基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)密切結(jié)合的新技術(shù)領(lǐng)域．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是高校電氣信息類和計(jì)算機(jī)類專業(yè)的重點(diǎn)課程，在整個(gè)專業(yè)建設(shè)和課程體系中占據(jù)重要地位。但目前高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中還存在以下問(wèn)題：1)原理、概念多，涉及很多協(xié)議和算法，傳統(tǒng)教學(xué)模式不適合講授抽象的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)；2)缺少必要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)缺乏實(shí)踐操作；像交換機(jī)、路由器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀等實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較昂貴，而且更新?lián)Q代速度也快，條件相對(duì)較差的學(xué)校買不起。教師和學(xué)生都難以更新和追蹤最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，滿足不了課程對(duì)學(xué)生知識(shí)、技術(shù)和研究能力方面的培養(yǎng)需求，不利于培養(yǎng)高層次的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)人才；3)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)培訓(xùn)無(wú)法深入，學(xué)生無(wú)法準(zhǔn)確地通過(guò)實(shí)驗(yàn)親自動(dòng)手來(lái)理解和掌握網(wǎng)絡(luò)的概念以及協(xié)議的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程。
為此，某高校計(jì)算機(jī)學(xué)院采用基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)作為講授計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程的平臺(tái)，特別是為講授TCP／IP協(xié)議族，提供了一套可視化的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。借助此系統(tǒng)還可講授網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)攻防和故障性能分析等相關(guān)知識(shí)。將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，通過(guò)對(duì)各種數(shù)據(jù)幀的靈活編輯、仿真發(fā)送、捕獲解析和會(huì)話分析，學(xué)生可以直觀地看到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的行
為，了解各種環(huán)境或因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，將抽象的網(wǎng)絡(luò)概念形象化，把枯燥的網(wǎng)絡(luò)原理具體化，從而深入地理解和掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)部原理和運(yùn)行機(jī)制。

1 仿真教學(xué)系統(tǒng)的組成和主要功能
1．1 系統(tǒng)組成和工作原理
基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由硬件、軟件、實(shí)驗(yàn)教材和教學(xué)課件組成，具有良好的擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模靈活配置。
硬件系統(tǒng)主要包括主控中心平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集器。硬件系統(tǒng)支撐網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，利用智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要快速切換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
軟件系統(tǒng)主要由仿真編輯器和協(xié)議分析器組成。仿真編輯器可以仿真各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，編輯和發(fā)送各種協(xié)議數(shù)據(jù)包，并提供多種實(shí)用性網(wǎng)絡(luò)工具。協(xié)議分析器可以捕獲和分析網(wǎng)絡(luò)中各種協(xié)議數(shù)據(jù)包，并能夠靈活地提取各種網(wǎng)絡(luò)行為。
教學(xué)課件針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)課件，從理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)原理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)步驟、思考問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)需求、實(shí)驗(yàn)提示等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行詳盡說(shuō)明，對(duì)于難以理解的內(nèi)容提供動(dòng)畫(huà)演示，輔助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)課程。
某高校計(jì)算機(jī)學(xué)院基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室配置為：一個(gè)主控中心平臺(tái)，30個(gè)數(shù)據(jù)采集器，30套仿真編輯器軟件和30套協(xié)議分析器軟件；與60臺(tái)PC機(jī)組成30個(gè)實(shí)驗(yàn)單元組，可滿足60個(gè)學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元組由一個(gè)數(shù)據(jù)采集器、一臺(tái)裝有仿真編輯器軟件的PC機(jī)和一臺(tái)裝有協(xié)議分析器軟件的PC機(jī)組成，組內(nèi)實(shí)驗(yàn)或全網(wǎng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器的切換開(kāi)關(guān)來(lái)控制，實(shí)驗(yàn)單元組成圖如圖1所示。
基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作原理為：主控設(shè)備和數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的橋接、路由與采集工作；在主控設(shè)備的控制下，分布在局域網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真編輯組件仿真各種協(xié)議數(shù)據(jù)包；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析組件實(shí)時(shí)地觀察到由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真編輯組件所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)包以及模擬協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議族的仿真教學(xué)。

1．2 系統(tǒng)主要功能
基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)配置包括主控中心平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集器、仿真編輯器軟件以及協(xié)議分析器軟件。
1．2．1 主控中心平臺(tái)
主控中心平臺(tái)提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)控制局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流向、數(shù)據(jù)的橋接與路由，提高服務(wù)質(zhì)量等。
1．2．2 數(shù)據(jù)采集器
數(shù)據(jù)采集器以高阻旁路的方式采集鏈路信息，并可通過(guò)切換手動(dòng)開(kāi)關(guān)采集單機(jī)或子網(wǎng)中的信息，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集，負(fù)責(zé)全網(wǎng)實(shí)驗(yàn)與單元組實(shí)驗(yàn)的切換。
1．2．3 仿真編輯器
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真編輯組件包括3個(gè)主要模塊：數(shù)據(jù)包編輯器、數(shù)據(jù)包發(fā)送器和TCP連接客戶端。數(shù)據(jù)包編輯器主要完成單幀編輯和幀序列編輯功能。單幀編輯模塊按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的層次關(guān)系，編輯單個(gè)數(shù)據(jù)幀，填寫(xiě)各層次的協(xié)議首部，幀序列編輯模塊模擬某項(xiàng)完整的網(wǎng)絡(luò)行為，發(fā)送多個(gè)仿真數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)包發(fā)送器根據(jù)編輯好的幀序列文件發(fā)送數(shù)據(jù)包，將整個(gè)幀序列按時(shí)序發(fā)送出去。TCP連接客戶端編輯SMTP、POP3、FTP、HTTP等協(xié)議，并與主控設(shè)備直接通信。
仿真編輯器軟件可以仿真各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，編輯和發(fā)送各種協(xié)議數(shù)據(jù)包，并提供多種實(shí)用性工具。具體功能為：1)實(shí)現(xiàn)TCP／IP各層協(xié)議仿真及各層協(xié)議字段值的編輯，并對(duì)該幀進(jìn)行直觀的ASCII碼和十六進(jìn)制顯示；2)提供手工和自動(dòng)計(jì)算校驗(yàn)和方式，加深校驗(yàn)和計(jì)算過(guò)程的理解；3)靈活的數(shù)據(jù)仿真發(fā)送功能，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單幀發(fā)送、多幀發(fā)送及重復(fù)發(fā)送；4)便捷的網(wǎng)絡(luò)掃描方式，提供主機(jī)掃描
和主機(jī)端口掃描功能；5)形象化的協(xié)議模型層次圖，使數(shù)據(jù)幀的編輯不再抽象，協(xié)議層次關(guān)系表現(xiàn)更清晰更直觀；6)提供多種輔助教學(xué)的實(shí)用性網(wǎng)絡(luò)工具(連接工具、工具、組播工具等)；7)運(yùn)用多種協(xié)議模板快速建立一個(gè)數(shù)據(jù)幀，提高實(shí)驗(yàn)操作的效率。
1．2．4 協(xié)議分析器
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析組件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析功能，如對(duì)各種協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單解析或詳細(xì)解析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲、解碼與顯示以及過(guò)濾IP地址等。
協(xié)議分析器軟件捕獲和分析網(wǎng)絡(luò)中各種協(xié)議數(shù)據(jù)包，并能夠靈活地提取各種網(wǎng)絡(luò)行為。具體功能：1)會(huì)話分析以圖解方式直觀表示出網(wǎng)絡(luò)會(huì)話過(guò)程，以及數(shù)據(jù)包的傳輸方向和功能；2)協(xié)議詳細(xì)解析對(duì)采集到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行逐層詳細(xì)解析，并以樹(shù)狀圖顯示，解析內(nèi)容覆蓋TCP／IP協(xié)議族；3)多窗體數(shù)據(jù)分析對(duì)不同時(shí)間段采集到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)不同網(wǎng)段中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行捕獲分析；4)提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)
構(gòu)的智能化驗(yàn)證；5)提供靈活的中英文協(xié)議解析和詳盡的幫助文件。

2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)課程體系
構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的整體思路：首先是能否從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概念入手，將通信的雙方構(gòu)造成為一臺(tái)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真編輯器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀，來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò)通信與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境；其次是通過(guò)不斷地變更實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，來(lái)完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。
根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的需要，并結(jié)合對(duì)講授課過(guò)程中各層次知識(shí)點(diǎn)歸納和整理，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)包括基礎(chǔ)協(xié)議實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)故障實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是根據(jù)教育部的教學(xué)大綱要求設(shè)計(jì)，較為全面系統(tǒng)地覆蓋了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了TCP／IP協(xié)議族中鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層的重點(diǎn)協(xié)議，能夠?qū)⒊橄笊鷿木W(wǎng)絡(luò)知識(shí)，以直觀、容易理解的方式展現(xiàn)出來(lái)，而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)一個(gè)課件，課件內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟以及思考題，完全能夠滿足高校對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)教學(xué)的需要。
2．1 基礎(chǔ)協(xié)議實(shí)驗(yàn)
基礎(chǔ)協(xié)議實(shí)驗(yàn)在總實(shí)驗(yàn)中所占比重最大，主要用于幫助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、觀察和評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。首先由教師給出實(shí)驗(yàn)的仿真源代碼的核心部分，學(xué)生根據(jù)教師的講解及關(guān)鍵部分的提示對(duì)TCL腳本做相應(yīng)的修改后運(yùn)行，仿真編輯器和協(xié)議分析器工具可以清晰地以動(dòng)畫(huà)形式演示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運(yùn)行過(guò)程。
學(xué)生還可以通過(guò)修改某一參數(shù)觀察網(wǎng)絡(luò)各性能指標(biāo)的變化，分析比較仿真結(jié)果，領(lǐng)會(huì)協(xié)議和算法的含義。這些性能主要是：1)以太網(wǎng)基本協(xié)議包括滑動(dòng)窗口協(xié)議、停止等待協(xié)議、CSMA／CD協(xié)議等；2)動(dòng)態(tài)路由學(xué)習(xí)采用距離矢量算法的動(dòng)態(tài)路由，并觀察當(dāng)鏈路狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，使用靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由之間的差異。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以對(duì)動(dòng)態(tài)路由的路由信息的更新，有更直觀和清晰的認(rèn)識(shí)；3)TCP性能及隊(duì)列
管理機(jī)制通過(guò)DropTail和RED隊(duì)列管理機(jī)制，了解被動(dòng)式和主動(dòng)式隊(duì)列管理機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)，掌握帶寬和數(shù)據(jù)流數(shù)目對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量及端到端延遲的影響；4)UDP實(shí)時(shí)傳輸學(xué)習(xí)測(cè)量以UDP為傳輸協(xié)議的應(yīng)用程序吞吐量、包延遲、抖動(dòng)率以及包丟失率；5)流量整形器學(xué)習(xí)使用漏桶算法和令牌桶算法調(diào)整流量傳輸速率，并調(diào)整令牌桶流量整形器的桶深度、緩沖區(qū)大小，觀察是否影響傳送速率；6)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸了解隱藏站點(diǎn)和暴露站點(diǎn)的概念，掌握RTS／CTS的工作機(jī)制以及其如何降低隱藏站點(diǎn)發(fā)生的概率。
2．2 網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)
為了降低網(wǎng)絡(luò)入侵帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò)入侵。網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)是對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效手段，是信息安全技術(shù)的重要組成部分。攻防實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)從技術(shù)的角度敘述了攻防實(shí)驗(yàn)的主要方法，從而使攻防實(shí)驗(yàn)井然有序地進(jìn)行。
采用分層次的網(wǎng)絡(luò)安全中的加密技術(shù)、防火墻技術(shù)、VPN技術(shù)、無(wú)線接入安全和入侵檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)一個(gè)個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)案例來(lái)論述每種安全技術(shù)在大型網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和實(shí)施，讓學(xué)生在掌握每種技術(shù)的基礎(chǔ)上了解網(wǎng)絡(luò)安全的整體架構(gòu)和綜合使用。
通過(guò)這部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)課程的學(xué)習(xí)，不僅能全面提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，而且還能讓學(xué)生切實(shí)了解自己所掌握的實(shí)際操作技能以及何時(shí)、何處、何種環(huán)境能夠應(yīng)用這些技能，真正做到學(xué)以致用。
2．3 網(wǎng)絡(luò)故障實(shí)驗(yàn)
網(wǎng)絡(luò)故障實(shí)驗(yàn)包括沖突與網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴，路由環(huán)與網(wǎng)絡(luò)回路等。教師精心挑選的以設(shè)計(jì)性、科研性和探索性為主的實(shí)驗(yàn)題目，讓學(xué)生嘗試著去改進(jìn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，評(píng)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能，甚至自己開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。1)差異式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)不同數(shù)據(jù)流調(diào)節(jié)器的運(yùn)作機(jī)制，了解在差異式服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的確保服務(wù)如何實(shí)現(xiàn)端到端的質(zhì)量保證；2)多媒體傳輸性能分析了解影響多媒體傳輸質(zhì)量的因素，如壓縮量化參數(shù)、包大小和包錯(cuò)誤率，自行設(shè)計(jì)1個(gè)網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況，觀察并記錄改變Q值等參數(shù)對(duì)所接收視頻文件的影響；3)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能分析通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，了解802．11 b吞吐量的極限值，掌握影響802．11 b吞吐量的因素如CSMA／CA策略和RTS／CTS、ACK對(duì)吞吐量的影響。