陳曦　吳濤　張楠

摘要：本文探討了無線網絡教學中存在的問題，提出在教學中以OMNeT++仿真軟件作為實踐手段，并以無線局域網中常見的隱藏節(jié)點問題為案例，介紹了OMNeT++在WLAN教學中的應用。案例分析表明OMNeT++可直觀、深入地幫助理解無線網絡協(xié)議的宏觀流程和工作原理。

關鍵詞：無線網絡；無線局域網；網絡仿真；OMNeT++

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）47-0157-02

一、引言

以WLAN技術為代表的無線網絡技術逐漸成為計算機網絡教學和研究的熱點。據思科公司報告，WiFi將于2016年占據一半以上的互聯(lián)網總流量。無線網絡教學在網絡工程專業(yè)課程中所占的比例和重要性也逐漸提高。無線網絡由于采用了無線電波作為傳輸介質，沒有直觀的有線鏈路，相對抽象，學生難以直觀地理解無線網絡的拓撲結構，造成了學習上的障礙。為克服這一問題，本文研究將OMNeT++在無線網絡教學中的應用。特別地，為了闡述的方便，本文將著重討論OMNeT++在無線局域網WLAN教學環(huán)境下的應用，以展示OMNeT++在教學上的優(yōu)勢和普適性。

二、OMNeT++在WLAN教學中的應用

OMNeT++是開源的、基于組件的模塊化開放網絡仿真平臺，同NS-3，OPNET和JavaSim等仿真平臺相比，OMNeT++可運行于多個操作系統(tǒng)平臺，可以簡便定義網絡拓撲結構，具備編程、調試和跟蹤支持等功能。本節(jié)將以WLAN教學中的一個重點問題——隱藏節(jié)點問題為案例，結合筆者在實際教學中設計的實驗，闡述OMNeT++在WLAN教學中的應用。本實驗的目的為：在包含隱藏節(jié)點的WLAN內，分別使用CSMA/CA和RTS/CTS協(xié)議，理解RTS/CTS解決隱藏節(jié)點問題的原理。限于篇幅，并為了闡述的方便，本節(jié)僅涉及在隱藏節(jié)點情況下使用CSMA/CA，且與實際教學中的實驗相比有所簡化。在實踐教學過程中，要求學生在理解理論的基礎上利用OMNeT++進行仿真實驗，并形成實驗報告，具體步驟如下：

1.完成網絡拓撲結構的設計：大部分仿真實驗的網絡拓撲結構均可使用OMNeT++的標準模型庫inet庫提供的模型通過拖拽的方式搭建。本案例是驗證性實驗，拓撲結構相對簡單，如圖1所示。其中h1和h2為WLAN的客戶站，使用inet的WirelessHost模型；ap為WLAN的無線接入點，使用AccessPoint模型；channelControl為信道控制模塊，用于定義WLAN使用的頻段、節(jié)點的無線發(fā)射功率等物理層參數，使用ChannelControl模型；configurator為IP地址配置模塊，使用IPv4NetworkConfigurator模型。

2.編寫INI文件：用于配置網絡業(yè)務和仿真參數。INI文件配置的主要業(yè)務為：h1和h2相互發(fā)送ping數據報，接入點ap將收到的ping數據報根據IP地址轉發(fā)給目的節(jié)點。從拓撲結構可以看出，藍色的圓圈標示了節(jié)點的無線信號覆蓋范圍，h1和h2相互不在對方的覆蓋范圍，互為隱藏節(jié)點；ap均在h1和h2的覆蓋范圍，因此可以收到并轉發(fā)來自h1和h2的幀。當使用CSMA/CA協(xié)議的時候，h1和h2由于監(jiān)聽不到對方，在接入網絡信道的時候，可能產生沖突，這時ap收到的來自h1和h2的幀可能發(fā)生碰撞，造成幀接收失敗。

3.開始仿真：在完成上述兩個步驟之后即可開始實際仿真了。仿真中包含兩個重要的窗口：動畫窗口和事件日志窗口。動畫窗口以動畫的形式直觀地展示了數據幀的發(fā)送過程，從宏觀上體現了協(xié)議的工作流程。如圖1所示為動畫窗口，節(jié)點ap正在向h1和h2發(fā)送ACK幀。從動畫窗口中，可清楚地看到數據幀的流向及當前正在發(fā)送數據的節(jié)點（圖中紅色方框所示）。在仿真的過程中還有以文本方式記錄仿真流程的事件日志窗口。動畫窗口提供了一個協(xié)議流程的直觀界面，而事件日志窗口則為理解和分析協(xié)議提供了有力的工具（限于篇幅，這里沒有給出）。事件日志窗口中主窗口藍色字體為事件名（包括事件編號和發(fā)生時間），接續(xù)的黑色文字是對事件的詳細闡述。在教學過程中，筆者會從事件日志中提取關鍵事件的編號，要求學生配合觀察動畫窗口，對關鍵事件進行整理和分析，形成關鍵事件表，作為實驗報告的一部分，以加深對協(xié)議原理和流程的理解。如在隱藏節(jié)點情況下使用CSMA/CA，在本案例的關鍵事件表中，學生可清楚地看到在Event #32發(fā)生了沖突，從而理解CSMA/CA協(xié)議并不能處理隱藏節(jié)點問題。

4.根據關鍵事件表，完成簡答題，理解協(xié)議原理：上述步驟（3）使學生明白了發(fā)生了什么事件，如Event #32發(fā)生了數據幀的碰撞，至于為什么會發(fā)生這些事件，還需要學生根據課本的理論知識，回答簡答題，深入理解協(xié)議原理。本案例可設計的問題如下所示：（a）請闡述Event #32發(fā)生碰撞的原因。請根據Event #33說明，沖突的發(fā)生對下次發(fā)送數據幀的幀間間隔有何影響（提示：根據課本理論知識，變成了那種幀間間隔）？（b）請闡述Event #35中Timeout事件的含義。根據你的理解，為什么會發(fā)生Timeout時間？

三、結束語

綜上所述，案例分析表明OMNeT++可直觀、深入地幫助理解無線網絡協(xié)議的宏觀流程和工作原理。筆者在無線網絡相關教學中使用OMNeT++網絡仿真軟件，取得了較好的教學效果。

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