計算機網(wǎng)絡(luò )課程實(shí)驗教學(xué)的現狀探究
現在的計算機網(wǎng)絡(luò )課程教學(xué)活動(dòng)中，改進(jìn)了以往多以OSI參考模型為基礎，怎樣分析計算機網(wǎng)絡(luò )課程實(shí)驗教學(xué)的現狀?
計算機網(wǎng)絡(luò )是計算機技術(shù)與通信技術(shù)緊密結合的產(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(mén)理論性和實(shí)踐性都很強的課程，它的基本概念、技術(shù)設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(shí)驗教學(xué)是知識內化的有效途徑，有助于學(xué)生逐步深化對理論知識的理解和掌握，使認知結構不斷優(yōu)化，從而能夠熟練地應用所學(xué)知識進(jìn)行創(chuàng )造性活動(dòng)。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(shí)驗教學(xué)環(huán)節是非常重要的。
1計算機網(wǎng)絡(luò )課程實(shí)驗教學(xué)現狀
1.1實(shí)驗內容過(guò)于簡(jiǎn)單、陳舊
當前大部分高校的計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗課中存在著(zhù)大量簡(jiǎn)單、陳舊的實(shí)驗內容，如Windows2000操作系統的安裝和配置、Internet的訪(fǎng)問(wèn)、FTP站點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)、下載工具、文件壓縮工具、電子郵箱的使用等�，F在，一般計算機、通信或電子等專(zhuān)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(lái)查找資料或做其他應用。因而，這些實(shí)驗對他們來(lái)說(shuō)顯得過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有創(chuàng )造性，也造成了大部分人認為網(wǎng)絡(luò )的實(shí)驗教學(xué)沒(méi)有什么實(shí)際意義。這種實(shí)驗教學(xué)最大的缺點(diǎn)是，缺少協(xié)議分析實(shí)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(diǎn)，學(xué)生難以理解網(wǎng)絡(luò )協(xié)議工作過(guò)程。這樣，實(shí)驗教學(xué)就起不到應有的作用，理論教學(xué)結束后，學(xué)生不能真正明白所學(xué)內容，更難以與實(shí)際應用建立聯(lián)系。
1.2理論課與實(shí)驗課缺少關(guān)聯(lián)性
現在的計算機網(wǎng)絡(luò )課程教學(xué)活動(dòng)中，改進(jìn)了以往多以OSI參考模型為基礎，講述網(wǎng)絡(luò )層次結構、協(xié)議和計算機網(wǎng)絡(luò )原理的架構，引入了目前廣泛應用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，但即便如此，學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中仍然很難將學(xué)到的抽象理論知識與實(shí)際網(wǎng)絡(luò )應用聯(lián)系起來(lái)。雖然層次結構模型和協(xié)議的內容是非�？菰锴也灰桌斫獾�，但如果能在理論課中穿插相關(guān)的實(shí)驗，使學(xué)生知道實(shí)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(shí)際網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題的能力。
1.3專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室硬件要求高，實(shí)驗指導難度大
專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室硬件要求比較高，需要配置的設備價(jià)格都比較高，比如服務(wù)器、交換機、路由器、中繼器、網(wǎng)橋等，并且設備的更新要求也很高，以至于有的學(xué)校不能承受。有的實(shí)驗要求學(xué)生更改實(shí)驗所用PC機或服務(wù)器的操作系統設置，這給實(shí)驗室的管理以及后續實(shí)驗帶來(lái)了不便[2]。有些實(shí)驗要求使用交換機、路由器、PC機搭建網(wǎng)絡(luò )并進(jìn)行配置管理，在實(shí)際教學(xué)中卻難以做到每個(gè)人都親自配置一次，以至于達不到實(shí)驗的預期目標。并且，由于實(shí)驗設備復雜，使得實(shí)驗環(huán)境的準備工作難度加大，對于不太熟練的學(xué)生來(lái)說(shuō)實(shí)驗中出現的問(wèn)題會(huì )比較多，成功率低，造成學(xué)生的學(xué)習積極性不高。
1.4操作性強的實(shí)驗指導教材比較少
當前的計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗指導教材中，要么內容中包含了大量的編程實(shí)驗，如網(wǎng)頁(yè)程序設計、網(wǎng)絡(luò )通信程序設計、異步串行通信編程實(shí)驗、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議編程實(shí)驗等;要么內容與計算機公共課教材實(shí)驗重復，實(shí)際上無(wú)需再將其列入專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗內容�？偟恼f(shuō)來(lái)，操作性強的實(shí)驗指導教材比較少。
2實(shí)驗教學(xué)的改進(jìn)
在計算機網(wǎng)絡(luò )精品課程建設過(guò)程中，我們針對上述問(wèn)題對計算機網(wǎng)絡(luò )的實(shí)驗教學(xué)做了一些改進(jìn)。
2.1將網(wǎng)絡(luò )仿真軟件應用于實(shí)驗教學(xué)
大多數的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗需要很多硬件設備的支持，而學(xué)�，F有的條件難以配合課堂理論教學(xué)。由于網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗本身涉及到系統底層實(shí)現，在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行模擬實(shí)驗具有很大困難。再者主機和路由器等網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的協(xié)議棧實(shí)現有所不同，各個(gè)協(xié)議的原理、功能和實(shí)現也不相同。還有在實(shí)際應用中，都有上百臺的路由器互聯(lián)組成網(wǎng)絡(luò )，這些是實(shí)驗室的硬件無(wú)法實(shí)現的。因此我們需要網(wǎng)絡(luò )仿真軟件配置出與實(shí)際網(wǎng)絡(luò )工程類(lèi)似的實(shí)驗環(huán)境，幫助學(xué)生深入理解網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的原理。
目前使用比較多的網(wǎng)絡(luò )仿真實(shí)驗軟件有NetRiver實(shí)驗系統、NS2仿真軟件和OPNET網(wǎng)絡(luò )仿真軟件。
NetRiver實(shí)驗系統是輔助清華大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò )課程教學(xué)實(shí)驗開(kāi)發(fā)的一套網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺系統，由一臺或多臺測試服務(wù)器、一套客戶(hù)端軟件和一套實(shí)驗管理軟件構成。經(jīng)過(guò)兩年的測試使用，受到了好評。
NS2((NetworkSimulator))是UNIX/linux環(huán)境下以IP網(wǎng)絡(luò )為主的仿真軟件，是面向對象的、離散事件驅動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境模擬器。它能夠執行多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和路由算法，對固定、無(wú)線(xiàn)和混合等多種網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行仿真，是一個(gè)應用廣泛的網(wǎng)絡(luò )層仿真工具，主要用于解決網(wǎng)絡(luò )研究方面的問(wèn)題。NS2使用了一套整C++類(lèi)庫，實(shí)現了絕大多數常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議以及鏈路層的模型。利用這些類(lèi)的實(shí)例，我們可以很輕松地搭建實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )模型，而且包括詳盡的細節設計。NS2是一個(gè)免費的、開(kāi)源的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò )仿真軟件，學(xué)生完全可以在單機環(huán)境中模擬整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)元素。
OPNET也是通信協(xié)議建模和仿真工具，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )結構、設備和應用的設計、分析和建設、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(lái)描述協(xié)議，其次為Node模型，主要是對應的協(xié)議模型，反映設備的特性，最上層是網(wǎng)絡(luò )模型;提供了一個(gè)包含路由器、交換機、服務(wù)器、客戶(hù)機、ATM設備、DSL設備等比較齊全的基本模型庫;采用離散事件驅動(dòng)的模擬機制，計算效率與時(shí)間驅動(dòng)相比得到了很大的提高;采用混合建模機制，仿真中各個(gè)模塊之間通過(guò)事件中斷方式傳遞事件信息;具有豐富的統計量收集和分析功能，可以直接收集各網(wǎng)絡(luò )層次的性能統計參數。
2.2理論課上合理利用協(xié)議分析實(shí)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(diǎn)和難點(diǎn)，現有的教材一般都是針對每個(gè)層次比如物理層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層等獨立成章，可見(jiàn)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò )中的重要性。傳統的教學(xué)方法是通過(guò)類(lèi)比實(shí)際的事例和配合使用多媒體的動(dòng)畫(huà)演示幫助學(xué)生理解，如分析信件郵遞的過(guò)程等，但實(shí)際效果不是很理想。協(xié)議分析類(lèi)實(shí)驗主要是使用協(xié)議分析工具(如Etherea1、Sniffer、Natxray、Iris等)，或專(zhuān)門(mén)的協(xié)議分析儀(如Optiview)，對TCP/IP層次結構中應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層、鏈路層的重要網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行分析，如HTTP協(xié)議、DNS協(xié)議、IP協(xié)議、RIP協(xié)議。在學(xué)習完協(xié)議棧的每個(gè)層次之后，進(jìn)行相應的協(xié)議分析實(shí)驗，對截獲的數據報進(jìn)行分析，加深學(xué)生對各層主要協(xié)議基本原理和實(shí)現過(guò)程的理解。
在實(shí)驗預習時(shí)教師可以給出明確的實(shí)驗目標，要求具體分析協(xié)議的哪些方面，學(xué)生通過(guò)協(xié)議分析理解和掌握什么內容等。例如針對TCP協(xié)議的實(shí)驗，通過(guò)對捕獲到數據包中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(guò)程和報文分段的工作原理，可以和應用程的HTTP協(xié)議相比較，還可以通過(guò)觀(guān)察重傳時(shí)TCP連接的跟蹤記錄，加深學(xué)生對TCP的可靠數據傳輸特性的理解。有了類(lèi)似的指導，學(xué)生就能夠做到條理清晰、全面地分析各個(gè)協(xié)議，進(jìn)一步掌握網(wǎng)絡(luò )分層和協(xié)議族的原理。
2.3合理應用現有設備
工程類(lèi)實(shí)驗有制作網(wǎng)線(xiàn)實(shí)驗、組建局域網(wǎng)實(shí)驗、VLAN實(shí)驗、路由器的使用實(shí)驗等。這類(lèi)實(shí)驗使學(xué)生了解計算機網(wǎng)絡(luò )是怎樣搭建的，需要使用到哪些設備和技術(shù)，各種網(wǎng)絡(luò )設備有什么功能，是如何配置的。工程類(lèi)實(shí)驗需要相關(guān)的硬件和設備支持，需要充分利用實(shí)驗室的具體條件，突出工程化的特點(diǎn)，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(shí)際運用，積累一定的實(shí)際工程經(jīng)驗，提高理論應用于實(shí)際的能力，縮短所學(xué)與所用的距離。由于學(xué)院設備數量的限制，建議在這種工程類(lèi)實(shí)驗教學(xué)當中，分小組進(jìn)行實(shí)驗，力求讓每個(gè)同學(xué)都有動(dòng)手實(shí)踐的機會(huì )，改變過(guò)去那種教師演示，學(xué)生參觀(guān)的實(shí)驗現象。
2.4開(kāi)展創(chuàng )新型課程實(shí)驗
目前提倡的創(chuàng )新型實(shí)驗一般是綜合性實(shí)驗，需要在充分掌握計算機網(wǎng)絡(luò )原理的基礎上對知識進(jìn)行綜合運用，一個(gè)實(shí)驗往往是多個(gè)知識點(diǎn)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(wú)法在短短幾個(gè)課時(shí)內完成，因此可以將創(chuàng )新型實(shí)驗作為計算機網(wǎng)絡(luò )課程的配套課程設計。
在具體操作上，可由教師給出多個(gè)不同的課題，由學(xué)生根據自己的興趣愛(ài)好選擇相關(guān)課題。這類(lèi)實(shí)驗包括網(wǎng)卡的驅動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò )流量的分析、RIP協(xié)議的仿真、簡(jiǎn)單的端口掃描、電子郵件用戶(hù)代理的編程實(shí)現、滑動(dòng)窗口協(xié)議的模擬等。以設計RIP協(xié)議仿真
實(shí)驗為例，以往的路由仿真實(shí)驗大部分是事先設定簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )拓撲圖(如12臺路由器連接23個(gè)網(wǎng)絡(luò ))，在單機環(huán)境中模擬實(shí)現路由表的更新。在設計RIP協(xié)議的仿真綜合實(shí)驗時(shí)，教師可以要求每45名同學(xué)為一組，每臺計算機模擬一個(gè)路由器，RIP協(xié)議仿真程序需要根據加入網(wǎng)絡(luò )的路由器數量實(shí)時(shí)調整網(wǎng)絡(luò )拓撲結構圖，并且根據虛擬設定線(xiàn)路時(shí)延來(lái)自動(dòng)更新各個(gè)仿真路由器的路由表。實(shí)驗小組的主機同時(shí)運行，通過(guò)每臺主機的運行驗證各自的路由表更新和路由選擇功能。最后根據實(shí)驗小組的方案設計、編程調試和實(shí)驗結果得出結論，形成小組的實(shí)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(dòng)手能力和自學(xué)能力是一個(gè)考驗，可培養學(xué)生綜合運用知識解決問(wèn)題的能力，讓他們把網(wǎng)絡(luò )知識融會(huì )貫通到實(shí)驗中。通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生就對網(wǎng)絡(luò )傳輸中的任何一個(gè)環(huán)節都知道如何著(zhù)手，并且能順利編程實(shí)現，為后繼的網(wǎng)絡(luò )程序設計課程打下堅實(shí)的基礎。作為鼓勵，學(xué)生完成這些實(shí)驗后可修得相應的學(xué)分。
3結語(yǔ)
計算機網(wǎng)絡(luò )類(lèi)課程實(shí)驗教學(xué)的研究和設計涉及面比較廣、發(fā)展速度快，必須根據學(xué)生的狀況、學(xué)校實(shí)驗條件和教材的實(shí)際情況，進(jìn)行系統的、一系列的改革。我們要不斷學(xué)習新方法，采用新思路，以適應計算機網(wǎng)絡(luò )的快速發(fā)展;更要緊密地結合實(shí)際，及時(shí)跟新實(shí)驗教學(xué)內容，提高學(xué)生的學(xué)習興趣，不斷進(jìn)步。
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