丁思淼,韓 哲,龔 蕾
(洛陽(yáng)理工學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)
應(yīng)用型本科是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型教學(xué)模式,中華人民共和國(guó)教育部發(fā)展規(guī)劃司于2019年發(fā)布的《支持應(yīng)用型本科高校發(fā)展有關(guān)工作情況》再次明確了普通本科高等學(xué)校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的發(fā)展目標(biāo)[1]。對(duì)于地方應(yīng)用型本科高校而言,需要在新工科的時(shí)代需求下,改革教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)過(guò)程,為地方社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型和技能型人才[2]。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為典型的工科專業(yè),工程實(shí)踐性強(qiáng),其專業(yè)特色決定了在新工科背景下提升應(yīng)用型人才網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐技能水平對(duì)學(xué)生就業(yè)和地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展都有著重要意義[3]。
華為交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備目前已占據(jù)中國(guó)市場(chǎng)第一的份額,每年人才市場(chǎng)都需要大量掌握華為設(shè)備交換路由技術(shù)的人才。若采用真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程組網(wǎng)實(shí)踐成本較高,學(xué)生需要進(jìn)行分組實(shí)踐,不能獨(dú)立對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置測(cè)試,同時(shí)場(chǎng)地大小也限制了多層跨子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯罱ㄒ?guī)模[4-5]。eNSP模擬器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)華為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的仿真,在不增加較多成本條件下可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行多層跨子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕M網(wǎng)過(guò)程,對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作和配置過(guò)程與真實(shí)華為設(shè)備一致,進(jìn)而幫助學(xué)生掌握華為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置技能,提升應(yīng)用型本科院校學(xué)生在就業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力[6]。本文擬對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中采用eNSP模擬器輔助教學(xué)展開(kāi)探究。
物聯(lián)網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng),由傳統(tǒng)為人機(jī)交互提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向人與物和物與物交互拓展,其本質(zhì)和核心仍然是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程不僅是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程,還是無(wú)線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信等專業(yè)課程的基礎(chǔ)[7-8]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程知識(shí)點(diǎn)繁雜,各層均涉及多種協(xié)議,傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)中往往利用各類抓包軟件和數(shù)據(jù)分析工具分析各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元信息來(lái)加深學(xué)生對(duì)各層協(xié)議的掌握[9-10],但整體內(nèi)容偏理論教學(xué),缺乏對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)配置和整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的邏輯梳理。應(yīng)用型本科院校立足應(yīng)用型人才培育,更傾向于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和技能水平,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與社會(huì)所需應(yīng)用人才的網(wǎng)絡(luò)技能有較大的脫節(jié)。
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及各體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)協(xié)議和設(shè)備原理,課程涉及知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容量大、邏輯性強(qiáng),理論教學(xué)過(guò)程中針對(duì)各類協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)講解時(shí)容易碰到學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容接受困難,不能很好地將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合梳理出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信邏輯。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸分層示意圖如圖1所示。
圖1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸分層示意圖
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的五層體系結(jié)構(gòu)中,應(yīng)用層和運(yùn)輸層運(yùn)行在終端設(shè)備上,為用戶實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備應(yīng)用進(jìn)程到應(yīng)用進(jìn)程之間的通信過(guò)程和與終端用戶的交互過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)作完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從發(fā)送主機(jī)到接收主機(jī)的通信過(guò)程,其中物理層位于整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)底層,實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制比特流在物理介質(zhì)上的傳輸過(guò)程,并不牽涉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置。社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)方面的人才技能的需求主要集中于網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、配置和故障檢測(cè)處理等方面。對(duì)于應(yīng)用型本科院校而言,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程內(nèi)容中的重難點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及兩層之間的銜接配合。
數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中相鄰節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸,該層協(xié)議主要涉及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、廣播傳輸和以太網(wǎng)交換傳輸?shù)认嚓P(guān)內(nèi)容。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,選取不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝、傳輸和校驗(yàn)。在工程應(yīng)用中,以太網(wǎng)由于簡(jiǎn)單廉價(jià)等特點(diǎn)壟斷了局域網(wǎng)市場(chǎng),社會(huì)中組建園區(qū)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景中,最常用的是以太網(wǎng)虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù),VLAN技術(shù)原理簡(jiǎn)單,在理論教學(xué)中并不作為重難點(diǎn)介紹,但這容易使學(xué)生忽視對(duì)虛擬VLAN配置技能的掌握。
網(wǎng)絡(luò)層在數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中發(fā)送端到接收端之間的數(shù)據(jù)傳輸,該層協(xié)議主要涉及數(shù)據(jù)網(wǎng)際傳輸、控制數(shù)據(jù)傳輸和路由選擇等相關(guān)內(nèi)容,是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論課程中的核心章節(jié),也是實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)組網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用所需技術(shù)中與理論知識(shí)結(jié)合較為緊密,但各知識(shí)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)原理較為獨(dú)立,邏輯性較強(qiáng),不便于學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)層知識(shí)的系統(tǒng)掌握。
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信設(shè)備分別在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)單元存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā),在功能上相互配合完成數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收端的整體過(guò)程,各層為實(shí)現(xiàn)自己的傳輸任務(wù)分別依托多種相關(guān)協(xié)議,在進(jìn)行理論知識(shí)的教學(xué)過(guò)程中需要分別對(duì)各層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行詳細(xì)講授,在傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中通常分別對(duì)各層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行抓包分析,或者對(duì)各層組網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行分層實(shí)踐,并沒(méi)有對(duì)實(shí)際傳輸邏輯進(jìn)行系統(tǒng)梳理。實(shí)際傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層是相互配合完成傳輸任務(wù),學(xué)生缺乏真實(shí)組網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置試錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn),容易在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生邏輯理解偏差。
數(shù)通網(wǎng)絡(luò)工程師崗位職責(zé)中局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的規(guī)劃和實(shí)施占據(jù)著重要地位,各類別對(duì)應(yīng)理論層次和相關(guān)協(xié)議見(jiàn)表1所列。
表1 數(shù)通網(wǎng)絡(luò)工程師主要崗位職責(zé)類別對(duì)應(yīng)的技術(shù)和相關(guān)理論
在理論教學(xué)過(guò)程中會(huì)對(duì)子網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行較為詳細(xì)的講解,實(shí)踐教學(xué)過(guò)程需要輔助路由器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,學(xué)生可以通過(guò)eNSP模擬器對(duì)華為系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行仿真配置實(shí)踐,通過(guò)實(shí)踐過(guò)程進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解,同時(shí)提升自身的組網(wǎng)規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)能力。
數(shù)據(jù)鏈路層處于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的底層,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)處理該層協(xié)議數(shù)據(jù)單元獲取MAC地址和端口號(hào)等信息實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的通信過(guò)程,理論知識(shí)教學(xué)過(guò)程中側(cè)重于對(duì)基本功能、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道傳輸協(xié)議、廣播信道傳輸協(xié)議、以太網(wǎng)沖突避免協(xié)議和交換機(jī)的工作原理等內(nèi)容的教授,實(shí)際組網(wǎng)中則注重在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)中跨交換機(jī)VLAN的配置和應(yīng)用。
理論教學(xué)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)的主要功能和相關(guān)協(xié)議的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹,對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層的多種組網(wǎng)方式都進(jìn)行了相應(yīng)的講解。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中,需要向?qū)W生說(shuō)明實(shí)際互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中局域網(wǎng)通信被以太網(wǎng)占據(jù)了市場(chǎng),以太網(wǎng)分為共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng),現(xiàn)在市場(chǎng)上最常用的是以交換機(jī)為通信設(shè)備的交換式以太網(wǎng),幫助學(xué)生梳理清楚數(shù)據(jù)鏈路層的理論知識(shí)和實(shí)踐技能的共同點(diǎn)和差異點(diǎn),使學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中心中有數(shù)。
采用eNSP模擬器輔助數(shù)據(jù)鏈路層教學(xué)的過(guò)程中,以圖2所示二層VLAN跨交換機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例,進(jìn)行交換機(jī)和終端設(shè)備的配置實(shí)踐,學(xué)生通過(guò)對(duì)模擬器中的交換機(jī)進(jìn)行二層配置,并結(jié)合終端相關(guān)配置,實(shí)現(xiàn)跨交換機(jī)的VLAN通信過(guò)程。
圖2 二層VLAN跨交換機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在配置過(guò)程中,在模擬器中通過(guò)對(duì)交換機(jī)互聯(lián)trunk端口和access端口的配置,結(jié)合虛擬終端命令行,利用ping命令測(cè)試網(wǎng)絡(luò)各終端的連通性,幫助學(xué)生形象體驗(yàn)VLAN對(duì)于廣播域的隔離效果。通過(guò)在模擬器中對(duì)各連接端口數(shù)據(jù)流進(jìn)行抓包分析,幫助學(xué)生加深對(duì)廣播信道傳輸協(xié)議、以太網(wǎng)沖突避免協(xié)議的掌握。通過(guò)對(duì)模擬器中交換機(jī)MAC表的查看,幫助學(xué)生加深對(duì)交換機(jī)工作原理的理解。
網(wǎng)絡(luò)層位于數(shù)據(jù)鏈路層之上,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)處理該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元獲取IP地址和下一跳等信息,利用數(shù)據(jù)鏈路層提供的相鄰節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩说耐ㄐ胚^(guò)程。理論知識(shí)教學(xué)過(guò)程中側(cè)重對(duì)IP編址方式、子網(wǎng)規(guī)劃、地址解析協(xié)議、數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)流程、路由選擇協(xié)議、虛擬專用網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換等內(nèi)容的講授,實(shí)際組網(wǎng)中側(cè)重于子網(wǎng)規(guī)劃、跨子網(wǎng)通信的配置和應(yīng)用、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)路由配置、網(wǎng)絡(luò)故障排查與解決等。網(wǎng)絡(luò)層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論和實(shí)踐教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容,理論課程中所涉及內(nèi)容均在實(shí)踐過(guò)程中有所體現(xiàn),差異在于理論課程中主要對(duì)各協(xié)議原理和運(yùn)行流程進(jìn)行學(xué)習(xí),實(shí)踐課程中主要對(duì)各協(xié)議進(jìn)行配置應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。采用eNSP模擬器輔助網(wǎng)絡(luò)層教學(xué)過(guò)程中,以圖3所示三層跨子網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例進(jìn)行路由器、交換機(jī)和終端設(shè)備的配置實(shí)踐。
圖3 三層跨子網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在實(shí)踐過(guò)程中,通過(guò)在模擬器上搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),幫助學(xué)生實(shí)踐子網(wǎng)地址規(guī)劃,學(xué)會(huì)將子網(wǎng)劃分的理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐技能應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過(guò)程。通過(guò)單個(gè)三層交換機(jī)跨子網(wǎng)通信配置,加深學(xué)生對(duì)子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)和直連路由的理解。通過(guò)多個(gè)三層交換機(jī)跨子網(wǎng)通信配置,幫助學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由的差別。通過(guò)查看配置后的路由器表項(xiàng)并使用tracert路由跟蹤命令查看數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端所經(jīng)路徑,幫助學(xué)生梳理網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)層的傳輸流程和路由器的工作原理,并學(xué)會(huì)分析網(wǎng)絡(luò)故障原因。通過(guò)配置聚合路由、缺省路由和動(dòng)態(tài)路由,幫助學(xué)生了解聚合路由和缺省路由的存在意義和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化思路。通過(guò)配置網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議,加深學(xué)生對(duì)公網(wǎng)地址和內(nèi)網(wǎng)地址概念的掌握,幫助學(xué)生掌握互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)配置的技能。
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)過(guò)程中,所要求的主要技能為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)踐,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備牽涉到的理論內(nèi)容集中在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的銜接傳輸,即網(wǎng)絡(luò)層依據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層提供的點(diǎn)到點(diǎn)通信服務(wù),實(shí)現(xiàn)發(fā)送端到接收端通信服務(wù)的過(guò)程。端到端數(shù)據(jù)通信流程如圖4所示,網(wǎng)絡(luò)層IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層MAC地址相互配合完成數(shù)據(jù)從發(fā)送端主機(jī)到接收端主機(jī)的傳輸過(guò)程。各層之間相互依存,而不是相互替代,數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層作為整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的重點(diǎn),包含知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容量大、邏輯性強(qiáng),每層都有各自相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的協(xié)議,各層協(xié)議如何相互配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)過(guò)程中的難點(diǎn)。
圖4 端到端數(shù)據(jù)通信流程
在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)抓包、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議銜接配合過(guò)程時(shí),由于網(wǎng)絡(luò)通信情況復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大,學(xué)生較難從復(fù)雜數(shù)據(jù)中查找到相關(guān)協(xié)議數(shù)據(jù)。在eNSP模擬器中搭建如圖3所示的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備各接口處抓包通信數(shù)據(jù),由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通過(guò)接口的數(shù)據(jù)量較單一,學(xué)生可以清晰地找到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過(guò)對(duì)地址解析協(xié)議數(shù)據(jù)的分析,幫助學(xué)生掌握地址解析協(xié)議的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程。通過(guò)在各節(jié)點(diǎn)查看路由表、MAC表和ARP高速緩存表并分析各表項(xiàng)內(nèi)容意義,幫助學(xué)生梳理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流程,掌握網(wǎng)絡(luò)層如何利用數(shù)據(jù)鏈路層提供點(diǎn)到點(diǎn)傳輸服務(wù)、實(shí)現(xiàn)端到端傳輸服務(wù)。
應(yīng)用型本科院校注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合應(yīng)用能力。鑒于此,本文依據(jù)應(yīng)用型本科院校辦學(xué)定位,設(shè)計(jì)并實(shí)踐了基于華為eNSP模擬器輔助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層教學(xué)的過(guò)程,在數(shù)據(jù)鏈路層教學(xué)過(guò)程中采用二層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒咐诰W(wǎng)絡(luò)層教學(xué)過(guò)程中采用三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒咐?,通過(guò)對(duì)三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣涌谕ㄐ艛?shù)據(jù)抓包,加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸邏輯的梳理和掌握。實(shí)踐結(jié)果表明,該教學(xué)方式可以有效提升學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)熱情,實(shí)現(xiàn)通過(guò)理論知識(shí)來(lái)輔助學(xué)生實(shí)踐,通過(guò)實(shí)踐過(guò)程反向輔助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解,達(dá)到了較好的教學(xué)效果。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2022年11期