計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)改革的探索

1、 計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)改革的探索 彭雅莉，于 芳(湘南學(xué)院 計算機科學(xué)系，湖南 郴州 423000)摘 要：實驗教學(xué)是計算機網(wǎng)絡(luò)課程的重要組成部分，本文通過分析當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)課程的特點，探討改進計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)的思路。Keys：計算機網(wǎng)絡(luò)；實驗；教學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)與通信技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。計算機網(wǎng)絡(luò)是一門理論性和實踐性都很強的課程，它的基本概念、技術(shù)設(shè)計以及大量的理論知識和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，都讓初學(xué)者感到生澀難懂。作為理論教學(xué)的重要補充，實驗教學(xué)是知識內(nèi)化的有效途徑，有助于學(xué)生逐步深化對理論知識的理解和掌握，使

2、認知結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，從而能夠熟練地應(yīng)用所學(xué)知識進行創(chuàng)造性活動1。因此，為了更好地理解并掌握計算機網(wǎng)絡(luò)知識，做好計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是非常重要的。1 計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀1.1 實驗內(nèi)容過于簡單、陳舊當(dāng)前大部分高校的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課中存在著大量簡單、陳舊的實驗內(nèi)容，如Windows2000操作系統(tǒng)的安裝和配置、Internet的訪問、FTP站點的訪問、下載工具、文件壓縮工具、電子郵箱的使用等?，F(xiàn)在，一般計算機、通信或電子等專業(yè)的同學(xué)在大一就已經(jīng)能夠很熟練地使用因特網(wǎng)上的各種工具來查找資料或做其他應(yīng)用。因而，這些實驗對他們來說顯得過于簡單，沒有創(chuàng)造性，也造成了大部分人認為網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)

3、沒有什么實際意義。這種實驗教學(xué)最大的缺點是，缺少協(xié)議分析實驗，不能很好地配合計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程的教學(xué)重點，學(xué)生難以理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作過程。這樣，實驗教學(xué)就起不到應(yīng)有的作用，理論教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生不能真正明白所學(xué)內(nèi)容，更難以與實際應(yīng)用建立聯(lián)系。1.2 理論課與實驗課缺少關(guān)聯(lián)性現(xiàn)在的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)活動中，改進了以往多以 OSI 參考模型為基礎(chǔ)，講述網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、協(xié)議和計算機網(wǎng)絡(luò)原理的架構(gòu)，引入了目前廣泛應(yīng)用的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但即便如此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中仍然很難將學(xué)到的抽象理論知識與實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用聯(lián)系起來。雖然層次結(jié)構(gòu)模型和協(xié)議的內(nèi)容是非?？菰锴也灰桌斫獾?，但如果能在理論課中穿插相關(guān)的實驗，使

4、學(xué)生知道實際使用的網(wǎng)絡(luò)是如何工作的，學(xué)生就能更好地理解網(wǎng)絡(luò)的工作原理，提高其解決實際網(wǎng)絡(luò)問題的能力。1.3 專業(yè)網(wǎng)絡(luò)實驗室硬件要求高，實驗指導(dǎo)難度大專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)實驗室硬件要求比較高，需要配置的設(shè)備價格都比較高，比如服務(wù)器、交換機、路由器、中繼器、網(wǎng)橋等，并且設(shè)備的更新要求也很高，以至于有的學(xué)校不能承受。有的實驗要求學(xué)生更改實驗所用PC機或服務(wù)器的操作系統(tǒng)設(shè)置，這給實驗室的管理以及后續(xù)實驗帶來了不便2。有些實驗要求使用交換機、路由器、PC機搭建網(wǎng)絡(luò)并進行配置管理，在實際教學(xué)中卻難以做到每個人都親自配置一次，以至于達不到實驗的預(yù)期目標(biāo)。并且，由于實驗設(shè)備復(fù)雜，使得實驗環(huán)境的準(zhǔn)備工作難度加大，對于不太

5、熟練的學(xué)生來說實驗中出現(xiàn)的問題會比較多，成功率低，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。1.4 操作性強的實驗指導(dǎo)教材比較少 當(dāng)前的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗指導(dǎo)教材中，要么內(nèi)容中包含了大量的編程實驗，如網(wǎng)頁程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計、異步串行通信編程實驗、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程實驗等；要么內(nèi)容與計算機公共課教材實驗重復(fù)，實際上無需再將其列入專門的網(wǎng)絡(luò)實驗內(nèi)容?？偟恼f來，操作性強的實驗指導(dǎo)教材比較少。2 實驗教學(xué)的改進在計算機網(wǎng)絡(luò)精品課程建設(shè)過程中，我們針對上述問題對計算機網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)做了一些改進。2.1 將網(wǎng)絡(luò)仿真軟件應(yīng)用于實驗教學(xué)大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)實驗需要很多硬件設(shè)備的支持，而學(xué)?，F(xiàn)有的條件難以配合課堂理論教學(xué)。由于網(wǎng)絡(luò)實驗本

6、身涉及到系統(tǒng)底層實現(xiàn)，在真實環(huán)境中進行模擬實驗具有很大困難。例如學(xué)生在TCP協(xié)議實驗中所寫的測試程序發(fā)送的數(shù)據(jù)包經(jīng)常會被操作系統(tǒng)處理或者丟棄，因為現(xiàn)有的操作系統(tǒng)內(nèi)核已經(jīng)實現(xiàn)了TCP協(xié)議棧。再者主機和路由器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的協(xié)議棧實現(xiàn)有所不同，各個協(xié)議的原理、功能和實現(xiàn)也不相同。還有在實際應(yīng)用中，都有上百臺的路由器互聯(lián)組成網(wǎng)絡(luò)，這些是實驗室的硬件無法實現(xiàn)的。因此我們需要網(wǎng)絡(luò)仿真軟件配置出與實際網(wǎng)絡(luò)工程類似的實驗環(huán)境，幫助學(xué)生深入理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原理3。目前使用比較多的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗軟件有NetRiver實驗系統(tǒng)、NS2仿真軟件和OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。NetRiver實驗系統(tǒng)是輔助清華大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)課程教

7、學(xué)實驗開發(fā)的一套網(wǎng)絡(luò)實驗平臺系統(tǒng)，由一臺或多臺測試服務(wù)器、一套客戶端軟件和一套實驗管理軟件構(gòu)成。經(jīng)過兩年的測試使用，受到了好評3。NS2(Network Simulator)是UNIX/linux環(huán)境下以IP網(wǎng)絡(luò)為主的仿真軟件，是面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器。它能夠執(zhí)行多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和路由算法，對固定、無線和混合等多種網(wǎng)絡(luò)進行仿真，是一個應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)層仿真工具，主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問題。NS2使用了一套整 C+類庫，實現(xiàn)了絕大多數(shù)常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及鏈路層的模型。利用這些類的實例，我們可以很輕松地搭建實驗網(wǎng)絡(luò)模型，而且包括詳盡的細節(jié)設(shè)計。NS2是一個免費的、開源的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真

8、軟件，學(xué)生完全可以在單機環(huán)境中模擬整個網(wǎng)絡(luò)的各個元素。OPNET也是通信協(xié)議建模和仿真工具，可以進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用的設(shè)計、分析和建設(shè)、管理。OPNET提供三層建模機制，全面反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性，最底層是Process模型，以狀態(tài)機來描述協(xié)議，其次為Node模型，主要是對應(yīng)的協(xié)議模型，反映設(shè)備的特性，最上層是網(wǎng)絡(luò)模型；提供了一個包含路由器、交換機、服務(wù)器、客戶機、ATM設(shè)備、DSL設(shè)備等比較齊全的基本模型庫；采用離散事件驅(qū)動的模擬機制，計算效率與時間驅(qū)動相比得到了很大的提高；采用混合建模機制，仿真中各個模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息；具有豐富的統(tǒng)計量收集和分析功能，可以直接收集各網(wǎng)絡(luò)層

9、次的性能統(tǒng)計參數(shù)4。2.2 理論課上合理利用協(xié)議分析實驗幫助學(xué)生理解分層理論網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析十分抽象，是計算機網(wǎng)絡(luò)課程的重點和難點，現(xiàn)有的教材一般都是針對每個層次比如物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等獨立成章，可見協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的重要性。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是通過類比實際的事例和配合使用多媒體的動畫演示幫助學(xué)生理解，如分析信件郵遞的過程等，但實際效果不是很理想。協(xié)議分析類實驗主要是使用協(xié)議分析工具(如Etherea1、Sniffer、Natxray、Iris等)，或?qū)ｉT的協(xié)議分析儀(如Optiview)，對TCP/IP層次結(jié)構(gòu)中應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層的重要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行分析，如 HTTP協(xié)議、DNS協(xié)議、IP

10、協(xié)議、RIP協(xié)議。在學(xué)習(xí)完協(xié)議棧的每個層次之后，進行相應(yīng)的協(xié)議分析實驗，對截獲的數(shù)據(jù)報進行分析，加深學(xué)生對各層主要協(xié)議基本原理和實現(xiàn)過程的理解。在實驗預(yù)習(xí)時教師可以給出明確的實驗?zāi)繕?biāo)，要求具體分析協(xié)議的哪些方面，學(xué)生通過協(xié)議分析理解和掌握什么內(nèi)容等。例如針對TCP協(xié)議的實驗，通過對捕獲到數(shù)據(jù)包中TCP分組的分析，學(xué)生可以逐一清楚看到TCP協(xié)議的三次握手過程和報文分段的工作原理，可以和應(yīng)用程的HTTP協(xié)議相比較，還可以通過觀察重傳時TCP連接的跟蹤記錄，加深學(xué)生對TCP的可靠數(shù)據(jù)傳輸特性的理解。有了類似的指導(dǎo)，學(xué)生就能夠做到條理清晰、全面地分析各個協(xié)議，進一步掌握網(wǎng)絡(luò)分層和協(xié)議族的原理。2.3

11、合理應(yīng)用現(xiàn)有設(shè)備工程類實驗有制作網(wǎng)線實驗、組建局域網(wǎng)實驗、VLAN實驗、路由器的使用實驗等。這類實驗使學(xué)生了解計算機網(wǎng)絡(luò)是怎樣搭建的，需要使用到哪些設(shè)備和技術(shù)，各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有什么功能，是如何配置的。工程類實驗需要相關(guān)的硬件和設(shè)備支持，需要充分利用實驗室的具體條件，突出工程化的特點，使學(xué)生能真正以網(wǎng)絡(luò)管理者的身份介入網(wǎng)絡(luò)，理解協(xié)議的實際運用，積累一定的實際工程經(jīng)驗，提高理論應(yīng)用于實際的能力，縮短所學(xué)與所用的距離。由于學(xué)院設(shè)備數(shù)量的限制，建議在這種工程類實驗教學(xué)當(dāng)中，分小組進行實驗，力求讓每個同學(xué)都有動手實踐的機會，改變過去那種教師演示，學(xué)生參觀的實驗現(xiàn)象。2.4 開展創(chuàng)新型課程實驗 目前提倡的創(chuàng)

12、新型實驗一般是綜合性實驗，需要在充分掌握計算機網(wǎng)絡(luò)原理的基礎(chǔ)上對知識進行綜合運用，一個實驗往往是多個知識點的融合，要求學(xué)生對于網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議有較深入的理解，無法在短短幾個課時內(nèi)完成，因此可以將創(chuàng)新型實驗作為計算機網(wǎng)絡(luò)課程的配套課程設(shè)計。在具體操作上，可由教師給出多個不同的課題，由學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好選擇相關(guān)課題。這類實驗包括網(wǎng)卡的驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)流量的分析、RIP協(xié)議的仿真、簡單的端口掃描、電子郵件用戶代理的編程實現(xiàn)、滑動窗口協(xié)議的模擬等。以設(shè)計RIP協(xié)議仿真實驗為例，以往的路由仿真實驗大部分是事先設(shè)定簡單的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖(如12臺路由器連接23個網(wǎng)絡(luò))，在單機環(huán)境中模擬實現(xiàn)路由表的更新。在設(shè)計R

13、IP協(xié)議的仿真綜合實驗時，教師可以要求每45名同學(xué)為一組，每臺計算機模擬一個路由器，RIP協(xié)議仿真程序需要根據(jù)加入網(wǎng)絡(luò)的路由器數(shù)量實時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，并且根據(jù)虛擬設(shè)定線路時延來自動更新各個仿真路由器的路由表。實驗小組的主機同時運行，通過每臺主機的運行驗證各自的路由表更新和路由選擇功能。最后根據(jù)實驗小組的方案設(shè)計、編程調(diào)試和實驗結(jié)果得出結(jié)論，形成小組的實驗報告。由于這些課題具有一定的難度和較大的工作量，對學(xué)生的動手能力和自學(xué)能力是一個考驗，可培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決問題的能力，讓他們把網(wǎng)絡(luò)知識融會貫通到實驗中。通過實踐，學(xué)生就對網(wǎng)絡(luò)傳輸中的任何一個環(huán)節(jié)都知道如何著手，并且能順利編程實現(xiàn)，為后

14、繼的網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計課程打下堅實的基礎(chǔ)。作為鼓勵，學(xué)生完成這些實驗后可修得相應(yīng)的學(xué)分。3 結(jié)語計算機網(wǎng)絡(luò)類課程實驗教學(xué)的研究和設(shè)計涉及面比較廣、發(fā)展速度快，必須根據(jù)學(xué)生的狀況、學(xué)校實驗條件和教材的實際情況，進行系統(tǒng)的、一系列的改革。我們要不斷學(xué)習(xí)新方法，采用新思路，以適應(yīng)計算機網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展；更要緊密地結(jié)合實際，及時跟新實驗教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不斷進步。Reference：1 魏楚元,張翰韜,呂橙. 計算機網(wǎng)絡(luò)開放式實驗教學(xué)與創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)J. 實驗室研究與探索,2007,26(6):9-13.2 劉杰彥,易發(fā)勝. “計算機網(wǎng)絡(luò)”課程的實驗教學(xué)探索J. 計算機教育,2008(22):

15、57-58.3 劉外喜,高鷹,胡曉. 虛擬實驗室在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中的應(yīng)用設(shè)計J. 計算機教育,2007(4):72-75.4 熊思,羅忠. 基于NS2仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)研究J. 湖北第二師范學(xué)院學(xué)報,2008(8) :1007-1687.Reform of Experimental Teaching of the Computer Network Curriculum PENG Yali, YU Fang(Department of Computer Science, Xiangnan University, Chenzhou 423000, China)Abstract: Experiment teaching is an important part of Computer Network cur