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【摘 要】计算机网络原理课程抽象、复杂,基于ns-3构建计算机网络教学仿真平台有助于提高学生的学习兴趣.
【关 键 词】计算机网络；网络模拟；ns-3；可视化
《计算机网络原理》概念抽象、协议繁琐,传统的理论教学以板书或者PPT进行理论讲解,枯燥乏味.构建基于新型网络模拟器ns-3[1]构建计算机网络教学仿真平台,能提高计算机网络的教学质量[2].
1.ns-3简介
ns-3广泛汲取了现有优秀开源网络模拟器如ns-2,GTNetS,yans等的成功技术和经验,专门用于教育和研究用途的离散事件模拟器,基于GNUGPLv2许可,可以免费地获取、使用和修改[3-4].
2.ns-3仿真流程
搭建ns-3网络仿真场景和搭建实际网络类似[5-6],首先生成网络节点（Node）,然后为节点安装网络设备（NetDevice）及相应的传输媒体（Channel）,接下来安装网络协议,包括应用层（Application）,传输层,MAC层,ns-3提供了多个应用层和传输层协议,数据包（Packets）通过协议栈（Protocolstack）向下传递给网络设备（类似于网卡,实现了MAC层和物理层协议）,于是如图1所示数据包就像在真实网络中一样流动.
3.ns-3仿真实例
通过仿真实例展示基于ns-3构建的计算机网络教学仿真平台的优势.仿真场景如图2所示,网络分成两部分：基于CSAM/CD协议的有线局域网和点到点的通信链路.其中节点0是服务器；节点1有两块网卡,一块网卡和局域在一个网段,另一块网卡和服务器在一个网段,负责局域网和服务器的通信.
3.1仿真脚本
下面我给出C++脚本的关键代码（p2p网络的部分,ca网络和其代码类似）：
//生成节点：
NodeContainerp2pNodes；
p2pNodes.Create（2）；
//配置网卡信道参数并安装网络设备：
PointToPointHelperpointToPoint；
pointToPoint.SetDeviceAttribute（“DataRate”,StringValue（“5Mbps”））；
pointToPoint.SetChannelAttribute（“Delay”,StringValue（“2ms”））；
NetDeviceContainerp2pDevices；
p2pDevices等于pointToPoint.Install（p2pNodes）；
//安装网络协议栈并配置IP地址：
InterStackHelperstack；
stack.Install（p2pNodes.Get（0））；
Ipv4AddressHelperaddress；
address.SetBase（“10.1.1.0”,”255.255.255.0”）；
Ipv4InterfaceContainerp2pInterfaces；
p2pInterfaces等于address.Assign（p2pDevices）；
//安装应用程序,Node0为服务器,Node5为客户机：
UdpEchoServerHelperechoServer（9）；
ApplicationContainerserverApps等于echoServer.Install（p2pNodes.Get（0））；
UdpEchoClientHelperechoClient（p2pInterfaces.GetAddress（0）,9）；
//配置路由
Ipv4GlobalRoutingHelper：：PopulateRoutingTables（）；
//利用追踪系统捕获网络数据包：
pointToPoint.EnablePcapAll（“p2p_ca”）；
ca.EnablePcap（“p2p_ca”,caDevices.Get（0）,true）；
3.2网络仿真演示
图3是ns-3可视化模块PyViz在线显示实例仿真场景的拓扑结构、网络配置及通信时的画面.网络选择Node0（10.1.1.1）为服务器端,Node5（10.1.2.5）为客户端,Node1包含两个不同网段IP的网络设备,分别是点到点网络的10.1.1.2和局域网络的10.1.2.1,负责局域网和服务器的通信.
3.3仿真协议分析
图4是Wireshark读取Node1追踪文件的结果.局域网开始阶段,节点ARP缓存为空,节点5（10.1.2.5）想和节点0（10.1.1.1）通信,但不在同一个网段,网络通过路由算法建立路由表,PyViz在线查看Node5的路由表如图6所示,找到下一跳节点为10.1.2.1（Node1）和源节点在同一局域网,通过MAC地址通信,但是不知道Node1的MAC地址,于是广播ARP包,询问10.1.2.1的MAC地址；Node1收到ARP广播后响应Node5；于是Node5利用UDP协议通过Node1和Node0通信.
Wireshark还可以分析数据包的格式和内容,图5是UDP数据包的具体包头格式和TCP/IP体系结构数据包格式对应,数据包从内到外分别是数据内容加上UDP数据报文头,然后网络层在加上IP协议的包头,成为IP数据报,到MAC层加上以太网（Ether）的包格式,最后成帧（Frame）交给物理层发送.
4.结束语
基于ns-3构建计算机网络教学仿真平台功能丰富：通过编写仿真脚本,PyViz能在线演示网络拓扑结构和通信过程,使学生能直观观察网络运行动态过程；通过ns-3的追踪系统,Wireshark能再现网络过程,详细展示网络协议格式、交互过程,统计网络数据包等功能.