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      計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的自頂向下教學(xué)

      2017-11-09 08:46:40王興芳張金區(qū)沈映珊
      計(jì)算機(jī)教育 2017年11期
      關(guān)鍵詞:鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層

      王興芳,張金區(qū),曹 陽(yáng),李 慧,沈映珊

      (華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東 廣州 510631)

      計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的自頂向下教學(xué)

      王興芳,張金區(qū),曹 陽(yáng),李 慧,沈映珊

      (華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東 廣州 510631)

      為了更加符合人們的自然思維習(xí)慣,打破傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)順序,提出計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程不再按照體系結(jié)構(gòu)由下而上進(jìn)行教學(xué),而是采用自頂向下的教學(xué)方式,并從概述到每一層的教學(xué)設(shè)計(jì)都進(jìn)行具體闡述和說(shuō)明。

      計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);教材組織順序;自頂向下;任務(wù)式驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式

      0 引 言

      對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí),學(xué)期過(guò)半到網(wǎng)絡(luò)層的學(xué)習(xí)時(shí),有個(gè)很明顯的分水嶺,學(xué)習(xí)認(rèn)真、領(lǐng)悟力好的學(xué)生能進(jìn)入良好狀態(tài);而大約1/3的學(xué)生仍然不得要領(lǐng),覺(jué)得理論性太強(qiáng),課程內(nèi)容太枯燥,而產(chǎn)生得過(guò)且過(guò)的思想。

      經(jīng)過(guò)學(xué)生的大量反饋及長(zhǎng)時(shí)間的反思,筆者意識(shí)到“為什么不能按照計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由上而下展開呢”,對(duì)于最上層的應(yīng)用層,如上網(wǎng)、電子郵件、上傳下載、多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等常見應(yīng)用,絕大部分學(xué)生已有基本的應(yīng)用體驗(yàn),這樣從熟知的應(yīng)用開始,而后逐漸縱深進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)理論的學(xué)習(xí),學(xué)生可以知道如何應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),但現(xiàn)象背后的原理與技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的呢?這樣學(xué)生就會(huì)懷著極大的興趣,自覺(jué)地探究網(wǎng)絡(luò)上的各種功能實(shí)現(xiàn)原理,能很快入門,并保持良好的學(xué)習(xí)興趣,從而達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

      1 概述的教學(xué)設(shè)計(jì)

      在第1章概述中,要透徹分析分層的理念,分層的目的是“將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”。當(dāng)人們?cè)谔幚怼⒃O(shè)計(jì)和討論一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí),總是將復(fù)雜系統(tǒng)劃分為多個(gè)小的、功能相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)或模塊,這樣可以將注意力集中在這個(gè)大而復(fù)雜系統(tǒng)的某個(gè)特定部分,并有能力把握它,這本是“分而治之、逐步求精”的模塊化思想。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),人們發(fā)現(xiàn)層次式模塊劃分方法特別適合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),因此目前所有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都采用分層的體系結(jié)構(gòu)。目前廣泛應(yīng)用的是TCP/IP4層核心體系結(jié)構(gòu),為了能既簡(jiǎn)潔、又能將概念闡述清楚,教學(xué)常常采用5層協(xié)議的原理體系結(jié)構(gòu)[1]。表1為第1章概述的教學(xué)設(shè)計(jì)。

      表1 第1章概述的教學(xué)設(shè)計(jì)

      經(jīng)過(guò)第1章的學(xué)習(xí),學(xué)生可以了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史、一些性能指標(biāo)及最為重要的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。為更加有效地展開各層的具體學(xué)習(xí),可在第1部分概述后,對(duì)一些常用的基本概念如IP地址、分組交換、路由等作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹,為后面課程的開展作適當(dāng)?shù)匿亯|[2]。

      2 體系結(jié)構(gòu)中每一層教學(xué)的邏輯思路

      第1章將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)做了分層處理,每一層(每一模塊)都要承擔(dān)一部分任務(wù)并且層與層間協(xié)調(diào)工作,共同完成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體運(yùn)作。后面的學(xué)習(xí)中,將打破傳統(tǒng)學(xué)習(xí)順序,不再按照體系結(jié)構(gòu)由下而上,而是顛倒過(guò)來(lái),由上而下展開教學(xué),并且在任務(wù)分層的大思路下,每層的學(xué)習(xí)采用任務(wù)式驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式。在此教學(xué)模式中,每一層的教學(xué)都可以采用如下思路:

      (1)該層分到的任務(wù)是什么?

      (2)如何利用相關(guān)的硬件、軟件(協(xié)議)及相應(yīng)的技術(shù)協(xié)調(diào)地解決這些任務(wù)?

      (3)各層是如何協(xié)調(diào)運(yùn)作的(為方便系統(tǒng)學(xué)習(xí),在此給出關(guān)系圖,如圖1所示)?

      圖1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中各層協(xié)議間的關(guān)系

      (4)每一層的作用范圍?

      3 應(yīng)用層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      應(yīng)用層有很多個(gè)應(yīng)用,每個(gè)應(yīng)用層協(xié)議都是為了解決某一類應(yīng)用問(wèn)題,而問(wèn)題的解決又往往是通過(guò)位于不同主機(jī)中多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程之間的通信和協(xié)同工作完成的。應(yīng)用層的具體內(nèi)容就是規(guī)定應(yīng)用進(jìn)程在通信時(shí)所遵循的協(xié)議[3]235。由于應(yīng)用層純屬終端用戶所用,因此在本章中沒(méi)有涉及硬件,只是一些常用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。表2為應(yīng)用層的教學(xué)設(shè)計(jì)。

      4 運(yùn)輸層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      學(xué)生了解了應(yīng)用層的一些常用應(yīng)用,知道一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以同時(shí)運(yùn)行很多個(gè)應(yīng)用,那么進(jìn)一步思考兩個(gè)問(wèn)題:

      (1)甲乙兩臺(tái)主機(jī)如何從很多個(gè)應(yīng)用中識(shí)別對(duì)等方哪個(gè)應(yīng)用在通信呢?

      (2)由于應(yīng)用需求不同,如萬(wàn)維網(wǎng)、電子郵件、電子銀行、文件傳輸?shù)龋瑪?shù)據(jù)丟失會(huì)造成災(zāi)難性的后果,這類需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);而實(shí)時(shí)的多媒體應(yīng)用如實(shí)時(shí)音/視頻,可以承受一定程度的數(shù)據(jù)丟失,那么能夠根據(jù)具體需求,提供不同的傳輸服務(wù)嗎?

      這些問(wèn)題將在運(yùn)輸層解決,該層的任務(wù)就是為運(yùn)行在不同主機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)程提供直接的通信服務(wù),那么如何完成該任務(wù)呢?主要依賴于端口(port)與運(yùn)輸層的兩個(gè)協(xié)議。端口是用來(lái)識(shí)別應(yīng)用進(jìn)程的,端口號(hào)稱為應(yīng)用進(jìn)程的運(yùn)輸層地址,如圖1中第一行各協(xié)議后的數(shù)字為其端口號(hào)。TCP協(xié)議是提供可靠傳輸服務(wù),而UDP提供更及時(shí)的傳輸服務(wù),由圖1可見為應(yīng)用層協(xié)議采用的不同傳輸服務(wù)。表3為運(yùn)輸層的教學(xué)設(shè)計(jì)。

      5 網(wǎng)絡(luò)層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      上面兩層主要是終端用戶功能,只有主機(jī)的協(xié)議棧才有應(yīng)用層與運(yùn)輸層,那么用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)根據(jù)不同需求封裝在TCP或UDP協(xié)議中,接下來(lái)如何使數(shù)據(jù)傳出去呢?即數(shù)據(jù)如何在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行路由選擇及分組轉(zhuǎn)發(fā)呢?

      網(wǎng)絡(luò)層研究的就是經(jīng)過(guò)多種不同網(wǎng)絡(luò)(電話網(wǎng)、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)),分組怎樣從一個(gè)主機(jī)傳送到另一個(gè)主機(jī)(經(jīng)過(guò)路由器),這屬于網(wǎng)絡(luò)層的范圍。網(wǎng)絡(luò)層將要學(xué)到的重要概念有虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、IP地址及其分配方法;將要用到的硬件是路由器;需要配備的主要協(xié)議有IP協(xié)議、ICMP協(xié)議、ARP協(xié)議、IGMP協(xié)議及路由協(xié)議(BGP、RIP和OSPF)。圖2 所示為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)結(jié)構(gòu)。表4為網(wǎng)絡(luò)層的教學(xué)設(shè)計(jì)。

      表2 第2章應(yīng)用層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      表3 第3章運(yùn)輸層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      圖2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)結(jié)構(gòu)

      6 數(shù)據(jù)鏈路層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      數(shù)據(jù)鏈路層研究的是在同一個(gè)局域網(wǎng)中,分組怎樣從一個(gè)主機(jī)傳送到另一個(gè)主機(jī)(不經(jīng)過(guò)路由器),這屬于數(shù)據(jù)鏈路層的范圍[3]65。數(shù)據(jù)鏈路層在兩種信道(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道和廣播信道)上要解決的3個(gè)共同的基本問(wèn)題:封裝成幀、透明傳輸、差錯(cuò)檢測(cè)。重點(diǎn)理解的概念是以太網(wǎng)的硬件地址。表5為數(shù)據(jù)鏈路層的教學(xué)設(shè)計(jì)。按每一層教學(xué)的邏輯思路,數(shù)據(jù)鏈路層4個(gè)問(wèn)題列舉如下。

      (1)任務(wù):封裝成幀、透明傳輸、差錯(cuò)檢測(cè)。

      (2)利用以下硬件及軟件完成任務(wù):①硬件:適配器、轉(zhuǎn)發(fā)器、網(wǎng)橋、以太網(wǎng)交換機(jī);②兩種信道:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道——PPP協(xié)議;廣播信道——分為有線和無(wú)線,有線包括802.3的MAC幀、CSMA/CD協(xié)議,無(wú)線包括802.11的MAC幀、CSMA/CA協(xié)議。

      表4 第4章網(wǎng)絡(luò)層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      表5 第5章數(shù)據(jù)鏈路層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      (3)作用范圍:同一網(wǎng)絡(luò),主要是局域網(wǎng)。

      (4)上下層關(guān)系:如圖1所示,IP報(bào)文封裝在PPP/MAC中,通過(guò)物理地址進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。

      以上列舉問(wèn)題可以模仿網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)結(jié)構(gòu)圖,繪制成任務(wù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)鏈路層知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。

      7 物理層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備和傳輸媒體種類繁多,并且通信手段也有很多不同方式,物理層的作用就是要盡可能屏蔽這些傳輸媒體和通信手段的差異,使物理層上面的數(shù)據(jù)鏈路層感覺(jué)不到這些差異。表6為物理層的教學(xué)設(shè)計(jì)。按每一層教學(xué)的邏輯思路,物理層4個(gè)問(wèn)題列舉如下。

      表6 第6章物理層的教學(xué)設(shè)計(jì)

      (1)任務(wù):怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流,以及如何應(yīng)用一些技術(shù)使數(shù)據(jù)比特流傳輸?shù)酶臁?/p>

      (2)利用以下技術(shù)完成任務(wù):①傳輸媒體;②通信手段:數(shù)字傳輸系統(tǒng)、信道復(fù)用技術(shù);③寬帶接入技術(shù)。

      (3)作用范圍:整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)。

      (4)上下層關(guān)系:如圖1所示,通過(guò)傳輸媒體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

      以上列舉問(wèn)題可以模仿網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)結(jié)構(gòu)圖,繪制成任務(wù)驅(qū)動(dòng)的物理層知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。

      8 結(jié) 語(yǔ)

      我們打破計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)順序,按照體系結(jié)構(gòu)自頂向下展開各層教學(xué),從熟知的應(yīng)用出發(fā),并且每一層的學(xué)習(xí)都采用任務(wù)式驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式。經(jīng)過(guò)近3年的教學(xué)探索,我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生樂(lè)于在應(yīng)用實(shí)踐中結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng),并采用小組方式選擇完成不同任務(wù),討論分享匯報(bào),由易到難,將日常的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與其實(shí)現(xiàn)的理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái),在很大程度上拓寬了視野與知識(shí)面,從而提升了綜合素養(yǎng),也獲得良好的教學(xué)效果。

      [1] 謝鈞, 謝希仁. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程[M]. 4版. 北京: 人民郵電出版社, 2014: 21.

      [2] 庫(kù)羅斯(美). 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自頂向下方法[M]. 陳鳴, 譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009: 34.

      [3] 謝希仁. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M]. 6版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

      1672-5913(2017)11-0087-04

      G642

      廣東省教育廳教學(xué)改革項(xiàng)目(GDJG20142157)。

      王興芳,女,講師,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教育技術(shù)、遙感圖像處理,505676535@qq.com。

      (編輯:宋文婷)

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