第３０卷第５期 ２００８年１０月 电气电子教学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＥＥＥ Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．５ ０Ｃｔ．２００８ ＮＳ－２网络仿真在“宽带交换技术’’教学中的应用 王 琚 （南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京２１０００３） 摘要：为了提高学生的学习积极性和授课质量，笔者将Ｎ ２网络仿真平台引入到“宽带交换技术”的教学中，引导学生利用该平台对实际网 ， 络拓扑和ＭＰＬＳ、ＡＴＭ等复杂协议进行模拟与分析，并以动画和曲线等多种方式来演示协议交互方式和性能，提高了课程的生动性以及学生 的动手能力。实践结果表明引入该方法明显改善了授课效果。 关键词：宽带交换技术；ＮＳ２；网络仿真 中图分类号：ＴＮ９１５；Ｇ６４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—０６８６（２００８）０５—００７３—０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＳ－２ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｎ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｕｒｓｅ ＷＡＮＧ Ｊｕｎ （ｃｏｌｌｅｇｅ．ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇ．，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｎａ ｉｎｇ ２１０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｈｅｌｐ ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔａｋｅ ａｎ ａｃｔｉｖｅ ｐａｒｔ ｉｎ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎ ａｓｓｉｓｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｏｐｅｎ ｓｏｕｒｃｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＮＳ－２ ｔｏ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ ｃｏｕｒｓｅ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｃａｎ ｕｓｅ ｔｈｉｓ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｓｕｃｈ ａｓ ＡＴＭ ａｎｄ ＭＰＬＳ ｅｔｃ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｉｍａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｓ ｓｕｃｈ ａｓ ＮＡＭ，ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ＂ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｓｕｃｈ ａｐｐｒｏａｃｈ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａｒｏｕｓｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ＂ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＮＳ－２；ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ １“宽带交换技术＂的教学特点 “宽带交换技术”课程的目的是在交换技术基 经过教学实践，我们发现授课过程中存在以下问 题。 （１）由于课程的内容主要涉及到很多网络协议 础课程之后，为学生进一步深入讲解宽带通信网 中的交换技术和组网技术，并结合典型系统介绍 宽带交换和网络设计。通过该课程的学习，可以 和算法，协议的内容比较抽象和枯燥。虽然教学手 段中幻灯片可以提供一定的动画演示效果，但对提 高教学效果的作用并不明显。 （２）课程所讲解的大多数网络协议和算法，在 让学生掌握宽带交换技术中的基本理论和主要协 议，对交换技术的发展历程和趋势有较清晰的了 解，扩展学生的知识和视野，提升学生的专业背 传统的实验环境下很难模拟或成本太高而影响教学 效果。课程涉及的技术内容较新，实验设备昂贵，一 般的院校不具备实际做实验的条件。 （３）传统的授课方法教学往往就是单纯地介绍 景［１］。目前该课程主要内容包括：异步交换模式 ＡＴＭ、多协议标记交换ＭＰＬＳ、软交换及ＩＭＳ等。 收稿日期：２００８—０４—２３；修回日期：２００８—０５—３０ 作者简介：王基金项目：南京邮电大学教学改革研究资助项目（ＪＧ０Ｏ２Ｏ８ＪＸ０８） 瑶（１９７５一），女，博士生，讲师，主要从事宽带网络，交换技术等科研教学工作，ｗａｎｇ＿ｊｕｎ＠ｎｊｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｒｌ ７４ 电气电子教学学报 第３０卷 协议的流程和协议中的各个字段的含义，使得学生 无法将各门专业课程中学到的知识贯穿起来。学生 反映考试之后往往只记得几个专业词，而不知道课 程知识的实际应用。 ②根据仿真要解决的问题，编写Ｔｃｌ脚本，或 修改Ｃ＋＋代码并重新编译ＮＳ； ③运行Ｔｃｌ脚本，得到仿真结果数据； ④对结果数据进行分析，并以动画或静态图像 鉴于以上问题，我们对本课程进行了较大的改 革，提出了以工程为主、为工程服务的指导思想，进 行了课程整合，突出重点，增加实验课。并将国际通 来演示仿真结果。 ２．２ ＮＳ－２仿真平台在课程中的应用 “宽带交换技术”课程中主要涉及的协议包括多 用的开源网络仿真平台一Ｎ ２［２］引入教学和实验 中，以最小的成本提高了实验教学的水平和质量，极 大地调动了学生的积极性。 协议标记交换ＭＰＬＳ和异步传输模式ＡＴＭ等。 先前的ＮＳ－２主要是针对ＴＣＰ／ＩＰ协议簇的协议进 行仿真，并没有对本课程中ＡＴＭ和ＭＰＬＳ协议的 仿真。为了能够让ＮＳ－－２支持ＭＰＬＳ和ＡＴＭ，必须 对基础的ＮＳ－２进行扩展。首先在ＭＮＳ（ＭＰＬＳ ２将网络仿真工具ＮＳ．２引入教学 ２．１网络仿真工具的简介 Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）［。］这个ＮＳ－２扩展模块基础之 上，仿真实现了标记交换和分发协议、建立显示路由 （ＥＲ－ＬＳＰ）等ＭＰＩ Ｓ网络的基本功能。对于ＡＴＭ 网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络 链路的统计模型，并模拟网络流量的传输，从而获取 网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技 术。网络仿真具有可信度高、使用应用广、应用成本 低、可提供真实和实用系统的可行性依据等优点。 目前使用较多的网络仿真软件有Ｓｅａｗｉｎｄ、 ＯＰＮＥＴ、Ｍａｔｌａｂ、ＮＳ－２和ＧｌｏＭｏＳｉｍ等。我们选择 协议，我们参考有关文献［４］，在现有平台中添加了 ＡＴＭ的各种设备的仿真，如ＡＴＭ交换机（包括交 换结构、连接管理及调节器）、ＡＴＭ终端设备以及 ＡＴＭ链路。同样，我们也在ＮＳ－２的仿真平台中增 加了ＳＩＰ协议。 了免费且开放源代码的网络仿真软件Ｎ ２作为仿 （１）ＮＳ－２仿真平台在课堂教学中的应用 对于本科生的课堂教学来说，可以利用扩展后 Ｎ ２中的协议，演示不同网络环境下的协议运行情 况，所以只需要用到Ｏｔｃｌ这一层次的仿真方法。教 师在实际理论授课时，首先编写相关协议的ＮＳ仿 真平台。该平台是面向对象和基于离散事件驱动的 网络环境模拟器。ＮＳ－２提供多种支持：①模拟的 网络类型，包括广域网、局域网、移动通信网及卫星 通信网等；②数学方面的支持，包括随机数产生、随 机变量及积分等；③跟踪监测，包括包类型、队列监 测及流监测等；④路由，包括点到点传播路由、组播 路由、网络动态路由及层次路由等。 Ｎ ２内核由编译和解释两个层次组成。编译 层包括Ｃ＋＋类库，而解释层包括对应的面向对象 的脚本语言Ｏｔｃｌ类，用户以Ｏｔｃｌ解释器作为前台 使用ＮＳ。与此相对应的ＮＳ－２仿真也有两个层次： 一真源代码，编写演示教本，利用ＮＳ－２仿真平台自带 的ＮＡＭ动画。结合教材进行教学，让学生能够看 见协议的动态运行过程。比如结合ＭＰＬＳ的教学 内容，我们给学生演示标记分发的过程，ＬＳＰ的建 立过程，以及ＭＰＬＳ流量工程对服务质量ＱｏＳ的影 响；而针对ＡＴＭ技术，我们利用ＮＳ－２仿真平台产 生的图表和动画，可以帮助学生分析各种虚电路，面 向连接等基础的ＡＴＭ功能。 ．个层次是基于Ｏｔｃ１编程，通过Ｔｃｌ脚本程序设 计，利用现有的ＮＳ元素实现仿真，不用修改ＮＳ平 台的内核源代码，这个层次的仿真较容易实现；另一 个层次是基于Ｃ＋＋和０ｔｃｌ的编程，即利用Ｏｔｃ１和 （２）ＮＳ－２仿真平台在实验课程中的应用 我们根据学生情况，分成了两个层次的实验。 第一个层次是Ｏｔｃ１编程。让学生利用扩展后 ＮＳ的接口，编写Ｃ十十程序，然后重新编译ＮＳ来 增加新的功能。比如增加新的协议模块，从而达到 的ＮＳ元素实现仿真，进行特定网络场景的编程（比 如ＭＰＬＳ中的标记分发过程），真正体会网络仿真 器的工作原理，并学习观察和分析仿真数据，加深对 协议交互过程的理解，以及协议中参数对性能的影 响。 对新功能的模拟，这个层次的仿真难度较高。 综上所述，使用ＮＳ－２进行网络仿真的一般过 程为： ①分析要解决的问题，建立模型； 第二个层次的实验是针对部分动手能力较强的 第５期 王 琚：ＮＳ－２网络仿真在“宽带交换技术”教学中的应用 ７５ 学生，让学生在Ｎ ２中添加新的协议模块。这时 增强软件编程能力，对于以后的理论研究和毕业求 就会涉及到难度更大的内核修改层次，因此这一层 职都有一定的帮助。利用网络仿真工具ＮＳ－２进行 次的实验我们设计为课后实验，让有兴趣的学生利 网络协议的教学，有如下的优点： 用业余时间在教师的指导下完成。在实验课中，学 ①灵活、生动、直观地显示了网络协议的基本 生运行相应的脚本，并观察仿真结果，从中学习 原理和交互过程，特别是ＮＡＭ工具演示可以清楚 实验所反映的网络协议的行为。最后根据观测结果 深刻地向学生演示网络协议的运行过程，比原来教 写出实验报告，真正加深了对具体协议等抽象概念 学中的ｐｐｔ动画要更为直观。通过ＮＳ－２的教学，学 的理解。 生可以直观的看到网络协议的行为，了解各种环境 ２．３教学示例 或其他因素对网络的影响。 ＭＰＬＳ协议中的ＬＤＰ一直是本课程教学中的 ②用仿真器进行教学比较经济，只需要极少 一个重点和难点，我们通过ＮＳ－２仿真平台构造一 的资金就能为学生提供实用的网络设计与操作环 个非常简单的网络应用场景，向学生演示了ＬＤＰ协 境。 议的工作原理。首先是编写Ｏｔｃｌ脚本，编写Ｏｔｃｌ ③通过学习网络仿真工具的使用和编程，提高 脚本程序的主要步骤如图１所示。 了学生的动手能力。为学生以后作网络方面的理论 分析和研究奠定了很好的基础。 ３ 结语 任课教师通过ＮＳ－２仿真平台演示了重要网络 协议的工作原理，并鼓励学生自己动手添加网络模 块，分析实验数据，达到了很好的教学效果。调查结 果表明，这种教学方式后对网络协议的理解更加深 刻，提高了学生的学习积极性和动手能力，节约了实 验成本。 我们在“宽带交换技术”课程教学中引入ＮＳ－２ 的仿真技术的工作只是一种尝试。虽然取得了一定 效果Ｌ５］，但还有许多问题需要进一步探讨，比如怎样 解决学时较少和内容多的矛盾，如何让学生在短时 间内容掌握网络仿真工具等等。对此，我们愿与兄 弟院校同行们共同探讨。 参考文献： 清华大学出版社．２００６． Ｅ２３徐雷鸣，庞博，赵耀．ＮＳ与网络模拟［Ｍ］．北京：人民邮电出版 。一（￣＂Ｌ＼ ＼ＤＰＭａｐｉ ＼ｎｇＭｅｓａｇｅｓ ／ ［１］糜正琨等．交换技术ＥＭ］．北京：社．２００３． ［３］ Ｇａｅｉｌ Ａｈｎ，Ｗｏｏｊｉｋ Ｃｈｕｎ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＠—— ④＼ ＭＰＬＳ ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ＬＤＰ ａｎｄ ＣＲ－ＬＤＰ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，（ＩＣＯＩＮ ２０００）， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ＰＰ．４４１—４４６． ［４］Ｓｏｗｍｙａ Ｍａｎｊａｎａｔｈａ．ＡＴＭ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ（ＮＳ）［ＥＢ／ ｏＬ］．ｈｔｔｐ：／／，￣ｖｗ．ｅｓ．ｕｎｈ．ｅｄｕ／ｃｎｒｇ／ｓｏｗｍｙａｍ／ｎｓ－ａｔｍ／ｎｓ— ａｔｔｎ．ｈｔｍ１． Ｅｓ］张有志．程控交换原理教学中引入ＥＤＡ技术的探讨［Ｊ］．南京： 电气电子教学学报，２００６年８月，Ｖ０１．２８，Ｎｏ．４．
