网络环境下虚拟仿真分析的研究

邹金花

摘要：本文介绍了虚拟仿真的背景，几种仿真软件发展和应用，随着现代网络和计算机科学技术的高速发展，虚拟仿真发挥着越来越重要的作用，通过虚拟仿真分析，可以大大地节约成本，增强实践能力和理解能力，尤其对于教学实践，大大节约了实验的教学成本，提升了教学效率和效果。

关键词：虚拟仿真;仿真分析

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）26-0225-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： This paper introduces the background of virtual simulation， the development and application of several simulation software. With the rapid development of modern network and computer science and technology ，virtual simulation plays a more and more important role， through the virtual simulation analysis， can greatly save the cost， enhance the practical ability and understanding ability， especially in teaching practice， greatly saves the cost of experiment teaching， improve teaching efficiency and effect.

Key words： Virtual simulation;simalation analysis

1 相关工作

从中国知网获悉，近5年，关于仿真分析的文章都在1500-2000篇左右，没什么大的增长，近十年的数据，至今关于仿真分析方面的文章大概只是翻了一翻，不像大數据，数据挖掘等其他领域的文章，成倍成倍的增长，所以还有一定的研究空间，现在互联网技术，特别是移动互联网的飞速发展，给人们的工作和生活带来了很大的变化，同时也给网络工程，计算机以及相关专业的学生提供了很多的机遇，但对他们的工程实践能力和理论基础知识提出的更高的要求。

随着教育教学改革的不断推进，教育部对高校实验教学信息化工作提出了新要求。2013年8 月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作（教高司函[2013]94号），2013年建设 100个左右国家级虚拟仿真实验教学中心。2014 年8月，教育部发布《关于开展2014年国家级虚 拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高厅函 [2014]31号）。2015年6月，教育部发布《关于开 展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作 的通知》（教高厅函[2015]24号）。截至2015年，我 国已建成200个国家级虚拟仿真实验教学中心，分布在全国155所普通本科院校[1]。随着虚拟仿真技术在教育方面的应用越来越广，对我国的教育行业是 一次大的改革。虚拟仿真技术的特点是：功能强，灵活，最大的特点就是成本低。教师合理应用虚拟仿真技术到具体的教学方法和课程设计中，能够提高学生的实践应用能力，大大提升教学质量和效率。

现在，虚拟实验教学中心的建设工作已经引起国内外的关注，美国耶鲁大学、英国开放大学等学校，虚拟仿真资源是虚拟仿真实验教学中心建设的重点内容，为学习者的实践能力、动手能力以及创新能力培养提供了平台和资源。随着现在我国虚拟仿真实验教学中心建设的发展，极大地提高了研究者开发和教育工作者的信心和勇气。通过调查和文献查阅，关于国内外虚拟仿真资源方面的研究并不是很多[2]。传统的实验室的教学就是利用各种实验器材，学生对实验课提不起兴趣，而虚拟仿真实验通过运用计算机虚拟仿真软件，模拟真实的实验场景，增强了学生自主学习的能力，很大的激发了学生的学习兴趣，而且大大节约了实验的教学成本，提升了教学效率和效果。

2 虚拟仿真的概念

随着计算机网络的高速发展，教学中计算机网络课程的实践性和理论性的无可替代的。网络的应用涉及很多行业和领域，网络的人才需求也很大，因此，高校对计算机网络技术教学也越加重视。随着现在虚拟仿真技术的发展，结合现在网络方面新技术的发展，不但对我国各个行业有一定影响，并对计算机网络在教学和实践方面的提升也存在很大的帮助。在计算机网络中，结合虚拟仿真技术，可以从本质上提高学生的一个综合学习能力。

“虚拟仿真”可以将它称之为“网络模型”或“网络仿真”，虚拟仿真是一种科学手段，可以测试网络的性能。我们把它使用虚拟化技术建立一种模拟软件在计算机网络设备上，相对独立，在运行中可以得到物理数据。通过这种虚拟仿真可以构建一种计算机网络课程教学平台，为网络课程的教学和实践提供依据。为教学提供决策指导。“虚拟仿真”在德国、日本、美国等一些科技发达的国家已经存在了二十多年的历史，在网络方面的应用也比较广泛。现在应用于计算机网络课程教学的“虚拟仿真”主要有两种：一种是网络仿真实验，另一种是建立相关的网络模型。因此，我们在学习的过程中，引入“虚拟仿真”技术可以大大提高学生的学习质量和效率，提高他们的兴趣。“虚拟仿真”软件相对来说趋向于人工智能。

3 关于仿真分析的数据

3.1 MATLAB软件的介绍

仿真软件包括 Network、 MATLAB 以及 OPNET等等， 一般MATLAB软件具有可扩充性、显著易用性，所以，在整个网络仿真软件中相对来说比较普遍. MATLAB是matrix&laboratory 两个词的组合[3]，意为矩 阵实验室，软件创设于美国，能够让信息数据、矩阵计算、数值分析等产生可视化效果，并且还可以集中非线性动态仿真应用 模式体系，让开发环境全面、有效，并将其当成科学、系统的研究方法.此体系中包含的函数库形成了相应的信号，在滤波器和噪声过滤器中使用，从而产生显著的效果.通过MATLAB 软件进行编程仿真，可以解决理论和实验不同步带来的很多问题，可以对课堂上所讲理论知识点进行验证，通过数据，声音或者图形等形式展示出来. MATLAB 就是一款性能比较高的系统仿真软件，它的图形界面和优异的数值运算能力得到了业界的广泛认可。

3.2 Opnet软件的介绍

OPNET 最早由麻省理工学院信息决策实验室受美国军方委托开发[4]，它是OPNET Modeler的简称，是OPNET Technologies公司首推的商用网络仿真软件。Opnet有一些特点：1）用图形化的编辑器和面向对象的建模方法进行开发;2）对数据包进行通信，数据包是Opnet中的一个基本单元，可以通过包在设备间的流动及其在设备内部的处理过程，模拟网络网络中数据包在协议过程中的传递;3）用离散事件仿真机制，进程层用有限状态机对协议等这些过程来建模，转移事件驱动状态，这样推进仿真进程;4）用进程、网络层和节点层的3层建模机制，在节点层可以将他们互联成设备，网络层的时候可以互联成网，进程模型位于最底层，通过有限状态机来描述协议;节点模型由相应的协议模型组成，以设备特性来描述;而网络模型则位于最上层，通过节点模型来反映现实网络结构。图1显示了从建立模型、仿真、结果这几部分构成。

Opnet仿真平台的出现，为网络管理提供了一种重要的手段，它是在Windows环境下运行，图形的界面很丰富，也为网络设计和规划提供了可靠的依据，能够模拟真实的网络业务和环境，来达到测试产品的目的。

3.3 PacketTracer软件

PacketTracer是Cisco公司为从事相关工作或技术爱好者定制的一种虚拟仿真平台，它能让学习者有种远程操作设备或者现场操作网络设备的感受，提供了全面的思科网络仿真设备。帮助学习者理解基础课程的知识和概念，提供了很真实的思科仿真环境，思科的一些相关认证考试项目进行模拟。

3.4 网络仿真软件NS

NS是一种免费的，源代码公开的软件，该软件尤其适合TCP/IP的网络仿真，应用于各种各样的网络体系结构和网络协议。它属于现在应用比较广泛的网络仿真软件，一般选择C++实现，网络仿真通过环境参数和网络组件的配置进行，时间越短越好。在配置网络仿真中，实际环境中的网络节点和节点机构很相似，他们对应着相应的分类器。NS为我们提供了一个好的平台，结构清晰，它的源代理可以很自由的下载，非常利于构建新的网络实体和协议，虽然NS的功能非常强大，但是我们学习的时候是不太容易上手的。它作为一种辅助教学方面的工具，现在渐渐被广泛应用于计算机网络教学方面。

3.5 仿真软件的创新之处

随着科学技术的不断发展和进步，各个领域都在不断地探索，计算机仿真技术成为了人类科学中的一项重要的技术手段。随着近年来各个领域对计算机仿真技术方面的应用，使它得到了有效的发展。仿真技术在各个领域应用的都很多，比如在教学方面的发展，从我国现状来看，主要是侧重与高职高专个别专业和国内一些重点公办大学，民办院校对这一技术的应用和研究相对来说就不多。地方院校等一些应用性比较强的学校通过“服务地方，立足地方”的宗旨，通过提高学生的综合实践能力和创新精神，以“学生为中心”的改革理念，他们组建了专门的仿真实验教学团队、通过整合优化教学资源，开发虚拟仿真实验以及校企合作等方法，分阶段，逐步有计划的推进中心建设工作。

虚拟仿真能够将现在的教学实验室进行虚拟化和数字化，虚拟仿真实验教学是实验教学中心和高等教育信息化的重要组成，是教学内容和教育信息化结合各个学科特色相融合的产物。应用比较好的虚拟实验室有美国卡内基梅隆大学的化学工作站、美国斯坦福大学的生物医学实验室、土耳其加齐大学的虚拟直流电机实验室等[5]。这些年，国内的高校对虚拟实验的开发和研究不断取得新的成果，虚拟仿真实验在计算机网络方面的应用已经非常普遍了。虚拟仿真实验创新的三个方面：一、多年的教和学方式进行改善。通过虚拟仿真实验系统，将多个设备联系起来，实现多个学科的有机融合。二、实践和理论的结合。将实验课和理论课结合，克服了理论课的单调，抽象。将两者结合起来，提高学生的学习兴趣和实践意识。三、机制创新。实行“团队保障、立项支持、首席负责”的运行和建设机制。实现专业、实验室和学科的一体化协调运行，增强了实验教学的创新动力，将能力培养和素质教育融于实验教学活动中，取得了科研和教学成果。

目前的創新创业教育存在着很多的问题，而且是客观存在的一些问题，此时需要对创新创业进行指导、干预，这样才能保障他们的正确方向，这些需要依赖完善和科学的创新创业评价和保障体系。现在很多创新创业教育的成果以形式化居多，重形式轻过程。虚拟仿真的创新创业评价体系以总结性评价为辅，形成性评价为主，强调过程，可以有效监督，指导创新创业教育的实施。保障创新创业有效，高质量的开展。

在教学中，把仿真技术和学生的理论学习，实践学习结合起来，使学生快速理解抽象的理论知识，大大提高学生的学习效率，并能应用于实际的工作中，做到活学活用。虚拟仿真实践可以很大的提高学生对知识的系统理解和对专业的服务，可以加强学生的创业能力和提升学生的创新思维，提升学生的整体素质。

4 仿真软件在计算机网络中的应用

虚拟仿真的应用可以降低学校教学设备的闲置，提高教学设备的使用，整合教学资源。

增强学生的理解能力，提高他们掌握知识的程度，对学生的实际应用和知识的消化理解都有重要的影响。大大提高了他们的思维创新和动手能力。从理论升华到了实践操作，在实验和实际操作中，教师通过结合教学实际，设计虚拟仿真模型，将学生的观点和创新植入模型，在理论教学中，能够很好地培养学生的创造和创新意识，理清学生的思路。通过虚拟仿真技术的应用，可以指引学生在计算机网络方面对专业知识的认知和进一步理解，无论对实际的应用还是知识的掌握都有着非常重要的影响。虚拟仿真技术大大节约了教学成本，提高了教学的效率。理论知识转化为实际的应用效果。综上所述，虚拟仿真技术对计算机网络技术具有实践性和指导性，值得推广和应用。

5 总结

随着社会的不断发展，计算机网络技术的出现不仅为我国各行各业的发展提供了极大助理，也同时促进了我国教育事业的发展，尤其是仿真软件的高度运用，更是极大促进了我国计算机网络技术课程教学效率的提升。计算机网络这门课程是理论和实践相结合的课程，在计算机网络中应用虚拟仿真技术，可解决计算机网络课程在实践中遇到的问题，提高学生实践操作能力和学习的积极性，提高效率，降低成本，充分节约资源，让学生很快理解和掌握知识的难点和重点。把虚拟仿真设备运用到特殊的场合和场地使用，学生在实际场景下学习，操作，打破了空间和实践的限制，大大的加深了他们的印象，非常有利于实验效果的完成，理论联系实际，为日后使用设备打下了坚实的理论基础。

网络仿真技术主要应用于网络设计方案，实施方面的方针，网络的运行状况，网络的发展等方面的改进，测试，实现网络建设的优化。虚拟仿真技术不管在用户体验还是技术方面都越来越成熟，在实践教学，实验等方面应用的越来越多，学生将从虚拟仿真中获得越来越多的知识。虚拟仿真实验将多媒体技术，计算机技术等有机结合起来，有效解决了实验设备的不足等问题，对此，作为计算机网络课程教师，应务必认识到运用仿真软件的重要性，并积极思考结合仿真软件的计算机网络教学新手段，如此方能将计算机网络相关知识更好地传授给学生。综上所述，虚拟放很技术对计算机望楼课程具有实践性和指导性，很值得推广和推荐，以虚拟仿真实验为根据，对计算机网络实践深入研究，实验，为以后更好地开展计算机网络实践课程提供帮助。

参考文献：

[1] 欧阳志友，袁春蕾.物联网虚拟仿真实验教学平台建设研究[J].计算机教育，2017（12）：155-158.

[2] 王娟，陈瑶.资源建设新形态：虚拟仿真资源的内涵与设计框架[J].中国电化教育，2016（12）：91-96.

[3] 谭艳春，樊海红.MATLAB 和二维码可视化技术在电路分析教学中的应用[J].中国教育技术装备，2018（02）：44-46.

[4] 鲁开强.对仿真软件 OPNET 和 NS2 的分析[J].科技创新与应用，2013（14）：84.

[5] 陆霞，田地，何禹潼，等.LA-ICP-MS网络虚拟实验室的研究与开发[J].实验室研究与探索，2015，34（11）：120-123.

【通联编辑：唐一东】