法和令牌桶算法調整流量傳輸速率，并調整令牌桶流量整形器的桶深度、緩沖區大小，觀(guān)察是否影響傳送速率；6)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸了解隱藏站點(diǎn)和暴露站點(diǎn)的概念，掌握RTS／CTS的工作機制以及其如何降低隱藏站點(diǎn)發(fā)生的概率。
2．2 網(wǎng)絡(luò )攻防實(shí)驗
為了降低網(wǎng)絡(luò )入侵帶來(lái)的風(fēng)險，可以運用網(wǎng)絡(luò )攻防實(shí)驗來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò )入侵。網(wǎng)絡(luò )攻防實(shí)驗是對系統風(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(shí)驗重點(diǎn)從技術(shù)的角度敘述了攻防實(shí)驗的主要方法，從而使攻防實(shí)驗井然有序地進(jìn)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(wú)線(xiàn)接入安全和入侵檢測技術(shù)，通過(guò)一個(gè)個(gè)具體的實(shí)驗案例來(lái)論述每種安全技術(shù)在大型網(wǎng)絡(luò )的應用和實(shí)施，讓學(xué)生在掌握每種技術(shù)的基礎上了解網(wǎng)絡(luò )安全的整體架構和綜合使用。
通過(guò)這部分實(shí)驗環(huán)節課程的學(xué)習，不僅能全面提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，而且還能讓學(xué)生切實(shí)了解自己所掌握的實(shí)際操作技能以及何時(shí)、何處、何種環(huán)境能夠應用這些技能，真正做到學(xué)以致用。
2．3 網(wǎng)絡(luò )故障實(shí)驗
網(wǎng)絡(luò )故障實(shí)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計性、科研性和探索性為主的實(shí)驗題目，讓學(xué)生嘗試著(zhù)去改進(jìn)現有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議并設計網(wǎng)絡(luò )拓撲，評測網(wǎng)絡(luò )性能，甚至自己開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。1)差異式服務(wù)網(wǎng)絡(luò )學(xué)習不同數據流調節器的運作機制，了解在差異式服務(wù)網(wǎng)絡(luò )中的確保服務(wù)如何實(shí)現端到端的質(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、包大小和包錯誤率，自行設計1個(gè)網(wǎng)絡(luò )擁塞的情況，觀(guān)察并記錄改變Q值等參數對所接收視頻文件的影響；3)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸性能分析通過(guò)該實(shí)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。