网络仿真技术在计算机网络教学中的应用

刘晓亚

摘  要： 借助网络仿真技术平台开展计算机网络专业教学，能够很好地解决计算机网络专业课程教学中实训条件受限的问题，以真实场景为基础，构建仿真实验模型，能够让学生对抽象的知识点有更加清晰的认识，对教学过程起到非常大的辅助作用，对学生实践操作能力和创新思维的培养都有着积极的影响和作用，最终实现高职院校为社会培养输送高技能高素养的复合型人才的目的。

关键词： 网络仿真; 计算机网络; OPNET

面对知识点多而抽象、实践性较强、多学科交叉的课程，尤其是高职院校，它以培养高技能人才为目的。目前，大多数高职院校的计算机网络专业教学中，学生对抽象知识点的认知和理解仅仅停留在表面，根本不能深入了解相应设备的内部构造及其工作原理，学生不能很好地了解、理解并熟练掌握该项技能，而借助网络仿真技术可以很好地解决计算机网络专业课程教学中面临的这些问题[1]。

在整个教学过程中，通过网络仿真技术平台，可以有效解决由于场地小、设备移动困难、实验设备数量有限等因素带来的问题。在计算机网络专业课程尤其实验课程中，可以构建一个与真实场景完全相同的仿真实验模型进行仿真实验，仿真实验进行后将实验结果与事先预测的结果进行比对[2]。教师可以把教学中遇到的抽象的知识点进行整合，学生也可以在构建仿真实验模型的过程中融入自己的观点和创新思想。

一、计算机网络专业教学现状

（一）教学形式缺乏多样化

计算机网络专业中多门课程，如计算机网络、企业网络、构建大型网络等，均涉及计算机、通信技术等多个学科领域的知识，知识面宽，而且知识点也很分散，同时这些知识点的理论性较强，概念比较抽象。譬如，在网络体系模型这个知识点上，不管是OSI七层模型，还是TCP/IP四层模型，两种模型是如何分层的，各层的协议是如何对数据进行处理的，这些内容对整个体系处于模糊不清的初学者而言，如果仅仅通过理论讲解去引导学生构建网络体系模型，是非常困难的[3]。在教学中大多数教师仅靠教材和PPT课件这些教学元素，同时采用传统的教学模式，教学形式和手段较为单一，学生在学习比较抽象的知识点时得不到很好的理解，大大降低了学生对专业课程的学习兴趣，使得课堂教学很难有良好的效果。

（二）理论和实践结合不够紧密

计算机网络专业大多数专业课程的理论性和实践性都很强，在这些课程的讲解过程中，如果只注重理论知识的讲解，而忽略了实践性演示和操作，那么就会使理论和实践严重脱节[4]。因此，这些课程在授课过程中，需要找到理论知识讲解和实践演示操作的结合点，使得理论内容和实践内容紧密结合，提高学生的动手能力，提升学生发现问题、分析问题和解决问题的综合素质。

（三）教学设施及设备有限

在计算机网络专业实践课程的授课过程中，经常需要一些网络实验设备，并且需要通过传输介质将这些实验设备连接起来，但是往往会受到场地小、设备移动困难、实验设备数量有限等因素的限制，导致正常的课堂教学难以甚至无法开展，这就会让学生在学习的过程中感觉无所适从，使得学生不能将所学的理论知识应用到实践当中去，导致学生对所学知识点的理解难度增高，学习兴趣随之下降[5]。

二、利用仿真平台进行计算机网络教学

通过网络仿真平台，可以使学生在学习过程中准确把握整体和局部的关系，学习思路更加清晰，可以更好地理解和掌握抽象知识点，更好地消化吸收知识点并能更快地应用到实际操作当中，对学生动手实践能力的提高和创新思维的培养都能够起到更为积极的作用，最终实现高职院校培养高技能高素养的复合型人才、服务区域经济社会发展的目的。

（一）仿真平台简介

网络仿真技术是利用虚拟仿真技术在网络仿真平台中构建各种网络模型，在网络模型中将计算机、路由器、交换机等网络设备相互连接起来，部署相应的业务和配置相应的参数后运行仿真实验，在实验结束后得到相关设备或终端的统计数据，对统计数据进行对比分析处理，将结果应用于实践中来提升网络的综合性能，以满足网络用户对实际运行状态的要求。

OPNET Modeler仿真平台涵盖了众多设计网络的相关专业知识，如网络中的一系列协议、网络应用及网络设备的使用等，功能十分强大，对网络设计人员在设计大型的复杂的网络时是一个不可或缺的工具，设计人员借助该网络仿真实验平台能够对网络通信协议、网络设备等进行设计分析，可以实现对网络和网络应用的性能进行预测和分析，诊断网络当中存在的问题，找出影响网络性能的“卡脖子”问题，提出能够解决“卡脖子”问题的最优方案。OPNET有着众多优点，比如层次化的网络模型，具有通过有限状态机进行建模的能力，对通信协议的全面支持，具有透明的端到端到点、端到多端以及无线链路图形化和动态仿真整个通信系统的能力，设计人员能够利用平台中各种各样的集成分析开发工具和模型库在不同系统平台上完成高效开发。OPNET网络仿真软件提供定量依据作为评估网络的规划设计优劣的参考，通过仿真结果的分析和对比，得出多个设计方案的优劣，可以为新网络协议的使用提供性能分析参考。

（二）OPNET平台中仿真主要步骤

借助OPNET Modeler开展网络仿真实验时，一般情况下都是按照如下步骤进行：

第一，对网络仿真環境中的网络拓扑结构、网络节点设备和传输介质、采用某种通信协议等内容进行深入细致的了解，在此基础之上形成设计文档。

第二，基本模型库中包含有多种网络节点设备，这些网络节点设备可以直接使用，也可以根据需求对其改进后再使用，在这一步骤中需要建立网络元素模型。

第三，在网络元素模型构建完成的基础上，根据不同的仿真网络环境，需要把各个网络节点设备连接起来，建立整个网络的仿真模型系统。搭建网络模型时，若模型为新场景，全部需要手工添加来完成，而对于已有网络和改造后的网络，前者只需载入网络拓扑后添加入网络设备即可，而后者需要在原有模型的基础上对网络拓扑和网络设备的配置进行修改。在完成网络模型的建立以后，根据网络模型的不同需要来手工创建或获取平台中默认的流量模型。

第四，在仿真实验开始前，需要确定收集对网络性能有一定影响的统计参数，以便在实验完成后对这些统计数据进行对比和分析。在网络性能的统计数据中，通常是将仿真时间作为自变量，而把所要收集的统计参数结果作为因变量。为了提高仿真实验的运算效率，需要对仿真参数进行适当的调整，当然做出调整的前提条件是不能对仿真结果的可用性和可靠性有所影响。可对收集的数据个数、所加入仿真中的业务量的大小、仿真时间等仿真参数进行调整，提高整个网络仿真实验的效率。

第五，在仿真实验完成以后，根据不同场景下的实验结果，确认仿真实验中使用的模型和仿真方法是否准确和可靠，对不同场景下的仿真结果进行对比和分析后，还可改进网络模型及调整仿真参数，多次进行仿真，直至得出最佳的方案，然后对仿真结果进行分析，最后撰写仿真实验报告。

以上步骤是网络规划设计阶段中的基本流程，而在实际应用过程中与“瀑布模型”的循环反馈相类似，往往会在某个步骤或多个步骤间有多次的重复，仿真改进然后再仿真，只有多次反复改进模型并进行仿真实验，才能达到仿真的目的。

（三）教学设计

根据OPNET平台中的主要仿真步骤，制定相应的教学设计。

1. 授课学时安排

高职院校中实践性较强的课程都要求实践教学的学时不得低于理论教学学时，各高职院校在结合本校实际情况制定计算机网络专业的人才培养方案和计算机网络专业相关课程的授课计划中，基本上都是按照实践教学学时数和理论教学学时数1：1甚至高于1：1的比例来安排实践教学。网络实训室一般都有相应的多媒体教学设备或电子教室之类的教学软件，理论教学的讲授也会安排在实训室当中，这就为OPNET更好地应用于教学提供了更为便利的条件。

2. 授课内容安排

计算机网络专业课程中的大部分实践性实验，如网络规划和设计、网络拓扑结构、网络性能监测等，都可以借助OPNET网络仿真平台来完成。

比如，无线网络优化仿真实训案例中，可以通过对网络节点、传输介质、服务器配置（数量及放置的位置）等的改进，来改善网络环境和提升网络性能，根据实际情况选择不同的方案，将仿真结果进行比对，得出最优结果。OPNET网络仿真平台的基本模型库中，为使用者提供了大量的网络元素模型，可以模拟各种各样的网络拓扑结构，学生可以在新建的场景中，采用鼠标拖放的方式来完成各种网络设备的添加，构建和真实场景完全一样的仿真场景，并对交换机、路由器等设备设置相应的参数。学生对图形化的场景构建有着直观印象，因此对学生理解整体和局部的关系以及抽象的知识点、概念有很大的帮助。

尤其是在网络的规划和设计阶段，场地小、设备移动困难以及设备数量不足等因素，使得要在实训室中进行真实场景的构建难以实现，但是在网络仿真平台上可以轻松完成仿真场景的搭建。规划好网络拓扑结构以后，在OPNET网络仿真平台上新建场景，添加相应的网络设备并连接起来，设置想要获取相关数据的设备参数，再进行仿真运行，从运行结果中可以快速、直观地观察网络设备的性能参数，根据不同仿真场景的运行结果比对，选择最优网络优化设计方案来实施部署。

利用网络仿真平台进行教学，通过直观化的图形界面和运行结果，不仅能够激发学生浓厚的学习兴趣和积极性，更好地帮助学生理解和掌握教学中的重难点，还可以锻炼学生利用所学知识来解决实际问题的能力。

3. 实践教学过程

和其他实践性课程一样，借助OPNET开展实践教学一般根据下列步骤开展：第一，确定实训课教学目标，根据教学目标来规划网络拓扑结构，选择相应的网络设备、网络协议等;第二，在场景中构建与已经规划好的网络拓扑结构相同的仿真模型，设置需要观测网络设备的相关仿真参数及相应的统计量，并根据相关理论对实验结果进行预测;第三，运行仿真之后，对仿真结果进行观察、分析，与预测的实验结果进行对比，优化设计方案并对场景中的仿真模型进行调整，最终选出最佳方案;第四，根据对网络仿真统计数据的分析得出结论，完成并提交实训报告。

三、OPNET仿真教学案例

目前，筆记本电脑、IPAD、智能手机等无线移动终端产品普及，以及微课、慕课、远程教育等信息化技术和资源的发展，改变了教师授课、学生学习的方式。校园网络用户们渴求在校园中能随时随地接入并高效享用网络服务，通过多种方式来获取自己需求的信息。因此，校园无线网络已成为了现代化信息化校园建设的主流方向。本文中仿真教学案例以某高校校园无线网络规划设计和建设为例。

（一）校园无线网络规划设计方案

目前有线网络在校园中已得到普及，而且比较完善，但由于受到线缆布设等因素的制约，校园内部分区域会出现网络盲点或者无法进行布线的情况。同时，随着笔记本与智能手机的普及应用，随着在校园内空旷区域开展的活动、室内召开的学术研讨和会议等活动的增多，对移动网络信息点要求也越来越多。无线网络的最主要特点就是移动性和灵活性，在这些区域尤其是室外采用无线网络技术对WLAN 进行构建将能很好地解决这些问题，无线网络对有线网络进行有效补充和改造扩充的作用也得到了充分的发挥。大多数高校校园网络都是采用三层即核心层、汇聚层和接入层的架构来进行校园网络的建设。某高校校园网络的拓扑如图1所示。

根据校园有线网络的现有情况，校园无线网络的建设要基于有线网络作为校园骨干网的基础，通过增加无线AP和对其的配置，将校园无线局域网作为校园有线网络的延伸来进行扩展，构建校园有线网络和无线网络共存互补的综合网络，以便校园用户及时便捷地接入并访问网络的各个部门。

校园无线网络建设在室内和室外都需要安装无线接入点，根据高校校园的实际情况，在校园无线网络的规划设计和部署中，主要采用室内放装和室外布放的方式来完成。

（二）校园无线网络优化方案设计

在该校园网络中，网络节点、传输介质和服务器放置的位置等建设已经比较完善，由于建设资金和设备等条件的制约，更换核心层节点设备会大大增加网络的建设成本，同时网络中业务的不断增多，服务器一旦出现故障，能否提供不间断服务，因此，对服务器性能的要求越来越高，为此可以通过服务器的配置改进和数量的增加对网络进行优化。针对设定的不同场景，详细设计优化方案，对不同场景根据具体实际情况采用不同的优化手段和方法，以期能够达到改善网络环境和用户满意度的效果。在本案例中采取提高服务器配置和增加服务器数量作为校园无线网络的优化方案。

（三）实验流程设计

根据优化方案设计思路，我们设计三组实验并构建原有场景、提高服务器配置和增加服务器数量三种实验模型进行仿真实验，对结果进行对比，其流程及目的如下：

首先，对原有场景、提高服务器配置和增加服务器数量三种场景下的网络性能进行对比，以证实在对服务器改进后对无线网络性能的影响是否和预计的结果一致，同时也证实设计的三种方案在接下来所进行的实验中，其结果是否正确及可靠。由于针对网络性能是否会因对服务器的改进而得到提升来划分场景，所以在配置网络参数时除了特别说明，其他参数均取默认值。

其次，对原有场景进行实验，收集统计信息，以供后面实验结果与其加以对比，提升服务器性能，对网络中产生的数据的处理能力增强，接着开始提高服务器配置后的仿真实验，并对实验结果进行观测。

最后，在第二场景的基础上增加服务器数量，尝试对无线网络的性能进行优化，收集统计信息，并与第二场景下的实验数据进行对比。

（四）实验结果预测

根据上述步骤进行实验，结合相关理论分析，再加上具体实验场景的选取，原有场景中的统计信息作为与第二、第三场景中的结果进行对比，可以对实验结果做出预测：

1. 在对服务器的配置进行改进后，网络中产生的数据的处理能力增强，无线网络的负载会有所增大，无线终端用户的负载和所收到的信息量也会增加，而网络延时变化不会太大。

2. 在第二场景基础上增加一台服务器，在此优化策略下进行仿真，网络负载变得均衡，网络对数据的处理能力明显得到加强，除了网络负载会明显加大外，网络延时尤其是无线网络的延时会明显降低，网络环境较第二场景下会有明显的改善，网络性能也会有极大的提升。

无线网络在改进服务器后，性能会有提升，但实验结果还有待仿真完成后进行分析。

（五）仿真实验及结果分析

在进行校园网络仿真实验时，由于校园网络规模比较庞大，对整个真实的网络环境进行场景模拟和仿真实验基本上是不可能完成的，因而在实际应用和仿真实验过程当中，一般情况下不需要将整个校园网络全都放入实验范围中，而只是选取具有代表性的局部的网络进行场景模拟后再仿真，收集统计信息，对结果进行对比和分析。因此，选用一个无线AP覆盖范围下的无线网络场景，如图2所示，收集统计数据，然后再对该场景进行优化设计，构建不同的场景后再次进行仿真实验，将多次优化设计后的结果进行对比分析，得出网络中各个部分的最佳匹配组合方案，根据所得到的最佳方案实施建设和应用，从点到面，之后就可以按照该方案扩展到整个校园无线网络的建设和应用，使校园无线网络的利用率得到最大程度的提高。

1. 仿真实验

图2中的拓扑结构是在某行政处室办公室正在使用的网络拓扑结构上构建的实验模型，所有实验都基于这一网络拓扑结构实验模型，在仿真中模拟实际环境，在对现有网络进行改进前后分别进行仿真。

实验环境设置服务器、交换机、路由器、PC之间均采用千兆传输线路，场景大小设置为100平方米，添加FTP、WEB、语音应用和业务模块，并对各个模块设置相应的参数，比如应用的开始时间、结束时间、持续时间，以及应用的重复次数。FTP、WEB和语音业务仿真的开始时间没有设置在同一个时间点，主要是为了避免OPNET仿真的事件处理过程中发生冲突，使仿真时间过于漫长。在仿真实验中，WEB的开始时间、FTP的开始时间为（20，30）之间的一个随机值，语音开始的时间为（50，55）之间的一个随机值。实验时间设置为10分钟，实验过程中收集无线终端MP_1的负载、延时和全局变量、无线AP的负载、延时作为统计数据进行比对分析。

通过对仿真结果的对比分析，得出更换服务器的质量和数量对网络性能的提升会有很大帮助的结论。

2. 结果分析

由于网络中传输的数据几乎都要和网络中的服务器之间进行交互，因此服务器性能的优劣和服务器的数量对网络的性能有着极为重要的影响。从仿真实验结果对比中可以看出，服务器对改善网络性能有着显著的影响，尤其是在增加服务器数量之后，增强了网络处理数据的速度，借助服务器群集技术又使得网络负载均衡，因此大幅度地降低了网络对客户端的响应时间，网络延时有了明显的下降，网络环境得到了改善，无线网络的性能有了很大的提升，能够为无线网络用户提供高速、高效、高质量的服务，这也与预测的实验结果比较相符。

四、研究结论及建议

（一）网络仿真技术对计算机网络教学的辅助作用显而易见

通过上述教学案例，借助OPNET网络仿真技术平台完成了校园无线网络的规划设计与优化方案，对仿真实验的运行结果进行比对分析，可以使得网络建设方在建设之前选出最佳方案。这些实验在常规实训室条件下是不可能完成的，通過多个仿真教学案例，让学生对网络建设前期的规划设计阶段有了一个直观清晰的印象，利用网络仿真技术开展计算机网络教学，对教学整个过程的辅助作用是显而易见的。

（二）利用仿真技术平台对培养学生创新思维有着积极作用

利用OPNET网络仿真技术平台，依据真实场景来构建不同的网络模型进行仿真实验，收集统计数据并对实验结果进行对比分析，在此过程中能够帮助学生更加轻松地理解教学过程中遇到的抽象知识点及难点，学生在自己动手构建场景中可以融入自己的观点，对学生创新思维的培养也能起到积极的作用。

（三）教学过程中虚实结合，加强自身学习

借助网络仿真技术，可以让学生更加轻松地理解抽象知识点，提高了学生的动手操作能力，但始终不能替代真正的实验给学生带来的感官性体验。所以在教学过程中，应注意虚实结合，这样才能加深学生对实验的体会。同时，OPNET是一个复杂的仿真技术平台，需要教师不断加强学习，提高自身综合素质。

在计算机网络教学过程中借助网络仿真技术，能够加深学生对理论知识的理解，能够解决实训条件不足带来的各种困难，能够提高学生的学习积极性，能够培养学生的实践动手能力和创新思维。随着高职教育的不断改革，仿真技术在教学中的应用会越来越广泛，教学方式也将会越来越完善[6]。

参考文献：

[1] 李磊. 浅谈模拟仿真技术在高职计算机网络教学中的应用[J]. 现代信息科技，2019，3（01）：137-138.

[2] 王煜，周文龙. 虚拟仿真技术在计算机网络实验教学中的应用[J]. 计算机产品与流通，2020（07）：190.

[3] 李云. 虚拟仿真技术在计算机网络实验教学中的应用[J]. 教育教学论坛，2020（07）：391-392.

[4] 李文骞. 探讨网络仿真在计算机网络教学中的应用[J]. 数码世界，2020（02）：244.

[5] 江林. 计算机网络教学中运用仿真软件提升教学实效[J]. 信息与电脑（理论版），2019，31（20）：223-224.

[6] 李至彗. 中职计算机基础教学中微课的运用体会[J]. 课程教育研究，2017（07）：250.