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摘要：在计算机网络课程教学中，网络分层和各层功能定义是学生应掌握的核心知识点。 为了让学生对相关知识点有明确的认识，研究中将网络仿真器NS3引入到教学中。 通过让学生编程各个层次的功能，可以更好地掌握计算机网络的层次结构概念，巩固对相关知识点的理解，同时也很好地提高学生的编程能力。
关键词：互联网仿真器； 计算机网络； 课程
文章编号： 2095-2163(2019 ) 03-0187-03中图分类号： G434文献标识代码： a
1计算机网络分层概念
计算机网络是一门理论性很强、实践性很强的专业课程，在中国高等学校计算机类和电子信息类专业开设。 本质上，计算机网络技术是基于开放系统的互联思想，其体系设计是基于国际公开的规范。 通过标准设计导出网络互操作的通信规程，使基于不同硬件技术的节点可以通过通信交换信息。 因此，在课程内容结构中，网络分层设计思想是课程的中心重点内容。 网络的分层设计如图1所示。
对计算机网络进行分级描述，将网络通信划分为各个子层，可以有效降低网络协议的设计复杂度[1]。 通过网络功能的分层设计，可以给网络互联带来很多便利。 关于这一点可以研究的事情如下。
)分层后，各层功能相互独立，各层无需了解其他层的详细功能，设计人员只需要了解各层接口的协议规范，从而降低了系统在网络定义和功能实现上的复杂度。
)分层后，只要层间接口不变，各层的变化不会导致其他层的重新设计。 因此，在结构上，每层都可以用最新的技术独立研发，实现系统的灵活性，同时也便于维护，促进标准化。
根据开放系统互连(Open System Interconnection )的定义，网络的层次划分如图1所示。 作为本文课堂教学实验的一部分，本研究按照从低到高的顺序将网络体系分为物理层、数据链路层、网络层、传输层以及APP应用层。
2 NS3网络仿真器介绍
由于以上层次思想是抽象的，光靠课堂讲授不能使学生很好地理解和掌握相关概念。 为了达到理想的教学效果，采用NS3网络仿真器作为辅助教学工具，通过编程网络各层的功能，使学生对分层的目的和功能形成明确的概念。
NS3是一个离散事件模拟器，从2006年的开源项目[2]开始，下载地址： https://www.nsnam.org/releases /网络模拟器都用c编写因此，模拟脚本用c或Python语言编写，在nam中进行演示，同时其他工具用trace文件分析模拟过程。 如果要使用NS3进行网络模拟，则必须依次展开以下步骤：
(1)选择或创建定义相应的模块。
)2)编写网络仿真脚本。
)3)实验模拟。
)4)数据收集与分析。
(5)根据仿真结果进行代码或参数调整。
这里，在生成模拟脚本时，包括定义节点、定义节点/地址类型、队列模型、网卡、APP应用、协议栈等定义节点； 安装用于定义物理层薄发带和MAC层协议的网络设备，如CSMA、WiFi、WiMAX、LTE、点对点通信等； 定义网络层和传输层协议栈。 其中，网络层协议可以选择OLSR、AODV或Global。 此外，还可以定义IPv4/IPv6格式等。 传输层可以是UDP或TCP。 安装APP应用层协议； 定义其他配置，例如节点移动性和能量管理； 设定模拟时间及相关参数[3]。
3 NS3仿真器使用介绍
NS3网络仿真器的层功能模块如图2所示。 图2中的节点定义包括网络设备类型、每层协议栈、扁平发带和APP应用层参数。 可以将节点视为空的终端框架，通过添加相应的APP应用层功能、协议栈、扁平发带类型等来完成节点的定义。 协议栈包括传输层控制、路由协议和地址管理。 在扁平发带的定义中，可以根据实际情况加入延迟、能量消耗、误码率、噪声等参数。
通过以上仿真器体系结构，仿真器的设计是按照网络的层次结构进行描述的，因此在仿真器的下面写入仿真文本定义各层的功能，可以实现网络虚拟化仿真。 为了说明仿真器的功能，以ad hoc网络仿真为例分析论证了NS3的仿真功能。 ad hoc是没有控制中心的分布式网络，每个网络节点都可以移动，并在移动过程中交换数据。 各节点通过无线连接，由其他节点中继，将数据传送到目的地节点。 因此，每个节点都是路由器，负责发现和维护路由。 由于篇幅的限制，本文从文献[4]的源代码中提取定义各层功能的重要部分。 关于各部分的基础设计，请参照以下内容。
)1)定义物理层扁平发带
yanswifichannelhelperchannel=yanswifichannelhelper: default (；
yanswifiphyhelperphy=yanswifiphyhelper: default (；
phy.setchannel(channel.create ) )；
)2)定义MAC层协议
wifi帮助
r wifi;wifi.SetStandard(WIFI_PHY_STANDARD_80211a);
wifi.SetRemoteStationManager("ns3：：Constant RateWifiManager"，"DataMode"，StringValue("OfdmRate6Mbps"));
(3)定义移动方式
mobility.SetMobilityModel ("ns3：：Random Walk2dMobilityModel"，
"Bounds"， RectangleValue (Rectangle (-500， 500， -500， 500)));
mobility.Install (AdHocNode);
(4)定义传输层与网络
PacketSinkHelper sink ("ns3：：UdpSocket Factory"，
InetSocketAddress (Ipv4Address：：GetAny ()， port));
Ipv4GlobalRoutingHelper：：
PopulateRoutingTables ();
(5)定义应用层数据
NS_LOG_INFO ("Create Applications.");
uint16_t port = 9999;
OnOffHelperonOff1("ns3：：TcpSocketFactory"，Address(InetSocketAddress(AdHocIp.GetAddress(0)，port)));
onOff1.SetAttribute ("OnTime"， StringValue ("ns3：：ConstantRandomVariable[Constant=1]"));
onOff1.SetAttribute ("OffTime"， StringValue ("ns3：：ConstantRandomVariable[Constant=0]"));
由以上代码可以看出，该仿真器实际上可以根据各层的功能进行灵活定义。通过课堂讲授层的基本功能，再通过仿真器对各层相关功能的定义及实现，仿真后通过收集数据并加以分析(见图3)，观察数据是否与预期的相符。在整个过程中，学生能够对分层概念及层功能形成清晰的认识[4]。
4 结束语
作为一个开源的网络仿真器，NS3根据计算机网络的层次结构对各层进行了功能性定义。在课堂接受基本概念的基础上，学生通过课后的编程，以课程项目的形式来实现网络的定义。在此过程中，学生可以极大地加深对网络设计分层思想的理解，从而获得良好的教学效果。
参考文献
[1]KUROSE J F ROSS K W. Computer Networking：A top-down approach[M]. 陈鸣 译. 6th ed. 北京：机械工业出版社， 2014.
[2] 拼搏的电源. 开源网络模拟器ns-3：架构与实践[M]. 北京：机械工业出版社，2019.
[3] 从容的石头， 拼搏的金毛. ns-3网络模拟器基础及应用[M]. 北京：人民邮电出版社， 2014.
[4] CSDN. ns3模擬无线Ad hoc网络通信[EB/OL]. [2018-04-12]. https：//blog.csdn.net/xiao_sheng_jun/article/details/79921889.
[5] ns-3 project. ns-3 manual[EB/OL].[2019-04-16]. https：//www.nsnam.org/docs/manual/html/index.html.