張會展

（寧波市鎮(zhèn)海區(qū)職業(yè)教育中心學(xué)校，浙江寧波315200）

仿真技術(shù)在中職計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可視化教學(xué)中的應(yīng)用

張會展

（寧波市鎮(zhèn)海區(qū)職業(yè)教育中心學(xué)校，浙江寧波315200）

現(xiàn)階段中職學(xué)生普遍缺乏理論知識學(xué)習(xí)的興趣，對抽象的網(wǎng)絡(luò)原理和協(xié)議的學(xué)習(xí)，更是缺乏耐性。本文立足于現(xiàn)階段中職《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)現(xiàn)狀，響應(yīng)課程教學(xué)改革，提出了基于NS-2仿真技術(shù)的可視化教學(xué)新思路。并通過TCP、UDP協(xié)議對比實例，展示仿真技術(shù)在《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)中的應(yīng)用。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；TCP/UDP；可視化；NS-2

引言

《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程的基礎(chǔ)理論知識很多，包括網(wǎng)絡(luò)基本原理、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理等，具有較強(qiáng)的理論性和實用性，而且也是網(wǎng)絡(luò)實踐操作的重要基礎(chǔ)。因此，如何提高中職學(xué)生學(xué)習(xí)《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程的興趣，使其掌握相關(guān)概念原理，是十分值得探索的問題。

一、中職《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)分析

1.《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》的課程特點

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是計算機(jī)應(yīng)用中最活躍的領(lǐng)域，它滲入到社會生活各個方面，并不斷改變著人們的生存環(huán)境和生活方式。《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》不但是計算機(jī)專業(yè)必修課，也是電子信息、電子商務(wù)等專業(yè)基礎(chǔ)課，同時也是計算機(jī)專業(yè)技術(shù)人員的重要基礎(chǔ)知識。

（2）理論復(fù)雜，概念抽象

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所涉及的概念包括計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，理論較復(fù)雜。且其中涉及的很多概念只能憑空理解，具有很大的抽象性。

（3）實踐性強(qiáng)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的實踐操作技術(shù)，如局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全管理技術(shù)等必須通過實地觀摩并親自動手實訓(xùn)，才能掌握相應(yīng)的技能，是一門實踐性很強(qiáng)的課程。

2.《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》的教學(xué)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，中職學(xué)校乃至高校的《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)主要都采取課堂理論和實驗課程相結(jié)合的方式進(jìn)行。這種教學(xué)模式對于《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程而言，存在著很多問題。

⑥后期維護(hù)便利性。治理工程后期維護(hù)要方便簡捷，工程不需要頻繁維護(hù)，工程在遭到簡單破壞后能完成自我修復(fù)。

首先，在教學(xué)方式上，雖然幻燈片、Flash動畫等方式較傳統(tǒng)板書教學(xué)有了一定提高，但《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》自身的抽象性、復(fù)雜性，使得幻燈片相當(dāng)于將傳統(tǒng)板書轉(zhuǎn)移到大屏幕，而Flash動畫雖能提高學(xué)生的興趣，卻很難真實反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)原理。

其次，在實踐操作方面，學(xué)生多數(shù)情況下都無法親自完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)實驗。其原因如下：①缺少相關(guān)網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備，因交換機(jī)、路由器等設(shè)備價格昂貴，不可能購買足夠數(shù)量讓學(xué)生進(jìn)行試驗，且由于學(xué)生操作不當(dāng)可能會損壞設(shè)備。②《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生需具備多學(xué)科的相關(guān)知識才能搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行試驗，這在中職學(xué)校實現(xiàn)難度非常大。

最后，對于中職學(xué)生，他們對學(xué)習(xí)文字性概念、原理缺乏興趣，對抽象而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更是缺乏耐性，這種現(xiàn)象普遍存在。

二、可視化《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)

1.可視化教學(xué)概述

針對《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)現(xiàn)狀，本文提出可視化教學(xué)思路。簡單地說，可視化就是將學(xué)生置于視頻、圖片等可視化時空之中，使其在“虛擬的真實”中探索、發(fā)現(xiàn)、理解、掌握教學(xué)內(nèi)容。常見的可視化仿真工具有Flash、Boson Netsim和NS-2(Network Simulator Version 2)。其中Boson Netsim主要用于完成網(wǎng)絡(luò)工程拓?fù)鋱D的設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置。NS-2是當(dāng)前最流行的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件之一，[1]主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)分析與研究。它支持眾多協(xié)議，并提供豐富的測試腳本。其最為核心的三個部分是離散事件仿真器、分裂對象模型和豐富的構(gòu)件庫。[2][3]本文采用NS-2仿真軟件來實施可視化教學(xué)。

2.《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》可視化教學(xué)實例

本文以TCP、UDP協(xié)議對比為例，展示NS-2在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可視化教學(xué)中的應(yīng)用過程。

TCP(Transport Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)和UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)是傳輸層中的兩種不同協(xié)議，[4]它們均使用路由功能把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地，為上層提供服務(wù)。

（1）仿真試驗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本例通過仿真動畫形式演示數(shù)據(jù)包傳輸過程，重點研究TCP/ UDP協(xié)議的傳輸特點和區(qū)別。為了便于比較，設(shè)計TCP/UDP傳輸共享瓶頸鏈路。定義的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 仿真試驗拓?fù)鋱D

通過仿真代碼定義節(jié)點屬性、鏈路參數(shù)及代理、應(yīng)用程序等。n0(發(fā)送方)和n4(接收方)間采用TCP代理，構(gòu)建在這組通信代理上的應(yīng)用程序是FTP。相對應(yīng)，n1和n5間采用UDP代理和CBR應(yīng)用程序。此外，其他屬性和傳輸參數(shù)(如鏈路帶寬、延遲及隊列類型等)均一致。

（2）仿真試驗結(jié)果

代碼編寫完成后，命名為tcp-udp.tcl，運行nstcp-udp.tcl即彈出動畫界面。[5]單擊播放按鈕可觀察動態(tài)數(shù)據(jù)包傳輸過程(可根據(jù)需要調(diào)整播放速度)，UDP無需建立連接，直接傳輸數(shù)據(jù)包（紅色），且在FTP未發(fā)送數(shù)據(jù)包之前傳輸穩(wěn)定，未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 UDP包傳輸

0.5s后FTP開始傳輸TCP包（藍(lán)色），其通過三次握手過程建立連接，同時可看到TCP鏈路上有回傳的應(yīng)答包，如圖3所示。

圖3 TCP開始傳輸數(shù)據(jù)

由于CBR數(shù)據(jù)流已占據(jù)中間瓶頸鏈路隊列，所以FTP應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)沒多久，鏈路隊列出現(xiàn)溢出，導(dǎo)致TCP和UDP包丟失，如圖4所示。

圖4 TCP和UDP包出現(xiàn)丟失

一旦數(shù)據(jù)節(jié)點4監(jiān)測到丟包，立即反饋信息給節(jié)點0，使其采取相應(yīng)機(jī)制來緩沖丟包現(xiàn)象，如調(diào)整發(fā)送速率等。通過動畫可以看出，鏈路出現(xiàn)丟包后，節(jié)點0采取擁塞控制機(jī)制使鏈路由擁塞迅速恢復(fù)為正常，如圖5所示，TCP端傳輸速度明顯下降。

圖5 TCP速度下降，鏈路恢復(fù)正常

鏈路傳輸正常后，接收方未監(jiān)測到擁塞，為充分利用鏈路資源，節(jié)點0采取TCP傳輸控制機(jī)制加快數(shù)據(jù)包的傳輸速率，使鏈路資源得到充分利用，如圖6所示。

圖6 TCP傳輸速度加快

鏈路擁塞后又會導(dǎo)致TCP包丟失，TCP端又會降低發(fā)送速率，整個傳輸過程按上述情況重復(fù)進(jìn)行。而由于UDP協(xié)議不能檢測擁塞，且缺乏擁塞控制機(jī)制，所以即使UDP包出現(xiàn)丟失，發(fā)送端依舊保持原有發(fā)送速率。通過動畫可觀察UDP端發(fā)送速率在整個過程中均保持不變，如圖7所示。

圖7 UDP發(fā)送速率始終恒定

播放上述仿真動畫，可清楚顯示TCP/UDP傳輸特性的區(qū)別，學(xué)生先從感性進(jìn)行直觀認(rèn)識，主動分析比較它們之間的傳輸差異。在學(xué)生分析的基礎(chǔ)上，教師再作總結(jié)如下：[6]首先在傳輸連接方面，TCP是面向連接的傳輸，需通過三次握手過程建立傳輸連接才可傳輸數(shù)據(jù)。而UDP是面向非連接的，無需建立連接而直接傳輸數(shù)據(jù)。其次在傳輸控制方面，TCP發(fā)揮了調(diào)節(jié)功能，在鏈路擁塞情況下，它可以通過降低傳輸速率使鏈路由擁塞狀態(tài)迅速恢復(fù)正常，使隊列由溢出狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻e。鏈路傳輸正常化后，接收方未監(jiān)測到擁塞，為充分利用鏈路資源，TCP發(fā)送方又通過控制機(jī)制提高發(fā)送速率，充分利用鏈路帶寬。在整個傳輸過程中，TCP端通過動態(tài)調(diào)整傳輸速率，實現(xiàn)鏈路擁塞有效控制及資源充分利用，由此可見，TCP協(xié)議具有自我適應(yīng)能力。而UDP只是簡單的面向數(shù)據(jù)包的傳輸層協(xié)議，它缺乏擁塞避免和控制機(jī)制，不能檢測擁塞，即不理會鏈路狀況和對端的接收能力，在鏈路擁塞情況下仍按原有速率傳輸，從而出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

通過可視化仿真試驗，解決了課堂知識與具體事物相互脫離的問題，使學(xué)生直觀、深刻地理解TCP/UDP協(xié)議。同時，借助教師講解，將仿真過程與協(xié)議自身原理和特點相互比較驗證，讓學(xué)生深刻領(lǐng)會協(xié)議的內(nèi)涵，以及它們之間的區(qū)別。

結(jié)束語

本文在分析《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程特點和中職教學(xué)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了可視化教學(xué)新思路。首先采用直觀性的教學(xué)原則，將抽象、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以動畫的形式直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生深刻地理解和掌握理論知識；其次，在啟發(fā)式教學(xué)原則的指導(dǎo)下，將傳統(tǒng)教學(xué)過程中的以教師為主體、學(xué)生被動地接受知識的方式轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為主體、教師引導(dǎo)總結(jié)的啟發(fā)式教學(xué)方式，實現(xiàn)良好的教學(xué)效果。

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

[2]徐雷鳴,龐博，趙耀.NS與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京:人民郵電出版社，2003.

[3]方路平，劉世華，陳盼等.NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[4]W.RichardStevens.TCP/IP詳解卷1：協(xié)議[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[5]李方敏，李仁發(fā)，葉澄清.網(wǎng)絡(luò)仿真軟件ns的結(jié)果輸出和分析[J].計算機(jī)工程，2002，26（9）：14-16.

[6]謝希仁.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第5版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

（編輯：王天鵬）

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