計算機網絡教材試驗設計探究

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本文作者：付雪峰 劉有珠 徐文飛 鄧少波 單位：南昌工程學院計算機科學與技術系

隨著Internet的迅猛發展,計算機網絡極大的影響人們的生產、生活和學習,5計算機網絡6已經成為高等學校計算機專業普遍開設的核心專業課程,是計算機專業學生技術基礎的主干理論課程之一,計算機網絡技術已成為計算機學科中一個相當重要的研究領域和發展方向,然而計算機網絡課程中涉及了大量的概念、定義和協議等,這些內容抽象、空洞,僅僅通過理論教學很難讓學生理解和掌握。網絡實驗是掌握這些理論的最好方法,但由于計算機網絡原理本身的復雜性等原因,目前高校大多數的網絡實驗都偏向于網絡操作系統應用方面的實驗,缺乏完全覆蓋計算機網絡技術主要層次的網絡實驗體系和網絡課程設計[1],特別是在協議理解與設計方面。同時國家網絡管理員、網絡工程師考試逐年加重實踐環節的考查,學生就業更強調實踐動手的能力,因而借助于一定的軟、硬件手段來完善現有的計算機網絡實驗課程迫在眉睫。

一實驗教學的現狀

計算機網絡實驗室的建設困難,計算機網絡實驗所需的軟件和硬件短缺,主要的硬件設備只有電腦,據統計,直到2000年左右,國內大多數學校沒有專用的計算機網絡實驗環境和實驗室[2]。由于實驗條件的制約,使計算機網絡的教學長期徘徊在課堂講授和書本上,學生很少有實際動手實驗的機會。他們只能從書本上了解計算機網絡,因此動手能力差,不能適應社會對計算機網絡人才的需求。而實驗條件差的主要原因在于:一是由于計算機網絡實驗相關的設備比較昂貴,如交換機、路由器等,而且計算機硬件的更新換代的速度太快,高校很難跟上設備的發展速度;二是缺乏適應各自學校特點的計算機網絡實驗環境建設方案,缺乏綜合性、設計性的實驗。這樣學生缺乏能動性,對網絡的認識和理解僅限于PC機,個別基礎比較差的學生甚至把計算機網絡等同于一些通訊軟件,如QQ等。在考慮這兩方面原因的基礎上,應把教學探討的主要著重點放在實驗設計這部分。

二實驗內容

由于各高校的實驗室設備不同,配置的軟件不同,師資力量不同,學科研究方向不同,使得各高校所開設的網絡實驗內容不盡相同。但大體上,針對本科生開設的網絡實驗內容可分為以下幾個方面的實驗:驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗[3]。

1.驗證性實驗

驗證性實驗主要用于驗證網絡的各種協議,開設目的是讓學生更形象地理解理論知識。主要實驗有:以太網幀的構成、IP地址分類與數據包組成、IP地址轉換協議、ARP和IP控制管理協議、ICMP和UDP數據報的傳送、TCP數據通信、SNMP協議與網絡管理和應用層協議、HTTP協議、WINDOWS網絡應用、應用層協議、TELNET、SNMP及其他。

2.綜合性實驗

綜合性實驗目的是為了讓學生更好地應用網絡知識,提高實踐能力。綜合性實驗又可分為基礎實驗和高級實驗兩大類。主要實驗有:(1)基礎實驗。包括雙機互連、以太網組網實驗、常用網絡服務的配置及操作、交換機和路由器的了解,TCP/IP診斷實用程序、流媒體的認識與應用,SSL實現安全數據傳輸的利用。(2)高級實驗。包括虛擬局域網的配置、路由器的使用、網絡數據包的監聽和分析,網絡故障仿真及分析,管理TCP/IP網絡互聯環境、配置IP路由協議和廣域網絡、IP流量管理和安全控制配置,IPX網絡互聯配置,PPP串行連接,配置幀中繼網絡。

3.設計性實驗

主要是用SOCKET套接字進行網絡程序設計。目的是讓學生進一步掌握UDP及TCP協議的工作原理;掌握SOCKET編程的基本方法;學習應用Ja-va、C#進行簡單的面向連接的網絡程序設計,實現網絡數據傳輸。主要實驗包括異步串行通信編程實驗、實現利用停等協議傳輸數據文件、編寫簡單的C/S程序、編寫簡單的SMTP郵件服務器并觀察其通信過程,建立一個網絡API函數庫、編制一個多服務的服務器、設計一個時鐘同步協議和一個滑動窗口協議[4]。現在,越來越多高校把網絡實驗從理論課程中抽離出來,獨立開設課程,以便傳授盡可能多的網絡實驗內容,讓學生更好地掌握網絡知識。

三搭建實驗平臺與設計實驗項目

計算機專業的網絡課程隸屬于計算機網絡教研室,計算機網絡教研室搭配有計算機網絡實驗室與一個學生創新實驗室。計算機網絡實驗室主要有計算機、華為路由器、交換機、雙絞線、壓線鉗、網絡測試器等計算機網絡實驗相關的主干設備。由于計算機網絡課程學生人數比較多,路由器與交換機的數量不足,因而在實驗項目的設計上,使用真實的機器做實驗的講解、分析,采用軟件模擬器的方式完成網絡實驗的實踐。根據上面的分析以及參照計算機網絡實驗室的實際情況和參考其他成熟的院校計算機網絡實驗設計的基礎上,將計算機網絡實驗作如下安排。

(1)物理層實驗:雙絞線的制作;實驗設備(雙絞線、制線鉗、網線測試器)。

(2)以太網鏈路層幀格式分析;實驗相關軟件(Ethereal分析協議數據包、Snifer抓包軟件)。

(3)網絡層:ARP協議分析;實驗相關軟件(Ethereal分析協議數據包、Snifer抓包軟件)。

(4)IP協議分析。

(5)IP組網實驗。

(6)TCP協議分析及基于TCP的通訊程序設計,簡單的通訊程序設計不再使用基于C++的套接字的方式,采用對Sockeet封裝得更好的Java或者C#的編程方式。

(7)DNS協議分析與設置。

(8)DHCP協議分析與設置。

(9)局域網工作原理與實驗。

(10)虛擬局域網Vlan的劃分。采用相關的路由器仿真軟件來實現,這類軟件有很多,如專用于華為產品的華為點點通、Cisco路由器、交換機模擬程序BosonNetsim等。

對網絡實驗教學的進一步完善是加強計算機網絡實訓環節,網絡實訓作為對課程整體的考查在整個實驗課程體系中占有非常重要的地位,它能夠全方位的考查學生對整個知識體系的掌握程度[5]。實訓環節應安排到課程末或學期末,用專門的時間由專門教師指導完成計算機網絡課程的專項技能訓練。實訓題目的設計應該多樣化,網絡實訓的題庫正在設計中,主要設計一套能夠綜合運用網絡知識體系的方案,如構建一個局域網絡,在這個網絡中有各種網絡的硬件設備,如交換機、路由器等。有各種不同的服務器,如HTTP,EMAIL和FTP等。實驗的目的就是將以前學過的知識運用到實際工作中去,這個實驗需要以組為單位大家共同完成[6]。這個實驗的另一個目的就是要求同學通過以前學過的知識,利用任務驅動把它連接起來。讓學生完成網絡的拓撲圖,管理好網絡的運行、維護和安全等,從實踐應用的角度培養學生的工程意識,發揮教師實踐經驗豐富的優勢,讓學生動手解決從實踐應用抽象出的題目,更好地理解網絡理論知識。在實際應用方面,依托于學生創新實驗室,采用/網絡小組0校內的橫向聯合。像現在高校內部都建設有校園網,這是一個現成的,不需要任何再投入的“網絡實驗室”。網絡專業的教學完全可以和校園網的建設、管理結合起來,充分利用現有資源。在網絡管理員和老師的指導下,讓學生參與校園網的建設,既讓學生增加了實踐機會,增強了動手能力,又可以為學校節約人工成本。例如,現在很多辦公室的計算機管理存在很大的漏洞,安全性不高,出了問題只能找網絡管理中心解決,不僅效率低,也加大了網絡管理中心的工作量,把大量時間消耗在簡單重復的勞動上。如果可以挑選部分計算機專業高年級的優秀學生,分配到各個相關部門,在課余或實習時間,幫助管理計算機,維護系統安全,無疑能夠提高他們的網絡技能掌握水平。

四教學效果與總結

計算機網絡課程是計算機專業的基礎課程,更是計算機網絡專業的重點課程,在計算機網絡的理論教學過程中配合網絡實驗教學,強化實驗在網絡課程中的地位,以網絡工程師、網絡管理員為一個測試點,經過幾個學期的教學,學生在深入理解協議工作原理的基礎上,其創造性思維也得到提高,能夠將所學的理論知識聯系實際,獨立完成網絡的協議分析與設計。同時網絡工程師與網絡管理員的通過率也有了明顯的提高。將實驗教學依托于華為網絡學院,近年來學校華為3Com的網絡工程師的認證通過率一直在80%以上。著名的建構主義專家DavidH.Jonassen認為:學習者建造自己的現實,至少是基于以往的經驗來解釋現實的。因此,一個人的知識是在個人經驗、思維結構以及對事物的不斷摸索的基礎上形成的,鼓勵學生自己動手做實驗就是這樣一種集三者于一體的有效的探究方式。實驗教學的初步實踐表明,在網絡技術飛速發展的今天,理論聯系實際顯得很重要。目前的實驗是考慮到學生的平均水平而單獨設立各實驗,將來可嘗試結合所學的網絡知識進一步安排綜合性實驗。愛因斯坦曾說過:“發展獨立思考和獨立判斷能力,應當始終放在首位”,綜合性實驗和設計性實驗是培養學生獨立工作能力的重要途徑,并能為學生主動學習、獨立研究和全面發展提供空間。中國有句古話:“授人以魚,不如授人以漁”,計算機專業的飛速發展導致課堂的教學與學校教學的實驗設備跟不上它的更新速度,因而鍛煉學生自主的學習能力在大學教育特別是計算機專業的教育中尤為重要。另外,應鼓勵學生積極參與一些應用課題和研究項目的調研及開發工作,使學生形成合理的專業知識結構,提高他們的綜合實踐能力。當然教學過程中教師的言傳身教、穿針引線以及在學生的學習方法、思維方式、科學觀念的培養上也是至關重要的。