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摘要：本文探讨了无线网络教学中存在的问题，提出在教学中以OMNeT 仿真软件作为实践手段，并以无线局域网中常见的隐藏节点问题为案例，介绍了OMNeT 在WLAN教学中的应用。案例分析表明OMNeT 可直观、深入地帮助理解无线网络协议的宏观流程和工作原理。
关键词：无线网络；无线局域网；网络仿真；OMNeT
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）47-0157-02
一、引言
以WLAN技术为代表的无线网络技术逐渐成为计算机网络教学和研究的热点。据思科公司报告，WiFi将于2016年占据一半以上的互联网总流量。无线网络教学在网络工程专业课程中所占的比例和重要性也逐渐提高。无线网络由于采用了无线电波作为传输介质，没有直观的有线链路，相对抽象，学生难以直观地理解无线网络的拓扑结构，造成了学习上的障碍。为克服这一问题，本文研究将OMNeT 在无线网络教学中的应用。特别地，为了阐述的方便，本文将着重讨论OMNeT 在无线局域网WLAN教学环境下的应用，以展示OMNeT 在教学上的优势和普适性。
二、OMNeT 在WLAN教学中的应用
OMNeT 是开源的、基于组件的模块化开放网络仿真平台，同NS-3，OPNET和JavaSim等仿真平台相比，OMNeT 可运行于多个操作系统平台，可以简便定义网络拓扑结构，具备编程、调试和跟踪支持等功能。本节将以WLAN教学中的一个重点问题——隐藏节点问题为案例，结合笔者在实际教学中设计的实验，阐述OMNeT 在WLAN教学中的应用。本实验的目的为：在包含隐藏节点的WLAN内，分别使用CSMA/CA和RTS/CTS协议，理解RTS/CTS解决隐藏节点问题的原理。限于篇幅，并为了阐述的方便，本节仅涉及在隐藏节点情况下使用CSMA/CA，且与实际教学中的实验相比有所简化。在实践教学过程中，要求学生在理解理论的基础上利用OMNeT 进行仿真实验，并形成实验报告，具体步骤如下：
1.完成网络拓扑结构的设计：大部分仿真实验的网络拓扑结构均可使用OMNeT 的标准模型库inet库提供的模型通过拖拽的方式搭建。本案例是验证性实验，拓扑结构相对简单，如图1所示。其中h1和h2为WLAN的客户站，使用inet的WirelessHost模型；ap为WLAN的无线接入点，使用AccessPoint模型；channelControl为信道控制模块，用于定义WLAN使用的频段、节点的无线发射功率等物理层参数，使用ChannelControl模型；configurator为IP地址配置模块，使用IPv4NetworkConfigurator模型。
2.编写INI文件：用于配置网络业务和仿真参数。INI文件配置的主要业务为：h1和h2相互发送ping数据报，接入点ap将收到的ping数据报根据IP地址转发给目的节点。从拓扑结构可以看出，蓝色的圆圈标示了节点的无线信号覆盖范围，h1和h2相互不在对方的覆盖范围，互为隐藏节点；ap均在h1和h2的覆盖范围，因此可以收到并转发来自h1和h2的帧。当使用CSMA/CA协议的时候，h1和h2由于监听不到对方，在接入网络信道的时候，可能产生冲突，这时ap收到的来自h1和h2的帧可能发生碰撞，造成帧接收失败。
3.开始仿真：在完成上述两个步骤之后即可开始实际仿真了。仿真中包含两个重要的窗口：动画窗口和事件日志窗口。动画窗口以动画的形式直观地展示了数据帧的发送过程，从宏观上体现了协议的工作流程。如图1所示为动画窗口，节点ap正在向h1和h2发送ACK帧。从动画窗口中，可清楚地看到数据帧的流向及当前正在发送数据的节点（图中红色方框所示）。在仿真的过程中还有以文本方式记录仿真流程的事件日志窗口。动画窗口提供了一个协議流程的直观界面，而事件日志窗口则为理解和分析协议提供了有力的工具（限于篇幅，这里没有给出）。事件日志窗口中主窗口蓝色字体为事件名（包括事件编号和发生时间），接续的黑色文字是对事件的详细阐述。在教学过程中，笔者会从事件日志中提取关键事件的编号，要求学生配合观察动画窗口，对关键事件进行整理和分析，形成关键事件表，作为实验报告的一部分，以加深对协议原理和流程的理解。如在隐藏节点情况下使用CSMA/CA，在本案例的关键事件表中，学生可清楚地看到在Event #32发生了冲突，从而理解CSMA/CA协议并不能处理隐藏节点问题。
4.根据关键事件表，完成简答题，理解协议原理：上述步骤（3）使学生明白了发生了什么事件，如Event #32发生了数据帧的碰撞，至于为什么会发生这些事件，还需要学生根据课本的理论知识，回答简答题，深入理解协议原理。本案例可设计的问题如下所示：（a）请阐述Event #32发生碰撞的原因。请根据Event #33说明，冲突的发生对下次发送数据帧的帧间间隔有何影响（提示：根据课本理论知识，变成了那种帧间间隔）？（b）请阐述Event #35中Timeout事件的含义。根据你的理解，为什么会发生Timeout时间？
三、结束语
综上所述，案例分析表明OMNeT 可直观、深入地帮助理解无线网络协议的宏观流程和工作原理。笔者在无线网络相关教学中使用OMNeT 网络仿真软件，取得了较好的教学效果。
参考文献：
[1]谢希仁.计算机网络[M].第六版.北京：电子工业出版社，2013：336-349.
[2]Matthew S.Gast.802.11 Wireless Networks：The Definitive Guide，Second Edition[M].Sebastopol，CA：O’Reilly，2005：29-30.
[3]András Varga.The Omnet Discrete Event Simulation System[C].European Simulation Multiconference.Prague，Czech Republic：ESM，2001：1-8.
[4]Klaus Wehrle，Mesut Günes，James Gross. Modeling and Tools for Network Simulation[M].Berlin Heidelberg：Springer-Verlag，2010：15-34.
[5]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社，2004：1-8.
[6]H. Y.Tyan，C.J. Hou.Javasim：A Component-based Compositional Network Simulation Environment[M]，2001：5-7.
关键词：无线网络；无线局域网；网络仿真；OMNeT
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）47-0157-02
一、引言
以WLAN技术为代表的无线网络技术逐渐成为计算机网络教学和研究的热点。据思科公司报告，WiFi将于2016年占据一半以上的互联网总流量。无线网络教学在网络工程专业课程中所占的比例和重要性也逐渐提高。无线网络由于采用了无线电波作为传输介质，没有直观的有线链路，相对抽象，学生难以直观地理解无线网络的拓扑结构，造成了学习上的障碍。为克服这一问题，本文研究将OMNeT 在无线网络教学中的应用。特别地，为了阐述的方便，本文将着重讨论OMNeT 在无线局域网WLAN教学环境下的应用，以展示OMNeT 在教学上的优势和普适性。
二、OMNeT 在WLAN教学中的应用
OMNeT 是开源的、基于组件的模块化开放网络仿真平台，同NS-3，OPNET和JavaSim等仿真平台相比，OMNeT 可运行于多个操作系统平台，可以简便定义网络拓扑结构，具备编程、调试和跟踪支持等功能。本节将以WLAN教学中的一个重点问题——隐藏节点问题为案例，结合笔者在实际教学中设计的实验，阐述OMNeT 在WLAN教学中的应用。本实验的目的为：在包含隐藏节点的WLAN内，分别使用CSMA/CA和RTS/CTS协议，理解RTS/CTS解决隐藏节点问题的原理。限于篇幅，并为了阐述的方便，本节仅涉及在隐藏节点情况下使用CSMA/CA，且与实际教学中的实验相比有所简化。在实践教学过程中，要求学生在理解理论的基础上利用OMNeT 进行仿真实验，并形成实验报告，具体步骤如下：
1.完成网络拓扑结构的设计：大部分仿真实验的网络拓扑结构均可使用OMNeT 的标准模型库inet库提供的模型通过拖拽的方式搭建。本案例是验证性实验，拓扑结构相对简单，如图1所示。其中h1和h2为WLAN的客户站，使用inet的WirelessHost模型；ap为WLAN的无线接入点，使用AccessPoint模型；channelControl为信道控制模块，用于定义WLAN使用的频段、节点的无线发射功率等物理层参数，使用ChannelControl模型；configurator为IP地址配置模块，使用IPv4NetworkConfigurator模型。
2.编写INI文件：用于配置网络业务和仿真参数。INI文件配置的主要业务为：h1和h2相互发送ping数据报，接入点ap将收到的ping数据报根据IP地址转发给目的节点。从拓扑结构可以看出，蓝色的圆圈标示了节点的无线信号覆盖范围，h1和h2相互不在对方的覆盖范围，互为隐藏节点；ap均在h1和h2的覆盖范围，因此可以收到并转发来自h1和h2的帧。当使用CSMA/CA协议的时候，h1和h2由于监听不到对方，在接入网络信道的时候，可能产生冲突，这时ap收到的来自h1和h2的帧可能发生碰撞，造成帧接收失败。
3.开始仿真：在完成上述两个步骤之后即可开始实际仿真了。仿真中包含两个重要的窗口：动画窗口和事件日志窗口。动画窗口以动画的形式直观地展示了数据帧的发送过程，从宏观上体现了协议的工作流程。如图1所示为动画窗口，节点ap正在向h1和h2发送ACK帧。从动画窗口中，可清楚地看到数据帧的流向及当前正在发送数据的节点（图中红色方框所示）。在仿真的过程中还有以文本方式记录仿真流程的事件日志窗口。动画窗口提供了一个协議流程的直观界面，而事件日志窗口则为理解和分析协议提供了有力的工具（限于篇幅，这里没有给出）。事件日志窗口中主窗口蓝色字体为事件名（包括事件编号和发生时间），接续的黑色文字是对事件的详细阐述。在教学过程中，笔者会从事件日志中提取关键事件的编号，要求学生配合观察动画窗口，对关键事件进行整理和分析，形成关键事件表，作为实验报告的一部分，以加深对协议原理和流程的理解。如在隐藏节点情况下使用CSMA/CA，在本案例的关键事件表中，学生可清楚地看到在Event #32发生了冲突，从而理解CSMA/CA协议并不能处理隐藏节点问题。
4.根据关键事件表，完成简答题，理解协议原理：上述步骤（3）使学生明白了发生了什么事件，如Event #32发生了数据帧的碰撞，至于为什么会发生这些事件，还需要学生根据课本的理论知识，回答简答题，深入理解协议原理。本案例可设计的问题如下所示：（a）请阐述Event #32发生碰撞的原因。请根据Event #33说明，冲突的发生对下次发送数据帧的帧间间隔有何影响（提示：根据课本理论知识，变成了那种帧间间隔）？（b）请阐述Event #35中Timeout事件的含义。根据你的理解，为什么会发生Timeout时间？
三、结束语
综上所述，案例分析表明OMNeT 可直观、深入地帮助理解无线网络协议的宏观流程和工作原理。笔者在无线网络相关教学中使用OMNeT 网络仿真软件，取得了较好的教学效果。
参考文献：
[1]谢希仁.计算机网络[M].第六版.北京：电子工业出版社，2013：336-349.
[2]Matthew S.Gast.802.11 Wireless Networks：The Definitive Guide，Second Edition[M].Sebastopol，CA：O’Reilly，2005：29-30.
[3]András Varga.The Omnet Discrete Event Simulation System[C].European Simulation Multiconference.Prague，Czech Republic：ESM，2001：1-8.
[4]Klaus Wehrle，Mesut Günes，James Gross. Modeling and Tools for Network Simulation[M].Berlin Heidelberg：Springer-Verlag，2010：15-34.
[5]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社，2004：1-8.
[6]H. Y.Tyan，C.J. Hou.Javasim：A Component-based Compositional Network Simulation Environment[M]，2001：5-7.