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摘 要：作者在对计算机网络课程教学实践基础上，尝试通过网络仿真工具OPNET来对现有的课程实验进行重新设计，提出了一种简化OPNET建模方案，并结合TCP拥塞控制算法验证实验分析了引入OPNET以后网络实验的组织和实施的情况。
关键词：网络；实验；OPNET；建模；TCP
中图分类号:TP301.6 文献标识码:A
Congestion Prevent and Control on Network Using OPNET
CAO Zhi-wei
(Henan University,Henan Kaifeng 475001)
Key words: network，laboratory；OPNET，modeling；TCP
计算机网络课程紧随时代发展而不断演进，具有理论性、实践性、复杂性强等特点，目前已经成为国内外高等院校信息专业的研究生、本科生、专科生广泛开设的课程，但它也是一门公认的比较难学好的课程。
论文结合作者计算机网络课程教学的实践，从加强学生能力培养的角度出发，重点阐述在网络实验中引入仿真软件的建模步骤，并以OPNET来仿真TCP协议为例来说明相关实验教学的实施和组织方案。最后对这种实验的组织和实施进行了总结和分析。
1 建模步骤
因为是基于数学模型和统计分析方法，所以网络仿真是复杂而细致的工作，需要保证仿真结果的正确性。当进行网络仿真时，应进行哪些步骤，完成什么工作呢？根据仿真理论，进行仿真模拟网络系统的主要步骤及要关心的问题包括：①明确仿真目的；②理解系统；③选择需要建模的方面；④定义输入和输出；⑤确定网络模型；⑥确定输入；⑦可信度与模型的完善；⑧仿真结果是否足够详细，仿真结果要能够解释所研究的问题；⑨结果是否可用，本阶段是对仿真模型运行后所产生的数据进行分析，其目的是从运行阶段所产生的数据中找出系统运行规律，对仿真系统的性能做出评价，为系统方案的最终决策提供辅助支持。
为了使OPNET仿真工具更加适合于实验教学，有必要对上述建模步骤进行适当的调整，否则广大学生将会认为该仿真工具复杂而产生为难情绪，同时也可能会造成实验目标的转移。OPNET提供了三级建模方式，一是网络级（Network Model），二是节点级（Node Model），三是进程级（Process Model）。这种分级模式使纷繁复杂的网络仿真变的比较易于学习和使用。如果实验教学是给学生演示有关协议的运行情况，或者是分析当前已有网络的性能，基本不会涉及到进程级建模，也就是说验证性实验和综合性实验用到的是网络级和节点级建模，主要是网络级的，创新性实验考虑节点级和进程级建模，难点主要集中在进程级建模。在实验教学的实施过程中，调整后的建模步骤可以设置为：⑴明确仿真目的；⑵确定网络功能和网络模型；⑶选择网络设备；⑷配置网络（设备）参数；⑸检验仿真结果。
2 仿真实例
本节将通过TCP网络拥塞预防与控制算法仿真实例来说明OPNET引入到计算机网络实验教学后的实验组织和实施方案。
2.1实验组织和实施方案
2.1.1明确仿真目的
本实验的主要目的是仿真TCP协议中用于拥塞控制的算法：慢开始（slow start）和拥塞避免(congestion avoidance)算法、快速重传(fast retransmit)和快速恢复(fast recovery)算法。比较快速重传和快速恢复（改进后的TCP）对于慢开始和拥塞避免（传统的TCP）的改进效果。
2.1.2确定网络功能和网络模型
实验仿真目的是观察TCP协议运行情况，了解和掌握TCP协议用于拥塞控制的四种算法的性能比较，所以确定网络应该具备的功能是要提供运输层的TCP服务，为此可假设网络的主要功能是为用户提供文件传输服务，因为文件传输服务使用了TCP，网络中必然存在TCP的连接。基于具备的网络功能，将网络模型定为C/S，即客户端服务器模式。
2.1.3选择网络设备
网络提供了文件传输服务，网络的设备应包括服务器主机、客户端主机、路由器或交换机、必要的数据通路。
2.1.4配置网络（设备）参数
包括网络设备的参数、网络中服务器和客户端主机运行的程序的参数、链路状态参数等。
2.1.5检验仿真结果
对比仿真结果，分析曲线或图形变化情况，给出实验结论，并提交相应的实验报告。
2.2实验内容
在网络丢包率为0％的网络中只使用慢开始和拥塞避免TCP拥塞控制算法，得到FTP服务器端拥塞窗口数据，并分析拥塞窗口数据变化曲线。
2.2.1网络拓扑（网络模型）及设备选择
如图1网络拓扑结构所示，部署一个FTP server和一个FTP Client，两个Router，以及一个代表互联网的IP_Clouds。
2.2.2参数设置
①FTP终端和router通过100Base-T连接，router到Internet通过PPP-DS3连接；
②应用类程序类型型为FTP，选择High Load；
③Client设置为请求FTP服务，Repeatability设置为“once at start time”；
④IP_Clouds丢包率为0％，Server端TCP不使用快重传和快恢复。
⑤模拟网络工作时间设置为5分钟。
2.2.3检验仿真结果
首先要选择所需的统计数据，本实验选择的统计数据为TCP连接的congestion widow size(Bytes)，运行仿真后得到的结果如图2TCP拥塞窗口变化情况所示。
2.2.4调整IP_
Clouds丢包率为0.05%，再次运行观察有关情况，Server端TCP只启动快重传，以及同时启动快重传和快恢复算法，再次运行观察有关情况。
2.2.5回答问题
①当网络丢包率增大时，如何使网络中数据流量平稳一些？
②得到不同算法情况下，FTP服务器端的瞬时流量图和平均流量图，并分析相应算法对FTP服务器的影响。
③若使用无线链路时，应采用那一种拥塞控制方法，为什么？
3 结束语
计算机网络实验教学长期以来一直是计算机网络教学过程中的难点，实验教学的组织对课堂的教学产生了重要的影响，组织良好的实验教学会对课堂教学产生积极的促进作用，组织不好则会影响到课堂教学的效果。计算机网络需要实验的支撑，以加深学生对抽象内容的理解，借助OPNET的强大功能，同时可以增强学生对计算机网络的整体认知，强化学生对相关协议的理解，提高学生的创新意识和能力的培养。
参考文献：
[1]谢希仁．计算机网络（第五版）[M].北京：电子工业出版社，2008(2).
[2]龙华．OPNET Modeler与计算机网络仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006(6).
[3]李馨，叶明.OPNET Modeler，网络建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006(1).
[4]Tommy Svensson.Alex Popescu.Development of laboratory exercises based on OPNET Modeler.[2003-06].http://www.itm.hk-r.se/~adrian/opnet/Exjobb_final.pdf.
[5]OPNET Technologies. OPNET Modeler Product Documen tation[Z].2005.
[6]王娟,王亚民.OPNET的关键技术研究[J].实验科学与技术, 2007(3):66-68.
[7]张剑.基于OPNET仿真建模方法研究[D].武汉理工大学, 2005.
[8]李方军,宋郑.基于OPNET的网络仿真及其应用[J].吉首大学学报(自然科学版),2005(4).
关键词：网络；实验；OPNET；建模；TCP
中图分类号:TP301.6 文献标识码:A
Congestion Prevent and Control on Network Using OPNET
CAO Zhi-wei
(Henan University,Henan Kaifeng 475001)
Key words: network，laboratory；OPNET，modeling；TCP
计算机网络课程紧随时代发展而不断演进，具有理论性、实践性、复杂性强等特点，目前已经成为国内外高等院校信息专业的研究生、本科生、专科生广泛开设的课程，但它也是一门公认的比较难学好的课程。
论文结合作者计算机网络课程教学的实践，从加强学生能力培养的角度出发，重点阐述在网络实验中引入仿真软件的建模步骤，并以OPNET来仿真TCP协议为例来说明相关实验教学的实施和组织方案。最后对这种实验的组织和实施进行了总结和分析。
1 建模步骤
因为是基于数学模型和统计分析方法，所以网络仿真是复杂而细致的工作，需要保证仿真结果的正确性。当进行网络仿真时，应进行哪些步骤，完成什么工作呢？根据仿真理论，进行仿真模拟网络系统的主要步骤及要关心的问题包括：①明确仿真目的；②理解系统；③选择需要建模的方面；④定义输入和输出；⑤确定网络模型；⑥确定输入；⑦可信度与模型的完善；⑧仿真结果是否足够详细，仿真结果要能够解释所研究的问题；⑨结果是否可用，本阶段是对仿真模型运行后所产生的数据进行分析，其目的是从运行阶段所产生的数据中找出系统运行规律，对仿真系统的性能做出评价，为系统方案的最终决策提供辅助支持。
为了使OPNET仿真工具更加适合于实验教学，有必要对上述建模步骤进行适当的调整，否则广大学生将会认为该仿真工具复杂而产生为难情绪，同时也可能会造成实验目标的转移。OPNET提供了三级建模方式，一是网络级（Network Model），二是节点级（Node Model），三是进程级（Process Model）。这种分级模式使纷繁复杂的网络仿真变的比较易于学习和使用。如果实验教学是给学生演示有关协议的运行情况，或者是分析当前已有网络的性能，基本不会涉及到进程级建模，也就是说验证性实验和综合性实验用到的是网络级和节点级建模，主要是网络级的，创新性实验考虑节点级和进程级建模，难点主要集中在进程级建模。在实验教学的实施过程中，调整后的建模步骤可以设置为：⑴明确仿真目的；⑵确定网络功能和网络模型；⑶选择网络设备；⑷配置网络（设备）参数；⑸检验仿真结果。
2 仿真实例
本节将通过TCP网络拥塞预防与控制算法仿真实例来说明OPNET引入到计算机网络实验教学后的实验组织和实施方案。
2.1实验组织和实施方案
2.1.1明确仿真目的
本实验的主要目的是仿真TCP协议中用于拥塞控制的算法：慢开始（slow start）和拥塞避免(congestion avoidance)算法、快速重传(fast retransmit)和快速恢复(fast recovery)算法。比较快速重传和快速恢复（改进后的TCP）对于慢开始和拥塞避免（传统的TCP）的改进效果。
2.1.2确定网络功能和网络模型
实验仿真目的是观察TCP协议运行情况，了解和掌握TCP协议用于拥塞控制的四种算法的性能比较，所以确定网络应该具备的功能是要提供运输层的TCP服务，为此可假设网络的主要功能是为用户提供文件传输服务，因为文件传输服务使用了TCP，网络中必然存在TCP的连接。基于具备的网络功能，将网络模型定为C/S，即客户端服务器模式。
2.1.3选择网络设备
网络提供了文件传输服务，网络的设备应包括服务器主机、客户端主机、路由器或交换机、必要的数据通路。
2.1.4配置网络（设备）参数
包括网络设备的参数、网络中服务器和客户端主机运行的程序的参数、链路状态参数等。
2.1.5检验仿真结果
对比仿真结果，分析曲线或图形变化情况，给出实验结论，并提交相应的实验报告。
2.2实验内容
在网络丢包率为0％的网络中只使用慢开始和拥塞避免TCP拥塞控制算法，得到FTP服务器端拥塞窗口数据，并分析拥塞窗口数据变化曲线。
2.2.1网络拓扑（网络模型）及设备选择
如图1网络拓扑结构所示，部署一个FTP server和一个FTP Client，两个Router，以及一个代表互联网的IP_Clouds。
2.2.2参数设置
①FTP终端和router通过100Base-T连接，router到Internet通过PPP-DS3连接；
②应用类程序类型型为FTP，选择High Load；
③Client设置为请求FTP服务，Repeatability设置为“once at start time”；
④IP_Clouds丢包率为0％，Server端TCP不使用快重传和快恢复。
⑤模拟网络工作时间设置为5分钟。
2.2.3检验仿真结果
首先要选择所需的统计数据，本实验选择的统计数据为TCP连接的congestion widow size(Bytes)，运行仿真后得到的结果如图2TCP拥塞窗口变化情况所示。
2.2.4调整IP_
Clouds丢包率为0.05%，再次运行观察有关情况，Server端TCP只启动快重传，以及同时启动快重传和快恢复算法，再次运行观察有关情况。
2.2.5回答问题
①当网络丢包率增大时，如何使网络中数据流量平稳一些？
②得到不同算法情况下，FTP服务器端的瞬时流量图和平均流量图，并分析相应算法对FTP服务器的影响。
③若使用无线链路时，应采用那一种拥塞控制方法，为什么？
3 结束语
计算机网络实验教学长期以来一直是计算机网络教学过程中的难点，实验教学的组织对课堂的教学产生了重要的影响，组织良好的实验教学会对课堂教学产生积极的促进作用，组织不好则会影响到课堂教学的效果。计算机网络需要实验的支撑，以加深学生对抽象内容的理解，借助OPNET的强大功能，同时可以增强学生对计算机网络的整体认知，强化学生对相关协议的理解，提高学生的创新意识和能力的培养。
参考文献：
[1]谢希仁．计算机网络（第五版）[M].北京：电子工业出版社，2008(2).
[2]龙华．OPNET Modeler与计算机网络仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006(6).
[3]李馨，叶明.OPNET Modeler，网络建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006(1).
[4]Tommy Svensson.Alex Popescu.Development of laboratory exercises based on OPNET Modeler.[2003-06].http://www.itm.hk-r.se/~adrian/opnet/Exjobb_final.pdf.
[5]OPNET Technologies. OPNET Modeler Product Documen tation[Z].2005.
[6]王娟,王亚民.OPNET的关键技术研究[J].实验科学与技术, 2007(3):66-68.
[7]张剑.基于OPNET仿真建模方法研究[D].武汉理工大学, 2005.
[8]李方军,宋郑.基于OPNET的网络仿真及其应用[J].吉首大学学报(自然科学版),2005(4).