面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)研究

魯曄

摘要：在工程教育專業(yè)認(rèn)證的大趨勢下，分析了本科階段計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程教與學(xué)中存在的問題，探討了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程應(yīng)滿足的三大專業(yè)實踐能力：協(xié)議分析能力、組網(wǎng)設(shè)計能力、網(wǎng)絡(luò)編程能力，并針對性地面向工程應(yīng)用提出對應(yīng)的實踐課程創(chuàng)新性設(shè)計方案，從而加強(qiáng)學(xué)生的工程實踐能力，對相關(guān)計算機(jī)課程的實驗教學(xué)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò);創(chuàng)新實驗;專業(yè)認(rèn)證;協(xié)議分析;組網(wǎng)設(shè)計;網(wǎng)絡(luò)編程

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）33-0197-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1研究背景

我國于2016年成為國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員。據(jù)中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會統(tǒng)計，截至2020年底，全國共有257所普通高等學(xué)校1600個專業(yè)通過了工程教育認(rèn)證，涉及電子信息、計算機(jī)等22個工科專業(yè)類。工程教育認(rèn)證已成為國內(nèi)本科教育行業(yè)的廣泛共識。通過工程認(rèn)證，能夠增強(qiáng)我國工科學(xué)生的國際競爭力，在持續(xù)改善的建設(shè)理念下，能夠促使高等教育向好向強(qiáng)轉(zhuǎn)變。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為計算機(jī)大類專業(yè)的核心必修課程，在畢業(yè)生后續(xù)工程實踐和專業(yè)深造中都具有舉足輕重的地位[1]，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程在理論基礎(chǔ)上針對性提高學(xué)生實踐操作能力，課程的設(shè)置符合建立與工程師制度相銜接的工程教育認(rèn)證體系要求，能夠促進(jìn)工程教育與工業(yè)界的聯(lián)系，增強(qiáng)工程教育人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性[2]。然而目前的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程由于學(xué)時、實驗方式、側(cè)重點的不同，往往不能全面開發(fā)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能力，且在執(zhí)行過程中沒有切實地將工程認(rèn)證與行業(yè)認(rèn)證進(jìn)行有效整合，導(dǎo)致學(xué)生的工程能力與行業(yè)的需求存在一定的偏差。因此，有必要梳理工程認(rèn)證與行業(yè)認(rèn)證的切合點，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)大綱中完善并落實。

2工程認(rèn)證與行業(yè)認(rèn)證的融合

工程教育專業(yè)認(rèn)證的主要目的有三點[3]：一是構(gòu)建工程教育質(zhì)量監(jiān)控體系，提高工程教育質(zhì)量;二是建立與工程師制度相銜接的工程教育認(rèn)證體系，促進(jìn)工程教育與工業(yè)界的聯(lián)系;三是促進(jìn)中國工程教育的國際互認(rèn)，提升我國工程技術(shù)人才的國際競爭力。其中第二點應(yīng)該與行業(yè)認(rèn)證相對標(biāo)。目前計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)中，主要的行業(yè)認(rèn)證包括：思科認(rèn)證、華為認(rèn)證等。思科認(rèn)證是由網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域著名的廠商——Cisco公司推出的。是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的國際權(quán)威認(rèn)證。思科認(rèn)證有CCNA、CCDA、CCNP、CCDP、CCSP、CCIP、CCVP、CCIE（又分為針對路由和交換;語音;存儲網(wǎng)絡(luò);安全;電信運(yùn)營商）等多種不同級別、不同內(nèi)容、不同方向的各種認(rèn)證。華為認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)工程師是由華為公司憑借多年信息通信技術(shù)人才培養(yǎng)經(jīng)驗，以層次化的職業(yè)技術(shù)認(rèn)證為指引，推出的覆蓋IP、IT、CT以及ICT融合技術(shù)領(lǐng)域的認(rèn)證體系，是ICT全技術(shù)領(lǐng)域認(rèn)證體系，其中的HCNA和CCNA應(yīng)是本科階段工程認(rèn)證與之匹配的行業(yè)認(rèn)證。在本科階段教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)以HCNA認(rèn)證為目標(biāo)，設(shè)計合理的課程實踐方案，促使學(xué)生具備考取HCNA的能力。

無論思科認(rèn)證還是華為認(rèn)證其涉及的知識點主要為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與組網(wǎng)實施，而協(xié)議分析與設(shè)計能力、網(wǎng)絡(luò)編程能力也是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的兩大重要實踐能力，因此有必要創(chuàng)新性地研究這三方面的實踐能力建設(shè)路線即實踐教學(xué)方案。從而將工程認(rèn)證落到實處。

3面向工程實踐能力的案例設(shè)計

協(xié)議分析能力、組網(wǎng)設(shè)計能力、網(wǎng)絡(luò)編程能力作為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程的主要三個技術(shù)實踐方向，應(yīng)該在本科教學(xué)階段全面兼顧。

3.1面向協(xié)議分析能力的案例設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的主線和重點，通過理論課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握協(xié)議設(shè)計中的各種原理與設(shè)計思想，如可靠傳輸?shù)腡CP協(xié)議，信道爭用的CSMA/CD協(xié)議、IP地址自動分配的DHCP協(xié)議，域名解析的DNS協(xié)議，互聯(lián)互通的IP協(xié)議等等。在理解協(xié)議原理的前提下，能夠分析協(xié)議數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)議逆向是工程教育認(rèn)證與行業(yè)認(rèn)證對畢業(yè)生共同的需求。目前主要的協(xié)議分析工具有Wireshark、Microsoft Network Monitor、Capsa Packet Sniffer等，因此有必要引導(dǎo)學(xué)生掌握現(xiàn)代工具進(jìn)行協(xié)議分析。本節(jié)以WLAN協(xié)議測試及分析為例說明實驗的設(shè)計。

實驗題目：802.11協(xié)議測試與分析

實驗工具：無線路由器、筆記本電腦、Wireshark軟件、wirelessmon軟件。

實驗?zāi)康模杭訌?qiáng)對802.11協(xié)議的物理特性、鏈路特性的掌握，從而提高協(xié)議分析與設(shè)計能力，促使學(xué)生具備分析問題解決問題的工程實踐能力。

實驗環(huán)境：某一家庭網(wǎng)絡(luò)中由一臺無線主機(jī)、Linksys 802.11g AP，兩臺有線PC及路由器等組成，無線主機(jī)和AP工作在6信道上。在某臺計算機(jī)上采用AirPcap和Wireshark采集數(shù)據(jù)并保存在文件Wireshark_802_11.pcap中。由于該網(wǎng)絡(luò)附近還有其他的AP，因此在本實驗中可以看到其他的幀，例如鄰居AP在信道6上發(fā)送的信標(biāo)幀。

主要考察點：802.11協(xié)議的幀格式、信標(biāo)幀、探測幀、數(shù)據(jù)傳輸過程、關(guān)聯(lián)與去關(guān)聯(lián)、信號能量分析。

實驗問題舉例：

1）信標(biāo)幀的兩個接入點的ssid;

2）linksys_sesAP發(fā)送的信標(biāo)幀時間間隔;

3）信標(biāo)幀的源、目的MAC地址;

4）信標(biāo)幀可以支持4種數(shù)據(jù)速率和8個可擴(kuò)展的支持速率;

5）第一個TCP會話的無線主機(jī)的IP地址、目標(biāo)IP地址，此目標(biāo)IP地址與主機(jī)、AP;

6）認(rèn)證消息的數(shù)量;

7）主機(jī)與AP期望的傳輸速率;

8）探測幀中發(fā)送方、接收方和BSS ID MAC地址，及探測幀作用分析

9）信號強(qiáng)度和距離的關(guān)系;

10）Wi-Fi信號和障礙物的關(guān)系。

實驗結(jié)果示例：信號強(qiáng)度的展示。可以從圖1中的 RSSI 項之中看到dbm的值。dbm的值越大越好，所以-31dbm 的Wi-Fi是較強(qiáng)的信號。

3.2面向組網(wǎng)能力的案例設(shè)計

根據(jù)企事業(yè)單位的網(wǎng)絡(luò)需求，進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的基本設(shè)計、IP地址的規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)的部署是本科階段學(xué)生應(yīng)該掌握的第二方面實踐技能，該項技能更加面向行業(yè)應(yīng)用，行業(yè)資格對應(yīng)于華為的HCNA職業(yè)認(rèn)證證書。經(jīng)過該類實驗訓(xùn)練，學(xué)生能夠根據(jù)所學(xué)的IP地址編址規(guī)則，靈活選擇編址方案，能夠熟練進(jìn)行VLAN、VTP、NAPT、VPN、HSRP、MSTP、ACL、DHCP、DNS、HTTP、OSPF、路由重分布等協(xié)議的配置，構(gòu)建可靠，高性價比的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。目前主要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計虛擬仿真軟件主要有Packet tracer、GNS3、eNSP等，本節(jié)以具備兩大園區(qū)的校園網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為例說明實驗方案的設(shè)計。

實驗題目：復(fù)雜校園網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計

實驗工具：Packet tracer、GNS3、eNSP等。

實驗?zāi)康模杭訌?qiáng)對網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層協(xié)議的原理掌握，提高網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的工程實踐能力。

實驗項目需求：復(fù)雜校園網(wǎng)絡(luò)由新、老校區(qū)構(gòu)成。

1）老校區(qū)網(wǎng)絡(luò)需求為：接入層由七臺2950交換機(jī)構(gòu)成，并劃分為VLAN 10（pc0-pc1），20（pc2-pc3），30（pc4-pc5），40（pc6-pc7），50（pc8-pc9），60（pc10-pc11），100（WWW、DHCP、DNS、FTP四個服務(wù)器），匯聚層由三臺3560三層交換機(jī)構(gòu)成，核心層由兩臺3560交換機(jī)構(gòu)成。所有交換機(jī)通過VTP協(xié)議自動學(xué)習(xí)VLAN配置，各三層交換機(jī)運(yùn)行熱備份路由協(xié)議（HSRP）和生成樹協(xié)議（MSTP），為網(wǎng)絡(luò)提供冗余性，各主機(jī)通過DHCP協(xié)議自動獲取IP地址。

2）新校區(qū)網(wǎng)絡(luò)需求為：由兩臺2560交換機(jī)和一臺3560交換機(jī)，若干PC組成，劃分VLAN10（172.16.10.0）、20（172.16.20.0），各子網(wǎng)、主機(jī)、接口IP如圖所示。各路由器可采用OSPF、靜態(tài)路由等技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)。

3）網(wǎng)絡(luò)總體目標(biāo)為：老校區(qū)只有VLAN 10的主機(jī)可以上外網(wǎng);老校區(qū)和新校區(qū)所有主機(jī)服務(wù)器可通過VPN互通;新校區(qū)主機(jī)可通過VPN上外網(wǎng)服務(wù)器;新、老校區(qū)所有主機(jī)均可訪問老校區(qū)所有服務(wù)器資源;老校區(qū)主機(jī)的IP地址可實現(xiàn)自動分配，老校區(qū)提供冗余性網(wǎng)絡(luò)支持。

實驗拓?fù)淙鐖D2所示，紅色框內(nèi)為老校區(qū)網(wǎng)絡(luò)，紫色框內(nèi)為新校區(qū)網(wǎng)絡(luò)，綠色框內(nèi)為經(jīng)過公網(wǎng)架設(shè)的GREVPN網(wǎng)絡(luò)，黑色框為模擬的外部網(wǎng)絡(luò)。

3.3面向網(wǎng)絡(luò)編程能力的案例設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)編程能力，即Socket編程是本科階段的第三大重要網(wǎng)絡(luò)實踐能力，該項技能融合了經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)編程原理，可以采用多種編程語言實現(xiàn)，同時可以結(jié)合較新的IT技術(shù)進(jìn)行深度網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)，如結(jié)合人工智能、區(qū)塊鏈、云計算等方向。通過典型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例，幫助學(xué)生將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的知識點應(yīng)用到實際的項目開發(fā)中，加深學(xué)生對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解并熟悉其應(yīng)用，包括HTTP協(xié)議、SMTP協(xié)議、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議、RPC協(xié)議等。同時，通過對私有和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)，加深對協(xié)議設(shè)計原則的理解，增強(qiáng)對操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核函數(shù)的掌握。本節(jié)以百度云服務(wù)結(jié)合http協(xié)議為例說明實驗案例的設(shè)計，可采用Python、Java、C++等語言開發(fā)，可選的實驗題目如表1所示。

實驗工具：筆記本電腦、pycharm、相關(guān)庫函數(shù)

實驗?zāi)康模杭訌?qiáng)對HTTP協(xié)議的原理掌握，提高網(wǎng)絡(luò)編程的工程實踐能力。

實驗項目需求：利用百度智能云服務(wù)對http協(xié)議提交的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，輸出解析結(jié)果。

系統(tǒng)開發(fā)的主要流程如圖3所示：

4結(jié)束語

工程教育專業(yè)認(rèn)證的初衷是持續(xù)提高學(xué)生的專業(yè)能力，使學(xué)生具備較強(qiáng)的工程實踐能力，即工程師能力。作為與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論課程配套的實驗課程，則是切實提高畢業(yè)生工程實踐能力的主要工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)，通過將工程認(rèn)證與網(wǎng)絡(luò)行業(yè)職業(yè)認(rèn)證對標(biāo)分析，提出了三個方向的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實踐能力，并給出對應(yīng)方向的實驗設(shè)計案例。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門隨時代發(fā)展快速更迭的專業(yè)課程，在實踐課程的設(shè)計上應(yīng)該緊跟時代步伐，充分融入最新的IT技術(shù)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)老師的業(yè)務(wù)能力，持續(xù)地對教學(xué)案例進(jìn)行改進(jìn)，才能真正地實現(xiàn)工程教育專業(yè)認(rèn)證與行業(yè)職業(yè)能力認(rèn)證的一致。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】