信息安全專業(yè)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信”課程教學(xué)探討

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信息安全方向主要開(kāi)展計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)中各類信息處理與信息保障的相關(guān)安全理論與應(yīng)用研究，本專業(yè)的主要課程體系模塊包括多媒體通信安全、電子對(duì)抗與網(wǎng)絡(luò)安全、密碼學(xué)及其應(yīng)用、數(shù)據(jù)通信安全及其應(yīng)用技術(shù)、系統(tǒng)安全及應(yīng)用等?！坝?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信”課程是信息安全專業(yè)的基礎(chǔ)課程，了解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信知識(shí)、培養(yǎng)工程思維和創(chuàng)新能力對(duì)本專業(yè)學(xué)生有著重要意義[1]。本文分別從教學(xué)目標(biāo)、教材選取、教學(xué)內(nèi)容安排和課堂教學(xué)方法等四個(gè)方面進(jìn)行探討。

一、教學(xué)目標(biāo)

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信”作為信息安全專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是許多專業(yè)課程比如網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)安全編程、多媒體安全、信息論與編碼、電子對(duì)抗技術(shù)、信息隱藏技術(shù)等課程的先修課，該課程的教學(xué)目標(biāo)并不在于教學(xué)生如何組網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，而在于學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)與通信各基本概念和基本原理的理解，重點(diǎn)在于理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信相關(guān)的“概念、協(xié)議、技術(shù)”。

另一方面，從信息安全專業(yè)的實(shí)際情況來(lái)看，這門(mén)課程開(kāi)在大二上學(xué)期，學(xué)生已修完各種數(shù)學(xué)課程、密碼學(xué)，已經(jīng)培養(yǎng)了較好的科學(xué)思維，再通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信這門(mén)工程性較強(qiáng)的課程的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，從而提高他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，也為本專業(yè)后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程打下良好的基礎(chǔ)。

二、教材選取

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考教材很多，我們選取了目前世界著名大學(xué)采用最為廣泛的、適合本科教學(xué)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教科書(shū)——Computer Networking:A Top Down Approach，6th edition，由美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校杰出的計(jì)算科學(xué)系教授James F.Kurose，Keith Ross著，最關(guān)鍵的是，機(jī)械工業(yè)出版社有這本教材的翻譯版，這使得我們的教學(xué)不僅可以和全球最著名大學(xué)的教學(xué)內(nèi)容同步，還可以使得學(xué)生將更多時(shí)間投入到學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)本身（而非英文）中去。

這本教材采用極負(fù)盛名的“自頂向下”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)法，摒棄了傳統(tǒng)的按計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)自下而上地講授網(wǎng)路課程內(nèi)容的模式，特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)用層，在教學(xué)的早期階段就介紹網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，使得學(xué)生們能夠及早地接觸套接字編程、服務(wù)模型和協(xié)議的概念，同時(shí)這些概念又為后續(xù)討論的各層做了鋪墊[2]。這樣的內(nèi)容編排有兩個(gè)好處：①在課程的一開(kāi)始就介紹網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層，學(xué)生能將日常的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)融入對(duì)應(yīng)用層的理解，使得他們不僅能夠明白流行的應(yīng)用程序和協(xié)議的工作原理，還能學(xué)習(xí)到創(chuàng)造自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和應(yīng)用級(jí)協(xié)議是多么容易，可以及早地激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情。②通過(guò)應(yīng)用層的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于應(yīng)用層及以下的各層的功能作用有了感性的認(rèn)識(shí)，使得他們?cè)诤罄m(xù)各章節(jié)中會(huì)帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)和揣摩，有助于深入學(xué)習(xí)和理解應(yīng)用層及以下的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層的原理和技術(shù)。

三、教學(xué)內(nèi)容安排

按本專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃安排，“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信”課程共48個(gè)學(xué)時(shí)，由于該課程的內(nèi)容多且繁雜，要想在48個(gè)學(xué)時(shí)里面面俱到是不可能的，我們選取了教材的前6章的內(nèi)容來(lái)部署整個(gè)教學(xué)計(jì)劃，并按以下方式組織[2][3]：第1章為概述。從整體上粗線條地勾畫(huà)出計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概貌，并且描述本書(shū)內(nèi)容的框架。從網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)核心，討論大量的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件，并對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能考查作初步介紹。第2章為應(yīng)用層。介紹有關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議的概念和實(shí)現(xiàn)原理。重點(diǎn)講解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的兩種模型：客戶-服務(wù)器和p2p，并介紹如何使用套接字API來(lái)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。第3章為傳輸層。詳細(xì)地描述因特網(wǎng)的傳輸控制協(xié)議（TCP/UDP），他們用于建立客戶/服務(wù)器的應(yīng)用。第4章為網(wǎng)絡(luò)層。講述交換網(wǎng)（數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)和虛電路網(wǎng)）的基本模型、網(wǎng)際協(xié)議（IP）的基本原理及各種路由選擇算法。本章的中心問(wèn)題是像因特網(wǎng)這樣規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)如何對(duì)分組進(jìn)行路由選擇。第5章為鏈路層：鏈路、接入網(wǎng)和局域網(wǎng)。綜述廣泛的低層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，描述所有鏈路協(xié)議必須解決的許多問(wèn)題，包括鏈路層尋址和ARP（地址解析協(xié)議），編碼、組幀和錯(cuò)誤檢測(cè)。第6章為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。主要介紹802.11無(wú)線LAN、移動(dòng)4G原理。

四、課堂教學(xué)方法

1.分層的教學(xué)方法。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)這門(mén)課程極其復(fù)雜，涉及許多以錯(cuò)綜復(fù)雜的方式彼此交織的概念、協(xié)議和技術(shù)。為了處理這種大跨度和高復(fù)雜性，許多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教科書(shū)都圍繞計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)習(xí)題結(jié)構(gòu)的“層次”來(lái)組織內(nèi)容。借助于這種分層的組織結(jié)構(gòu)，學(xué)生們能夠透過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性看到其內(nèi)部，他們?cè)趯W(xué)習(xí)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的某個(gè)部分中的獨(dú)特概念和協(xié)議的同時(shí)，也能看清所有這些部分是如何整合在一起的。因此傳統(tǒng)的“分層” 教學(xué)方法是非常適用的。

2.結(jié)合自頂向下。然而傳統(tǒng)的是自底向上的分層教學(xué)方法，從物理層到應(yīng)用層逐層講解，和學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣不太匹配，我們接觸的是應(yīng)用層，而且計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的近期革命，都發(fā)生在應(yīng)用層，因此，采用自頂向下的分層教學(xué)方法：應(yīng)用層—傳輸層—網(wǎng)絡(luò)層—鏈路層—物理層。

3.教授網(wǎng)絡(luò)原理：概念、協(xié)議、技術(shù)。當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的許多基礎(chǔ)性的重要問(wèn)題和基本原理已經(jīng)研究得較為清楚了。重點(diǎn)把握這些原理，將使學(xué)生獲得長(zhǎng)“保質(zhì)期”的知識(shí)，在飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)研究開(kāi)發(fā)中保持判斷力和啟發(fā)創(chuàng)造力。

4.以因特網(wǎng)為研究目標(biāo)?！耙蛱鼐W(wǎng)唯一可以預(yù)見(jiàn)的東西就是它會(huì)不斷地變化”，對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)這樣動(dòng)態(tài)和不斷變化的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，與其接受現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品作為準(zhǔn)則，不如從基本的設(shè)計(jì)原理開(kāi)始，了解使因特網(wǎng)得以運(yùn)行的基本概念和技術(shù)是什么，一旦理解了基本概念，遇到任何新的協(xié)議，消化和吸收起來(lái)都會(huì)變得相對(duì)容易；與其抽象地解釋協(xié)議如何工作，不如使用當(dāng)今最重要的協(xié)議具體說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)是如何工作的（例如，TCP/IP協(xié)議）；以因特網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議為基本載體來(lái)學(xué)習(xí)基本的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概念。以因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的5層模型來(lái)組織學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)以致用，為學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情提供原動(dòng)力。

5.結(jié)合實(shí)際，恰當(dāng)類比，深入淺出。對(duì)于各章節(jié)中的重難點(diǎn)內(nèi)容，都盡可能結(jié)合學(xué)生熟悉的事例進(jìn)行恰當(dāng)類比，力求深入淺出地闡述這些內(nèi)容。下面以幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例。在講解因特網(wǎng)的五層結(jié)構(gòu)時(shí)，為了幫助學(xué)生理解Source方應(yīng)用層的Message是如何被Destination方的應(yīng)用層接收，并了解各層的數(shù)據(jù)包封裝和報(bào)文格式，結(jié)合學(xué)生熟悉的快遞服務(wù)中的發(fā)件和收件服務(wù)來(lái)對(duì)比講解。在發(fā)快遞的過(guò)程中，中間會(huì)經(jīng)過(guò)有很多個(gè)集結(jié)點(diǎn)，而且每經(jīng)過(guò)一個(gè)站點(diǎn)都會(huì)有經(jīng)過(guò)該站點(diǎn)的記錄或蓋章，那么在因特網(wǎng)中也是一樣，發(fā)送方在向下的每一層傳遞數(shù)據(jù)包時(shí)都會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)層的協(xié)議對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)包封裝，而在接收方接收時(shí)是從下層網(wǎng)上層逐層“拆包”，直到Message最終被Destination方的應(yīng)用層接收。

在講解網(wǎng)絡(luò)層和運(yùn)輸層的區(qū)別時(shí)，為了讓同學(xué)們理解“網(wǎng)絡(luò)層提供了主機(jī)之間的邏輯通信，而運(yùn)輸層為運(yùn)行在兩個(gè)不同主機(jī)上的進(jìn)程之間提供了邏輯通信”，我們采用對(duì)比兩個(gè)不同城市的兩個(gè)家庭不同成員之間的相互通信來(lái)類比分析主機(jī)之間和進(jìn)程之間的差別[2]，應(yīng)用層報(bào)文=信封上的字符，進(jìn)程=堂兄弟姐妹，主機(jī)=家庭，運(yùn)輸層協(xié)議=Ann和Bill，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)=郵政服務(wù)（包括郵車）。并且進(jìn)一步通過(guò)兩家負(fù)責(zé)收發(fā)信的負(fù)責(zé)人的可靠程度來(lái)對(duì)比運(yùn)輸層的TCP協(xié)議（面向連接的服務(wù)）和UDP協(xié)議（無(wú)連接的運(yùn)輸），以此幫助同學(xué)們理解不同的運(yùn)輸層協(xié)議為應(yīng)用程序提供不同的服務(wù)模型。再如，在講解IPV4編址中子網(wǎng)和子網(wǎng)掩碼的時(shí)候，IPv4的IP地址是32位的，形式如http://xxx.xxx.xxx.xxx，每一個(gè)xxx取值都是 0-255。到底是前三個(gè)xxx相同，就代表同一個(gè)子網(wǎng)，還是前兩個(gè)，還是其他？這個(gè)并不一定。就好比小區(qū)有大有小，有的小區(qū)有上千戶人家，有的小區(qū)只有區(qū)區(qū)幾個(gè)。所以，就引入“子網(wǎng)掩碼（Subnet Mask）”來(lái)標(biāo)識(shí)該子網(wǎng)的大小。子網(wǎng)掩碼是用來(lái)判斷任意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址是否屬于同一子網(wǎng)絡(luò)的根據(jù)。最為簡(jiǎn)單的理解就是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)各自的IP地址與子網(wǎng)掩碼進(jìn)行and運(yùn)算后，得出的結(jié)果是相同的，則說(shuō)明這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)是處于同一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)上的，可以進(jìn)行直接的通信。總之，通過(guò)這些貼切的類比，盡可能讓同學(xué)們能真正理解和掌握這些抽象的知識(shí)點(diǎn)。

綜上所述，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信是一門(mén)知識(shí)點(diǎn)繁雜且原理抽象的課程，如何在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生更好地理解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信相關(guān)的“概念、協(xié)議、技術(shù)”，是該課程的教學(xué)中重點(diǎn)探討的問(wèn)題。