非網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

李俊，金瑜，李波（武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430065）

非網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

李俊，金瑜，李波
（武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430065）

0　引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》的重要教學(xué)環(huán)節(jié)［1］。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念、原理、組成、協(xié)議和設(shè)計(jì)方法。武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院現(xiàn)在有網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和信息安全等專業(yè)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的學(xué)生而言，有比較成熟的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)體系。但對(duì)于非網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的學(xué)生而言，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》這門課程的配套實(shí)驗(yàn)，缺乏單獨(dú)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程。另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較陳舊：如雙絞線線纜的制作等操作型實(shí)驗(yàn)，用Packet Tracer等仿真工具來(lái)設(shè)置靜態(tài)路由等驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)Web服務(wù)器的建立、管理和使用等簡(jiǎn)單應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重要的概念、原理、協(xié)議都很少涉及，因此對(duì)學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)幫助并不大。

為了更好地幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)，計(jì)算機(jī)學(xué)院在2011年與銳捷網(wǎng)絡(luò)公司合作重新組建了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。除了硬件得到大規(guī)模提升外，實(shí)驗(yàn)室還增加了很多協(xié)議仿真設(shè)備。通過(guò)這些仿真設(shè)備，學(xué)生可以初步了解協(xié)議的工作過(guò)程。如何把這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備與組網(wǎng)聯(lián)合起來(lái)、如何更好地讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、如何讓學(xué)生在編程中更好了解協(xié)議，這些都是本文重點(diǎn)闡述的內(nèi)容。

1　實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者精心設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。以以太網(wǎng)幀格式實(shí)驗(yàn)為例。整個(gè)以太網(wǎng)幀格式實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)：①幀格式分析；②編程實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)幀格式封裝。

1.1以太網(wǎng)幀格式分析

（1）基礎(chǔ)知識(shí)

按802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)如表1所示（802.3標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet幀結(jié)構(gòu)由7部分組成）。其中，幀數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度為46B。如果幀的LLC數(shù)據(jù)少于46B，則應(yīng)將數(shù)據(jù)字段填充至46B。填充字符是任意的，不計(jì)入長(zhǎng)度字段值中。

表1　802.3標(biāo)準(zhǔn)的幀結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1所示。其中使用了交換機(jī)1臺(tái)，PC兩臺(tái)。

圖1　以太網(wǎng)幀格式分析實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖

實(shí)驗(yàn)步驟［2］：

·按圖1所示連接好設(shè)備，正確配置PC1和PC2 的IP地址。

·在PC1和PC2的命令行窗口上運(yùn)行net start messenger命令。

·在PC2上運(yùn)行Sniffer Pro軟件截獲報(bào)文，然后進(jìn)入PC1的Windows命令行窗口，執(zhí)行如下命令：net send 172.16.1.102 hello world。

·對(duì)截獲的報(bào)文進(jìn)行分析，體會(huì)802.3MAC幀的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（組網(wǎng)）、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)命令有個(gè)基本了解，對(duì)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)有明確的認(rèn)識(shí)。分析以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)只是掌握了基本知識(shí)，下一步讓學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)IEEE 802.3以太網(wǎng)幀封裝。

幀的結(jié)構(gòu)如表1所示。在校驗(yàn)字段中，使用的是CRC校驗(yàn)。校驗(yàn)的范圍包括目的地址字段、源地址字段、長(zhǎng)度字段、LLC數(shù)據(jù)字段。

實(shí)驗(yàn)基本要求包括：①要求畫出界面，以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分、源MAC地址和目的MAC地址均從界面輸入；②計(jì)算后的校驗(yàn)和字段和封裝后的結(jié)果可以從界面上輸出；③生成多項(xiàng)式G（X）=X32+X26+X23+X22+X16+ X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+1；④使用的操作系統(tǒng)、語(yǔ)言和編譯環(huán)境不限。

考慮到學(xué)生編程能力的差異性，教師在布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)的時(shí)候可以詳細(xì)講述程序的幾個(gè)關(guān)鍵模塊：以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、幀各字段的填充及CRC校驗(yàn)算法的實(shí)現(xiàn)［3］。另外對(duì)少數(shù)編程能力強(qiáng)的學(xué)生可以提一些擴(kuò)展要求：能夠?qū)崿F(xiàn)CRC計(jì)算過(guò)程的可視化；能夠從界面上控制程序的運(yùn)行等。

學(xué)生兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)完整做完，可以很好掌握幀封裝的理論知識(shí)，并且能編程實(shí)現(xiàn)。類似的實(shí)驗(yàn)安排包括ARP地址解析協(xié)議、UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議等。尤其是ARP地址解析協(xié)議，拓?fù)漭^復(fù)雜，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置命令，掌握相關(guān)操作知識(shí)。

2　實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織方式

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)施依賴于有序規(guī)范的教學(xué)組織［4］。

（1）帶著少數(shù)學(xué)生先做

現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是小班教學(xué)，即一個(gè)教學(xué)班的上課人數(shù)不多于45人。但是若45人同時(shí)做實(shí)驗(yàn)，特別是做拓?fù)溥B接實(shí)驗(yàn)，提前不采取有效預(yù)習(xí)等措施，往往教師在實(shí)驗(yàn)室講多遍，學(xué)生大部分也聽不明白，最終也做不出來(lái)。因此，教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可以采用帶著少數(shù)學(xué)生先做的方法。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備連接比較復(fù)雜。尤其是配置網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常出錯(cuò)。教師提前選出幾個(gè)學(xué)生，讓這些學(xué)生跟著教師先做一遍。在全班學(xué)生一起做實(shí)驗(yàn)時(shí)，相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)室里有幾位“小老師”。這些“小老師”會(huì)手把手教會(huì)周圍幾個(gè)學(xué)生。這樣實(shí)驗(yàn)完成率會(huì)大大提升。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分層次、獨(dú)立完成并嚴(yán)格驗(yàn)收

學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度或者動(dòng)手能力有些差異。這種差異是客觀存在的。但往往學(xué)生會(huì)造成“一個(gè)組一個(gè)人完成”的現(xiàn)象。針對(duì)這種現(xiàn)象，教師不能視而不見?？梢栽趦?nèi)容設(shè)置上分為基本要求和擴(kuò)展要求，并且要求每位學(xué)生至少完成基本要求。并且在考核時(shí)嚴(yán)格驗(yàn)收：首先考慮的因素是獨(dú)立完成，其次是完成的質(zhì)量。

3　教學(xué)效果反饋

通過(guò)以上的教學(xué)內(nèi)容和組織方式，教學(xué)效果提升明顯。具體表現(xiàn)在：

（1）學(xué)生上課積極性高，實(shí)驗(yàn)獨(dú)立完成率大大提升。之前學(xué)生覺(jué)得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教材脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)中草草應(yīng)付?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與理論教學(xué)密切相關(guān)，做完分析實(shí)驗(yàn)后學(xué)生的成就感非常強(qiáng)烈。

（2）教師增進(jìn)了對(duì)學(xué)生的了解。通過(guò)編程，少數(shù)學(xué)生的潛力被進(jìn)一步挖掘。教師也可以把這部分學(xué)生進(jìn)一步充實(shí)到科研團(tuán)隊(duì)中。這對(duì)教師和學(xué)生都是一個(gè)雙贏的結(jié)果。

4　結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從2012年年初開始實(shí)施。對(duì)比之前沒(méi)有采用這種教學(xué)方法的學(xué)生，近三年的學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容更感興趣，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)掌握得更好。下一步，將重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的綜合開發(fā)能力。

［1］李曉卉.電子信息類專業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［J］.計(jì)算機(jī)教育，2014（14）

［2］金瑜，王建勇，楊湘.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程［M］.科學(xué)出版社，2013

［3］吳英.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件編程技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2010

［4］李沛，郭滕達(dá).非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)教育，2014，（19）.

Computer Network；Experiment Teaching；Teaching Content

Discussion on Computer Network Experiment Teaching for Non-Network Major

LI Jun，JIN Yu，LI Bo
（College of Computer Science and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065）

1007-1423（2015）10-0043-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.10.012

李?。?978-），男，湖北黃石人，博士，副教授，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理

金瑜（1973-），女，湖北應(yīng)城人，博士，副教授，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算

李波（1975-），男，湖北武漢人，博士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別

2015-02-03

2015-03-06

結(jié)合武漢科技大學(xué)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織方式和教學(xué)效果等三個(gè)方面進(jìn)行探討。以以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)為例對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。幀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)包括組網(wǎng)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)命令、幀結(jié)構(gòu)分析以及編程等方面內(nèi)容。三年實(shí)踐教學(xué)表明實(shí)驗(yàn)效果良好。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)內(nèi)容

武漢科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（No.Yjg201422）

Based on the practical experiment teaching experience of the Computer Network course，tries to analyze the present teaching situation，and discusses the experiment teaching from three perspectives：teaching content，organization way，and teaching effect.Takes Ethernet frame structure experiment as an example，describes experiment content in details.Ethernet frame structure experiment includes networking，network command，frame structure analysis and programming.Three years of teaching practice shows good results.